三峡地下电站国产化励磁系统

王 波，张 敬，胡先洪，周 宇，余 翔

（1.长江电力向家坝水力发电厂筹建处，四川 宜宾 644600；2.长江三峡能事达电气股份有限公司，武汉 430070；3.长江电力三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443002）

1 引言

励磁控制器承担着维持同步发电机机端电压稳定、协调并列机组间的无功分配以及抑制有功功率振荡的任务，它的可靠性对于发电厂有着特别的意义[1]。三峡水力发电厂是世界上最大的水力发电厂，已经建成的26台机组均采用了西门子励磁控制系统。最后建成的地下厂房6台700MW机组将首次采用具有自主知识产权的国产化励磁系统，其中 2套为 MEC3000型自并励微机励磁系统。

MEC3000由1面调节器柜、1面辅助控制柜、4面可控硅整流柜、2面灭磁开关柜、1面碳化硅非线性灭磁电阻柜共9面屏柜组成，结构紧凑简单。其电制动用切换开关和交流灭磁用开关装设在励磁变保护外罩内，如图1所示。MEC3000型励磁系统采用静止式可控硅自并励方式。励磁变压器采用三个单相环氧浇注的干式励磁变压器。功率柜采用环形热管散热的自然冷却方式，可控硅的触发脉冲由励磁变二次侧的同步变压器提供同步信号。励磁调节器采用高度冗余的双通道结构。事故灭磁时跳磁场断路器配合碳化硅电阻进行移能灭磁，在磁场断路器拒动时，启动交流开关配合碳化硅电阻进行移能灭磁。转子过电压保护采用可控硅跨接器方式运行。电气制动采用了柔性电制动方案。本文将对构成MEC3000型励磁主要组成部分作简要介绍。

图1 MEC3000励磁系统正视图

2 励磁调节器

励磁调节器采用机箱式结构，模块化设计，由两套硬件上完全独立的控制通道组成。两个控制通道结构和功能完全一致，每一个通道中均设有自动和手动控制单元。如图2所示，每个通道包含两块CPU板，一块是计算板，实现采样、调节和通信；另一块作为脉冲板生成控制脉冲。运行过程中两个控制通道互为热备用，同时接收输入的信号并进行调节，当在线通道发生故障或PT断线时，调节器自动切换至备用通道，同时输出至功率柜的控制脉冲仍进行正常切换。两个通道之间也可通过手动进行切换[2]。

图2 励磁系统原理图

图3给出了励磁调节器的通信网络图。两个通道4块CPU板通过CAN总线连接，实现网络互检。当发现有通道信号异常时，立即报警并切换到正常通道运行。计算板通过RS232与本地监控的人机界面相连。与监控通信既可以通过人机界面进行，也可以通过CAN网直接与计算板通信。需要扩展电气制动功能时，可以通过 CAN网连接调节器的可编程计算机控制器(PCC)实现。PCC模块具有 PLC的可靠性与单片机的运算能力[3]，使用CPU模块与DI、DO模块搭建的逻辑控制器可以配合控制通道时序，控制外部开关，实现电气制动功能。

励磁调节器的控制规律采用了标准的PID+PSS2A模型。PID+PSS2A控制模型可以有效抑制电力系统的低频振荡，另外在有功功率正常调节时不会产生无功反调，这对水电厂尤为重要。模型中的角速度不是直接测量的结果，而是计算得到的Eq转速。

如图4所示，励磁调节器软件预留了试验接口，需要进行模型测试或者测试发电机无补偿特性以整定PSS参数时，接入白噪声后只需在界面操作即可[4]。

图3 励磁调节器内部通讯网络

图4 PID+PSS2A控制模型

3 可控硅整流装置

可控硅整流装置采用环形热管自然冷却方式，避免了使用风机时可能的机械故障，运行过程中无噪音无灰尘，节能环保，同时减轻了维护的工作量。整流装置单柜自冷最大输出电流可达 3000A，额定电流为2500A，采用4柜并联配置方案。每柜配1套红外温度监控系统，可在线监测各个桥臂的可控硅温度，当可控硅温度过高时自动启动辅助散热风机，并发出报警信号。桥臂阻容保护单元采用易于散热的线绕式大功率无感电阻和耐压高达4000V的进口交流电容器，可以有效地抑制尖峰过电压值，保证整流柜可靠运行。

图5 热管工作原理图

热传递有3种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端。当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿管壁依靠毛细效应流回至蒸发段进行正常循环，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来[5]。

普通重力热管散热器的散热片采用横向安装方式，其散热片与热管都采用点接触方式，其结构安装对柜体宽度的要求比较高，由于大多数厂房和施工现场对励磁柜体的宽度都有严格限制，因此目前国内专业厂家设计生产的普通热管整流柜最大输出电流不超过1500A。环形热管散热器工作原理如图6所示。环形热管采用纵向安装方式，整个散热器的安装只受柜体高度限制。环形热管采用膨胀方式将整个热管埋入铸铝型材散热片中，整个散热片与热管采用面接触方式，加快了传导效率，使环形热管整流装置在自冷条件下单柜输出电流达到2500A。

