湖南涔天河水电站励磁系统主要配置选型浅析

2020-08-04何卫东

水电站机电技术 2020年7期

关键词：可控硅风冷调节器

何卫东

（湖南涔天河工程建设投资有限责任公司，湖南永州425599）

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涔天河水电站位于湖南永州市江华瑶族自治县涔天河镇，电站装机4台立式混流机组，容量为4×50 MW。

本项目的励磁装置采用EXC9100微机型静态励磁系统，主要由调节器柜、整流功率柜、灭磁开关柜等几部分组成。

本文从励磁系统的稳定性、可靠性出发，探讨励磁系统主要部件的配置和选型。

1 励磁调节器通道配置

励磁调节器是励磁系统的核心，为了提高励磁系统的可靠性，调节通道宜采用冗余配置方式。涔天河水电站EXC9100励磁调节器采用三微机励磁调节通道（A、B、C 3个通道）架构，工作+备用工作方式。A、B通道为对等冗余通道，互为备用；C为A、B的后备通道，当A、B通道均故障时切至C通道运行。每个调节器通道包含有2种运行方式：自动AVR与手动FCR控制单元。

A、B通道的测量信号分别通过发电机机端励磁专用的电压互感器BV1、BV2和电流互感器BA1、BA2取得。C通道的测量信号，如现场具备条件，可由发电机机端第3套BV3、BA3提供，也可取自A、B通道。取自励磁变副边的三相同步电压信号及励磁电流信号，为3个通道所共用。

系统默认A通道为主运行通道、B通道为主备用通道，并可通过程序设定主运行通道。通道间采用热备用的运行方式，主备用通道、后备备用C通道同时跟踪主运行通道的脉冲输出，确保各通道的脉冲输出一致，通道切换时平稳且扰动小。并且，各通道同时接收控制与调节信号，并执行操作与调节，但只有该通道处于主运行通道状态时，通道才输出信号和触发脉冲。在工作通道出现运行故障时备用通道瞬间自动进入工作状态，同时关闭和退出有问题的通道，不再投入。如励磁调节器工作和备用通道的电压调节方式（AVR）同时出现问题，将立即投入FCR工作。工作和备用通道间采用智能即时信号联系，确保励磁调节器工作方式的无扰变换。

EXC9100调节器对通道可用状态进行智能分级管理，使调节器热备用组合更加合理。通道工作状态分为 0、1、2、3四个等级，3级为最高，0级为最低。3级是工作状态，所有必要的、备用的输入均正常；0级是通道存在严重问题，必要的输入异常，必须退出工作。

备用通道即时监控工作通道。A、B工作通道之间互为主备用，其逻辑关系为两个通道优先级别变更时，系统会自动切换到高级别通道工作。备用通道优先级别最高时，备用通道便会自动替换工作通道工作，这种分级管理，使励磁系统工作有序，运行更稳定。

通道状态级别定义见表1。

表1 通道状态级别定义

当通道运行在自动（AVR）方式，正常运行时状态级别为3级；PT故障时，调节器切到备用通道，原通道变为手动（FCR）方式且状态降为2级，该状态一直保持直至PT故障消除；若机端电压大于10%时，未检测到同步信号，则本通道优先级降为0，即本通道不可用，该状态保持直至同步信号故障消除。

1.1 励磁调节器硬件

励磁调节器主要由A/B/C 3个对等通道、开入量板、开出量板、人机界面、智能IIU以及特殊功能通信模块（可选配）等组成。

3通道配置方案图如图1。

图1 3通道配置方案

根据国内调研情况，其他国产调节器普遍由2套标准6 U机箱组成的AVR控制单元、操作回路及开关量输入输出构成，与本项目方案相比，少了一套通道硬件。

1.2 励磁调节器各个通道板件

1.2.1 主控制板

励磁调节器主控板采用ARM+FPGA多CPU架构，其中ARM芯片主要用以实现调节器逻辑运算、对外通信等，FPGA用以实现同步采集控制、同步交流采样及脉冲的形成和触发等。

