农村水电站励磁系统的改造

2023年12月23日发(作者：焦竑)

小水电２０１２年第５艄（总第１６７期）　技术改造　农村水电站励磁系统的改造　刘庆新（白云山水利水电管理局　江西吉安３４３０６２）　卢任文（华自科技股份有限公司　湖南长沙４１０２０５）　【摘要】农村水电站中，励磁３－统是影响发电的主要设备。结合农村水电站励磁系统的现状，提出了相应的改进措　施；新技术的应用，可以让这些老水电站取得很好的经济效益。图ｌＯ幅。　【关键词】水电站励磁系统技术改造新技术　１农村小水电励磁系统的现状　我国的小水电资源分布很广，在全国２　０００多　多，严重影响了机组安全运行，影响了水电站的经　济效益，故必须加以更新改造。　目前农村水电站的励磁系统，由于设备陈旧、　技术落后，往往存在励磁不足，带不起无功；或是　只能单机发电，不能多机并网；或是并网后，无功　个县（市）中，有１　５００多个县有可开发的小水电　资源，其中可开发量在１０　０００　ｋＷ以上的县有１　１００　多个，共建有水电站４．８万多座。　在农村水电站中，占７５％一８０％以上是４００　Ｖ　的发电机，它们的单机容量一般都是在８００　ｋＷ以　下。在满足中国农村的用电需求中，这些水电站发　分配不合理；或是机组功率不能满发；或是运行不　稳定，发生振荡等现象。　２农村小水电励磁系统的改造　２．１三次谐波式励磁系统　挥了巨大的作用。由于大多数小型水电站都是在　２０世纪９０年代以前投运的，年代长久，设备老　化，运行时不能达到最高的效率，而且安全方面也　存在很大的隐患。　此外，这些小型水电站的励磁系统也是各种各　三次谐波励磁发电机的结构简单，使用方便，　但在设计该发电机的励磁系统时，即确定三次谐波　绕组匝数时，往往要借助试验才能确定，而且波动　性较大。这种发电机在单机孤网运行时，还是不错　的，但是不能多台同网运行，尤其是并网困难。有　些发电机是无刷励磁系统，有些发电机是有刷励磁　样的。具体有三次凿波励磁恒压装置、电抗器移相　式相复励励磁装置、电容器移相式相复励励磁装　置、磁耦合电抗移相式相复励自励恒压装置、可控　相复励自励恒压装置、可控硅自励恒压装置、无刷　励磁等。由于投运年代久远，目前设备大多已老　系统，在小容量发电机中，有不少的使用（见图　１、图２）。　化，基于当时的资金和技术水平，采用的技术都已　落后，尤其是没有调差的功能，不能多台机组并网　运行，使各机组无功分配不均匀；同时其故障较　Ａ　Ｂ　Ｃ　收稿日期：２０１２—０６—２７　作者简介：刘庆新（１９６７一），男，工程师，主要从事水电　站电气自动化运行检修和管理工作。　Ｅｍｍｌ：ｂｙｓｌｑｘ＠１２６．ｔｏｍ　图１　单相三次谐波励磁系统　・４７・　

技术改造　Ａ　Ｂ　Ｃ　图２三相谐波励磁系统　２．２三次谐波式发电机的并网　２．２．１并网现象综述　因一些小水电站发电机励磁系统性能太差，使　发电机不能并网运行，造成便宜的水电不能有效利　用；但通过适当的技术改造，可以使小水电站容易　并网，补充部分乡镇电网用电。　三次谐波励磁发电机组在单机运行时比较稳　定，但与大电网并联时，会出现运行不稳定甚至并　不上网的现象。　当机组并入电网瞬间，发电机空载电势低于电　网电压　．、，并网后发电机将出现向电网吸收无功　的现象，在过度欠励状态下，容易发生有功及无功　振荡，甚至解列。因此如电网电压ｕ　偏高，为避　免发电机过度欠励，必须降低发电机的有功出力，　以维持它与电网的并联运行。　