三峽左岸電站水輪發電機組調速及勵磁系統國產化改造

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三峽左岸電站水輪發電機組調速及勵磁系統國產化改造三峽左岸電站安裝有700MW水輪發電機組14台，2003年，三峽左岸電站投運之初，機組調速系統選用了法國ALSTOM公司研製生產的NEYRPIC系列產品。勵磁系統選用德國SIEMENS公司研製生產的SIMADYN-D型勵磁調節器。

目錄

一、背景

三峽左岸電站安裝有700MW水輪發電機組14台，2003年，三峽左岸電站投運之初，機組調速系統選用了法國ALSTOM公司研製生產的NEYRPIC系列產品。勵磁系統選用德國SIEMENS公司研製生產的SIMADYN-D型勵磁調節器。至2016年，這些設備已連續運行十幾年，隨着運行年限的不斷延長，這些設備逐漸暴露出以下問題：

1）國家和電網對機組涉網功能提出了新要求、新標準，原設備涉網功能不能滿足現行國家和電網要求，如調速系統的一次調頻功能、勵磁系統的PSS功能等。

2）設備度過運行穩定期後故障率逐年升高，存在影響機組安全運行的風險。

3）進口核心備件已停止生產，庫存備件數量逐漸減少，威脅設備持續穩定運行，其它進口備件價格昂貴。

為解決上述問題，三峽電站於2016開始着手研究設備技術改造路線及改造中涉及的具體技術問題。經大量分析、研究，最終選擇了一條經濟、可行、可靠的技術路線，即用國產設備代替進口設備中技術落後、功能不全的控制部分，對設備進行部分改造。針對調速系統，電氣部分整體改造，機械部分局部優化保留其機械部分；針對勵磁系統保留功率整流櫃、滅磁開關櫃，這樣既減少了改造投資，又能大幅提高控制設備性能。但相對設備整體更換，此種方式造成了大量的系統兼容、接口配合、控制功能需單獨開發等一系列技術難題。

二、應用案例

1.項目概述

本項目的實施，實現了調速及勵磁系統關鍵設備和核心技術的國產化，整體性能指標達到或超過同類設備先進水平，解決了「關鍵部件過於依賴進口，關鍵設備受制於人」的問題，創新了水電機組控制設備的改造模式，屬國內首創，具有行業引領及示範作用。

2.主要效益

直接效益

原進口電氣控制櫃Neyrpic控制器一套成本超過65萬，改造後一套成本僅14萬左右，價格相差近5倍，全電站28套（1台機2套）共節約成本達1428萬元。原調液壓控制櫃ABB AC110型控制器整套價格約為10.24萬元，改造後一套成本僅0.6萬，價格相差17倍，全電站14套共節約成本134.96萬元。進口勵磁調節器一套約100萬元，改造後一套僅25萬元，價格相差4倍，全電站14台共節約1050萬元。

間接經濟效益

設備缺陷率大幅減少，人員維護成本隨之大幅降低。改造後調速系統壓油泵加載時間間隔由原來的15-20分鐘左右延長至70-200分鐘（與工況相關），有效降低了能耗，減輕了壓油泵機械磨損，延長了設備壽命。

三、技術要點

1.創新調速系統功率控制模式

調速器功率調節模式下主要通過LCU給定功率，調速器通過實際功率與給定功率之間的偏差形成閉環調節，同時也可接收遠方增減信號。有別於原進口系統依賴水頭參數的功率-開度轉換控制方式，該功率調節模式完全採用國產化模型，完全不受水頭變化影響，在運行過程表現出較出調節速度快、調節精度高及調節穩定等優點。

2.雙重控制硬件結構

改造採用比例閥+步進電機非對稱冗餘控制結構，控制元件為比例伺服閥和步進電機，實現兩種不同控制策略的優勢互補。調速器同時具備了流量控制和位移＋速度控制兩種方式的優點：以比例伺服閥通道為主通道時，可以獲得相對更好的系統整體性能；藉助伺服電機電液轉換裝置，可減少對油質的依賴，提高系統抗油污的能力，使系統有更高的可靠性；而且方便實現純手動功能，中間切換環節少，簡化液壓系統輔助油路，結構更加簡單可靠。

3.開發自主知識產權機械控制結構

設計開發了具有獨立自主知識產權 、適應多種結構形式的水輪機調速器主配壓閥閥芯，優化了原主配壓閥閥芯和閥套結構形式，提升了主配壓閥動態調節性能，同時帶動國內調速器機械方面精密加工製造和配套能力發展。

