小型水电站励磁设备

小型水电站励磁设备全国农村水电自动化培训教材（长江委陆水自动化研究所）一.农村水电的概念•㈠国内小水电装机及机组容量的发展•小水电系指装机容量25MW及一下的水力发电站和以小水电为主的地方小电网。•五十年代，一般称500kW一下的水电站为农村小水电站；到六十年代，小水电的容量界限到3MW;•六十年代末期小水电站的容量界限上升到12MW;•八十年代以后小水电站的定义也扩大到25MW;•九十年代后，国家计委、水利部进一步明确装机容量50MW以下的水电站均可享受小水电的优惠政策，并出现了一些容量为几万至二十几万KVA的地方电网。一.农村水电的概念•㈡各国小水电的容量定义(kW)国家或国际组织微型(Micro)小小型(Mini)小型(Small)国际小水电100101-500501-10000拉美能源组织5051-500501-5000中国100101-500500-25000水力发电与筑坝杂志50-100300-500010000-50000秘鲁5-5051-500菲律宾15000美国500501-200015000越南5051-500501-5000一.农村水电的概念•㈢相关标准界定（含同步电机和水轮发电机）•GB10585-89，GB/T7409-1997，•SD299-88，DL/T583-2005。•中小型：10WM以下机组•大中型：10WM以上机组二.励磁的形式•㈠旋转励磁机rotatingexciter励磁机（设备）与发电机同轴旋转的整流方式•㈡静止式励磁staticexciter从一个或多个静止电源取得功率，使用静止整流器提供直流电流的励磁机励磁机（设备）是静止的整流方式㈠旋转式•⒈直流励磁机方式D.C.exciter一台使用换向器与电刷提供直流电流的旋转励磁机，通过与发电机同轴的直流励磁机所发出的直流电给主发电机励磁的方式，见图2.1.1—1。图2.1.1—1直流励磁机励磁•采用一个它励绕组的直流励磁机采用一个它励绕组的直流励磁机用于稳定控制的反馈（要用时）直流励磁机励磁绕组励磁控制输入同步电机㈠旋转式•⒉交流励磁机A.C.exciter使用整流器流器提供直流电流的旋转励磁机•⑴带有静止整流器的交流励磁机A.C.exciterwithstationaryrectifiers带有整流器的交流励磁机，其输出与同步电机励磁绕组滑环上的电刷相联结。见图2.1.1—2•⑵带有旋转整流器的交流励磁机（无刷励磁机）A.C.exciterwithrotatingrectifiers(brushlessexciter)带有励磁机及与同步电机同轴的旋转整流器的交流励磁机，其输出不经过滑环或电刷，而直接与同步电机的励磁绕组相联结。见图2.1.1—3图2.1.1—2•带不可控静止整流器的交流励磁机带不可控静止整流器的交流励磁机用于稳定控制的反馈交流励磁机励磁控制输入同步电机图2.1.1—3带有旋转整流器的交流励磁机永磁机发电机供励磁控制装置电源交流励磁机励磁控制输入旋转整流器同步电机带不可控旋转整流器的交流励磁机（无刷励磁机）㈡静止式励磁staticexciter从一个或多个静止电源取得功率，使用静止整流器提供直流电流的励磁机。•⒈电势源静止励磁机potentialsourcestaticexciter仅从电势源（可以从同步电机出线端）取得功率并使用可控硅整流器的静止励磁机。见图2.2.1—1。•⒉从复合电源静止励磁机compoundsource-staticexciter从电流与电压两个电源（独立取自同步电机机端）取得功率的静止励磁机。从两个电源来的输入可以在整流器的交流侧或直流侧取得，并且可以并联或串联，整流器可以设计可控的或不可控的。图2.2.2—1、图2.2.2—2、和图2.2.2—3。图2.2.1—1•电势源静止图2.2.1-1电势源静止励磁系统整流变压器同步电机可替换图2.2.2—1•直流侧串联图2.2.2-1直流侧串联、电压相加的复合源静止励磁机电势源变压器同步电机电流源变压器电抗器整流器及可控硅整流器图2.2.2—2•交流侧并联交流侧电源并联电流相加的复合源静止励磁机电势源变压器同步电机电流源变压器整流器及可控硅整流器电抗器图2.2.2—3•交流侧相加交流侧两个电源电流相加的复合源静止励磁机电势源变压器同步电机饱和绕组控制输入整流器电抗器电流源变压器三.