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【摘要】基于中小型水电站因励磁系统选用不当而影响发电和并网等问题，本文对励磁方式、功率整流器、励磁调节器、励磁变压器等方面的选择进行了探讨。
【关键词】中小型水电站；励磁系统
励磁系统在水电站中的作用非常关键，它是维持水轮发电机组稳定运行的重要部分。然而中小型水电站常因励磁系统选择不当，而造成发电能力达不到要求，这在小型水电站中表现得尤为突出，以至于一些水电站的功率无法送出和并网[1]。因此，对中小型水电站来说，选择合适的励磁系统是一件很重要的事情，本文在励磁方式、功率整流器、励磁调节器、励磁变压器等方面探讨了励磁系统的选择。
1.励磁方式
1.1励磁方式分类
励磁方式有多种分类方法，可以按照励磁电源的不同分为直流励磁机系统、交流励磁机系统及静态励磁系统；也可以按照励磁系统的稳定时间分为快励系统和慢励系统；还有一种应用广泛的分类方法，按照供电方式分为他励式和自励式（如图1所示）[2]。他励式是指励磁电源由发电机以外的电源提供，一般多指励磁机；自励式是励磁电源由发电机自身提供，常指静态励磁系统。谐波励磁系统是比较特殊的一种，主要用于小型同步发电机，它利用谐波绕组供电，一般也归为自励式。当励磁电源取自机端电压的称为自并励方式；而励磁电源来自发电机端点及输出电流的称自复励方式。
1.2励磁方式的选择
在中小水电站建设和发展的过程中，采用过多种励磁系统，如三次谐波励磁装置、电抗移相式相位复式励磁装置、直流励磁机、无刷励磁、可控硅静态励磁等。比较适合中小水电站的励磁系统是可控硅静态励磁系统，这是因为它没有旋转部分，设备结构相对简单，而且励磁调节速度快、可靠性高、维护工作量少。可控硅静态励磁系统又有自并励式和自复励式两种形式，前者使用更为广泛，因此应选择自并励式静态励磁系统（也称作自并激励磁系统）。
2.功率整流器
2.1功率整流方式
功率整流器一般采用可控硅整流装置，这种装置分为三相半控桥和三相全控桥两种方式。三相半控桥整流电路由3个可控硅和3个二极管构成，三相全控桥整流电路由6个可控硅构成，如图2（a）、（b）所示。图中KG為可控硅，D为二极管，Z为转子线圈及连接导线的等值阻抗（感性阻抗）。
2.2功率整流器选用
三相全控桥输出直流平均电压Ud=1.35U2cosαUd（U2为交流侧电压，α为可控硅触发控制角，下同）。当α=0°时，Ud=1.35U2；α=90°时，Ud=0。说明全控桥正常励磁时，触发控制角的移相范围是0°90°。而当α>90°时，Ud<0；α=180°时，Ud=-1.35U2，这种情况称为逆变状态。利用整流回路的逆变状态，可以消除转子回路中的磁场能量，这被称为逆变灭磁。
三相半控桥输出直流平均电压Ud=1.35U2（1+cosα）/2。当α=0°时，Ud=1.35U2；当α=180°时，Ud=0。说明三相半控桥正常励磁时，触发控制角的移相范围是0°180°，且始终有Ud≥0，说明三相半控桥没有逆变状态。为了防止α角突然增大或触发脉冲丢失时，某个可控硅导通而使3个二极管轮流导通，出现失控现象，所以要在转子回路上并接一个续流二极管（图2b中DJ）。而且，发电机突然解列时，转子回路中储存的磁场能量会造成端电压升高，引起过电压保护动作及对与之相连的设备造成不利影响，因而又必须采用耐压高的元件。
综合考虑，中小水电站的励磁系统应优选三相全控桥整流器。
2.3IGBT开关励磁方式的优势
上世纪90年代后，在励磁系统中开始应用一种称为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的半导体元器件。这种励磁方式的原理如图2（c）所示。IGBT的主要作用是开关控制，它本身并不能替代可控硅进行整流，而是通过它可以简化励磁功率回路，便于维护，所以非常适合在中小水电站中应用。
采用可控硅整流回路时，无论是三相半控桥或者三相全控桥，必须对所有可控硅进行控制，以满足严格的同步要求。每只可控硅必须满足触发时的相位差为120°或60°，而且还要求同一相的可控硅控制极对阴极必须在主回路电压过零时才能触发，再加上对脉冲、波形等方面的要求，使得可控硅励磁装置的电路非常复杂，一般中小水电站的维修技术人员很难对电路进行修理。采用IGBT后对整流元件的同步性不再要求，所以可使用普通三相桥式整流器，控制方面完全由IGBT执行。除此以外，励磁变压器容量可减少30%，励磁回路过电压水平也可明显降低。
