覃 悦，罗红云

（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 南宁 537556）

1 引言

大藤峡水利枢纽位于广西贵港桂平市，是南盘江红水河水电基地综合利用规划10级梯级电站中的最后一级。大藤峡水利枢纽以防洪为主，兼顾灌溉航运和给珠江三角洲地区供水提供保障的作用。电站共8台机组，单机容量200 MW，总装机容量为1 600 MW。大藤峡水利枢纽水轮机为轴流转桨式，截至2020年7月，是国内最大装机容量的轴流转桨式的水电站。首台机组于2020年发电投产，目前大藤峡水利枢纽的励磁系统采用广州擎天实业有限公司的EXC9200型号的励磁系统，设备已完成了装置的现场调试以及72 h试运行，正式进入了生产阶段。

2 大藤峡水利枢纽励磁系统的基本结构

大藤峡水利枢纽励磁系统是由广州擎天实业有限公司设计生产的，励磁装置一共8个柜子，分别为1个调节柜、1个进线切换柜、4个功率柜、1个灭磁开关柜和1个SiC灭磁电阻柜。

大藤峡水利枢纽励磁系统为自并励静止励磁系统，从机端接收电能通过励磁变压器将电压由15.75 kV降压至0.89 kV，然后电能通过进线切换柜中ABB的进线开关进入交流母排，再经由4个功率柜三相全控整流桥整流后送入励磁直流母排，先后经过灭磁开关、励磁直流电缆、励磁滑环、励磁穿轴引线至转子磁极。

2.1 励磁调节器的硬件设计

数字式励磁调节器分为半空桥励磁调节器、单微机全控桥励磁调节器、双微机全控桥励磁调节器。单微机全控桥励磁调节器结构简单、性价比高,但若其中一个触发脉冲故障很容易烧毁可控硅,半空桥调节器由于有续流二极管不存在这种现象，却容易引起可控硅失控。双微机励磁调节器，既解决触发脉冲问题，又不存在失控,是最好的选择。1985年南京自动化研究所首先研制成功的微机励磁调节器,型号为WLF-I型,它结构比较复杂、价格昂贵,适用于10万kW以上的大型机组。广科生产的上一代励磁系统EXC9000的升级版(型号为EXC9100)全数字式静态励磁系统,由两个微机通道(含2个手动通道和2个自动通道)组成，这两个通道(A、B通道)在测量回路(机端电压互感器)和脉冲触发回路方面各自独立。该励磁系统采用双CPU协同工作，具有运算速度快、功耗低、分工合理的优点，并能在全封闭的环境下工作,因发热量小，无需用风扇散热，并且抗冲击、抗振动能力强[1]。

大藤峡水利枢纽EXC9200励磁系统采用的是3通道并联运行的冗余设计，相比EXC9000的C通道为模拟通道而言[2]，EXC9200的A通道、B通道和C通道均为数字通道，也可以说是自动电压调节的微机通道，相比于上一代的EXC9000励磁系统，增加了系统运行的可靠性，其中核心控制器为32位处理器，将机端电压、机端电流、励磁电压和励磁电流采集至控制板，再由处理器进行处理。A、B通道调节方式互为主、备，正常情况下A通道作为主通道(含手动和自动单元),B、C通道(含手动和自动单元)作为备用通道。主、备调节通道各配有一套独立的智能型的故障检测系统,当B通道检测到A通道输入回路或输出回路故障时，自动关闭A通道,B通道改为主通道并报警,只有在B通道检测到A通道故障消除后才恢复A通道为主通道。其中A通道采集的信号由单独的机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变副边电流互感器和励磁变副边电压互感器提供，B通道和C通道的数据采集则是通过共用机端和励磁变副边的电压互感器和电流互感器提供。

