三峽地下電站國(guó)產(chǎn)化勵(lì)磁系統(tǒng)

王 波，張 敬，胡先洪，周 宇，余 翔

（1.長(zhǎng)江電力向家壩水力發(fā)電廠籌建處，四川 宜賓 644600；2.長(zhǎng)江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司，武漢 430070；3.長(zhǎng)江電力三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

1 引言

勵(lì)磁控制器承擔(dān)著維持同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓穩(wěn)定、協(xié)調(diào)并列機(jī)組間的無(wú)功分配以及抑制有功功率振蕩的任務(wù)，它的可靠性對(duì)于發(fā)電廠有著特別的意義[1]。三峽水力發(fā)電廠是世界上最大的水力發(fā)電廠，已經(jīng)建成的26臺(tái)機(jī)組均采用了西門子勵(lì)磁控制系統(tǒng)。最后建成的地下廠房6臺(tái)700MW機(jī)組將首次采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化勵(lì)磁系統(tǒng)，其中 2套為 MEC3000型自并勵(lì)微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。

MEC3000由1面調(diào)節(jié)器柜、1面輔助控制柜、4面可控硅整流柜、2面滅磁開(kāi)關(guān)柜、1面碳化硅非線性滅磁電阻柜共9面屏柜組成，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單。其電制動(dòng)用切換開(kāi)關(guān)和交流滅磁用開(kāi)關(guān)裝設(shè)在勵(lì)磁變保護(hù)外罩內(nèi)，如圖1所示。MEC3000型勵(lì)磁系統(tǒng)采用靜止式可控硅自并勵(lì)方式。勵(lì)磁變壓器采用三個(gè)單相環(huán)氧澆注的干式勵(lì)磁變壓器。功率柜采用環(huán)形熱管散熱的自然冷卻方式，可控硅的觸發(fā)脈沖由勵(lì)磁變二次側(cè)的同步變壓器提供同步信號(hào)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用高度冗余的雙通道結(jié)構(gòu)。事故滅磁時(shí)跳磁場(chǎng)斷路器配合碳化硅電阻進(jìn)行移能滅磁，在磁場(chǎng)斷路器拒動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)交流開(kāi)關(guān)配合碳化硅電阻進(jìn)行移能滅磁。轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)采用可控硅跨接器方式運(yùn)行。電氣制動(dòng)采用了柔性電制動(dòng)方案。本文將對(duì)構(gòu)成MEC3000型勵(lì)磁主要組成部分作簡(jiǎn)要介紹。

圖1 MEC3000勵(lì)磁系統(tǒng)正視圖

2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用機(jī)箱式結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，由兩套硬件上完全獨(dú)立的控制通道組成。兩個(gè)控制通道結(jié)構(gòu)和功能完全一致，每一個(gè)通道中均設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)控制單元。如圖2所示，每個(gè)通道包含兩塊CPU板，一塊是計(jì)算板，實(shí)現(xiàn)采樣、調(diào)節(jié)和通信；另一塊作為脈沖板生成控制脈沖。運(yùn)行過(guò)程中兩個(gè)控制通道互為熱備用，同時(shí)接收輸入的信號(hào)并進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)在線通道發(fā)生故障或PT斷線時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)切換至備用通道，同時(shí)輸出至功率柜的控制脈沖仍進(jìn)行正常切換。兩個(gè)通道之間也可通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行切換[2]。

圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

圖3給出了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的通信網(wǎng)絡(luò)圖。兩個(gè)通道4塊CPU板通過(guò)CAN總線連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互檢。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有通道信號(hào)異常時(shí)，立即報(bào)警并切換到正常通道運(yùn)行。計(jì)算板通過(guò)RS232與本地監(jiān)控的人機(jī)界面相連。與監(jiān)控通信既可以通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行，也可以通過(guò)CAN網(wǎng)直接與計(jì)算板通信。需要擴(kuò)展電氣制動(dòng)功能時(shí)，可以通過(guò) CAN網(wǎng)連接調(diào)節(jié)器的可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)實(shí)現(xiàn)。PCC模塊具有 PLC的可靠性與單片機(jī)的運(yùn)算能力[3]，使用CPU模塊與DI、DO模塊搭建的邏輯控制器可以配合控制通道時(shí)序，控制外部開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電氣制動(dòng)功能。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律采用了標(biāo)準(zhǔn)的PID+PSS2A模型。PID+PSS2A控制模型可以有效抑制電力系統(tǒng)的低頻振蕩，另外在有功功率正常調(diào)節(jié)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生無(wú)功反調(diào)，這對(duì)水電廠尤為重要。模型中的角速度不是直接測(cè)量的結(jié)果，而是計(jì)算得到的Eq轉(zhuǎn)速。

