洞巴水電站勵磁系統(tǒng)改造

摘要：以廣西省百色市田林縣洞巴水電站勵磁系統(tǒng)改造為例，詳細闡述了EXC9100勵磁系統(tǒng)的組成及功能特點，并對其進行了起勵試驗和階躍試驗，結(jié)果表明，該勵磁系統(tǒng)滿足發(fā)電機組各項性能要求，符合國家相關(guān)規(guī)范要求，為機組的安全穩(wěn)定運行提供了保障。

關(guān)鍵詞：水電站;勵磁系統(tǒng);EXC9100;改造

0 引言

洞巴水電站位于廣西省百色市田林縣那比鄉(xiāng)，水電站機組為混流式水輪發(fā)電機，電站總裝機容量為3×24 MW，該電站是百色地方電網(wǎng)的骨干電廠之一，承擔著部分調(diào)峰任務。

1 改造的必要性

洞巴水電站3臺機組從2007年起全部并網(wǎng)，至改造前已運行13年。機組勵磁系統(tǒng)經(jīng)長期運行，設(shè)備老化，故障頻發(fā)，存在較多安全隱患，如：

（1）勵磁系統(tǒng)的抗干擾能力降低，調(diào)節(jié)柜觸摸屏失靈無法操作，多次誤發(fā)報警信號;（2）3#機組的2#勵磁功率柜可控硅被擊穿損壞，整流橋橋臂斷流，導致3#機組長期在單個勵磁功率柜狀態(tài)下運行;（3）勵磁調(diào)節(jié)柜響應遲鈍，無法正常起勵建立機端電壓，導致機組開機失敗。為保證機組穩(wěn)定運行，提供可靠出力，故對原勵磁系統(tǒng)進行了改造。

2 勵磁系統(tǒng)改造情況介紹

2.1? ? 勵磁系統(tǒng)改造選型

將原EXC9000微機勵磁系統(tǒng)升級為EXC9100勵磁系統(tǒng)，其生產(chǎn)廠家依然是中國電器科學院廣州擎天實業(yè)有限公司，原有的控制邏輯無需改變，有效降低了改造難度，硬件、控制系統(tǒng)及應用程序改版升級，功能更強大，性能更優(yōu)越，使機組的發(fā)電操作更加方便快捷。

EXC9100勵磁系統(tǒng)整體由1個勵磁調(diào)節(jié)柜、2個并列獨立運行的功率柜以及1個滅磁柜構(gòu)成，這4個柜的內(nèi)部通信數(shù)據(jù)采集和交換通過CAN總線實現(xiàn)。

2.2? ? 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主要參數(shù)

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

2.3? ? EXC9100勵磁系統(tǒng)主要組成及功能特點

2.3.1? ? 勵磁調(diào)節(jié)柜

勵磁調(diào)節(jié)柜由A、B、C 3組調(diào)節(jié)通道模塊及RS232串口、智能人機界面觸摸屏、通信模塊等組成。A、B、C 3組調(diào)節(jié)通道均屬于數(shù)字調(diào)節(jié)通道，其中A通道和B通道互為主備用，可以任意轉(zhuǎn)換;C通道則屬于A、B通道的后備備用保護通道，可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇自動或現(xiàn)地控制。A、B、C通道從測量采樣回路開始到脈沖輸出控制回路都是獨立完成的，所以當主通道出現(xiàn)故障后系統(tǒng)自動切換至備用通道時，機組運行狀態(tài)不受影響。一般情況下，A通道主用，B通道作為主備用，B通道和C通道能夠讀取A通道脈沖輸出量信息，以保證通道切換時能夠做到平滑穩(wěn)定，不出現(xiàn)擾動，且機端電壓不出現(xiàn)大幅度波動。

EXC9100勵磁調(diào)節(jié)柜核心控制單元采用主流ARM+新型FPGA的嵌入式精簡系統(tǒng)，運算速度快，能夠?qū)崟r處理大量數(shù)據(jù)。新型FPGA內(nèi)的RAM儲存容量大，工作人員可自由定義其內(nèi)部邏輯。智能人機界面可以讀取到機組及勵磁系統(tǒng)實時準確的參數(shù)，當勵磁系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)問題時能夠利用通信模塊直接將報警信息上傳至上位機，以供運行人員快速處理。