励磁设备的技术要求（条件）•GB/T10585-89中小型同步电机励磁系统基本技术要求•GB/T7409.3-1997同步电机励磁系统大、中型同步电机励磁系统技术要求•DL/T583-2005大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件•DL/T489-92大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程㈠使用条件•⒈环境要求(1)使用地点的海拔高度不大于3000m;(2)环境最高温度+40℃;(3)环境最低温度:采用水冷者为+5℃,采用其它冷却方式者为-10℃;(4)最湿月的平均最大相对湿度为90%,同时该月的月平均最低温度为+25℃;(5)应能适应无爆炸危险的介质,无足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体,以及周围较清洁和无剧烈振动的环境条件。㈠使用条件•⒉供电电源要求(1)交流380/220V系统,电压偏差范围为额定值的±15%,频率偏差范围为-3～+2HZ；(2)直流系统220/110V系统，电压偏差范围为额定值的-20%～+10%。㈡系统性能要求•1.励磁系统应保证当发电机励磁电流和电压不超过发电机额定负荷下励磁电流和电压的1.1倍时，能长期连续运行。•2.励磁系统强励顶值电压倍数的考虑，中小型机组的励磁系统一般不小于1.6倍，大中型机组的励磁系统一般不小于1.8倍，顶值电流倍数与顶值电压倍数相同。当系统稳定要求更高顶值电压倍数时,按计算要求确定。顶值电压倍数超过2时，顶值电流倍数仍取2。•3.励磁系统在顶值电流情况下的允许持续时间：中小型机组的励磁系统不小于10s；大中型机组的励磁系统不小于20s。但不得大于50s㈡系统性能要求•4.励磁系统电压响应时间不大于0.1s。•5.励磁系统应保证发电机机端调压精度：小型机组不大于±1.5%；中大型机组不大于±0.5%。•6.励磁系统应保证发电机机端电压调差率在以下范围内可以调整：(1)小型机组:采用半导体型调节器时为±10%;采用电磁型调节器时为±5%(2)中大型机组为±15%,级差不大于1%。调差特性应有较好的线性度。㈡系统性能要求•7.励磁系统应保证在发电机空载运行情况下，频率值每变化1％时，发电机端电压的变化率：(1)小型机组：采用半导体型调节器时为不大于±0.5%；采用电磁型调节器时为不大于±3%(2)中大型机组不大于±0.25％。•8.励磁系统应满足下列要求：(1)空载±10%阶跃响应：发电机电压超调量不大于10％额定值；调节时间不大于5s；振荡次数不超过3次。(2)发电机空载，转速为0.95～1.05额定转速范围内，突然投入励磁系统，使发电机机端电压从零上升到额定值时，小型机组超调量不大于额定电压的15%,中大型机组不大于10%，调节时间不大于5秒，振荡次数不超过3次。(3)当发电机突然甩掉额定有功负荷和额定无功负荷后，发电机电压超调量不大于15％额定值；调节时间不大于5s；振荡次数不超过3次。㈡系统性能要求•9.电压调节范围：⑴自动励磁调节器电压调整范围：10～110%额定电压；⑵手动励磁调节器电压调整范围：10～110%额定电压。•10.在发电机空载运行状态下，自动控制单元和手动控制单元的整定电压变化速度，每秒应不大于额定电压的1%，不小于额定电压的0.3%。•11.励磁系统功率整流器不应采用串联元件。当并联支路较多时应考虑均流措施。在发电机额定励磁电流情况下，均流系数不应低于0.85。㈡系统性能要求•12.励磁系统的功率整流器在任何运行情况下，过电压保护器应使得整流器的输出电压瞬时值不超过绕组对地耐压试验电压幅值的70%•13.