3.励磁调节器
3.1励磁调节器主要类型
目前，励磁调节器主要有模拟控制型和微机控制型两类。模拟控制型包括电磁型、半导体型；微机控制型有单片微机型、PLC型、DSP型和PCC型。
3.2励磁调节器选型
模拟型励磁调节器，其控制功能都是由硬件完成的，功能单一，扩展性差，无法实现完善的励磁保护和限制功能，容易出现过励或欠励现象，所以尽管其价格较低，不推荐选用。
单片微机型励磁调节器在中小型水电站中应用比较广泛。功能方面，具有最大励磁限制、过励限制、发电机端电压调节、励磁电流调节、自动跟踪等，可以说该型励磁调节器基本上可满足中小型水电站的运行需要，但其运算速度较慢、抗干扰能力较差。
PLC型是可编程控制器的简称，可完成各种逻辑控制功能，可靠性较高，但目前的设计方面存有不足，其输入输出响应速度较慢，动态性能指标甚至劣于单片机型，而价格明显超过单片机型，也就是性价比差。
DSP型处理速度快，功能完善，调节性能较好，很适合中小型水电站使用，但外围电路由厂家自行设计，抗干扰能力较差。
PCC型是当今实现功能最理想的一种机型，可靠性高、速度快，但价格较高，小型水电站应用还有一定困难。
3.3励磁功能要求
应具备PID调节功能，可调机端电压、励磁电流并保持稳定，无扰动手动/自动切换功能。恒无功运行、无功调差、各种限制保护功能也是基本要求。
4.励磁变压器、灭磁装置等要求
励磁变压器有油浸和干式两种型式，从运行安全角度考虑，应选用干式励磁变压器。干式励磁变压器目前广泛采用环氧浇注励磁变压器，在选用时还应关注绝缘等级，尽量留有一定裕度，一般选用F级或H级绝缘。
灭磁及过电压保护方面也应考虑足够的安全裕度。
5.结语
综合以上分析，中小型水电站在选择励磁系统时，应选择可控硅静态励磁系统，并选择三相全控整流桥；推荐选用IGBT励磁方式，维护更简单。励磁调节器根据投资能力可从单片机、DSP型、PCC型等微机型中选择。励磁变压器一般选干式环氧浇注励磁变压器。
【关键词】中小型水电站；励磁系统
励磁系统在水电站中的作用非常关键，它是维持水轮发电机组稳定运行的重要部分。然而中小型水电站常因励磁系统选择不当，而造成发电能力达不到要求，这在小型水电站中表现得尤为突出，以至于一些水电站的功率无法送出和并网[1]。因此，对中小型水电站来说，选择合适的励磁系统是一件很重要的事情，本文在励磁方式、功率整流器、励磁调节器、励磁变压器等方面探讨了励磁系统的选择。
1.励磁方式
1.1励磁方式分类
励磁方式有多种分类方法，可以按照励磁电源的不同分为直流励磁机系统、交流励磁机系统及静态励磁系统；也可以按照励磁系统的稳定时间分为快励系统和慢励系统；还有一种应用广泛的分类方法，按照供电方式分为他励式和自励式（如图1所示）[2]。他励式是指励磁电源由发电机以外的电源提供，一般多指励磁机；自励式是励磁电源由发电机自身提供，常指静态励磁系统。谐波励磁系统是比较特殊的一种，主要用于小型同步发电机，它利用谐波绕组供电，一般也归为自励式。当励磁电源取自机端电压的称为自并励方式；而励磁电源来自发电机端点及输出电流的称自复励方式。
1.2励磁方式的选择
在中小水电站建设和发展的过程中，采用过多种励磁系统，如三次谐波励磁装置、电抗移相式相位复式励磁装置、直流励磁机、无刷励磁、可控硅静态励磁等。比较适合中小水电站的励磁系统是可控硅静态励磁系统，这是因为它没有旋转部分，设备结构相对简单，而且励磁调节速度快、可靠性高、维护工作量少。可控硅静态励磁系统又有自并励式和自复励式两种形式，前者使用更为广泛，因此应选择自并励式静态励磁系统（也称作自并激励磁系统）。
2.功率整流器
2.1功率整流方式
功率整流器一般采用可控硅整流装置，这种装置分为三相半控桥和三相全控桥两种方式。三相半控桥整流电路由3个可控硅和3个二极管构成，三相全控桥整流电路由6个可控硅构成，如图2（a）、（b）所示。图中KG為可控硅，D为二极管，Z为转子线圈及连接导线的等值阻抗（感性阻抗）。