2.2 通信设计

大藤峡水利枢纽励磁系统调节柜内部采用CAN总线进行数据传输（图1），并通过CAN总线将调节柜与功率柜的数据进行交换，其中在调节柜内有两块励磁电流采集板，为冗余设置。实际上，一块励磁电流采集板就能实现3通道的数据传输，但在安装上则是两块励磁电流采集板一块给A通道提供励磁变副边的励磁电流信号，另一块给B和C通道提供励磁变副边的励磁电流，同时通过调节柜内的励磁电流采集板进行电流输送，输送至各个功率柜智能板，实现功率柜各桥臂的智能均流，均流系数能达到97%。在调节柜上还有一块脉冲板，通过接收调节器同步变压器送过来的同步电压，经过调节器运算后，将可控硅的导通信号传输至脉冲板，由脉冲板将电信号转换为光信号传输至功率柜内的脉冲板，再转换为电信号输送至脉冲变，由脉冲变的导通实现了三相全控整流桥的导通，其中的光纤传输更是增加了传输信号的稳定性，避免了不必要的损耗及外界的干扰。

对外接口中，调节柜采用的是IIU板，通过CAN总线接收励磁系统信息，包括故障信息和状态信息等，并通过继电器接点输出至电站监控系统，通过RS485串行通信口与电站监控系统相连，实现信息的互通（图1）。

图1 调节柜通信方案

2.3 整流柜的设计

大藤峡水利枢纽整流装置共有4个整流柜，均采用三相全控可控硅整流桥进行整流输出，柜子并联在一起，通过脉冲板对可控硅进行导通控制。柜子为（n-1）冗余模式，当有1台功率柜退出运行时，剩下的3台功率柜仍能满足强励的需求，实现励磁系统正常运行；当2台功率柜退出运行时，剩下的2台能满足励磁系统正常运行，但限制强励功能。

在功率柜的交流回路和直流回路中，均设计了刀闸，所以在每个功率柜里有2把刀闸，可用以隔离功率柜。同时在交流回路中，每个可控硅均配有1个熔断器配合使用，并设计了一个防止直流回路过电压的阻容保护回路，用以将操作过电压、雷击过电压、换向过电压中的高电压进行削峰吸收[3]，给励磁系统提供了有效的保护。

在功率柜的顶端设计了冗余的两组风机，两组风机位置为一上一下叠装。在每次开停时，实现风机主备用功能的轮换交替，在风机的顶部还有风量的传感器，当1组风机停用时，风机上部挡板下落，触动传感器，使接触器动作而切换风机，其中我厂的2组风机无制动功能，1组风机在运转的时候，另1组风机也会运转，不过方向相同，并不会影响冷却质量，却也可以对功率柜风机制动进行一定的改良。同时，出厂的动作设计并没有2组风机同时动作的设计，但根据其他电厂的设计，为避免低压启动风机而导致风机烧坏，可以在零起升压或他励方式开机时强行启动另1组风机，防止风机烧坏。

在功率柜的显示面板上，还能监测每支桥臂的电流以及风道的温度，并能在功能面板里实现对功能投入情况和故障的查询以及功率柜温度和电流的校准。我厂的功率柜智能板采用的是广州擎天生产的K板，未能实现桥臂间的均流，仅实现了功率柜之间的柜内总电流的均流，而目前广州擎天还有一款IEC的智能板，可以实现功率柜内6个整流桥臂的电流均流，但IEC板块也有缺点，就是在电流调节的时候，产生的滞后会导致实际的导通角比定值要小。

以下是晶闸管的选型计算：

（1）在选型时，对可控硅峰值电压的选择，采用的是在机组额定功率运行温度下，可控硅在阻断时的耐压值，通过下式进行计算：

式中：

UW——可控硅耐受电压；

UTresk——励磁变二次电压，我厂为890 V。

现实际选取的晶闸管重复峰值电压为Urp=4 200 V，设计满足要求。

（2）常温下可控硅平均通态电流的选择

式中：

KSA——电流储备系数，取2；

Kji——电路系数，对三相全控桥取0.367；

K4——海拔高度系数，取1.1；

K6——风速降低，温度上升，取0.9；

K2——风速系数，5 m/s取1.0；

KS——环境温度系数，40 ℃取1.0；

Id——额定励磁电流，取2 147 A；

Ip>(2×0.367×2 147×1.1)/0.9=1 926 A。

实际选取的晶闸管元件70 ℃时通态平均电流In=2 046 A，则并联数

式中：K7为均流系数，若按最严重情况取0.85，计算nb=1.11，即三桥就能满足所有工况运行，包括强励，实际选取并联支路数为4，留有很大裕量。

2.4 灭磁回路设计

大藤峡水利枢纽励磁系统的灭磁开关采用的是德国GE的直流快速单级断路器，移能灭磁回路采用的是非线性电阻SiC。

EXC9200灭磁回路在可控硅跨接器及其触发板，即BOD板（图2中的AP62）检测到回路在正向过电压时，触发可控硅V1，导通灭磁电阻并入转子回路，将过电压能量消除；检测到反向过电压时，触发V2或V3中的一个可控硅，接通转子回路进行耗能，保护转子回路。

