摘要：水电厂励磁系统的工作状况直接关系到电厂的发电量。为了保证电厂的正常运行，日常工作中需要对励磁系统进行维护。本文将首先对励磁系统进行简单介绍，然后对其发电机励磁系统升级改造进行分析和探讨。

关键词：励磁系统;发电机;技术改造

引言

我厂发电机自并励励磁系统，又称自并励静止励磁系统，对发电机运行的稳定性、安全性和供电质量有直接影响。基于此，本文首先介绍了发电机自并励励磁系统的特点。其次，分析了发电机自并励励磁系统存在的问题。最后，针对这些问题，从设计和选型两个主要方面分析了发电机自并励励磁系统的优化途径。

1.概述

水力发电厂是当今社会电能的主要来源。励磁系统一般指向同步发电机及其相关设备提供励磁电流的电源，是水力发电厂的核心设备。没有它，能量就无法最终转化为电能。励磁系统分为两个主要部分：励磁功率单元和励磁调节器。前者的作用是向发电机转子提供励磁电流，后者根据工业需求控制前者的输出。励磁系统在维持发电机机端电压、合理分配无功功率、保证电力设备安全运行和提高电力稳定性方面起着重要作用。一旦励磁系统出现故障，水电厂就无法稳定供应电能，从而造成电网及社会的影响，严重时会造成电网的崩溃。因此，如何在日常工作中处理励磁系统的故障成为业内的一个重要问题。

2.原励磁调节器的组成及存在的问题

2.1发电机采用三相禁止可控硅自并列的励磁系统，其励磁调节器硬件采用多CPU模式、电路表面贴装工艺和无风扇结构。主CPU用于调节和逻辑控制，高速DSP芯片用于交流采样，CPU之间通过双口RAM交换数据。具体参数如下：

发电机型号：SFWG37.5-52/6500;额定功率：37.5MW;额定电压：10.5kV;额定电流2241.2A;功率因素0.92（滞后）;频率50Hz;定子绕组接线方式：Y。

励磁调节器利用数字量输入命令或模拟量输入信号或者通过串行通讯线路，可控制AVR给定值的增、减或预置。给定有最大上限和最小下限，达到限制值后会发出指示信号。给定的变化速度可通过软件设定。一般不提供模拟量输入的给定信号，除非用户有特殊的要求。调节器内有电压给定和电流给定两个给定单元，分别用于恒机端电压调节和恒励磁电流调节。发电机起励建压后，两种运行方式是相互跟踪的，即备用方式跟踪运行方式，跟踪的依据是两种调节输出相等，且这种跟踪关系是不能人工解除的。两种运行方式可以人工切换，有些情况下如PT故障也会自动切换。人工的增、减磁操作是对处于运行状态的给定单元进行操作，这由调节器的自动选控逻辑保证的。从而实现恒功率因数控制和恒无功功率控制。

2.2存在的问题

我厂励磁装置已运行16年之久，由于励磁装置更新迭代后软件、硬件和现场设备很多地方都不匹配，主要存在以下不足情况：

2.2.1 CPU：AMD5X86-P75（486DX5-133）主机板用微处理器，推出时间：2005，DSP：TMS320VC33以上，以上硬件目前已经停产，无法进行维护更换。

2.2.2 仅支持WINDOWS3.1和WINDOWS95，不能安装主流系统。

2.2.3 AD转换器为 LTC1608A，分辨率：16bit，多通道同步采集频率：330K/通道数，12位精度不能满足现场运行需要。

2.2.4 采样技术为交流采样DSP采样后顺序处理。

2.2.5 电磁兼容性方面：调节器在当初的电路设计、工艺结构等方面采取了多种抗干扰措施，充分发挥了屏蔽、接地、滤波、布线设计的作用，投运时显著降低了调节器的故障率，但是不能满足现在运行机组的实际情况。

2.2.6 设备功能方面：在同步电压缺相时，报出同步故障，无法正常工作;始终为三通道，且在通道切换上，始终为A通道主用时，B或C备用;B主用时，C备用，调节器模拟量回路集成于C通道板，两通道共用;采样技术采用直流采样，调节周期5ms/次;道切换为有扰动切换。