若当机组并入电网前瞬间发电机电压　高于　Ｕ　，并网后ＵＦ等于Ｕ。，此时发电机发出感性无　功电流，处于过励状态，从而出现抢发无功现象，　情况严重时，可能引起发电机过热。当机组之间并　列或并人小电网运行时，由于本机抢发无功，其余　机组吸收无功，使机组问出现无功环流，会导致发　电机出现过热的不正常运行状况。　２．２．２解决方案　１）基波与三次谐波混合励磁　基波励磁电源取自发电机出线Ａ及中性点Ｎ　（２２０　Ｖ），经行灯变压器Ｂ降压及桥式整流后，串　接于原三次谐波励磁回路中，组成基波与谐波混合　励磁（见图３）。其补偿优点是：它的容量稳定可　・４Ｒ・　ＳＭＡＬＬ　ＨＹＤＲＯ　ＰＯＷＥＲ　２０１２１Ｖｏ５，Ｔｏｔａｌ　Ｎｏ１６７　靠，当电网电压Ｕ　偏高时补偿增强；当Ｕ　偏低　时其补偿作用则减弱，使发电机能合理分配无功功　率，达到并网稳定运行的目的。　２）三次谐波绕组并接电容器　如果无功功率发不足，则表示励磁功率不足。　一种简易的解决办法是在三次谐波绕组的出Ｅｌ处并　接电容器补偿，效果良好。实际应用时，Ｃ可由几　组电容并联而成，可根据需要的补偿程度来增减调　节并入的电容器组数。　炭刷　发电机　图３基波加三次谐波混合励磁　电容器的选择可由　：　来计算；当感抗与　１励　容抗值相等时（Ｘｃ＝Ｘ　）效果最佳，即电容器的　容量为：　，１一上一上一　一　一２ｚｆｒＸｃ一２ａ＇ｆＸＬ一２ｒｃｆＵｍ一３１４　励　，励　据此式计算结果，选用稍大于计算值的标准电　容器，并根据需要分成若干组，并接于谐波绕组出　口处，电容器的耐压要求为２．５　励～３　励值。　３）增加升压变压器高压线卷　三次谐波励磁的发电机由于上网的无功不足，　为了增加多发无功，拼命增加励磁电流，会使发电　机电压超高，往往￣１１４２０　Ｖ以上。解决这一问题的　有效措施是改造变压器的高压侧线卷。可将变压器　一次增加线圈匝数，改原电压调整率±５％为　±１０％，改造后分接开关置于＋１０％，发电机运行　稳定，调节灵活Ｅ１　Ｊ。　４）采用无刷励磁调节器　无刷励磁调节器控制无刷励磁同步发电机的励　

小水电２０１２年第５期（总第１６７期）　磁机的励磁电流，主要用于小型同步发电机组的励　磁电源的自动调节，该调节器能满足发电机单机或　并网等运行要求。在多台机组并网时，能合理地分　配无功（即有好的调差功能）。　现以三相三次谐波励磁为例进行说明。图４中　无刷励磁调节器采集发电机的电流、电压，可根据　发电机发电的要求，自动调节三相半控整流桥，控　制晶闸管的触发角，从而控制励磁机的励磁电流　（见图４）。励磁调节器还可以采集励磁电流、励磁　电压，在其液晶液晶屏上显示，并可通过ＲＳ４８５通　讯口提供给上位机。三相三次谐波电压经三相半控　整流桥后，形成可控的励磁电流，提供给励磁机。　励磁机的定子绕组与发电机同轴旋转，其电压经旋　转整流桥整流成可控的励磁电流，提供给发电机励磁。　发电机　图４无刷励磁调节器的应用　这种励磁调节器还可用于许多永磁机的励磁系　统。它们往往可能有１００、１５０、２００、３００、４００、　５００　Ｈｚ等不同的谐波频率，只要更改励磁调节器中　的晶振频率，就可以满足不同谐波频率的要求。　２．３双绕组电抗分流式励磁系统的改造　在农村水电站中，很多机组都采用双绕组电抗　分流式自励恒压装置，其结构简单，运行方便，维　护工作量小。