乌东德水电站发电机励磁系统设计

邹来勇，张 杰

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010）

乌东德电站位于四川省金沙江干流上，总装机容量10 200 MW，左右岸各6 台850 MW 水轮发电机组。作为发电机主要附属设备的励磁系统，承担提供发电机励磁电流、维持发电机机端电压、调节无功分配和提高电力系统稳定性等重要任务，其可靠性直接影响发电机的安全运行，而其励磁方式、调节性能和顶值电压倍数又都关乎所接入的电力系统的稳定性。因此，乌东德工程建设伊始，根据电站地下厂房特点，从技术和经济等多维度对发电机励磁方式、顶值电压倍数以及励磁系统各主要设备的型式和结构进行了分析研究和比选，确定了励磁系统总体设计方案。本文介绍设计中方案比选的一些经验和体会，限于篇幅，本文对设备参数计算不作过多介绍。

1 励磁方式及励磁顶值倍数

1.1 励磁方式

发电机有多种励磁方式，包括他励和自励方式，自励又分为自并励和自复励方式，其中自并励方式由于其高起始响应的显著优点，以及接线简单、无旋转部件、占地面积小、维护工作量小、投资省等特点获得广泛应用，积累了丰富的设计、制造和运行经验。

当然，在某些励磁特性上，如发电机近端三相短路下的强励电压特性、短路电流特性方面，自并励励磁方式也有不及其他励磁方式之处，但对于机端采用离相封闭母线的发电机，自并励方式与其他励磁方式比较，对电力系统稳定的作用并无多大区别，采取一定措施后对发电机后备保护动作也无影响[1，2]。

自并励又有两种接线方式可选：①励磁变接于发电机端，如图1（a）所示。这种接线方式是最典型也是最常用的接法，只要发电机运行，就有励磁电源，可靠性高，在外部短路切除后，能迅速提供强励电流，提高电网的暂态稳定水平，这种接线方式，需要外置起励和电气制动电源。②励磁变接于发电机断路器系统侧，如图1（b）所示，是抽水蓄能机组典型接线方式[3]，同样适用于常规水轮发电机，如非洲最大的水电站安哥拉卡古路卡巴萨水电站就采用这种励磁方式，但在国内常规机组中鲜有应用。这种接线方式，励磁变压器从系统侧受电，除了需具备黑启动功能的机组，一般不需要设起励装置和电气制动励磁装置，缺点是若系统侧事故，发电机断路器跳闸后，系统电压仍低，励磁系统不能正常提供励磁电流。

图1 自并励励磁方式

乌东德电站为地下厂房，布置空间较为紧张，适合占地小的自并励励磁方式，如图1（a）所示，励磁电源取自发电机机端。

1.2 励磁顶值电压倍数

适当高的顶值电压倍数，并通过快速励磁控制，可提高系统暂态稳定，但过高的顶值电压倍数对励磁系统的主回路及转子的绝缘、磁场断路器及整流元件的选型、以及工程造价均带来不利影响。

乌东德电站单机容量大，对系统有着重要影响，因此按主变压器高压侧发生三相短路期间保持短路电流暂态分量不衰减的原则来初选顶值电压倍数很有必要。为顶值电压系数，定义为：

式中：αmin、αo分别为强励及空载时晶闸管的控制角。

由临界外阻抗计算公式[4]可推导出顶值电压系数Kα计算公式，并计算出主变高压侧三相短路电流暂态分量不衰减的Kα为：

式中：Xd为直轴电抗，乌东德左岸机组为0.83；XT为主变电抗，取0.17。

忽略各种压降，强励以及空载时，整流器输出电压分别为：

式中：UfN为额定励磁电压，541 V；Ufo为额定空载励磁电压，258 V；U2N为励磁变副边电压。

由式（1）、（2）、（3）、（4）求得顶值电压倍数KC为：

即维持主变高压侧三相短路电流暂态分量不衰减的顶值电压倍数应不小于2.2，有研究[5，6]表明，对于静态励磁系统，当顶值电压倍数大于1.6 后，会产生饱和现象，系统暂态稳定性不再随顶值电压倍数的提高而改善。为进一步确定该参数，研究了部分单机容量相近的发电机顶值电压倍数，见表1，除三峡电站取电力系统要求的2.5 倍外，其它电站均采用2.0 倍。

