EXC9200励磁系统在龙溪三级电站的应用

林良渝

（闽东电力柘荣发电分公司，福建 宁德355300）

0 引言

电力系统发展初始阶段，机组容量较小，电站多采用励磁机（直流励磁机和交流励磁机）方式励磁，对励磁系统的要求也较低。但由于这种励磁系统维护工作量大、响应速度慢等缺点，已经不能满足电网的要求[1]。随着电力系统的不断发展，可控硅和IGBT制作工艺不断革新，以半导体为功率元件的励磁方式在大、中型同步发电机组得到广泛应用。半导体励磁方式普遍采用交流励磁电源加半导体整流元件（SCR、IGBT等）的方式实现，目前，半导体励磁方式仍然是励磁方式的主流[2，3]。

福建龙溪三级电站共两台发电机组，机组额定机端电压为6300V，当采用旧励磁系统对发电机起励升压时机端电压在6000～6700V之间波动，并且旧励磁系统不存在零起升压和系统电压跟踪功能，给系统运行及维护带来诸多不便。同时随着励磁系统零部件老化，严重影响了整个机组的安全稳定运行，亟待对励磁系统进行升级改造。

EXC9200型励磁系统是中国电器科学研究院有限公司/广州擎天实业有限公司开发的第六代微机励磁系统。主处理器采用POWERPC+FPGA架构，内嵌Vxworks实时操作系统。本文对EXC9200励磁系统和调节器数学模型进行了说明，并对励磁系统的架构和静、动态特性进行了分析。把该励磁系统应用于福建龙溪三级电站，取得较好的控制效果，能够满足电站和电网的要求。

1 励磁系统及其数学模型

1.1 励磁系统介绍

1.1.1 调节单元

调节单元是励磁系统的核心，通过对发电机机端电压、励磁电流等模拟量及开机令、停机令等开关量信号的采集，实现对励磁电压、励磁电流的输出控制，以达到励磁系统的调节功能。励磁系统调节单元的配置框图见图1。从图中可以看出励磁系统一般由人机界面、调节器、开关量输入/输出、智能控制模块等组成。运行维护人员可通过人机界面对励磁系统进行简单的操作控制。调节器部分主要实现励磁系统的恒机端电压、恒励磁电压等调节功能，可根据需要配置为双调节通道或三调节通道。福建龙溪三级电站采用双调节通道（REGA/REGB通道），通道间实现完全对等冗余，互为备用。开关量输入/输出模块为调节器提供对外输入、输出接口。通信模块可实现励磁系统内部的数据交互，也可通过通信的方式与上位机监控系统进行数据交换。

图1 励磁系统双调节通道配置框图

1.1.2 功率变换单元

在励磁系统中，功率变换单元主要实现交流电和直流电间的相互转换。现阶段励磁系统的功率单元一般采用三相桥式全控整流电路来实现，功率元件采用可控硅。每个全控桥由6个可控硅元件组成。龙溪三级电站功率单元采用1个功率柜，有2个三相桥式全控整流电路并联而成。

三相桥式全控整流电路的原理图如图2所示[4]。功率元件由 VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6 6个可控硅半导体元件组成，励磁调节单元通过控制可控硅的触发角实现功率单元的整流和逆变功能。在励磁系统中，UA，UB，UC为三相交流电压输入，取自励磁变压器的副边。负载为发电机的转子。整流桥的输出直接接入发电机转子。

图2 三相桥式全控整流电路原理图

1.1.3 保护单元

（1）阻容保护

在励磁系统正常运行过程中，整流桥可控硅整流换相过程中可能会产生较高的电压，为了避免可控硅整流元件过电压击穿，需要设计阻容吸收回路对产生的尖峰过电压进行吸收。针对龙溪三级电站，我们采用分散式阻容保护，即把电阻电容串联，然后并联在可控硅的两端，如图2所示。

