郗发刚
（华能澜沧江水电有限公司 云南昆明市 650214）
摘要：本文介绍了NES5100励磁系统在糯扎渡水电站上的应用，对励磁系统的整体设计和系统运行调试进行了详细的阐述，提出了大型励磁设计需要关注的问题，为其他巨型水电站提供宝贵的应用经验。
关键词：励磁系统；设计；糯扎渡水电站
引言
糯扎渡水电站作为国家实施“西电东送”、“云电外送”的重大工程之一，是我国已建、在建第四大水电站，也是目前云南省内最大的电站。水电站位于云南省普洱市境内，是澜沧江中下游河段梯级规划“二库八级”中的第五级。糯扎渡水电站共有9台65万千瓦机组，总容量为585万千瓦。
1糯扎渡励磁系统组成
糯扎渡励磁系统采用晶闸管全控桥整流的自并励静止励磁方式，励磁系统由1台励磁变压器、1台电制动变压器、1台励磁调节器、4台智能功率柜、1台操作柜、1台灭磁开关柜、1台灭磁电阻柜、1台电制动柜组成。
2糯扎渡励磁系统主要部件的设计特点
2.1励磁调节器的设计
发电机励磁系统属于实时控制系统，其安全性和可靠性直接关系到电力系统的安全与可靠。大型发电机励磁系统的性能对于提高电网的输送能力和稳定性等具有尤其重要的意义。
糯扎渡励磁系统在硬件上完全满足发电机励磁快速调节和实现各种功能的需求。NES5100调节器使用嵌入式操作系统提高了代码移植性。实时系统具有快速可靠的中断响应，保证了励磁程序的高效率运行。多任务环境允许一个实时应用作为一系列独立任务来运行，各任务有各自的线程和系统资源，合理安排了励磁控制外围程序的运行。这种软件构架保证了系统和励磁控制程序的安全性和可靠性。可根据现场要求进行逻辑组态，使得调试的灵活性大大提高。
2.2 晶闸管整流柜设计
晶闸管整流柜设计中，不仅考虑了晶闸管的额定电流和额定电压，更重要的是要根据晶闸管的容许结温以及晶闸管各个散热环节热阻的大小，考虑晶闸管整流桥的出力及晶闸管阳极电压的大小。NES5100在设计中首先计算出晶闸管在额定出力下的损耗，然后进行风道的设计和风机的选择，以确定风道内风速的大小，再根据风速的大小选择散热器的类型，以保证散热器在设计风速下的热阻能够满足晶闸管结温限制的要求。设计完成后，还根据实际设计中各种参数的大小对晶闸管的结温进行核算，确保足够的安全裕量。在晶闸管损耗计算中不仅计算晶闸管的通态损耗，还计算晶闸管的开通损耗和关断损耗。
2.3 大型发电机励磁系统灭磁设计
大型发电机大都具有相对小容量发电机高的额定励磁电流和额定励磁电压，而且这些大型发电机机组基本采用自并励励磁方式，因为励磁电压的提高，相应的励磁变压器二次侧的电压也大大提高，导致发电机误强励时晶闸管整流桥的输出电压非常高，从而对灭磁开关的最大电压分断能力提出了非常高的要求。
糯扎渡的灭磁设计中，考虑了交流灭磁方案作为直流灭磁开关灭磁的补充，以保证在发电机误强励时的可靠灭磁。
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灭磁容量的计算依照发电机的参数，根据发电机的精确模型（凸极机采用5阶模型），对发电机机端三相短路、发电机空载误强励和发电机负载误强励3种工况进行仿真计算，最终精确确定所需要的灭磁电阻的容量。避免采用经验公式计算灭磁电阻的容量可能因为不能准确知道发电机转子的饱程度而存在较大的估算偏差的问题，防止灭磁电阻容量选择过大造成浪费；同时又提供了适量的裕度。
2.4可靠的柔性制动技术
水电机组在电网中普遍起着调频、调峰和事故备用的作用，其开、停机次数非常频繁，且巨型水轮发电机组的转动惯量很大，使用传统的投机械制动单一制动方式已经远远不能满足现代控制运行方式的要求，因此巨型水电机组有装设电气制动停机的重要性和紧迫性。
传统的电气制动技术采用二极管整流提供发电机的励磁电流，但由于需增加独立一套二极管不可控整流装置，增加投资，目前该技术已很少使用。
