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1中小型水电站同步发电机励磁系统的几种常见类型 福建省水电资源十分丰富。根据1999年底的统计，全省可开发的水电站总装机容量达1000万kW以上。其中1万kW～2．5万kW的电站83座，05万kW～1万kW的电站102座，05万kW以下的电站有一万余座。这些较小型的电站，有的属县管，有的属乡镇管，还有许多是个人集资兴办的。这些电站普遍存在资金比较紧缺、设备水平比较简陋、人员的技术水平较低等问题。励磁系统的技术改造必须考虑到这些特点。本文涉及的电站主要是指这些25万kW以下的电站。励磁系统的分类有几种方法。如果以励磁电源来分类，可以分成直流励磁机方式、交流励磁机方式和静止励磁方式。如果以自动励磁调节器的技术水平来分类，则可以分成磁放大器型、半导体型和微机型自动励磁调节器。以下分几点分别介绍各种类型励磁系统在我省中小型电站应用的情况。 1．1直流励磁机方式 直流励磁机方式是一种最古老的励磁方式。在上个世纪60年代以前，尚未出现大功率半导体整流器件，励磁电流只能由直流发电机-直流励磁机来供给。直流发电机是用整流子（又称换向器）将直流发电机电枢中的交流电流整流为直流电。要实现同步发电机的自动励磁调节，通常是用相复励装置来调节励磁机的励磁电流，也就是说是间接地实现调节同步发电机的转子电流。这就使得调节滞后时间较长，或者说调节的动态特性较差。这里所述的相复励装置，最常见也是最典型的是KFD-3型基于磁放大器原理的相复励装置。KFD-3型相复励装置有很多缺点。首先它响应速度慢，动态性能差；它的放大倍数有限，装置的静态特性精度较差；它的输出功率较小；它的结构复杂笨重，调试困难，且耗费大量金属材料。运行稳定性较差,在同一母线上并列运行两台机组容易产生“抢无功”的现象。从初步调查情况来看，90%以上的KFD-3型相复励装置都没有投入实际运行，只采用手动方式调节励磁。 我省在1990年以前投产的小型水电机组的励磁系统有半数以上是采用手动调节的直流励磁机方式。之所以出现这种现象，是因为许多人认为直流励磁机容易维修，不象半导体励磁调节器那样维修困难。这种励磁方式在并网运行的情况下，最大的问题是机组事故跳闸时，机端电压升得很高。这会击穿定子的绝缘，还会烧坏机端供电的电气设备，最后厂用电不保，引起全厂停电。 值得注意的是，到了21世纪的今天，我们省还有一些新电站仍然采用直流励磁机励磁方式，这主要是因为他们对新技术缺乏了解。 1．2交流励磁机方式 直流励磁机在运行中存在换向器与碳刷之间的火花，维护工作量较大。所以在上个世纪60年代出现了大功率半导体整流器件以后，交流励磁机方式就应运而生了。交流励磁机取代了直流励磁机，解决了换向器跳火花的问题。交流励磁机方式有一个分支----无刷励磁，在我省的许多小型发电机组上应用。无刷励磁是将交流励磁机的电枢做在转子上与发电机的转子绕圈同轴旋转，两者之间安上旋转二极管起整流作用，这样连集电环也取消了，故称为无刷励磁。 无刷励磁的优点是彻底取消了碳刷，减少了维护工作量，消除了碳粉污染。另外，励磁功率小也是它的特点。它的缺点是无法直接测量励磁电流；无法直接灭磁，灭磁时间长；调节速度慢，动态性能较差；旋转二极管容易损坏且更换麻烦。应当指出，无刷励磁是在解决60万kW以上的巨型发电机集电环均流难题中发展起来的，将它用于小型机组上意义并不大，而它的缺点却是很明显的。笔者调查了许多于小型机组无刷励磁的应用实例，分析了其中的利弊，建议在小型机组上不要采用无刷励磁，可以采用静止可控硅励磁方式。 1．3电抗分流式励磁方式 电抗分流式励磁是在70年代以前投产的250kW以下小型发电机组上使用的一种励磁方式。它是基于补偿原理的一种调节方式，技术水平低。存在的主要问题有两点。其一是励磁电流调节范围小。如闽东地区古田县鹤塘镇有一个2×125kW的老电站，采用电抗分流式励磁，无功功率发不足，每月被罚几千元，该电站现已改造为三相全控桥式微机励磁，彻底解决了问题。其二是并列运行不稳定，使得有功不能满发。例如建瓯市有一个5×125kW的电站，采用电抗分流式励磁，每当有功功率超过80%就发生严重的振荡，无形中使电站出力损失了二成。以上分析可见，这类电站虽小，但励磁技改十分迫切，只须投入少量资金进行技术改造，就有很大回报。 1．4静止可控硅励磁方式 这种方式取消了带有旋转部件的励磁电机，将机端电压经励磁变压器降压，再经可控整流桥整流后供给发电机转子电流。这种方式结构最简单，可靠性高；而且响应速度快；能实现逆变灭磁（采用全控桥）。经过30多年的应用实践，静止可控硅励磁方式得到大量应用。现在从几十千瓦到几十万千瓦的发电机，相当大部分采用静止可控硅励磁方式。特别是近年来微机励磁技术已十分成熟，静止可控硅励磁方式加上微机励磁调节器的配置已成为新机组的首选方案。 2中小型同步发电机自动励磁调节器发展情况 2．1磁放大器型自动励磁调节器 这是一种古老的自动励磁调节器，现己成为技改对象。典型产品为KFD-3，其特点己在前面介绍过，此处不再赘述。 2．2半导体型自动励磁调节器 半导体励磁调节器是电子技术进步的结果，它伴随着晶体管和电力电子器件--可控硅的出现而发展起来的。