图6 环形热管工作原理图

4 灭磁装置介绍

灭磁装置采用法国 LENOIR公司 2CEX 06-5500组合式断路器作为磁场断路器，选择了碳化硅电阻的移能灭磁方案。在灭磁系统中，还配合应用了交流灭磁技术，提高了灭磁装置换流的可靠性，并缩短灭磁时间。在任何需要灭磁的工况下，包括发电机空载灭磁、发电机甩额定负荷灭磁、误强励事故灭磁以及机端三相短路时，灭磁装置都可以快速、可靠灭磁，并保证在灭磁过程中，励磁绕组反向电压不高于出厂试验时励磁绕组对地试验电压幅值的50%[6]。

灭磁设备包括串联在转子回路中的直流磁场断路器S101，整流柜阳极侧的交流磁场断路器S102，并联在转子回路中的碳化硅（SiC）非线性电阻 R101，以及作为后备辅助灭磁的开关S107。整个灭磁过电压保护回路原理图如图7所示。

图7 灭磁过压保护回路原理图

发电机正常停机采用逆变灭磁。通过整流桥逆变来消耗转子中储存的能量，不跳磁场断路器，也不需要 SiC非线性电阻投入工作。当励磁电流减为零后，调节器封闭整流桥触发脉冲，合上辅助灭磁的开关S107，然后跳开交流磁场断路器S102，灭磁过程结束。此时S107与S102均无电流通过。

发电机事故跳闸时，采用磁场断路器配合 SiC非线性电阻移能灭磁。收到磁场断路器跳闸命令后，直流磁场断路器S101发热断口先分断，灭磁断口闭合，投入SiC非线性电阻R101，然后吹弧断口分断拉弧建压。与此同时，灭磁信号封闭整流桥触发脉冲，合上辅助灭磁的开关S107，以确保SiC非线性电阻投入。S107合上后联跳交流磁场断路器S102。封脉冲后，使晶闸管处于自然续流状态，在半个周波20ms内，就可利用阳极电压的负半波辅助磁场断路器建压，使 SiC非线性电阻导通，从而迅速消耗储存在转子中的能量，达到快速灭磁的目的。即实现交流灭磁。交流磁场断路器S102和辅助灭磁的开关S107作为直流磁场断路器S101的后备。收到跳闸令后，正常情况下直流磁场断路器S101在70～100ms内能够分断，若直流磁场断路器S101拒动，辅助灭磁的开关S107会在75ms内闭合，投入SiC非线性电阻R101，而交流磁场断路器S102会在此后的65ms内断开，同样利用阳极电压的负半波辅助建压实现移能灭磁，保证了灭磁系统的可靠性。

5 电气制动

电气制动就是使用他励接线形式在转子维持一定的电流，从而产生制动力矩，加速停机，没有机械制动的制动块损耗、粉尘污染等问题。MEC3000采用柔性电制动方案，即励磁和电气制动共用主可控硅整流柜，不需要增加额外的制动整流桥。整流柜阳极装有励磁变阳极交流磁场断路器 S102和制动变阳极交流断路器S106，两台开关利用位置接点互锁。制动电源由厂用电AC380V供给，通过专用的制动变压器T100，经主晶闸管整流器整流后，提供机组所需的制动电流。整个电气制动回路原理图如图8所示。

图8 电气制动原理图

当励磁调节器收到电制动投入的命令后，检查电气制动短路开关和灭磁开关S101在闭合位置，辅助灭磁接触器S107在断开位置，则调节器控制依次断开励磁变阳极交流磁场断路器S102，合上制动变阳极交流断路器S106，同时转到手动方式下工作，按预先设置的给定值调节励磁电流从而为发电机提供合适的制动力矩。

当收到电气制动退出的命令后，励磁调节器控制将制动电流降为0，断开制动变阳极交流断路器S106，完成电气制动的整个流程。

6 结束语

MEC3000功能丰富，性能可靠，扩展性好，具备了在 700MW 机组投运的条件。今后二十年内，我国将有约150台单机容量超过600MW的水电机组投入运行，急需国产励磁设备代替进口产品。国产化励磁装置在三峡地下电站的投产将为国内其他大型机组励磁系统的选型和改造提供了重要参考依据，彻底改变国外励磁设备制造商在我国大型发电机励磁设备中形成的垄断地位。

[1]陆继明，毛承雄, 等. 同步发电机微机励磁控制器[M]. 北京：中国电力出版社, 2006.

[2]余翔, 毛承雄, 陆继明, 胡国庆, 张敬, 瞿浩. 基于数字信号处理器的自适应励磁控制器[J]. 电力系统自动化, 2005(5): 79-83.

[3]余翔, 王波, 毛承雄, 陆继明. 一种基于 PCC 的励磁控制器实现方案[J]. 大电机技术, 2006(5):58-60.

[4]余翔, 窦骞, 赵先元. 励磁系统控制模型的辨识测试[J]. 水电自动化与大坝监测，2010(1): 13-17.

[5]王波, 张敬, 周宇, 顾宏进. 回路热管散热器技术在大功率整流装置的应用[J]. 水电自动化与大坝监测, 2006(5): 30-31.

[6]陈小明, 胡先洪. 励磁系统交直流灭磁原理分析[J]. 水电厂自动化, 2006(4): 10-12.