图2 灭磁回路

灭磁柜实现了智能化设计，灭磁柜的操作、控制、状态监视、信息传递和信息显示等功能均能在液晶屏面上进行操控和观测，并且还能通过计算转子绕组电阻实现转子绕组温度的柜面显示。

2.5 电气制动

针对机械制动中出现制动瓦磨损产生固体颗粒，污染发电机定转子表面以及惯性大、停机慢的问题，我厂采用电制动搭配机械制动的停机方式，结合电制动力矩大，无污染的优点，使我厂停机速度加快，减少了停机过程产生的污染颗粒，对机组安全运行提供了多一分保障。

我厂电制动电源取自10 kV厂用电，经过电制动变，降压后接至励磁系统进线切换柜，电制动进线开关与励磁变副边的进线开关一起安置在进线切换柜内，采用的是ABB的断路器。同时电制动和励磁系统共用功率柜的可控硅整流回路，没有增设单独的整流柜，增加了设备空间利用的合理性。

图3 我厂电制动自并励接线方式

当我厂机组接到机组停机令时，检查发电机出口断路器在分、导叶全关、机组无事故和转速下降到60%额定转速后，投入电制动功能，分励磁变副边开关QL1，合短路开关REC，合电制动交流进线开关QL2，控制励磁调节器转入电制动模式，使得励磁系统向转子绕组输出设定的励磁电流值，形成制动力矩，实现电制动。我厂目前采用的是混合制动的停机方式，在转速达到10%额定转速的时候投机械制动，我厂在仅采用机械制动停机时，停机时间在4 min左右，在合理的时间范围内。

3 调节器功能设计

励磁调节器外部有两个电压采集点，1个是从发电机机端PT处采集机端电压，励磁调节器3个通道的机端电压数值分别来自2个机端PT，其中A通道单独使用1个PT提供的电压数据，B通道和C通道共用另1个PT提供的电压数据；还有1个电压采集点则是在主变低压侧，该PT的电压信号提供给调节器3个通道一起使用，主要作用则是提供同期合闸的电压数据，也就是可以通过励磁系统实现同期并网的功能。

其中，EXC9200励磁系统的辅助控制功能还有：①限制励磁电流顶值和强励反时限限制器；②欠励限制；③V/F限制；④过无功限制；⑤定子电流限制；⑥电力系统稳定器（PSS）。其中，PSS采用非线性鲁棒NR-PSS，显著改善了输电通道的功率传输极限，能更大限度地利用机组的装机容量，同时励磁系统电力系统稳定器可支持PSS4B与PSS2B两种稳定器，相比PSS2B来说，PSS4B为三级补偿装置，在低频振荡时的阻尼效果比PSS2B更稳定有效。

4 初期应用

电厂投产以来，励磁系统调节正常，通道跟踪正常，调节柜内的总电流实现了均流，差值满足设计要求（均流系数97%）。电制动功能运行正常，机组在转速达到60%时投入电制动，机械制动模式下25%转速投入机械制动，设备按停机流程正常动作。在运行时切掉PT投入把手，励磁系统电压信号消失，自动切到电流调节模式，并能实现对负荷的平稳调节。

5 结束语

大藤峡水利枢纽EXC9200励磁系统已经完成出厂验收，并进入了商业运行模式，在运行阶段中，励磁系统运行稳定，各项运行参数正常。大藤峡水利枢纽励磁系统选用的是国内的知名企业产品，是结合了国内先进技术量身打造的优质励磁系统，为国内外电站的励磁系统设计选型提供了宝贵的经验。