水电站要能维持正常发电和完成功率输出，离不开机端电压的稳定和发电机组之间合理的无功分配；水电站作为电网电源点之一，其振荡情况会影响到电力系统的静态、暂态及动态稳定性^[1]；等等。总之，水电站运行在合理区间非常重要，而实现这个目标的关键是提升的励磁系统的技术水平。

就我们国家来说，因各层面的因素作用，一些水电站超限运行的情况是比较严重的，常表现为绝缘老化、励磁不稳定、发热明显、噪音增加等问题，已构成水力发电的重大安全隐患，亟待改变。文章将结合实际案例，介绍基于PLC的励磁系统的相关内容，以期为水电站技术提升而抛砖引玉。

1  励磁技术概述

励磁系统由励磁功率单元和励磁调节器两部分构成。其中，励磁调节器是龙头，它通过参数监测、阈值比较、策略计算等环节，为励磁功率单元提供正确的运行指令，使发电机组运行安全有了保障。

1.1  励磁方式及比较

依据工作原理、适用范围等划分，构建如图1所示的励磁方式体系。

图1  励磁方式划分及扼要比较

由图1可知，从总体上讲，静止可控硅自并激励磁方式是综合最优的^[2]。这种方式的功率回路分三相半控桥和三相全控桥两种。半控桥虽然结构简单，但容易失控(尤其是发电机组需停机时)；全控桥除了优化机组正常工作外(其通过逆变灭磁，大幅减少灭磁开关跳合次数)，最大的优点是应对事故能力强，如：发电机与系统突然解列，全控桥能迅速进入逆变状态，有效抑制发电机机端电压上升。

1.2  励磁功能

对于励磁系统，为保证水力发电契合大电网需求，其应具备以下功能^[3]：①恒机端电压、恒励磁电流的PID调节；②恒无功运行和无功调差；③限制和保护功能，如欠励保护、过励保护、电压/频率保护等；④PT断线检测与保护、容错功能。

1.3  励磁调节器类别

根据技术发展历程，主要分模拟电路型、单片机型、PLC型、DSP型和PCC型等^[4]。其中，模拟电路型虽然直观、价格低，但功能单一(仅能调节端电压或励磁电流)、性能指标差、参数随时间漂移性大，是当前励磁系统技术改造的主要对象。

单片机型在电站应用较多，功能较完备，但抗干扰能力差，高速、高精度运算也受到限制；PLC型基于可编程控制，可靠性高，但成本尚偏高；DSP型基本可视作单片机型的加强版；PCC型则为PLC型的升级版，价格高。

在实际技术改造中，采用何种励磁调节器，需要从经济、可靠、安全、速度等各层面综合考虑。

2  基于案例的励磁系统改造分析

2.1  案例基本情况

东部某水电站：建于1964年，坝后式，机组1台；1995年进行增容改造(更换机组)，机组容量为2000kW，其中水轮机型号HL280F-LH-128，发电机型号SF2-J2000-20/2600，额定转速300r/min；励磁设备型号JL-12，三相半控桥式。

励磁系统改造必要性：①因原励磁调节器为模拟电路型产品，长时间的运行使晶体管分立元件出现老化，导致励磁输出不稳定(尤其在无功调节时)；②原系统中的控制线缆和动力线缆距离较近，使得灭磁开关动作时常出现误信号；③故障查找困难，运行维护成本高(有些元件已经采购不到)。

2.2  基于PLC的励磁系统改造

经过全面技术比较，该电站决定采用NWLC-3C型静止可控硅自并励励磁系统。

(1)励磁调节器结构及工作分析。

NWLC-3C型励磁调节器的组成原理见图2。

图2  NWLC-3C型励磁调节器的结构

①核心单元-可编程控制器。PLC部分采用欧姆龙公司的CQM-1H系列，由CPU51、A/D(D/A)和OD212(输出)等模块组成。工作过程：PLC在CPU51控制下，将采集到的U、P、Q、I等模拟量经由A/D转换成数字量；数字量参与到PLC内置的PID算法中，形成控制参数；控制参数经D/A变成模拟量输出去实现控制任务。PLC与上位机之间通过RS485或RS422进行实时通信。