这种发电机的定子有１个附加绕组，　作为励磁的能源，并用１个分流电抗器，采用三相　桥式整流励磁（见图５）。这种励磁系统以简单的　励磁结构，良好的恒压性能，赢得了在小水电中的　重要地位。这种机型在单机运行时性能非常优越，　技术改造　但在几台机并列运行或与：犬电网联网运行时，就暴　露出了缺点，如无功负载：不能合理分配，运行不稳　定，易发生振荡，有的机组甚至不能运行等。　图５双绕组电抗分流式励磁系统　改造办法之一是去掉分流电抗器，采用微机励　磁控制器，小容量的发电机可以改为单相半控桥式　整流励磁（见图６）。微机励磁控制器应该采集发　电机电压和发电机电流，以此来调节励磁电压和励　磁电流。如果还能采集励磁电压、励磁电流，加上　ＲＳ４８５通讯口，可以组成少人值班或无人值班的水　电站自动控制系统。　图６采用单相半控桥的微机励磁调节器　容量大的发电机采用三相半控桥式整流励磁　（见图７）。按此原理图改造后，经试验证明，电压　调整范围、调压精度、调差率都非常满意，多台机　组并联运行非常稳定，维护也很容易。　除了去掉分流电抗器外，还可以去掉附加绕　组，这样就可以重绕发电机定子绕组，增加发电机　容量，一般可以增加２０％左右的容量。　・４９・　

技术改造　图７采用三相半控桥的微机励磁调节器　２．４相复励变压器式励磁系统的改造　这种励磁系统由相复励变压器、可调电抗器和　半导体整流器等部分组成。相复励变压器是１台三　相三绕组变压器，它的每相有３个绕组，即电压绕　组　、电流绕组　ｉ和输出绕组　；其中　和　ｉ是相复励变压器的输入绕组（见图８）。　图８相复励变压器式励磁系统　当发电机空载时，发电机副绕组电压通过变流　器副方绕组　，经其激磁电抗器的移相作用，渠　供１个与发电机电压相应的励磁电流分量，由整流　桥整流后，供给发电机励磁绕组，自励建立给定的　发电机电压。当发电机负载时，发电机负载电流，　通过相复励变压器的电流绕组　，经变流后，输　出绕组　提供１个与发电机负载电流相应的励磁　电流分量，迭加整流后供给发电机负载时所需励磁　电流，由于复励分量的相位补偿作用，使发电机端　电压近于恒定。这种发电机能够自动维持发电机端　电压在一定水平，一般维持电压变化在±５％额定　・　５０・　量　垦　！三　，　垒　电压范围内。　这种励磁方式主要是存在的电压调节范围窄、　稳定性差、不能合理分配无动负荷等问题。一种简　易的改造办法是将可调电抗器改换成自藕变压器，　这样对励磁变压器的输出电压就可根据实际需要进　行手动调节。　最好的办法还是按图６一样，采用微机励磁调　节器，无论是无功调节，并网，多台发电机的无功　合理分配都能很好地解决。容量较大的发电机，可　采用图７的三相半控桥电路。　２．５励磁系统改造中应注意的问题　在水电站增效扩容的改造中，采用更换转轮、　改造发电机（重绕定子线圈和转子线圈）等方式增　容后，往往可以增加２０％～２５％的容量，此时应　注意也要增加励磁系统的容量至少１０％（注意励　磁变也要配套增容），否则还是得不到预期的增容　效果。　有些水电站各种设备（包括励磁系统）都没有　什么问题，就是无功不能满发，不管如何调节，总　是无功不足。解决办法之一是采用发电机并接电容　器的办法来增加无功，此时还可以增加有功功率，　让发电机全部视在功率都发有功功率（见图９）。　４００Ｖ　——————广　盅　巾‘　Ａ　熔　（　１２｛　发Ｉ　图９发电机并电容器增加无功　３采用励磁系统的新技术　现在电子技术与计算机技术都在飞速发展，在增　效扩容的改造中，应该优先选择励磁系统的新技术。　目前，晶闸管励磁技术已非常成熟，无论什么　