4.實現智能診斷

原調速系統對關鍵電器元件故障缺乏判斷和保護，現通過自主技術實現關鍵器件的故障智能化自診斷功能。如原來執行機構，兩套電液轉換器故障不報警，且直接停機，造成經濟損失。

5.開發了脈衝接口與分配電路

設計開發了勵磁調節器脈衝接口電路、脈衝分配板，既提高了脈衝驅動能力和穩定性，又實現了脈衝接口的統一，使國產勵磁調節器與進口西門子功率整流櫃脈衝變迴路完美結合，實現了僅進行勵磁系統控制部分的改造而提高全套勵磁設備性能的目標，主要備品備件也不再依賴於進口，勵磁系統整體性能和可靠性得到最優化。

6.設計開發了勵磁調節器脈衝觸發程序

脈衝的頻率、個數和脈寬等參數與原西門子勵磁調節器保持一致，設計了脈衝檢測電路，並由FPGA硬件實現，同時具備實時診斷、報警功能。雙套無擾動切換，不會因為脈衝故障而導致失磁跳機情況的發生。

7.優化完善了PSS功能

左岸電站部分機組原西門子勵磁調節器安裝外置硬件PSS2B裝置，外置PSS裝置硬件老化，附加的外部PSS信號迴路給勵磁系統安全運行帶來隱患；部分機組原西門子勵磁調節器內置PSS2B軟件，內置PSS引入的ω信號取自機端電壓頻率，在動態過程中轉速和機端電壓頻率的差值足以影響PSS的補償效果，對系統阻尼有惡化作用，不符合現行行業技術要求。改造後的勵磁調節器全部內置PSS2B/4B兩種模型，PSS2B模型ω信號取自發電機q軸虛擬電氣分量Eq的頻率，試驗證明其對0.1-2Hz的低頻振盪具有良好的阻尼作用，滿足電網要求。預裝的PSS4B模型能更好地對各種頻段低頻振盪起到抑制作用，同時PSS4B對電力系統聯繫阻抗的強弱具有較好的適應性，為今後電網運行的更高要求做好了準備。

8.試驗定製功能

在水輪機組試驗中經常進行零起升壓、升流試驗和勵磁大電流、小電流等試驗，目前行業中，多需要修改勵磁調節器參數和相關程序，過程繁瑣、效率低，存在着一定安全隱患。改造後的勵磁調節器首次增加了「試驗方式」功能，試驗方式投入後，即可方便進行各種勵磁開環試驗，不受外部開關狀態等的限制。

9.開發了手/自動錄波功能

改造後的勵磁調節器新增錄波功能，可手/自動錄波（150個開關量及50個模擬量），調節器內置大容量存儲器，可脫離工控機獨立存儲100組波形，在開機、停機、限制、試驗、故障等工況下，在開關量變化及模擬量跳變時可手/自動錄波。通過專用波形查看工具，可通過分析波形的變化為試驗結果與故障分析提供依據。

10. 實現了母線電壓跟蹤功能

原勵磁調節器無母線電壓跟蹤功能，母線電壓隨着季節的不同有一定範圍的變化，機組併網時，機端電壓和母線電壓之間有一定的差值，可能造成較大的無功衝擊，最大值曾達220Mvar，無功衝擊對發電機定子繞組、變壓器繞組均產生影響，威脅發變組的安全運行。改造後的勵磁調節器具有母線電壓跟蹤功能，併網前，勵磁調節器給定值跟蹤母線電壓，機端電壓和母線電壓之間無差值，機組同期併網過程中沒有無功衝擊。

11. 提出組合式TV斷線檢測判據

原勵磁系統TV斷線判斷策略單一，無法反映TV斷線的多種情況。改造後的勵磁調節器從以下三個方面進行設計，保證正確應對TV斷線。

12. 增加智能電站多場景支撐功能

原勵磁調節器只提供Profibus通訊協議和接口。改造後的勵磁調節器支持多種通訊協議，為智能電站的建設奠定了基礎。

四、應用前景

本項目實現了調速及勵磁系統關鍵設備和核心技術的國產化，整體性能指標達到或超過同類設備先進水平；解決了「關鍵部件過於依賴進口，關鍵設備受制於人」的問題，創新了水電機組控制設備的改造模式，屬國內首創，具有行業引領及示範作用。