②移相触发环节。该环节主导励磁系统的实时性和准确性，需采用硬件移相电路，本案例中由集成相控芯片TC785来负责实现，详见图3所示。

图3  集成触发系统

相关解释：芯片的“5”脚接收同步信号V_T(交流)，“11”脚接收控制信号V_K(直流)；“14”脚、“15”脚分别负责在V_T负半周和正半周内输出脉冲Q1、Q2；“10”脚所接电容C3能产生锯齿波(斜率、线性度可调)；V_K和锯齿波的交点即是脉冲Q1、Q2发生时刻；要改变控制角，只需改变电压V_K即可。

③输入、输出模块。PLC通过光电耦合器读取外部信号，并存入映象寄存器。PLC的输出通过开关量输出模块传送至输出端子，以驱动外部负载。

(2)本项改造的主要技术特点

①利用PLC的编程功效，使大部分限制和保护功能实现软件化，这样就使系统硬件大幅减少，一方面降低了运行故障率，另一方面也使运维较为灵活(需要调整某个功能，通过软件即可实现)。

②因采用梯形图编程，使得程序简单、易懂，可快速实现PID设定，且扩展方便，不须依赖厂家。

③由于三相全控桥的采用，可通过控制信号实现整流状态到逆变状态的无缝切换，这样就达到快速灭磁(不超5s)的功效。

④不论就地还是远方，均能实现各种操作以及全方位监测，人机界面智能化。

⑤功能较原系统大幅增加：如软件调差、电压/颇率限制、以励磁电流为反馈量的恒流调节等。另外，PLC监测系统还能实时监测各通道状态以及水电生产过程中的全景信号(如断相、脉冲丢失、增(减)磁、起励失败等)。

⑥主通道和备用通道互为备用，可自动切换通道，系统可靠性达到99.99%以上。

(3)基于PLC的励磁监测系统的性能指标。①调压精度好于0.5%(静态)；②空载态下，频率波动1%引起的电压变化幅度不大于0.25%；③调压范围为10%~110%(以空载电压为基准)；④调差系数连续可调范围为0~15%，速率为0.3%/s至1%/s；⑤发电机零起升压时，机端电压超调量不超过额定电压的10%，振荡次数小于2，调节时间小于5s；⑥发电机甩额定负荷，超调量不大于20%，调节时间小于5s、振荡次数小于2。

3  励磁系统技术改造后的效用总结

案例水电站的励磁系统改造后，于2014年3月进行投产试验，结果见表1所示。显然，改造后励磁系统的各项性能指标均优于国家标准(限于篇幅，国家标准数值未列示，可参看文献[5]中相关内容)。之后的运行小结：①励磁系统运行稳定性。故障率由改造前的3.4次/年下降为0次/年。②无功赔偿方面的经济损失。由改造前的15.8万元/年下降为0万元/年。③误发信号情况。由改造前的年均12次下降为0次，且因双通道配置，未出现因通道原因而引起的停机损失。

表1  案例电站的励磁系统改造后的投产试验情况

4  结论

基于PLC控制的水轮发电机励磁系统能有效增强水电生产的安全性、可靠性以及稳定性，同时也为实现水电生产的自动化、数字化提供技术保障，在超期运行水电站的技术改造中具有较大推广价值。文章的案例经受了投产试验、试运行的考验，为类似情形的小型水电站提供了良好的解决方案。

参考文献

[1]     王  伟, 鲍宇飞. 基于PLC的水轮发电机励磁系统技术改造研究[J]. 人民黄河, 2008,30(8): 74-77.

[2]     朱达凯, 周生祥. 基于PLC控制的水电站励磁系统技术改造[J]. 小水电, 2006,(4): 27-30.

[3]     王  伟, 朱达凯, 姜美武. 中小型水电站可控硅励磁系统技术改造分析[J]. 华北水利水电学院学报, 2006,27(3): 144.

[4]     戴  民. 水轮发电机励磁系统改造设计分析[J]. 湖南电力, 2009,29(3): 3-9.

[5]     陈遗志, 许其品, 刘国华, 等. 景洪水电厂励磁系统设计及应用[J]. 水电自动化与大坝监测, 2009,34(1): 28-29.