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小水电2014年第6期（总第180期）技术交流

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励磁装置对小水电站孤网运行频率的影响

郭建业

（武汉市汉诺优电控有限责任公司，湖北武汉430012）

摘要：针对小水电站孤网运行时的频率波动，分析了励磁装置影响频率的原理。为保证小水电站孤网运行的安全稳定，除合理确定机组和引水系统参数外，还要充分重视励磁装置对频率的影响，正确选择和调整励磁装置。

关键词：小水电站；励磁装置；孤网运行；频率

1概述

在水电行业内，“调速器用于频率和有功功率调节、励磁用于电压和无功功率调节”是尽人皆知的常识。

在电站调试中，凡是出现频率不稳或频率波动值超标，人们的注意力自然而然地集中在调速器上，几乎没有人去考虑励磁装置也是影响频率的一个可能因素，有时甚至还是关键因素。事实上，自从可控硅励磁问世以来，随着电压调整速度、精度和自动化程度的大幅提高，生产实践中常会出现一些用上述“常识”难以解释的现象。

（1）实例一。某小水电机组在开机过程中，励磁投入前机组转速比较稳定；当可控硅励磁以恒电压模式投入自动运行时，机组空载转速和导叶开度即持续大幅波动，调速器怎样调整也无济于事。后将调速器置手动工况（即导叶固定于空载开度，调速器不起任何作用），空载转速依然大幅波动。无奈将励磁装置切为手动运行（此时发电机的机端电压将随转速升降而升降），空载转速随即趋于稳定；再将调速器切回自动，空载转速仍保持稳定。最后，将励磁以较大电压调差率取代恒电压模式投入自动运行，使发电机的机端电压也随转速升降而升降，同样达到了类似的稳定效果。

（2）实例二。某孤网运行的小水电站，原直流

收稿日期：2014-09-30

作者简介：郭建业（1940-），男，教授级高级工程师，主要从事水轮机调速系统的研究、设计工作。

E-mail：whsgjy@163.com

机励磁装置与调速器配合可稳定运行，频率波动基本满足负荷需求。技改时将原励磁装置更新为恒电压模式的可控硅励磁，调速器未动，结果频率波动显著增大，无法满足用户要求。后经励磁厂家对励磁调节规律进行优化，圆满解决了频率波动增大的问题。

上述事例充分说明励磁装置确能对机组转速（即频率）产生影响。随着时间推移和认识的不断深化，“励磁装置也能影响频率”的观点正逐步为更多人所接受。

2小水电站孤网运行时的频率波动

一是负荷随机突变引起的频率波动。由于小容量孤网的突变负荷相对值（突变负荷量与机组功率的比值）较大，负荷随机突变的次数较多，常造成较大的频率波动峰值。

二是没有负荷突变的情况下，受孤网自身各种不稳定因素的影响，其频率持续在一定范围内周期性波动。

频率波动在实践中无法完全避免，但必须控制在允许的范围之内，否则机组将大幅、频繁调节，不仅影响电能质量和设备寿命，还可能因过速、低频或低油压等引起事故停机，影响正常安全运行。

为减小因负荷突变引起的频率波动峰值，应在电站设计阶段合理确定机组惯性时间常数Ta和水流加速时间常数Tw；选择满足孤网运行要求的调速器并正确调整。为保证小水电机组空载及孤网运行的稳定性，除满足上述要求之外，还要充分重视励磁装置对机组频率的影响，正确选择和调整励磁装置。

技术交流SMALLHYDROPOWER2014No.6，TotalNo.180

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3励磁装置影响频率的原理

水电机组的控制系统由励磁装置、调速器及水轮发电机组构成，其目标变量为频率和电压，属多变量、多控制参数的控制系统。在该系统中，调速和励磁的输入、输出信号之间存在的耦合作用往往会影响系统控制性能。

例如，恒电压调节模式下的励磁装置在机组空载运行时，其输入的电压信号与机组转速成正比；输出的励磁电流作为机组负载又能影响机组转速。其调节过程可简单描述为：

转速偶升—电压升高—励磁电流（即机组负载）减小—转速进一步升高。

转速偶降—电压降低—励磁电流（即机组负载）增大—转速进一步降低。

显然，励磁装置在实现对其目标变量的快速调节过程中，虽然保证了电压的调节精度，但对转速构成了正反馈耦合，恶化了空载稳定性。

又如，恒励磁电流模式下（或具有较大电压调差率）的励磁装置在孤网运行时，发电机电压与机组频率成正比，机组的外部负载又与发电机电压成正比。其调节过程可简单描述为：

机组外部负载减小—转速升高—电压升高