全国中小型水轮发电机组励磁方式学术讨论会会议纪要

中国电机工程学会农村电气化专业委员会小水电分会于l 984年11月30日至12月5日在湖北省宜昌市召开了"全国中小型水轮发电机组励磁方式学术讨论会"。参加会议的有二十三个省、市、自治区的代表100人。他们大多来自农电战线及有关小水电的设计、制造部门、科研单位和大专院校等。会议得到了宜昌地区水电局和宜昌市电机厂的赞助和湖北省水利厅及有关部门的支持。

本次会议共收到专业论文42篇。会议分成"电抗分流"、"谐波励磁"和"专题综合"三个小组进行了论文宣读与学术讨论。会议充分发挥民主，代表们各抒己见，广泛交流。明确并统一了专题研究的原则与指导思想，坚持实事求是的科学态度，就我国中小型水轮发电机组所采用的各类励磁方式，自动调节装置，以及小水电网内机组的并联和与大电网并网等一系列课题的现状、存在问题、解决办法及今后动向，进行了客观的分析和认真的讨论。

一、概述

近年来，随着世界经济和能源结构的发展与变化，小水电已愈来愈引起许多国家的注意。在我国，主要靠小水电供电的县已达l100多个，小水电网的供电范围可占全国面积的三分之二，供电人口占全国总人口的三分之一。小水电的发展促进了地方工农业生产，加速实现农村现代化受到人们的重视。但对于中小型水轮发电机组的励磁方式等技术性问题，目前国内尚缺乏系统、深入的专题性研究，还未能形成统一的见解或一致性意见。影响了小水电的迅速发展。

我国中小型水轮发电机组励磁方式的改造起步较晚，七十年代初才逐渐开始，近几年来已获得很大进展。但各地发展不平衡，传统的直流机励磁方式在大部分地区仍占统治地位，而相当多的使用部门对半导体励磁方式还存有种种疑虑。

半导体励磁客观上具备较多的优越性，而流机励磁则由于整流子磨损严重，现场又难以处理，以致常常"带病"运行，而且这类装置在性能上不够完善，有的甚至没有配套励磁调节器等。因此，由半导体励磁逐步取代传统的直流机励磁，将成为必然的趋势；目前阶段，以四川、两广、湖南及浙江等地采用较多。当前，突出存在的问题是励磁装置缺乏统一定型，制造部门与运行部门对一些问题的认识尚未统一，故装置的类型繁多给运行与管理带来了不便。

长期以来，小水电的励磁方式都是沿用大机组的方案，而并未能充分反映与考虑小水电的诸多特点。．故在很多情况下，也就没有能够满足小水电在投资与运行等方面的技术经济要求。究竟采用什么样的励磁方式对小水电最适宜，这需要经过一系列技术经济比较，并由较长时期的运行实践来加以确定，这也是本次学术讨论会的主要目的。在这方面，国外的经验当然值得我们借鉴，但尤其应当立足于我国现实状况，要适合于我国的国情与国力。这应当成为我们研究与探讨中小型水轮发电机组励磁方式等技术性问题的基本原则。

二、中小型水轮发电机组的励磁方式

中小型水轮发电机组有许多种励磁方式，各自经历了不同的发展过程，各有其特点，但也存在一些短处，很难说哪一种励磁方式是十全十美的。常用的有直流励磁机、相复励、电抗移相式、三次谐波、双绕组电抗分流式、无刷励磁和各种类型的可控硅励磁。有些励磁方式只适用于单机运行，有的只能用于低压机组。因此，要根据它们的性能和特点合理选用。

1．各种励磁方式的使用现状：

与会代表回顾了我国中小型水轮发电机组励磁系统的演变和发展过程，对各种不同的励磁方式，总结了经验，并提出了对较老式的发电机励磁系统加以改造应提高效能的设想，传统的直流励磁机虽然还在相当多的电站运行，但是，各种新型的、性能更为优越的励磁方式已越来越多地被采用，可控硅励磁的产生和使用，很快就成为一种主要的励磁方式；但是，稳定并网运行又成为迫切需要解决的一个课题。