如圖4所示，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件預(yù)留了試驗(yàn)接口，需要進(jìn)行模型測(cè)試或者測(cè)試發(fā)電機(jī)無(wú)補(bǔ)償特性以整定PSS參數(shù)時(shí)，接入白噪聲后只需在界面操作即可[4]。

圖3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò)

圖4 PID+PSS2A控制模型

3 可控硅整流裝置

可控硅整流裝置采用環(huán)形熱管自然冷卻方式，避免了使用風(fēng)機(jī)時(shí)可能的機(jī)械故障，運(yùn)行過(guò)程中無(wú)噪音無(wú)灰塵，節(jié)能環(huán)保，同時(shí)減輕了維護(hù)的工作量。整流裝置單柜自冷最大輸出電流可達(dá) 3000A，額定電流為2500A，采用4柜并聯(lián)配置方案。每柜配1套紅外溫度監(jiān)控系統(tǒng)，可在線監(jiān)測(cè)各個(gè)橋臂的可控硅溫度，當(dāng)可控硅溫度過(guò)高時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)輔助散熱風(fēng)機(jī)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。橋臂阻容保護(hù)單元采用易于散熱的線繞式大功率無(wú)感電阻和耐壓高達(dá)4000V的進(jìn)口交流電容器，可以有效地抑制尖峰過(guò)電壓值，保證整流柜可靠運(yùn)行。

圖5 熱管工作原理圖

熱傳遞有3種方式：輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一段為蒸發(fā)端，另外一段為冷凝端。當(dāng)熱管一段受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿管壁依靠毛細(xì)效應(yīng)流回至蒸發(fā)段進(jìn)行正常循環(huán)，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開(kāi)來(lái)[5]。

普通重力熱管散熱器的散熱片采用橫向安裝方式，其散熱片與熱管都采用點(diǎn)接觸方式，其結(jié)構(gòu)安裝對(duì)柜體寬度的要求比較高，由于大多數(shù)廠房和施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)勵(lì)磁柜體的寬度都有嚴(yán)格限制，因此目前國(guó)內(nèi)專業(yè)廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)的普通熱管整流柜最大輸出電流不超過(guò)1500A。環(huán)形熱管散熱器工作原理如圖6所示。環(huán)形熱管采用縱向安裝方式，整個(gè)散熱器的安裝只受柜體高度限制。環(huán)形熱管采用膨脹方式將整個(gè)熱管埋入鑄鋁型材散熱片中，整個(gè)散熱片與熱管采用面接觸方式，加快了傳導(dǎo)效率，使環(huán)形熱管整流裝置在自冷條件下單柜輸出電流達(dá)到2500A。

圖6 環(huán)形熱管工作原理圖

4 滅磁裝置介紹

滅磁裝置采用法國(guó) LENOIR公司 2CEX 06-5500組合式斷路器作為磁場(chǎng)斷路器，選擇了碳化硅電阻的移能滅磁方案。在滅磁系統(tǒng)中，還配合應(yīng)用了交流滅磁技術(shù)，提高了滅磁裝置換流的可靠性，并縮短滅磁時(shí)間。在任何需要滅磁的工況下，包括發(fā)電機(jī)空載滅磁、發(fā)電機(jī)甩額定負(fù)荷滅磁、誤強(qiáng)勵(lì)事故滅磁以及機(jī)端三相短路時(shí)，滅磁裝置都可以快速、可靠滅磁，并保證在滅磁過(guò)程中，勵(lì)磁繞組反向電壓不高于出廠試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁繞組對(duì)地試驗(yàn)電壓幅值的50%[6]。

滅磁設(shè)備包括串聯(lián)在轉(zhuǎn)子回路中的直流磁場(chǎng)斷路器S101，整流柜陽(yáng)極側(cè)的交流磁場(chǎng)斷路器S102，并聯(lián)在轉(zhuǎn)子回路中的碳化硅（SiC）非線性電阻 R101，以及作為后備輔助滅磁的開(kāi)關(guān)S107。整個(gè)滅磁過(guò)電壓保護(hù)回路原理圖如圖7所示。