3.改造方案

3.1 励磁调节器通道及硬件配置

3.1.1调节器配置为双通道（A/B 通道） A、B两个相互对等冗余，互为备用。

3.1.2主控制板

励磁调节器的核心主控制板，采用主流 ARM + 新型 FPGA 的嵌 入式精简系统，集成度高。

主控制板上 A/D 采样芯片具有 16 位数字分辨率，可实时处理大量数据，非常适合于数据采样及处理。主要用于实现模拟量的同步采样和高速转换。

FPGA（现场可编程逻辑门阵列），内部逻辑可以自由编程定义。具有精确时序和同步、快速决策及并行任务同时执行等优点。新型 FPGA 内部更集成了大容量 RAM 和多路 DSP，可完成多单元并行浮点运算，非常适合做数字信号处理。在系统的主控制板设计中，FPGA 发挥非常重要的作用，完成同步采集控制、同步交流采样及算法实现、频率补偿、同步信号检测、脉冲形成以及 CPU接口等功能。利用 FPGA 的并行浮点运算能力强、可靠性高的特点，是励磁调节器的显著特色。

32 点向量同步交流采样技术及移窗算法处理，克服了直流采样时间常数大的缺点，显著地减少了调节器测量环节的时间常数，提高了调节 器的快速调节能力。 ARM 微处理器采用 RISC 架构，高速、低功耗。

3.1.3模拟量板

主要实现发电机机端 PT 电压、机端 CT 电流、励磁 CT 电流、同步信号、系统 PT 电压、温度等模拟量信号的转换，将对应信号转化为范围-10～+10V之间的电压信号，供主控制板的 AD 采样计算。同时对三相机端 PT 电压的频率信号进行转换，输出到主控制板进行频率测量。可设置励磁电流的过励保护动作值。

3.1.4 I/O 接口板

外部对励磁调节器的诸如起励、增减磁操作、逆变、并网等控制、操作、状态信号，及调节器向外输出的控制、状态信号，都需通过 I/O 接口板进行过渡转换，再与主控制板连接。I/O 接口板采用了高可靠性的 CPLD 作为控制芯片，通过高速串口方式与主控制板进行数据交换。

3.1.5 开入量板

外部对励磁调节器的诸如起励、增减磁操作、逆变、并网等控制、操作、状态信号，采用的是 24V 电压等级的开入量。开入量板把 24V 开入量信号进行隔离转换，变为 3.3V 电压等级的信号，再送给 I/O 接口板进行处理。

每块开入量板最多可输入 36 路外部开入量信号，正常可满足常规励磁系统开入量数目的需要。在特殊情况下，如果超出了 36 路的需求量，可增加一块开入量板，但最多再扩展 12 路外部开入量信号。

3.1.6 开出量板

励磁调节器向外输出的诸如投入起励电源、逆变失败分灭磁开关、R631 信号等控制、状态信号，也需通过 I/O 接口板进行过渡转换，送给开出量板;由开出量板经过隔离转换后，驱动 24V 继电器，输出继电器接点信号。

每块开出量板最多可输出 16 路继电器接点信号。每 8 路接点一组，把其公共端短接在一起。正常可满足常规励磁系统开出量数目的需要。在特殊情况下，如果超出了 16 路的需求量，可增加一块开出量板，但最多再扩展 16 路开出量信号。

3.1.7 智能 IIU 板

利用智能 IIU 板，可灵活实现励磁系统与电站监控系统的数据交换。智能 IIU板通过 CAN 总线接收励磁系统信息（包括故障信息、状态信息），一方面通过继电器接点输出至电站监控系统;同时，也可以通过 RS485 串行通讯口与电站监控系统相连。智能 IO 板输出的继电器接点信号可通过组态软件灵活组合和定义。