2．中小型水轮发电机组励磁系统存在的一些主要问题：

励磁系统的主要目的是为了保证发电机电压的质量，并且在并网运行中能够按系统的要求提供必要的励磁电流，稳定地运行。励磁性能的优劣，主要体现在以下几个方面：调压精度要高，动态反应时间要快，恢复时间要短，要有足够的强励倍数，单机和并网时稳定性要好，维护容易，电量消耗要少等。

当前，中小型水轮发电机组励磁系统，存在的主要问题是并列、并网运行稳定性的问题。相复励、电抗移相式和双绕组电抗分流式三种励磁方式的缺陷，主要反映在下列诸方面：

(1)相近容量的发电机并联运行会产生严重的环流，无功功率严重的分配不平衡。如装在同一个站内，可以用均压线法解决。否则，不在一个站内，又相距很远，均压线法就无能为力了。

(2)投入大电网运行时会出现抢无功状况，其励磁电流不可调，有时出现强励，有时出现严重欠励现象。

(3)产生严重的振荡，尽管振荡的因素是多方面的，但励磁装置的缺陷是不能忽视的。

(4)产生严重的零序电流， 消耗有功功率。

当上述的四个缺陷严重发生时，该发电机是无法投入电网并列运行的。

3．并列与并网运行：

双绕组电抗分流和三次谐波励磁方式的机组，如何解决稳定的并列和并网运行的问题；是这次学术讨论会的主要议题。

代表们对双绕组电抗分流、相复励励磁方式的设计与制造，提出了一些改进措施，宜昌市电机厂通过对双绕组电抗分流励磁系统的工作原理、参数计算及分析，山东发电设备厂通过实际产品125kw发电机的实验，得到了一个共同的结论；就是将发电机的主付绕组的相角差βO角，由习惯的负值改为正值，这样可以不改变双绕组电抗分流式发电机的任何结线情况，保持了并机运行的特性，又达到了并联运行的要求。作为分流用的磁场变阻器容量要大一点，取消了固定电阻，扩大了调节范围。这对于较小容量的发电机组投入电网运行有一定价值。从理论上讲是降低了复励作用，扩大了恒定分量的作用；对于已经确定一βO角的发电机，调整电抗器的匝数，增大电抗器铁感的气隙，装上；个容量较大的磁场变阻器就可以了。

对于较小容量的发电机并联问题，为了减少投资，代表们提出了不少具体可行的措施：如改变电抗主付绕组的相序，改变电抗器的气隙和绕组的极性等等，对抑制振荡，控制并网时的冲击电流，起到一定的作用。可参考采用。在需要并网的情况下，可以配用能适应电网电压变化的励磁调节器。

谐波励磁有不可控和可控的两个分支，不可控谐波励磁充分运用了三次谐波自身的自强励特性，主要使用在孤立运行的小型水轮发电机上，也被大量应用于柴油发电机系统中。

谐波励磁的另一个分支，是可控谐波励磁(包括谐波加基波可控)，它是与不可控谐波励磁同时发展起来的，加入可控调节环节后，使发电机的外特性呈下降型，即具有正的调差特性。具有这种特性的机组在并列和并网运行时，能根据机组所整定的调差系数按比例地自动调节，也可以改变功率因数，达到稳定运行和自由调节的目的。谐波绕组有单相的也有三相的，也有采用谐波与基波叠加的方式，各有其特点。江西上饶茗阳关水电站有一台1250kw的水轮发电机采用单相谐波与可控基波直流侧叠加的励磁方式，已经并网稳定运行十三年了。甘肃省酒泉鸳鸯池水电站有两台630kw的谐波励磁水轮发电机组，从1975年起一直稳定地并网运行。采用的是三相谐波绕组，无功调节自如。在小容量的谐波励磁电机上可以采用更为简单的单相谐波绕组，用可控硅控制的方式。关于谐波绕组设计计算中误差较大的问题，采用可控硅控制后，容易得到解决。