表1 部分大型水电站顶值电压倍数

综合技术和经济因素，确定乌东德励磁顶值电压倍数为2.0，既满足系统稳定要求，也满足国内相关励磁标准不小于2 倍的要求。

2 励磁系统主要设备

2.1 励磁变压器

2.1.1 型式及接线组别

乌东德励磁变压器布置在地下厂房母线洞内，考虑运输、布置及接线方便等因素，采用3 个单相变压器，接成Y/Δ-11 组别，高压侧采用Y 接线，与离相封闭母线连接，低压侧采用Δ 接线，Δ 接线电流为Y 接的1/，减小了绕组导体截面，也消除3 的倍数次谐波影响。绝缘采用环氧浇注结构，具有防潮、防腐、抗湿热、阻燃和自熄特性，以及局部放电值低、抗短路能力及耐雷电冲击能力强、损耗及噪声低、可靠性高和寿命长等诸多优点。

2.1.2 容量、绝缘等级及温升

励磁变副边电压按机端电压下降至80%额定电压仍保证2 倍顶值电压倍数考虑，副边电流按满足1.1 倍额定励磁电流计算，在考虑谐波损耗后，容量预留10%～15%左右裕度，最终左岸、右岸机组励磁变容量分别为3×2 500 kVA 和3×2 300 kVA。绝缘耐热等级采用F 级，允许温升按B 级绝缘耐热等级考核取80 K。

2.2 功率整流器

2.2.1 接线型式

乌东德电站采用三相晶闸管全控桥式接线，晶闸管并联桥数量，按可靠性、灵活性和经济性原则选择，采用4 个功率整流桥并联，每臂1 个元件，一桥故障满足包括强励在内的所有功能，二桥故障满足最大连续励磁电流要求。

2.2.2 冷却方式

功率整流器属大功率设备，运行时产生大量热量，目前主要冷却方式有以下2 种：（1）热管自然冷却，特点：①热阻低、热响应速度快、热传导性能好；②热管等温性能好；③体积小，重量轻；④额定运行无需风机，无噪声，无灰尘，节能低碳，日常维护量少。（2）强迫风冷，系统比较简单，技术成熟，适用于功率整流柜布置在开敞的主厂房、利用主厂房作为整流柜热风排放空间的发电机，但灰尘易进入柜内附在元器件表面，需频繁更换风机滤网，维护工作量很大。

乌东德整流柜采用热管自然冷却加备用风机方式，在额定励磁电流下无风机运行，在退柜或晶闸管外壳温度大于80℃时启动备用风机，减小了柜内灰尘汇聚，降低了功率柜故障率，实际运行冷却效果良好，最高管芯温度95.8 ℃[7]，低于允许的最高运行温度125℃。

2.3 灭磁及过电压保护

2.3.1 灭磁

一般机组正常停机采用逆变灭磁，事故灭磁有交流灭磁、直流灭磁和交直流冗余灭磁三种方式。大型机组多采用交直流冗余灭磁方案[8]，乌东德就采用这种灭磁方式，如图2 所示，直流磁场断路器S101 可独立承担发电机各种灭磁工况灭磁，交流磁场断路器S102 作为直流磁场断路器的辅助灭磁和后备运行方式，按满足空载误强励灭磁工况选择，机组事故时，触发直流磁场断路器跳闸灭磁，同时逆变，约70～100 ms 后，封闭整流器晶闸管触发脉冲，同时启动交流磁场断路器跳闸，利用整流器阳极电压的负半周辅助建压实现交流磁场断路器跳闸灭磁。

图2 乌东德电站灭磁及过电压保护方案

直流磁场断路器选用法国LENOIR 公司的CEX06 5000 4.2 开关，CEX 开关是一种具有双断口并带常闭放电触头的真正意义上的磁场断路器，最大分断电压3 000 V，从其型式试验报告看，在施加3 000 V 电压试验中实际弧压达5 100 V，远高于其保证的最大分断电压3 000 V，能满足任何灭磁工况独立灭磁的要求。交流磁场断路器采用德国SIEMENS 真空断路器，额定电流4 000 A，额定电压12 kV。