小水电２０１２年第５期（总第１６７期）　技术改造　类型的发电机，都可以选择晶闸管励磁技术；尤其　构简单，可靠性高，该方式下不需同步。可控硅全　是６．３　ｋＶ的发电机，毫无例外的应采用微机励磁的　桥整流方式下，逆变电流经过励磁变压器绕组；　自并励系统。　ＩＧＢＴ方式下，逆变电流经过续流二极管，可减小　为了使励磁系统更简单、可靠，已有采用绝缘　励磁变压器的设计容量约３０％，大大减少了成本。　栅双极型功率管ＩＧＢＴ的励磁系统，实现了发电机　４结语　励磁电流的自动控制（见图１０）。　励磁系统是影响水电站运行的重要设备，应注　网　意进行配套改造，以获得最佳的效果。在农村水电　Ｕ　Ｖ　站励磁设备改造中，采用先进的技术，如晶闸管励　Ｗ　磁技术、ＩＧＢＴ励磁技术是一个重要的技术方案　选择。　参考文献：　［１］刘字，李向明．三次谐波励磁发电机并网问题及改善　方法［Ｊ］．黑河科技，１９９８（４）．　图１Ｏ采用ＩＧＢＴ的励磁系统　［２］　谭荣苏．小型水电站低压机组的改造与运行探讨［Ｊ］．　甘肃水利水电技术，２００７（１）．　采用ＩＧＢＴ自关断器件代替传统的可控硅元件　［３］卢明兰．小水电站技术改造浅析［Ｊ］．小水电，２００７（１）．　［４］李明才，电抗分流式发电机励磁系统改造［Ｊ］．江西水　作为功率元件，其工作原理是将三相电源经不控桥　利科技，１９９６（１）．　整流为脉动直流，控制ＩＧＢＴ的导通、关断时间，　［５］　赵令骥．谈农村小水电站无功不足及补救措施［Ｊ］．农　利用ＩＧＢＴ斩波方式，调节发电机励磁绕组电压。　村电工，１９９７（０６）．　［６］王佩璜．相位复励励磁同步发电机经变压器并联运行　ＩＧＢＴ运行时只需一路脉冲，这样极大地简化了功　稳定［Ｊ］．中南水力发电，１９９７（２）．　率桥的结构。ＩＧＢＴ功率柜单柜额定电流可达　■　２　０００　Ａ。ＩＧＢＴ自并激方式仅需一路控制脉冲，结　责任编辑吴吴　—址—Ｓ　—址—Ｓ　—Ｓ　—址—Ｓ屯—Ｓ　—Ｓ　—；　—毒　—Ｓ　—Ｓ　—Ｓ止　—址—‘ｌ上—Ｓ止—ｓ　．　—Ｓ　—址—Ｓ　—Ｓ　—　止—　．址．Ｓ屯舢—Ｓ　．址．址．址．Ｓ　ｊ止—　己—ｓ屯—ｓ　址．Ｓ　．Ｓ屯舢—Ｓｌ上—Ｓ　．Ｓｌ上　（上接第５３页）流量为９．５２　ｒｎ３／ｓ，水轮机效率为　会受到一些限制，新转轮要适应原水轮机的流道，　９１％时，得到发电机出力为１　０００　ｋＷ（发电机效率　以减少异形效应。　７７＝９３．５％），满足电站增效扩容的出力要求。而　２）新转轮应尽量选择与电站流道相近，且国　ＺＤＪＰ５０２、ＺＤ６０８两种型号的转轮在电站的水文参　内已成功应用的转轮，并从效率、过流量、空化和　数条件下工作区效率较低，离最优区也较远，而且　稳定性等方面进行比较。　在大流量时运行的工况区也不够理想。因此本电站　３）电站原有的水工建筑物将影响新转轮的选　推荐选用ＺＤＫ１６０型号转轮。　择，设计部门须对水工资料进行复核。　通过此次技术改造，更换了机组设备，选用了　４）在改造方案制定前．，应尽可能采用精确的　高效率的转轮，电站的出力达到２　Ｘ　１　０００　ｋＷ，实　手段测量现有电站的水头和流量，保证合理选择新　现了增效扩容的目的。　转轮。　４结语　■　１）老电站增效扩容更换转轮时，转轮的选型　责任编辑赵建达　・　５１　・