2.2功率整流器选用
三相全控桥输出直流平均电压Ud=1.35U2cosαUd（U2为交流侧电压，α为可控硅触发控制角，下同）。当α=0°时，Ud=1.35U2；α=90°时，Ud=0。说明全控桥正常励磁时，触发控制角的移相范围是0°90°。而当α>90°时，Ud<0；α=180°时，Ud=-1.35U2，这种情况称为逆变状态。利用整流回路的逆变状态，可以消除转子回路中的磁场能量，这被称为逆变灭磁。
三相半控桥输出直流平均电压Ud=1.35U2（1+cosα）/2。当α=0°时，Ud=1.35U2；当α=180°时，Ud=0。说明三相半控桥正常励磁时，触发控制角的移相范围是0°180°，且始终有Ud≥0，说明三相半控桥没有逆变状态。为了防止α角突然增大或触发脉冲丢失时，某个可控硅导通而使3个二极管轮流导通，出现失控现象，所以要在转子回路上并接一个续流二极管（图2b中DJ）。而且，发电机突然解列时，转子回路中储存的磁场能量会造成端电压升高，引起过电压保护动作及对与之相连的设备造成不利影响，因而又必须采用耐压高的元件。
综合考虑，中小水电站的励磁系统应优选三相全控桥整流器。
2.3IGBT开关励磁方式的优势
上世纪90年代后，在励磁系统中开始应用一种称为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的半导体元器件。这种励磁方式的原理如图2（c）所示。IGBT的主要作用是开关控制，它本身并不能替代可控硅进行整流，而是通过它可以简化励磁功率回路，便于维护，所以非常适合在中小水电站中应用。
采用可控硅整流回路时，无论是三相半控桥或者三相全控桥，必须对所有可控硅进行控制，以满足严格的同步要求。每只可控硅必须满足触发时的相位差为120°或60°，而且还要求同一相的可控硅控制极对阴极必须在主回路电压过零时才能触发，再加上对脉冲、波形等方面的要求，使得可控硅励磁装置的电路非常复杂，一般中小水电站的维修技术人员很难对电路进行修理。采用IGBT后对整流元件的同步性不再要求，所以可使用普通三相桥式整流器，控制方面完全由IGBT执行。除此以外，励磁变压器容量可减少30%，励磁回路过电压水平也可明显降低。
3.励磁调节器
3.1励磁调节器主要类型
目前，励磁调节器主要有模拟控制型和微机控制型两类。模拟控制型包括电磁型、半导体型；微机控制型有单片微机型、PLC型、DSP型和PCC型。
3.2励磁调节器选型
模拟型励磁调节器，其控制功能都是由硬件完成的，功能单一，扩展性差，无法实现完善的励磁保护和限制功能，容易出现过励或欠励现象，所以尽管其价格较低，不推荐选用。
单片微机型励磁调节器在中小型水电站中应用比较广泛。功能方面，具有最大励磁限制、过励限制、发电机端电压调节、励磁电流调节、自动跟踪等，可以说该型励磁调节器基本上可满足中小型水电站的运行需要，但其运算速度较慢、抗干扰能力较差。
PLC型是可编程控制器的简称，可完成各种逻辑控制功能，可靠性较高，但目前的设计方面存有不足，其输入输出响应速度较慢，动态性能指标甚至劣于单片机型，而价格明显超过单片机型，也就是性价比差。
DSP型处理速度快，功能完善，调节性能较好，很适合中小型水电站使用，但外围电路由厂家自行设计，抗干扰能力较差。
PCC型是当今实现功能最理想的一种机型，可靠性高、速度快，但价格较高，小型水电站应用还有一定困难。
3.3励磁功能要求
应具备PID调节功能，可调机端电压、励磁电流并保持稳定，无扰动手动/自动切换功能。恒无功运行、无功调差、各种限制保护功能也是基本要求。
4.励磁变压器、灭磁装置等要求
励磁变压器有油浸和干式两种型式，从运行安全角度考虑，应选用干式励磁变压器。干式励磁变压器目前广泛采用环氧浇注励磁变压器，在选用时还应关注绝缘等级，尽量留有一定裕度，一般选用F级或H级绝缘。
灭磁及过电压保护方面也应考虑足够的安全裕度。
5.结语
综合以上分析，中小型水电站在选择励磁系统时，应选择可控硅静态励磁系统，并选择三相全控整流桥；推荐选用IGBT励磁方式，维护更简单。励磁调节器根据投资能力可从单片机、DSP型、PCC型等微机型中选择。励磁变压器一般选干式环氧浇注励磁变压器。