励磁调节器的核心主控制板使用16位数字分辨率A/D采样芯片，其特点是瞬时、快速、高效和准确地处理获取的数据，完全满足励磁系统的数据采样和处理需求。

1.2.2 模拟量处理板

模拟量处理板负责将从调节器采集到的电压、电流、同步信号和白噪声等模拟量转化成直流电压（-10～+10 V）信号，为主控制板的AD采样功能提供所需的基础数据信号。主控制板频率测量信号也来自模拟量处理板。

1.2.3 I/O接口板

后台设备对励磁调节器的功能操作、调节器对外的传送信号，都是通过I/O接口板转驳实现。

1.3 小结

EXC9100励磁调节器采用3通道冗余的方式，通道间无扰动切换，极大提高了调节系统的稳定性，同时每个调节通道都选用高性能硬件，为各个通道的可靠性提供了足够的保障。

2 功率整流单元散热方式选择

可控硅元件在励磁控制回路中需具有较高的可靠性，优良的散热系统是可控硅元件可靠工作的重要保障。功率柜中主要的热量是由可控硅元件及高功率器件产生，可控硅散热方式的选择是整个励磁功率柜散热性能的关键。目前，国内、外励磁厂家采用的散热方式有强迫风冷和热管散热等方式。热管散热与强迫风冷散热的目标都是把半导体元件工作时产生的热量高效地传输到设备之外。

热管散热是将热管散热器压装在可控硅金属表面，热管内充有介质，通过抽真空降低介质沸点，利用介质在热管中液态→气态→液态的转化过程把可控硅产生的热量快速带离可控硅表面，散发到柜体中，再通过自然对流或者强迫风冷循环传输到柜外。若热管内真空度下降，则热管的性能会大打折扣。

热管散热器可以较快地将热量从散热器的热源端传递到冷凝端，若要将热量交换到柜外，并达到理想效果，需加大散热器体积或者辅以强迫对流，相应的热管散热器分为“无风热管”与“有风热管”。当前国内生产的“无风热管”整流柜，热管散热器体积较大，对环境要求较高，对电磁兼容性指标有一定影响；“有风热管”的单柜出力比“无风热管”方式有所增加，此方式接近于强迫风冷，散热效率明显提高，运行中不可停风，武汉某厂家功率整流采用的STR功率整流柜即为“有风热管”方案。

强迫风冷同样是将金属型材散热器压装在可控硅表面，利用金属的良好导热性能把热量传递到发散型的金属翼片，通过风机将翼片的热量快速带到柜外，风机同时可把功率柜内其他高功率器件，如阻容回路元件的热量一并带出。

强迫风冷需用到转动部件，有噪音、易积尘。但随着制造工艺的提升，这些影响已大大降低，比如选用高性能风机可有效降低噪音，功率柜的进风口装有空气滤芯可有效减少灰尘，实心金属型材散热器翼片间隙较大，便于日常清理。

两种散热方式各有优缺点，通过调研，目前国内投入使用的励磁系统中，强迫风冷方式应用更广泛，技术成熟、容易监测、方便维护。

因此，涔天河水库扩建项目励磁系统整流装置采用实心铝型材散热器组件双面压装、并联风道强迫风冷方式。

3 励磁功率整流柜智能均流的选择

多面并联运行整流柜的均流系数，是晶闸管选型的主要参数之一，关系到设备可靠稳定运行的年限。根据GBT7409.3《同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求》规定，功率整流柜的均流系数应不小于0.85。

常规均流方案一般采用硅元件参数选配及交直流进出线的处理，再加上通过调节器算法反馈调节，当设备运行一段时间后，可控硅及电阻的特性会发生变化，通过调节器的算法未必能保持理想的均流效果。

EXC9100采用基于脉冲控制的智能均流技术，自动调节过程中，功率柜控制板对本柜电流进行实时采集和比对。EXC9100核心特点是在功率柜交流侧进行电流采集：EXC9100励磁功率整流柜交流输入侧有3个电流互感器，如图2所示中的BA21、BA22、BA23。这3个CT既是该柜输出电流的测量CT，又是EXC9100按相均流测量CT。功率柜交流三相测量均流的自动均流方式，是目前领先的智能动态均流技术解决方案。相比其他只计算各并联功率柜之间的均流方案，桥臂换流的暂态过程才是比较准确、更贴近真正意义的智能均流。