概述
微机励磁是水力发电站的重要控制设备，励磁调节控制除了维持电压恒定和无功调节外，还保证系统的稳固性。随着电力系统的日益发展，系统稳固问题尤为突出，常规控制手段和技术很难满足水力发电机组增容扩容的技术要求，因此，电力系统稳定控制(PSS控制)、最优励磁控制(EOC控制)、非线性最优励磁控制(NF．OC控制)等技术得以应用和发展。
中小型水轮发电机组不同于大型机组，它不存在远距离、重负荷的输电问题，与此相关的动态稳定问题以及低频震荡和次同步震荡等系统性问题也不存在。因此。对于中小型水轮发电机组在励磁控制方式上，可暂不考虑电力系统稳定控制(PSS控制)、最优励磁控制(EOC控制)、非线性最优励磁控制(NEOC控制)问题，因为它们需要机组和所连输电网络的确切参数，依据参数进行设置控制系统变量。而当前在中小型水电机组中，PID电压调节控制技术具有很高的实用价值，具有原理简单、鲁棒性强、实用性广的特点，在参数整定方面也较为成熟。在计算机上实现PID控制，不仅仅是把PID控制系统数字化，而且还与计算机的逻辑判断功能结合起来，根据动态响应自动改变PID参数，从而大大地丰富了传统PID控制内容，也为水力发电监控系统提供了宝贵的第一手数据资料，从而确保了水轮发电机组的安全高效运行。
技术原理
根据中小型水轮发电机组自身的特点，其微机励磁调节器应采用完全双通道技术，双机混合工作模式，单通道独立运行的工作方式，通道自动故障识别，实现无扰动切换。现以TDWLT-01型微机励磁装置的功能设置为基础，对水轮发电机组微机励磁的技术来进行析述。该装置采用完全双通道技术，双机混合工作模式，SID总线结构，硬件、软件系统均采用模块化设计，具有功能齐全，软件丰富，硬件电路少，结构简单、易于扩展、维护方便，通用性、可靠性强等优点，可广泛运用于大中小型水轮发电机组的励磁控制上。它具有完善的电压调节控制(PID控制)、电流控制(PD控制)、电力系统稳定控制(PSS控制)、最优励磁控制(EOC控制)和电力系统非线性最优励磁控制(NEOC控制)等特点。
3．1硬件
中小型水轮发电机组微机励磁的硬件环境具有简单可靠的特点。因为计算量不大，TDWLT型微机励磁调节器的微处理器选用了美国INTEL公司的80C198(80C196)单片微机为核心，并辅以几片大规模集成电路。
3．1．1 TDWLT-01型微机励磁系统调节装置
TDWLT-01型微机励磁系统调节装置由两套TDWLT-01型微机励磁调节器和相应的控制回路组成，两套励磁调节器结构模式完全相同，单套可独立运行。正常运行时，一套为工作状态，一套热备份状态，关键性数据相互传送，始终保持两个通道状态一致，极大地提高了系统的可靠性，其系统框图以自并励系统所示(见图1)。
3．1．2 TDWLT--01型微机励磁系统灭磁装置TDWLT-01型微机励磁系统灭磁装置由氧化锌压敏电阻组件和快速直流开关组成，具有操作简单，灭磁速度快，开关容量大，过电压保护水平可靠等优点。此外，对自并励系统还装有起励及控制回路。
3．1．3 TDWLT-01型微机励磁系统整流装置
TDWLT-01型微机励磁系统整流装置内设两组三相全控桥。每个可控硅元件设置有快速熔断器、过电压保护和组容吸收保护，快速熔断器设置有报警信号，整流桥直流侧选用刀闸开关，交流侧选用自动空气开关。
3．2软件
微机励磁的软件体内容丰富，功能齐备，现对中小型水轮发电机组励磁中异常状态的控制和处理进行阐述和分析。
3．2．1强励限制
机组并网后，当机组因网络故障低于强励动作电压(例如70％机端额定电压)时，立刻执行强励到顶值并按反时限特性开始记时。
3．2．2过励限制
当机端电压高于强励动作值而出现过励时，则实行过励限制。
3．2．3低励限制