糯扎渡采用的柔性电气制动是利用发电机励磁系统的调节器和可控硅整流器为机组制动时提供可控的制动电流。根据当时的水头、转速和导水叶的漏水量调整制动电流的大小来改变制动特性，其整个控制过程也是平滑可调的。
3 糯扎渡励磁控制系统
3.1 调节器控制方式
糯扎渡发电机励磁调节器控制方式为并联PID+PSS的控制方式PSS采用IEEE PSS2B模型，调节器可以实现电压闭环（自动方式）、电流闭环（手动方式）、定角度等运行方式。
3.2 限制及保护功能
限制及保护功能包括过励反时限限制器、过无功限制器、欠励限制器、V/F限制器、最小励磁电流限制器、最大励磁电流瞬时限制器、定子电流限制器、励磁系统整流柜故障限制器、开机保护、空载过电压保护、PT断线保护等。不同类型的限制器在保护发电机的安全方面起到不同的作用：过励反时限限制器用来限制发电机的转子电流的大小，以防止发电机转子或定子因为电流过大，铜损耗增加而导致发电机的定子或者转子局部热量积累，温度升高；而欠励限制器和V/F限制器则是用来防止发电机压齿、槽锲、线圈端部因磁通增大导致涡流损耗增加而过热，或限制发电机以及与它相连的变压器因磁通增大导致涡流损耗增加而过热；最大励磁电流限制器则被用来防止发电机转子因电流过大而产生的电动力对发电机转子的伤害；最小励磁电流限制器为了保证励磁控制系统不会因为运行人员的误操作（在手动运行，发电机输出有功又较大时，做大幅度减磁操作）；以及因为励磁控制器自身在异常工况下（如电力系统发生大幅度低频振荡）的调节过于猛烈；或者因为电网突甩无功负荷而导致发电机深度进相，且励磁控制系统的调节速度又不够快时，导致发变组失磁保护动作；各种限制功能均能与保护较好地配合，有效提升机组动态性能。
3.3 实时故障自诊断
包括电源电压过低、过高或消失的检测、PT断线的检测、可控硅同步电压相序及发电机机端电压相序的检测、交流采样检测、可控硅触发脉冲信号及数量的检测、控制角度的检测、双机通讯故障的检测等。
3.4 容错控制
根据调节装置自检的结果，对各种信息进行分析，取得正确的信息维持励磁系统的正常运行。具体有：机端电压测量容错、定子电流测量容错、转子电流测量容错、发电机频率测量容错、有功功率及无功功率测量容错、起励令及逆变令容错、增减磁信号容错、主断路器信号容错。
3.5 录波及记忆功能
调节器能够对运行中的数据进行手动或自动录波，对曾经发生的异常事件记录提供试验结果的录波功能，并可对试验结果进行分析。减少试验人员对数据的处理工作。录波有以下几种启动方式：手动录波、试验自动录波、故障或异常自动录波。录波功能可以记录必须的模拟量和开关量，有利于故障的分析和事故的追忆。
4 结论
本文通过介绍NES5100励磁系统在糯扎渡大型水电站上的应用，详细阐述了大型励磁系统的设计理念、方式；对从事励磁系统设计、调试以及电站运维人员具有良好的借鉴意义，同时有助于提高大型发电机励磁系统的设计、运行水平。
目前NES5100励磁系统在糯扎渡水电站励磁系统经过现场验证试验，各项技术指标均优于国家、行业及电站相应规程规范的要求。糯扎渡水电站首台机组已于2012年9月6日正式投产，投产至今励磁系统运行状态良好，为水电站带来了经济效益，为中国增加电力供应、优化能源结构发挥了重要作用。
参考文献：
[1]GB／T 7409．3—2007 同步电机励磁系统：大、中型同步发电机励磁系统技术要求
[2]DL/T583-2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件
[3]国电南瑞科技股份有限公司 NES5100技术说明书
论文作者:郗发刚
论文发表刊物:《电力设备》2015年5期供稿
论文发表时间:2015/12/21
标签：励磁论文; 发电机论文; 晶闸管论文; 系统论文; 电流论文; 水电站论文; 调节器论文; 《电力设备》2015年5期供稿论文;