随之而来的是励磁系统的响应速度大大加快，强励时励磁电压上升时间小于01s，称为高起始响应励磁系统。从上个世纪70年代在我国开始推广应用半导体励磁调节器以来,已在许多电站长期使用。但是它存在几个显著缺点：结构复杂，维修不便；只采用简单控制规律，性能指标较差；分立元件的热稳定性差，整机故障率较高；经常出现触发脉冲不对称、丢失脉冲以及失控等。 2．3微机励磁调节器 国内最早出现的微机励磁调节器是南京自动化研究所在1985年首先研制成功的，型号为WLT-1型，它的功能比较完善但结构比较复杂，适用于10万kW以上的大型机组。1990年福州大学研制成功SMER系列单片微机励磁调节器，它的结构比较简单、可靠性高，特别适用于中小机组。 3闽东地区励磁系统技术改造记实 1)闽东地区柘荣县龙溪三级电站是已经发电多年老电站，励磁系统采用三相半控桥式静止可控硅励磁。存在着问题是励磁调节器可靠性比较差，当空气温度比较高的时候经常出现失控的现象。机组甩负荷的时候，经常出现过电压。１９９５年在电站的2号机组上试用SMER-C型微机励磁调节器。经过1个月的试用，微机励磁调节器工作始终正常，调节性能不因气温的升高而发生变化，并且调节器的性能大大优于过去的半导体调节器。SMER型微机励磁调节器体积小，结构简单。当时只花了半天时间接线，一开机就能正常工作。工作性能很稳定，每次起励都很迅速，很准确，而且不超调。在运行中不会发生“溜无功”现象。起励很容易，只要轻轻点动起励按钮即可，不象过去半导体励磁调节器，要升60%额定电压才能转入正常工作。甩负荷时在转速飞升的情况下机端电压还能保持稳定。过去经常出现的触发脉冲丢失和不对称现象在使用微机励磁调节器后再也没有出现。后来一号机组也采用SMER-C型微机励磁调节器。8年过去了，微机励磁调节器经受了高温和雷雨季节的考验,始终稳定运行。 2）闽东水电站是闽东地区最老的水电站。１９９７年，电站进行了技术改造，把3台6000kW的机组改造成8000kW的机组。但是，该厂家的励磁调节器性能不够稳定，受到干扰时经常发生失控现象。１９９７年底至1998年初，这3台机组都改用SMER-C型微机励磁调节器，至今工作十分正常。 3)福鼎市桑园水电厂是福鼎市最大的水电厂，装机3台12500kW机组。发电几年来，半导体励磁调节器工作不够稳定，经常出故障，需要检修，耽误了很多时间，少发电造成很大损失。１９９９年，桑园水电厂一次性改用SMER-C型微机励磁调节器。桑园水电厂的励磁系统是采用三相全控桥式整流电路，该方案调节更加迅速和稳定并且实现了逆变灭磁。 4)寿宁县车岭一级和二级水电厂，宁德市的白岩水电厂等一系列水电厂都进行了类似的技术改造。据不完全统计，几年来闽东地区已有30多台机组采用SMER-C型微机励磁调节器对旧有的励磁系统进行了技术改造取得了明显的经济效益。 4SMER-C型微机励磁调节器的优点及分析 1)SMER-C型微机励磁调节器构成的励磁系统具有良好的静态特性和动态特性。静态调压率优于05%；零起升压时，超调量等于零，调节时间为2秒，振荡次数为1次。这些指标都大大地优于国家标准和部颁标准的规定。这是由于SMER-C型微机励磁调节器的控制算法采用了变参数的PID调节规律。该算法包含有模糊控制的思想，该调节器的放大倍数随着运行工况变化而变化，实现了调节的快速性和稳定性的统一。 2)SMER-C型微机励磁调节器是全数字式的调节器。电压给定值由数字电位器设定，每次起励时，都能作明确的达到90%额定电压，还可做到跟踪电网电压，跳闸时不会过电压，能稳定在90%额定电压。 3)SMER-C型微机励磁调节器触发器的设计，充分利用了单片机内部的资源，使外围电路简化到最低限度。分辨率可达到万分之一，即0036度。触发器的准确度高带来的优点是脉冲始终对称，不容易出现脉冲丢失现象。现在在一、二百kW的小机组上使用微机励磁调节器配合三相全控桥电路已经是合理经济的方案了。 4)SMER-C型微机励磁调节器可靠性很高。它采用了一系列软件和硬件的抗干扰自恢复措施，使它可以长时间的正常工作，平均无故障时间已达到五至七年。最早投入运行的福建省永安市鸭姆潭水电厂的两台SMER-C型微机励磁调节器从1990年4月22日投运至今，未更换过一个零件，已正常工作达十三年之久。
5)SMER-C型微机励磁调节器结构简单,体积小巧，操作简便 5SMER-C型微机励磁调节器的改进意见 近年来微机监控系统已得到广泛应用，因此微机励磁调节器应加上通信接口，以便于将励磁系统的各种参数上传到监控系统，还可以由监控系统向微机励磁调节器发送各种命令。 建议增加电压跟踪功能，在发电机组起励建压时，机端电压自动跟踪电网电压，这样可以简化操作、缩短并网时间。 6结论 近几年来闽东地区的许多电站进行了励磁系统改造，技术水平大大提高，显著减轻了运行人员的劳动强度，几乎达到免修的程度。由于少停机、不检修、发足无功而带来的经济效益十分明显，说明了科技是第一生产力的真理。但是在我国西部的一些省份，微机励磁调节器的应用还不广泛,希望本文对他们有一定的参考意义。 作者单位：福建省闽东老区水电开发总公司 | 