低励限制和保护(如图2)所示。当机组无功率Q低于功率低励限制线I时，瞬时闭锁减磁操作，并进行自动增磁直到Q回到限制线以内为止；当机组无功率Q低于低励限制线Ⅱ时，延时1s切换到模拟通道运行。低励限制线视水电发机组允许的进相深度而定。
3．2．4抑制空载过压
空载过压是由机组突然甩负荷所致。当机组出口断路器突然分闸时，机组继电保护动作，则联动灭磁；当机组伴有过速(例如，达到110％额定转速)，励磁调节器立即闭锁增磁操作，并执行自动减磁到90％空载额定电压；当遇到其它原因，则励磁调节器给定值自动改为空载额定电压。
3．2．5低速误强励保护
为避免在灭磁前进行关机操作造成的低转速误强励，在检测机组转速低于80％额定转速时，自动执行逆变灭磁。
国内发展和应用现状
随着中国水电产业的飞速发展，中国水电励磁装置的研究开发单位逐渐增加，专业制造商发展到今天已有几十家，技术开发的特点各有侧重，各个特色，但其共同点是向数字化方向发展。以下是数字式励磁调节器的特点：
1）硬件结构简单可靠。调节器由专用的高速可编程控制器或高速微处理器及必要的输入输出电路构成，省掉了大量的逻辑控制继电器，而且易于采用冗余容错硬件结构方式，其可靠性大大提高。
2）通过软件实现各种调节控制功能。励磁调节计算、逻辑控制、pss及各种励磁限制功能均能由软件实现，还可以实现多种调节规律的选择切换。
3）人机界面友好，运行维护方便。现在励磁系统的现地调节和人机接口国内外基本都采用小键盘和led或lcd显示器。正常运行时显示励磁系统的一些常规测量数据，如机组电压、无功功率、转子电压、电流、温度等参数。此外，对励磁系统的各种故障进行监视，还包括自诊断、自动检测等。
4）较强的通讯功能。为了方便地实现励磁系统与电站计算机监控系统的控制及数据交换，可根据用户的要求设置串行通讯或网络通信接口。便于在远方了解励磁系统的运行情况，还可对励磁系统的参数进行修改和设置，有利于电站实现少人值守、无人值班。
国外发展和应用现状
随着新型C P U和PLC的推出以及新技术的应用，国内外励磁系统发展重点足向运行可靠、自控功能强人、操作简单等片向发展，具体表现为：
1、由于自并励方式动态晶质优良、反应速度快，有利下长距离输电，并能提高机组和电力系统的暂态和动态稳定性能，目前越来越多的机组对励磁方式的选择采用自并励方式。
2、随着CPU、PLC等模块功能越来越强大，反应速度越来越快，硬件结构越来越简单，可减少运行维护量。
3、由于电了开关无机械触点，无火花和瞬时过压，动作速度快且易于维护．电子开关将逐步取代机械灭磁开关，日前此项技术已开始在国外采用。
4、功率单元、灭磁单元、保护单元等励磁系统基本组件趋向丁模块化和通用化，每个组件具有独立的，智能化的数字式监控接口，进一步提高励磁系统的可靠性和标准化。
供应商信息
电力自动化研究院电气控制研究所：savr-2000型励磁调节器
哈尔滨电机厂有限责任公司与华中理工大学：hwlt-4型微机励磁装置
东方电机股份有限公司：dwls-2c型双微机励磁调节装置
河北工业大学电工厂：32bitswlz型微机励磁调节器
广州电器科学研究院
经典案例
泰州引江河高港枢纽微机励磁技术及应用
1工程概况
泰州引江河是本世纪末我省为实施“海上苏东”战略而兴建的一座大型水利工程，它可将长江水送往里下河地区和东部沿海垦区，解决苏北水资源不足的矛盾，提高里下河地区的灌排标准，改善苏北地区的航运条件，并为苏北地区改善水质、沿海冲淤保港提供水源。
2数字式微机励磁装置
高港枢纽有10kV、2000kW同步电机9台， 每台机组配有BKL-501T2型全数字式微机励磁装置。
2.1装置组成及原理