灭磁电阻采用SiC 非线性电阻，优点是：①单片容量大（每片可达50 kJ）；②自然均能性优良，易于并联；③在遭受能量冲击后的失效类型是软化，无短路危险，而ZnO 呈短路态，需配置熔断器保护；④无明显转折电压，易导通，换流容易。缺点是灭磁时间比ZnO 电阻稍长。工作能容量按机端三相短路和空载误强励这两种最恶劣灭磁工况的耗能来选取，耗能不超过工作能容量80%，最终左、右电站统一为18 MJ。

2.3.2 过电压保护

为防止各种过电压，整流器交、直流侧均应装设过电压保护装置，乌东德电站交直流过电压保护如图3 所示，直流侧转子过电压保护采用跨接器加非线性电阻RFS 构成，转子过电压与灭磁共用同一组非线性电阻。

图3 阻容保护装置原理图

交流侧过电压保护有整流式阻容保护、三角形阻容保护和星型阻容保护等。整流式阻容保护如图3（a）所示，需设整流器，整流器输出电压高（为1.35U2N），即使没有尖峰过电压，正常运行时电阻也消耗功率，发热最多。三角形阻容保护如图3（b），它器件少，电容小，电阻发热量较小，过电压吸收效果最好。星型阻容保护如图3（c），器件少，电容较小，电阻发热量最少，过电压吸收效果较好。不管哪种集中式阻容保护装置，均不宜装设在整流柜内，应单独组柜，并配置冷却风机。有研究[9]表明，三角形联结的过电压抑制效果好，电容容量小，电阻耗能也较小，乌东德交流过电压保护采用该方案。

2.4 励磁调节系统

2.4.1 励磁控制方式

动、静态特性优良的励磁调节系统，是提高电力系统稳定、增加功率输送极限极为经济及有效的措施。励磁调节器基于电压偏差的PID 调节方式，对于调节精度、响应时间等静态及动态品质有很好的作用，电力系统稳定器（PSS）作为附加励磁控制，以发电机转速、功率、频率或这些变量的组合作为输人信号，经校正环节后，补偿励磁系统本身引起的相位滞后，提供正阻尼，抑制低频振荡，乌东德采用PID+PSS 励磁控制方式，可根据电力系统稳定运行的要求选择PSS2B 或PSS4B 模型，在系统振荡频率0.1Hz～2Hz 范围内提供正阻尼，改善电力系统小干扰稳定性。

2.4.2 励磁调节系统的结构和功能

乌东德配置冗余的双通道数字励磁调节器，每个通道包括完整的自动电压调节（AVR）、励磁电流调节（FCR）以及各种限制功能，双通道采用热备用运行方式，工作通道故障时备用通道自动投入运行，并闭锁故障通道。

2.5 电气制动

乌东德正常停机采用电气制动加机械制动的混合制动方式，电气制动励磁电源，有下面2 种方案：①柔性电气制动方案，电气制动励磁电源由380 V厂用电经制动变压器BT、主整流器SCR 供给，见图4（a），该方案节省一套制动整流器，但接线及操作略为复杂，在许多大型、特大型电站有成熟运行经验。②独立整流器电气制动方案，电气制动励磁电源由380V 厂用电经制动变压器BT、制动整流器SCR2供给，见图4（b），接线及操作简单、可靠性高，但造价较高。乌东德电站采用柔性电气制动。

图4 电气制动方案

3 结语

从2020 年乌东德电站首台机组投产发电，励磁系统已安全运行3 年多，它具有以下特点：

（1）合适的顶值电压倍数，在技术上满足要求的基础上，不一味要求过高的顶值电压倍数。

（2）根据乌东德电站厂房特点以及励磁盘柜的布置情况，采用热管自然冷却方式散热，非常适合机组分批投运且投运周期长的乌东德电站建设模式，减少建设期厂房灰尘进入柜内。

（3）设置了单独的交流过电压保护柜，将发热量大的交流阻容吸收装置单独组柜。

（4）磁场断路器跳闸前采取逆变、封脉冲等辅助灭磁措施，减轻直流磁场断路器的分断负担。