EXC9100勵磁系統(tǒng)擁有兩種起勵建壓方式：殘壓起勵和零起升壓。運行人員可以在智能人機界面觸摸屏上完成起勵操作。

2.3.2? ? 勵磁功率柜

勵磁功率柜主要由整流橋及輔助設(shè)備（可控硅散熱器、過壓保護、快熔熔斷器、頂部軸流冷卻風機、智能檢測/控制回路）組成，雙柜并列獨立運行。功率柜的核心由ARM+CPLD控制芯片組成，具有智能均流控制功能，可以檢測整流橋每一個可控硅的狀態(tài)，監(jiān)測柜內(nèi)溫度、內(nèi)部風速流動，識別快熔熔斷器狀態(tài)，同時能將柜內(nèi)各種信號通過CAN總線傳遞到勵磁調(diào)節(jié)柜進行處理，有效地增加了信息傳輸量，極大地減少了柜體之間的電纜接線，提高了勵磁系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和整體工藝水平。

功率柜的智能控制板具有智能均流功能，不需要其他輔助設(shè)施，就能將可控硅均流系數(shù)控制在95%以上。在機組開機過程中，若其中一個功率柜發(fā)生故障退出運行時，另一個功率柜的可控硅依然可以實現(xiàn)智能均流功能。

2.3.3? ? 滅磁柜

當發(fā)電機組正常停機時，勵磁調(diào)節(jié)柜可以自動逆變滅磁，滅磁柜內(nèi)滅磁開關(guān)無需斷開;當出現(xiàn)事故停機時，將自動跳開滅磁開關(guān)，通過氧化鋅非線性滅磁電阻消耗發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場能量，確保轉(zhuǎn)子不會出現(xiàn)開路狀態(tài)，從而保證轉(zhuǎn)子絕緣不受破壞，避免轉(zhuǎn)子燒毀。

滅磁柜的智能控制核心采用ARM芯片，通過該芯片實現(xiàn)了柜內(nèi)操作、控制、元件狀態(tài)監(jiān)控、通信等一系列的智能化操作。滅磁柜元件狀態(tài)以及故障信號，通過CAN總線傳送到調(diào)節(jié)柜進行處理。

3 現(xiàn)場試驗

在完成EXC9100勵磁系統(tǒng)安裝固定以及接線檢查正確后，對其開展了現(xiàn)場試驗。本次試驗包括起勵、階躍、零起升壓、開環(huán)、空載閉環(huán)、負載閉環(huán)、V/F限制特性等試驗內(nèi)容，試驗均符合有關(guān)要求。部分試驗情況如下：

3.1? ? 起勵試驗

本次試驗利用調(diào)試軟件直接向SD200微機綜合自動測控裝置發(fā)出開機令，勵磁系統(tǒng)接到開機令后，勵磁調(diào)節(jié)器自動正常起勵建壓，首先將電壓調(diào)節(jié)到額定值10 500 V的30%，然后調(diào)節(jié)器按一定的速率逐漸將機端電壓增加到額定值，并將機端電壓震蕩幅度控制在±5%以內(nèi)。額定值和起勵建壓速度，可通過專用調(diào)試軟件修改，一般設(shè)置5～10 s，使機端電壓達到額定值。該過程稱之為軟起勵，這種設(shè)定能有效限制機組起勵建壓時出現(xiàn)較大的超調(diào)量。

3.2? ? 階躍試驗

通過階躍試驗數(shù)據(jù)可以準確判斷勵磁系統(tǒng)的動態(tài)指標是否符合行業(yè)要求。EXC9100勵磁系統(tǒng)擁有5%和10%的階躍響應功能，可通過調(diào)試軟件進行選擇，兩者都能夠先上躍然后下躍，階躍前機端電壓調(diào)至額定值的90%，勵磁系統(tǒng)階躍試驗記錄如表2所示。

由表2可以看出：階躍響應調(diào)節(jié)時間小于2 s，超調(diào)量不超過10%，震蕩次數(shù)均為1次，滿足《同步電機勵磁系統(tǒng)大、中型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術(shù)要求》（GB/T 7409.3—1997）標準關(guān)于發(fā)電機階躍響應的相關(guān)規(guī)定要求。

4 結(jié)語

本文對洞巴水電站改造后使用的EXC9100勵磁系統(tǒng)的主要特點及現(xiàn)場調(diào)試情況進行了分析，結(jié)果表明，該型號勵磁系統(tǒng)能夠滿足本電站發(fā)電機組的各項性能要求，符合國家相關(guān)規(guī)范要求，目前該系統(tǒng)運行良好，為確保機組穩(wěn)定運行奠定了基礎(chǔ)。

[參考文獻]

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收稿日期：2020-02-22

作者簡介：甘東林（1992—），男，廣西貴港人，助理工程師，從事水電站自動化設(shè)備調(diào)試維護工作。