微机励磁装置主要由以下几个单元组成：仪表操作单元、控制中心、进线电源单元、继电器单元、阻容灭磁单元。其中，控制中心是该装置的控制核心。控制中心由以下部分组成：中央处理器模块（CPU），模数转换模块（A/D）、数字量输入输出模块（DIO）、数模转换模块（D/A）、模拟量输入转换插件（AI）及脉冲量输出插件（PO）、专用电源（PWR2）、键盘及数码显示板（KPD）。这些模块和插件均放在机笼内，CPU系统装在符合国际工业标准总线（IEEE961）的机笼内，各模块通过STD总线传递信息。
微机励磁装置原理（见图1）为：整流主电路由干式整流变压器及整流桥组成，采用无续流二极管三相半控桥式电路。整流控制通过把转子产生的感应电压量信号转变为方波信号送入控制中心，由CPU分析判断，适时发出三相触发脉冲，经脉冲功放后去控制主桥3只可控硅导通整流。
2.2主要技术性能
1、具有良好、对称的启动特性：同步电动机异步启动时，灭磁电阻RF的及时投入与可靠退出对转子的绕组绝缘和可控硅的安全都有极大的影响。该励磁装置中（见图2）R5、R6为压敏电阻（电压为360V），启动时，2LZJ处于释放状态（2LZJ为励磁状态继电器，在转子回路中，无励磁电流时，它处于释放状态，反之它处于吸合状态，它的吸合由控制中心控制），通过R4、R3、R2、R1、R7、KQ在低电压下导通（约26V），保证了在交流感应电压的正负半周，启动回路能可靠接入附加电阻RF。主机启动进入同步后，控制中心发出信号，让2LZJ动作，)KQ导通电压转为高通值（约365V)KQ自动关断。
为避免因误导通而造成RF长时间通电发热烧毁，该装置设有) KQ自关断电路。如果) KQ误导通，直流励磁电压全部降在RF上，此时2LZJ已闭合，使得RFJ继电器动作，其动合触点闭合，将误通信号送给控制中心。控制中心对整流脉冲进行闭锁，将整流电路转入失控状态，KQ在失控波形“双峰—谷”经过零点时自然关断。关断后，直流励磁电压全部降在KQ 上，此时，RFJ继电器恢复到原状态，其触点分开，不再发误通信号给控制中心，控制中心重新发出整流脉冲。
2、准角投励可靠
投励环节是机组启动过程中由异步转速拉入同步转速时非常重要的环节，它直接影响机组启动的成败。KBL-501T2采用按滑差顺极性过零投励电路，滑差投励按反极性末尾原则设定。当电机在异步启动期间，微机随时检测电机转子滑差值，进入临界滑差时，控制中心发出控制信号，实现准角投励，并施加短时整步强励，使电机快速、平稳、可靠牵入同步。同时，该装置设有凸极计时投励回路，以保证对未达到投励条件而已拉进同步的电机进行投励。
3、具有自动再整步功能
电机在运行中发生失步故障的原因主要有以下几种：失励失步、带励失步、断电失步。高港泵站发生断电失步的可能性极小。失步产生的脉振和冲击对电机运行有不利影响，甚至严重损伤电机。因此及时发现失步故障并进行正确处理很重要。同步电机失步故障的几种典型波形见图3。
（A）与（B）的区别在于（B）中有较小的反向电流，而（A）始终是正向电流。它们的共同点在于存在振荡的不衰减的电流。利用这一特征可将电流信号放大、变换、光耦隔离后送入控制中心，经分析、判断，确认已失步，微机发出脉冲信号，启动灭磁回路。阻容灭磁回路工作，迅速关桥，同时1LZJ励磁状态继电器，向微机输入投励状态的开关量信号）、1LZJ两继电器动作，灭磁电阻RF投入工作，回到异步启动时的状态。微机重新检测电机转子回路的滑差值，确定投励的最佳时间。如果故障时间过长或电机特性过差，无法实现再整步，经延时后，失步保护装置会自动动作于跳闸，通过键盘及数码显示板可查询失步次数和失步后至重新投励的时间。
参考文献
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