大型水轮发电机组励磁系统设计新理念

大型水轮发电机组励磁系统设计新理念—由三峡机组励磁系统投运引起的思考

清华大学电力系统国家重点实验室兼职研究员

三峡水电厂励磁系统高级技术顾问

李基成

内容摘要

随着三峡水电厂700MW水轮发电机组的批量投运，及时总结、吸收和推广三峡机组励磁系统在调试及运行中取得的宝贵的实践经验，并在今后几年内为即将陆续投运的近200台三峡机组容量级的水轮发电机组励磁系统的设计及选型提供有益的依据和借鉴。

?关键词：三峡机组，静止自励励磁系统，励磁变压器，灭磁

电力系统稳定器

Abstract

As The Three Gorges Power Station’s 700W Hydro-Generator’s operating, to summary the practical experience in time from excitation system regulator and operating test is became a very important issue. It can be use for reference to choose the large-scale Hydro-Generator’s excitation system.

? This paper presents the design and the practical experience with the Three Gorges Excitation System. Analyze and testify the key technology problem about Static Excitation System. This paper provided a reliable option for the large-scale Hydro-Generator’s excitation system and connection style.

Key words: Three Gorges Power Station, Static Excitation System, Excitation transformer, De-excitation, Power System Stabilizer.

目录

?前言

?励磁变压器二次额定电压的选择

?谐波对励磁变压器运行的影响

?功率整流柜设计的新理念

?灭磁系统设计的新理念

?水轮发电机非全相及失磁异步运行时励磁系统的保护?结论与建议

前言

?近年来我国的水电建设事业得到了飞跃的发展，以三峡水电厂为特征的单机容量为700MW的左岸14台水轮发电机组已全部投入运行，右岸12台700MW

水轮发电机组的装机正在筹建中，预计在2008年前后将陆续投入运行。

?在第十一个五年计划期间，我国将又有一批容量在300MW～700MW之间的水轮发电机组将陆续投入运行。为此，在当前及时总结已投运的大型水电机组励磁系统，在设计及运行中取得的宝贵经验，结合国际励磁控制技术的最新进展，进一步探讨大型水电机组励磁系统在设计及选型方面存在的问题和经验，在当前已成为一项重要而迫切的课题。在本文中将从新的设计理念出发，开拓新思维，扩大新视野，重点对大型水轮机组励磁系统的设计及选型方面一些关键性技术问题进行分析与探讨，并期望文中的结论和建议，在优化励磁系统性能及提高运行可靠性方面有所裨益。

1. 励磁变压器二次额定电压的选择

当前，在一些世界级的大型水电厂中，诸如巴西－巴拉圭的伊泰普、委内瑞拉的古里（Ⅱ）、俄罗斯的萨彦－舒申斯克等的机组中以及我国已投运的三峡水电厂容量在700MW左右的主力水轮发电机组中，均采用了自励励磁方式。在大型水轮发电机组中，采用自励励磁系统已成为主流。下面就此励磁方式选择方面存在的一些关键性课题作一简要的论述：

?（1）阻容缓冲器的选择?

众所周知，在自励励磁系统中，励磁变压器二次额定电压（以下简称阳极电压）的选择取决于强励顶值电压的倍数，顶值电压倍数越高，阳极电压值也越高。另一方面，接在励磁变压器二次绕组侧的功率整流桥中的可控硅元件，在换相中的能量经由与整流元件并联的R-C阻容缓冲器旁路并予以消耗，存储与消耗能量之间应达到平衡并有一定的吸收容量储备，否则将导致吸收换相能量的阻容元件被烧毁，进而引起整流桥相间短路等严重事故的发生，这类事故在国内水、火电厂中曾多次发生。由阻容阻尼器吸收的能量，根据美国西屋公司推荐的计算表达式为（1.1）

2

Wu

5.3cfu

（1.1）式中：c :阻尼器中电容值（F）,f-电源频率（Hz）， u -励磁变压器二次额定线电压（V）。由式（1.1）可看出，阻容阻尼器吸收的换相磁场能量与外加电压的平方成正比，如取值为1000V及1243V（三峡机组励磁数据），此时由阻尼器吸收的能量比将为（1243）2/（1000）2＝1.545倍。

由此可见，励磁变压器二次侧的阳极电压越高，与整流元件并联的吸收换相能量阻尼器的容量也越大，而且其容量与励磁变压器二次额定电压的平方成正比，一旦换相阻尼器吸收容量小于所产生的换相能量，将引起整流柜相间短路的严重事故。在许多大型水电机组励磁系统的标书中，常常多的是片面强调强励顶值电压倍数的高参数，而很少认识到由此引起的危及到励磁系统安全运行的后果，这类教训，不乏其例。(完全同意李老师的看法，励磁阳极电压现在越来越高，其负面的影响也越来越多。现场工作人员已经都没有仪器测阳极电压及其波形。