（2）过压保护

过压保护部分原理框图如图3所示。

图3中REC为功率单元，对应整流桥；QFG对应灭磁开关；FR为非线性灭磁电阻；RD为快熔；V1为二极管；V2为可控硅；A1为可控硅触发检测板；CT为电流互感器。

图3 过压保护原理图

励磁系统过压分为正向过电压和反向过电压。

当发电机处于非正常运行状态时，转子回路会产生很高的感应电压，当检测到转子电压超过设定值时，可控硅模块V2会被触发，此时非线性电阻单元FR将被并入转子回路，消除掉产生的过电压能量，此时属于正向过电压。

当励磁系统事故停机时，需要跳开QFG将磁场能量转移到非线性电阻FR上实现灭磁。把二极管V1和可控硅模块V2反向并联，从而保证当发电机转子出现反向过电压时转子不开路，对转子绝缘起到保护作用。

1.2 励磁系统数学模型

励磁系统主要有2种运行方式：自动方式和手动方式。自动方式即恒发电机电压调节模式，手动方式为恒励磁电流调节模式。由于手动方式是辅助运行模式，本文主要介绍自动方式的数学模型。为使励磁系统有良好的动态性能，采用两级超前/滞后校正环节，其数学模型如图4所示。其中：

Ugd：自动方式电压给定值，范围：1%～120%；

Ug：机端电压测量值，标么值；

Ta：机端电压测量时间常数，不大于20ms；

Kavr：调节器内部放大倍数；

T1，T2：第1级超前/滞后环节时间常数；

T3，T4：第2级超前/滞后环节时间常数；

uk：自动方式输出；

pss_uk：为电力系统稳定器PSS的输出。

图4 自动方式数学模型

如图4所示，给定电压值与实际反馈值的偏差，经过二阶超前/滞后环节后限幅输出，输出结果对应于功率单元可控硅的触发角。励磁系统通过对可控硅触发角的控制实现对励磁电压的控制输出，从而确保发电机机端电压值的稳定。为了保证励磁系统对电力系统低频振荡的抑制效果，在给定值端需要叠加电力系统稳定器的输出pss_uk。

2 励磁系统的静态特性

在励磁系统整流和逆变过程中，移相触发角度应有一定限制。理论上可控硅触发角为0°～180°，而在实际工程应用中，一般选取10°～150°之间的值来作为有效移相触发范围[5]。

在静态工况下，模拟整流桥阳极电压和同步电压，在恒控制角模式下，励磁系统的移相特性如表1所示：其中整流桥原边电压20.7V，整流桥输出并2kW，22Ω的电阻。

表1 励磁系统移相特性

从表1中可以看出，在可控硅触发角度为10°时，整流输出直流电压为24.56V，接近于该触发角度时的理论值。

图5为可控硅触发角为10°时从示波器中观测到的整流桥输出直流电压波形。在20ms内，有6个连续的脉动波形，和理论结果相符。

图5 整流桥输出的电压波形

3 励磁系统动态特性

在此次龙溪三级电站励磁系统改造过程中采用EXC9200励磁系统。图6为发电机组起励时通过调试软件录到的起励波形。其中Ug为机端电压，Uk为控制信号，对应于可控硅触发角，IL为励磁电流。从图中可以看出，机组起励后，机端电压最终稳定于额定值附近，且比较平稳，此时控制信号UK约为46.64，可控硅触发角度约为83.95°。图7为当发电机稳定运行时，在发电机机端电压额定值的86.67%基础上叠加10%阶跃信号时的阶跃响应特性曲线，调节时间小于1.08s，超调量约为2.6%，从图中可以看出励磁系统具有较好的抗干扰能力，满足国标要求。

图6 发电机组起励特性曲线

图7 发电机组机端电压10%阶跃特性曲线

4 结论

针对福建龙溪三级电站旧励磁系统调节不稳定及存在安全隐患的问题，对励磁系统进行升级改造。本文着重介绍了EXC9200励磁装置及其在龙溪三级电站的应用。对该型号励磁系统的整体架构及静、动态特性进行了分析。试验表明该装置集成度高，运行稳定、可靠，抗干扰能力强，取得了良好的控制效果，能够满足电站和电网的要求。