3.1.8 电源系统

有两路三相四线制交流 380V 电源，由机旁动力屏引至灭磁柜，互为备用，柜内设有自动切换装置。交流电源主要用于提供风机电源、变送器电源、照明及加热器电源。

励磁装置的直流供电电源为 DC220V，从灭磁柜引入。直流电源包括起励电源、直流控制电源 I 段、直流控制电源 II 段。

励磁装置的各硬件控制电路板，都由弱电操作电源 DC24V 供电，也包括开入量回路及触发脉冲电源。 DC24V 弱电操作电源由励磁系统自身配备的自用变压器及直流控制电源，经过两台独立的 DC24V 开关电源并列供电，保证了供电可靠性，各开关电源均有独立的电源控制开关。

交流起励电源由机旁动力屏II段引入，当机组无剩磁和无直流的情况下，可将切换开关切至“交流起励”位置进行交流起励，以保证机组的可靠投入运行。

3.2 主要难点及创新点

3.2.1电制动模式

电制动比机械制动具有制动力矩大、停机时间短、无环境污染、以及制动投入速度不受限制和设备维护检修方便等优点。在励磁调节器内，增加电制动模式，可与外部电制动操作、逻辑回路配合，实现电制动停机。在电制动过程中，励磁调节器通过控制调节，使得励磁系统向发电机励磁绕组提供一恒定的励磁电流。励磁调节器在电制动模式下，控制模型与手动方式是完全一致的，电流给定为电制动电流给定值，可通过调试软件设定。

3.2.2 无功调差

在励磁调节器自动方式下，为了保证多台并联运行的发电机组之间的无功功率合理分配或补偿单元制接线主变压器的电压降，调节器附加了无功调差功能。采用合适的正调差系数，可保证多台并联运行的发电机组之间的无功功率合理分配。采用负调差系数，可部分补偿在单元制接线方式下主变压器的电压降。励磁调节器的调差系数范围在-15%和+15%之间。

3.2.3 励磁电流强励限制

励磁电流强励限制的作用在于保护发电机转子绕组不会过流而损坏。强励限制分为强励顶值限制和强励反时限限制。强励顶值限制，限制强励情况下励磁电流的最大输出，是瞬时限制。强励反时限限制，是根据发电机转子允许的反时限过流能力，按照等效发热原则，按反时限特性去限制励磁电流输出，防止发电机转子过流损坏。

3.2.4 欠励限制

当发电机端电压低于系统电压时，发电机从系统吸收无功或输出负无功，这种情况称为发电机进相运行。过度的进相运行，将引起发电机失去静态稳定。欠励限制环节可以限制发电机进相运行的安全定范围，保持发电机静态稳定。

3.3升级改造的实施

在原有励磁调节器控制原理的基础上，实现了功能软件化、系统数字化、检测智能化。系统的数字化不仅体现在调节器，也体现在功率柜和灭磁柜。励磁系统的各个部分均能实现智能检测、智能显示、智能控制和信息智能传输。还充分融入了电磁兼容性设计，并精心选用了低功耗、优质的工业级集成电路芯片，进一步提高了励磁装置的可靠性和工艺水平。 并制定了实施方案和步骤。

1.在机组现场防尘降温房安装控制箱（励磁控制系统安装在房内，可有效减少粉尘的进入量和控制温度，避免系统电子元器件因高温老化），在房内安装励磁控制系统;根据原理图进行连接和检查。打开新控制器并设置控制器参数。

2.实施控制回路对接，连接原励磁系统控制原理图，进行在线调试，保证机组安全运行和技术指标优化;

3.空载启动，在新控制器DECS-100计算机测试平台上，观察DECS-100测试电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数与控制柜上测试参数的一致性。

4.完成调速器建模试验，进相试验，低励限制试验。

5.并网运行，逐渐增加水轮机轮机进水量至满负荷，观察发电机电压、电流、有功功率、吴工功率的变化情况。励磁系统的励磁电压、电流、温度在正常范围内，功率因数稳定在0.92。

完成上述步骤后，按正常启动流程启动机器，观察发电机工作状态，励磁控制系统连续运行48h，验证其安全可靠;

结束语

这一改造使发电机陈旧的模拟励磁调节系统升级为新一代数字式励磁调节系统，摆脱了原厂家的技术束缚，节省了维护费用。发电机连续运行72小时，工作稳定可靠。并网后功率因数稳定，技术改造成功。

参考文献

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