以往，一些介绍各种主要励磁方式性能比较的资料中，总是给谐波励磁的并列稳定性加上"差"的结论，通过这次交流，．大家认为应该重新给以正确的评价。有的同志坦率的讲：参加这次学术交流活动前，曾经认为三次谐波励磁已逐渐处于消亡阶段，现在认识到应该进行具体的分析：任何一种不可控制的励磁装置都不适合于并列运行的，以前是由于使用不当，把适于单机运行方式的励磁装置硬要用于并网，造成不稳定运行。但只要加上可控环节，就能解决这个问题。在国外，谐波励磁也有系列产品。

4．励磁调节器：

对现在投入运行的各种不可控励磁装置，如何解决并入电网的问题，代表们也进行了深入的讨论，这些励磁装置为数不少，应当设法进行改造，使其继续发挥效益，不应当采取简单更换的办法。配用合适的励磁调节器，改变发电机的外特性，并且能适应电网电压较大幅度的波动，以其达到稳定并网运行是改造的主要路径。调节器有繁有简，目前只有少数部门生产，希望有关部门研究出适合不可控励磁装置能稳定地并网运行的各种励磁调节器，以解决当前过渡阶段的需要。

5．关于农村小水电网与系统大电网并网的问题：

许多代表在发言中都谈到了并入大电网的机组，不能正常发无功，造成经济损失的问题。由此引起了对某些励磁方式的看法。

这个问题反映了有些励磁方式的调压范围偏小，不能适应系统电压大幅度波动的需要，尤其在系统电压较高时，这些机组只能带有功负载，大量向系统吸收无功，机组不稳定运行。经过分析：小水电网内有些电站是采用配电变压器来代替升压变压器的，这种现象应当纠正。另一方面，农村电网规化设计也有不合理的情况，例如过长的线路，偏低选择的电压等级，结果只能用拼命增高发电机的端电压来向系统输送功率，以求达到额定功率因数，使发电机长期处于不合理的较高电压下运行，甚致无法并入电网。代表们提出，要正确选用设备，合理布置电网结构，加强对小电网的规划工作。并且希望变压器制造部门能生产一些具有土10％分接头的升压变压器，以供一些特殊场合的电站使用。

三、几点意见

1；我国小水电网中，在考虑选择中小型机组应采用的励磁方式时，要立足于努力提高供电质量与运行安全性，降低工程造价及运行费用。

2．中小型容量的水轮发电机组一般宜选用自并激静止可控硅励磁，三绕组相复励及无刷励磁方式，具体选择时要进行技术经济比较，并考虑在同一地区的类型简化工作。

3． 对小水电进行技术改造时，宜逐步推广采用半导体励磁以取代或改造现有传统的直流机励磁系统，选型定型中要认真总结各地采用半导体励磁装置的运行经验、去掉不良方案。

4．要兼顾新设备和改造旧设备的需要，注重可行性与经济性，取代时应尽可能利用原有废旧设备，增添少量元件与装置，进行更新(如将废旧直流机励磁改为交流励磁机无刷励磁系统)。

5．为改善与提高小水电运行的技术条件和电压质量，每台机都应配备自动调节励磁 装置。

6．制造部门要努力提高半导体励磁装置的产品质量，严格元件筛选，防止虚焊，保证可靠性。

7．科研设计部门应尽早研究出符合我国小水电特点的标准化、系列化、定型化的励磁装置，并注意到电子技术的发展和在小水电上的应用，微处理机在电站运行控制中的应用，也势在必行。

8．使用部门要制订半导体励磁装置的现场运行规程。同时应大力加强职工培训，迅速提高小水电专业人员的技术水平。