令人欣慰的是，现在已经有700MW机组的励磁阳极电压只有800V左右的好局面，西北勘测设计院在这方面作出突破性的改变。

说到励磁阳极电压，李基成老师和我们，对于三峡右岸电厂12台机采用一个厂家的励磁设备，竟然设计三种励磁阳极电压感到大惑不解。李老师对于这个问题曾专门向有关方面置疑，并强烈建议统一三峡电厂右岸电厂的励磁阳极电压。

诚然，三峡右岸电厂12台机组，由三个主机厂家设计制造，各个厂家的励磁参数不一样，但都是700MW机组，统一成一种阳极电压没有技术难题。一个电厂3种阳极电压，会造成励磁变不一样、同步电压变不一样，备品备件更加多。如果说：三峡左岸电厂14台机由于是两家国外提供主机且提供励磁参数，难以协调造成14台机一种励磁设备两种阳极电压，那么右岸的12台主机主要由国内提供，从协调上、技术上等各个方面，就没有理由搞成3种阳极电压。

一个电厂一种励磁装置3种阳极电压，真的有必要吗？，如果有将创一种新的配置模式，但我担心会成为一个技术笑话。如果历史证明这是一个错误选择的话，管理者、设计者、制造者、使用者都有责任，但最大的责任是设计单位的不作为以及技术上的放任自流。强行统一阳极电压，各机组的励磁参数不变，只是

强励倍数有一点小变化，各台机组的空载控制角不一样而已，决不影响安全运行。如果搞励磁设计连这么一点主张都不敢，那我们完全不需要设计院，直接由励磁厂家设计制造即可）

（2）整流桥尖峰过电压的影响?

整流阳极电压，即励磁变压器的二次额定电压取值越高，在额定状态下整流器将处于控制角α值较大的深控状态，由此引起危及整流元件安全运行的尖峰过电压也越高。从运行角度出发，期望对阳极电压的选择在满足电力系统稳定要求的同时，应兼顾到上面提及的影响和危及到励磁系统安全运行的各种因素。从目前我国引进机组的励磁设备运行来看，当整流桥阳极电压超过1000V可认为已进入高参数范围。（非常高兴看见拉西瓦励磁阳极电压只有800V左右，曾经多年呼吁降低励磁阳极电压的励磁专家深感欣慰）

当前，就大功率可控硅中整流元件应用水平来看，用于三峡机组励磁系统中的可控硅元件最高反向重复峰值电压为5200V，可认为是-高参数元件。

另按我国水电机组励磁系统标书编制准则，可控硅元件所能承受的反向重复峰值电压应该不小于2.75倍励磁变压器二次侧最大峰值电压，依次可求出在采用上述反向峰值电压为5200V元件条件下，允许的励磁变压器二次电压有效值为:U=5200/(2.75X1.414)=1337V 。对三峡右岸阿尔斯通机组而言，其励磁变压器二次额定电压已应用到极限值。

（三峡7F励磁阳极过电压波形实录，过电压的尖峰几乎同阳极电压的峰值一样，这就是实例。）

为此，在选用励磁系统强励顶值电压倍数时应兼顾考虑到功率整流元件承受的反电压值。

（3）对电力系统稳定器PSS参数的影响

选用过高的强励电压倍数，还将引起由励磁系统提供的负阻尼力矩的进一步增长，为电力系统稳定器的参数整定将带来更多的困难。例如近年来由于全国联网以及电力系统容量的增加，特别是随着三峡电厂左岸14台700MW机组的批量投运，对电力系统稳定器的频率响应范围也提出了更高的要求，以三峡机组为例：电力系统稳定器的高频响应频率为2Hz（机群之间的振荡频率），单机对系统的响应频率在（1.0～1.2）Hz之间，而区域间振荡模式的频率响应范围，根据国调的下达的设定为0.13Hz，显然在响应频率范围如此之广的条件下，为满足各种振荡模式的要求，PSS的参数设定已十分困难的条件下，如果励磁系统再选用过高的顶值电压倍数，必将进一步加重PSS拓展频率范围的困难。在国内许多重点工程设计中，片面地强调高参数，而得到的却是适得其反的后果，这种情况不乏实例，得到的教训值得深思。

对于PSS参数设定应当明确的一点是：对于机群振荡，单机对系统的振荡以及区域间振荡等三种振荡模式的参数设定如何侧重是一个关键性课题。从三峡机组投运调试中体会到西门子公司对PSS参数的设定重点侧重于机群以及单机对系统的振荡模式，并兼顾到区域间振荡模式，因为在水电厂投运发电后，机群之间以及单机对系统的外部,变化因素机群之间以及单机对系统的外部变化因素较少，保证这两种振荡模式下机组能稳定是运行安全性的基本要求，而区域振荡模式受电力系统网络框架的变化影响因素较多，过分强求满足于一种运行模式，而忽略了保证机组安全运行的基础，如何取舍，也值得深思。