励磁系统的灭磁装置，应满足：灭磁过程中，励磁绕组反向电压应控制在不低于出厂试验时绕组对地耐压试验电压幅值的30%，不超过50%•14.静止整流励磁系统的起励电流应不大于发电机空载励磁电流的10%～20%。•15.励磁系统的年强迫停运率不应大于0.1%。四.励磁调节器按调节器处理数据的的类型分，又可分为数字式、模拟式和数字模拟混合式三种。•㈠数字式励磁调节系统随着电子技术的发展，电力系统稳定性要求的提高，智能化的励磁系统运育而生。目前数字式励磁调节系统大多采用微控制器，因此又称为微机励磁。㈠数字式励磁调节系统•⑴微机励磁的分类现代同步电机的励磁系统大多采用了微机控制技术，从目前国内已投运的水力发电机组来看，微机控制励磁主要有以下几种类型：•1）按CPU的总线宽度分：从理论上讲，在一定条件下（如主频相同）总线宽度越宽，CPU所能处理数据的容量越大，时间也少，速度就越快，因而性能也越好。但我们不能过份的追求性能指标，对产品的推广、普及和应用来讲，性价比和可靠性是更重要的指标⑴微机励磁的分类1）按CPU的总线宽度分•(a)8位机：如MCS51系列，带Flash的AT89、AT90系列（89c52、8515），Motorola公司的：M6805、M68HC05、M68HC11、M68HC12单片机，Micro-Chip公司的PIC16C系列和17C系列8位单片机，Zilog公司的Z8单片机，Scenix公司的8位RISC结构SX系列单片机，及以8位微控制器为内核的PLC、工控机等产品。⑴微机励磁的分类1）按CPU的总线宽度分•(b)16位机：如INTEL公司的96系列和部分80系列，ATMEL公司的AT91系列，Motorola公司的M68HC16系列，TI公司的DSP89系列的单片机或单板机，及以16位微控制为内核的PLC、工控机等产品。•(c)32位机：Motorola公司的M683XX.系列，TI公司的TMS320C28X系列等。⑴微机励磁的分类2）从结构型式上又可分为•(a)单片机型：结构简单，易于开发，数字化程度低，在目前用得很少，多用于完成局部功能；•(b)单板机型：开发难度大，功能较强，智能化程度高，性价比高，是目前流行的方式；•(c)工控机型、PLC型等：只需要作软件开发，开发周期短，功能较强，性价比低，在目前较少采用。⑴微机励磁的分类3）单微机、双微机及多微机•从可靠性、降低风险、性价比等方面考虑，目前有单微机、双微机及多微机励磁系统。•在单通道微机励磁调节器中，按调节计算、人机接口、与上位机通讯、操作控制、脉冲形成等功能化分，用两个或多个CPU来完成，可降低CPU的负担，同时又可分担风险，但CPU多了，系统变得复杂，可靠性反而会降低，有利有弊⑴微机励磁的分类4）单通道、双通道和多通道•为了解决以上矛盾，可用双通道或多通道的方案来解决。•所谓单通道、双通道是按独立调节的微机通道数划分的，象整流变压器、灭磁回路、励磁绕组是不可能也没有必要冗余的⑵调节器模式的选择•从理论上讲，在一定条件下（如主频相同）总线宽度越宽，CPU所能处理数据的容量越大，时间也少，速度就越快，因而性能也越好。但我们不能过份的追求性能指标，对产品的推广、普及和应用来讲，性价比和可靠性是更重要的指标。•国外的大公司具有较强的研发能力，一般都采用自主研发的专门适用于励磁控制的微机调节器，对于不具备硬件研发能力的励磁生产厂家，通常都采用标准的工控机作励磁的微机控制器。•采用标准的工控机可缩短开发周期，对可靠性有一定的保证，不足之处在于工控机的核心技术掌握在别人手上，可知性差。通用性强，专业性差，系统复杂，性价比低；关于PLC可编程序控制器在励磁上的运用，目前多用于完成局部功能，速度慢，性价比低……⑵调节器模式的选择•1)在每个通道的设计上可选功能强大的（16位以上）微处理器（包括DSP），再辅以CPLD大规模在线可编程逻辑器件，既满足了性能、功能的要求，又使系统尽可能的简单，这就是目前所谓的微机控制系统的两片技术的应用，既提高了性能又简单可靠•2)为了提高调节器系统的可靠性，在通道数上采