（华中两次系统振荡，1次是0.77hz，另一次不祥。PSS参数应该总结这两次振荡的情况加以修正。特别是对于华中第二次振荡，应该到各个电厂去调查PSS的作用。）

2. 谐波对励磁变压器运行的影响

确切的说，以整流器为负载的励磁变压器可能产生两种谐波：电流谐波和电压谐波。电流谐波来源于整流负载的非线性阻抗、铁心的饱和以及换相过程中工作相的切换。由于谐波电流的存在将引起附加损耗和不均匀分布的涡流损耗的增

加，涡流损耗将引起铜线以及铁心局部的过热。

电压谐波来源于谐波电流在线路阻抗上产生的谐波电压降，并导致整流过程中电压波形的畸变。

此外，发电机电压波形亦非完全的正弦电压波形，亦存在非正弦谐波分量，谐波电压的存在将导致励磁变压器空载损耗的增加及噪音的增大。为此对用于大型水电机组的励磁变压器，在确定其技术规范时，不仅应考虑到谐波电流的影响，同时亦应考虑到谐波电压的影响，即应以综合考虑了电压谐波电流谐波总的谐波畸变率作为评估励磁变压器的准则。

3.功率整流柜设计新理念

3．1 冗余方式的选择

对于大型水电机组，为了保证励磁系统可靠地运行，通常要求功率整流有一定的容量冗余。对容量冗余的原则，国内、外各制造厂的理念不尽相同。

例如瑞士ABB公司通常采用N-m≥2，N为总柜数，m为允许退出并可保证强行励磁的功率柜数，此时并联总柜数N≥3（事实上的情况究竟怎样？？）。另一种冗余方式是N+1冗余方式，（N+1的冗余方式基本为大家使用，所谓的N-m ≥2方式是不是一种厂家宣传？？？对于冗余方式，今天N+1，明天N－1，后天N-m≥2，乱七八糟）当N=1，即2柜互为备用（1柜运行，另1柜冷备用）。后一种冗余方式是基于“在线维修”的基本理念，认为应尽可能减少并联冗余整流柜数以提高运行的可靠性。美国GE公司即按此理念考虑冗余原则，其具体措施是采用φ100直径大功率可控硅整流元件以减少并联支路，当并联整流柜中出现故障时，在切除整流柜触发脉冲后，借助于可同时分断交流输入端及直流输出端的五极刀闸，将故障柜安全退出，在不带电的情况下，对故障元件进行更换和维修。（此设备仍然视为带电设备，更换和维护工作千万要小心。五极刀闸故然很好，但好在可以有效隔离故障的功率柜，而不是在线维修。由于水电停机频繁，一般不提倡带电检修功率柜，除非没有办法。）

上述基于状态检测,在线维修设计新理念,在于尽量减少并联柜体的冗余数以减少故障的机率,同时利用在线维修的措施,经短时间更换故障元器件投入后,又可以达到比按常规理念设计的整流柜具有更大的冗余。

3．2功率整流柜的均流[2]

众所周知,当前大功率整流柜的均流有两种均流方式:常规均流及数字智能均流.理论分析表明可控硅元件的通态电阻是影响元件均流的主要因素.在多支路并联运行整流柜中,对于各相同桥臂按照门槛相近的原则进行选配,以保证导通时通态电阻的相近.如通态电阻仍有差异,可进一步调整交流侧进线及直流侧出线的长度以求得电阻的均衡.例如采用等长进线电缆对通态电阻进行均衡.如果交流侧进线采用铜排,可在铜排连接端采用锯槽或钻孔等机械手段亦可实现均流.（这种方法万不得已的办法，如果要采用这种方法，太落后，太原始。据我估计，没有人敢用这种方法，用户也不答应厂家采用这种方法。不易提倡）

美国GE公司及西屋公司采用在交流侧接入空心电抗器以实现均流（最传统，只有GE还在坚持，可敬可佩）.作为数字均流是近年来推广应用的一项新技术.例如瑞士ABB公司在大功率整流器率先推广数字均流方式。所谓数字均流方式系指借助于AVR对并联同一相桥臂各支路可控硅元件触发脉冲时间的控制达到均流的目的.数字均流的优点是:对可控硅元件参数的差异,交直流进出线阻抗不均衡等差异的适应性较强,当更换新元器件后也易于实现均流.此外由于均流是通过对各支路元件电流测量并进行比较的条件下进行的,为此比较准确的反映出各元件的均流情况。

数字均流的缺点是由于增加数字控制部分而降低了励磁设备运行的可靠性.另外,由于数字均流是借助于调整同一相桥臂各元件导通时间的不同达到数字均流的目的,势必导致最先导通的并联元件承受较大的电流冲击值。

应予以强调指出的是:在采用常规均流措施的并联整流柜中多设置监视均流状态的整流柜输出直流电流表,用以作为判断整流柜并联支路的状态,实际上是即使接在整流柜正输出端各直流电流表是均衡的,但这并不一定表明,整流柜负极端各支路电流也是均衡的。为此，以整流柜正输出端各直流电流表作为判断整流柜均流状态是有局限性的。

（对于数字均流，我有技术疑问：是实时检测控制吗？有死区吗？对于控制环节有延时吗？这个环节影响整个脉冲环节的可靠性吗？