圖7 滅磁過(guò)壓保護(hù)回路原理圖

發(fā)電機(jī)正常停機(jī)采用逆變滅磁。通過(guò)整流橋逆變來(lái)消耗轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的能量，不跳磁場(chǎng)斷路器，也不需要 SiC非線性電阻投入工作。當(dāng)勵(lì)磁電流減為零后，調(diào)節(jié)器封閉整流橋觸發(fā)脈沖，合上輔助滅磁的開(kāi)關(guān)S107，然后跳開(kāi)交流磁場(chǎng)斷路器S102，滅磁過(guò)程結(jié)束。此時(shí)S107與S102均無(wú)電流通過(guò)。

發(fā)電機(jī)事故跳閘時(shí)，采用磁場(chǎng)斷路器配合 SiC非線性電阻移能滅磁。收到磁場(chǎng)斷路器跳閘命令后，直流磁場(chǎng)斷路器S101發(fā)熱斷口先分?jǐn)啵瑴绱艛嗫陂]合，投入SiC非線性電阻R101，然后吹弧斷口分?jǐn)嗬〗▔骸Ｅc此同時(shí)，滅磁信號(hào)封閉整流橋觸發(fā)脈沖，合上輔助滅磁的開(kāi)關(guān)S107，以確保SiC非線性電阻投入。S107合上后聯(lián)跳交流磁場(chǎng)斷路器S102。封脈沖后，使晶閘管處于自然續(xù)流狀態(tài)，在半個(gè)周波20ms內(nèi)，就可利用陽(yáng)極電壓的負(fù)半波輔助磁場(chǎng)斷路器建壓，使 SiC非線性電阻導(dǎo)通，從而迅速消耗儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子中的能量，達(dá)到快速滅磁的目的。即實(shí)現(xiàn)交流滅磁。交流磁場(chǎng)斷路器S102和輔助滅磁的開(kāi)關(guān)S107作為直流磁場(chǎng)斷路器S101的后備。收到跳閘令后，正常情況下直流磁場(chǎng)斷路器S101在70～100ms內(nèi)能夠分?jǐn)啵糁绷鞔艌?chǎng)斷路器S101拒動(dòng)，輔助滅磁的開(kāi)關(guān)S107會(huì)在75ms內(nèi)閉合，投入SiC非線性電阻R101，而交流磁場(chǎng)斷路器S102會(huì)在此后的65ms內(nèi)斷開(kāi)，同樣利用陽(yáng)極電壓的負(fù)半波輔助建壓實(shí)現(xiàn)移能滅磁，保證了滅磁系統(tǒng)的可靠性。

5 電氣制動(dòng)

電氣制動(dòng)就是使用他勵(lì)接線形式在轉(zhuǎn)子維持一定的電流，從而產(chǎn)生制動(dòng)力矩，加速停機(jī)，沒(méi)有機(jī)械制動(dòng)的制動(dòng)塊損耗、粉塵污染等問(wèn)題。MEC3000采用柔性電制動(dòng)方案，即勵(lì)磁和電氣制動(dòng)共用主可控硅整流柜，不需要增加額外的制動(dòng)整流橋。整流柜陽(yáng)極裝有勵(lì)磁變陽(yáng)極交流磁場(chǎng)斷路器 S102和制動(dòng)變陽(yáng)極交流斷路器S106，兩臺(tái)開(kāi)關(guān)利用位置接點(diǎn)互鎖。制動(dòng)電源由廠用電AC380V供給，通過(guò)專用的制動(dòng)變壓器T100，經(jīng)主晶閘管整流器整流后，提供機(jī)組所需的制動(dòng)電流。整個(gè)電氣制動(dòng)回路原理圖如圖8所示。

圖8 電氣制動(dòng)原理圖

當(dāng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器收到電制動(dòng)投入的命令后，檢查電氣制動(dòng)短路開(kāi)關(guān)和滅磁開(kāi)關(guān)S101在閉合位置，輔助滅磁接觸器S107在斷開(kāi)位置，則調(diào)節(jié)器控制依次斷開(kāi)勵(lì)磁變陽(yáng)極交流磁場(chǎng)斷路器S102，合上制動(dòng)變陽(yáng)極交流斷路器S106，同時(shí)轉(zhuǎn)到手動(dòng)方式下工作，按預(yù)先設(shè)置的給定值調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流從而為發(fā)電機(jī)提供合適的制動(dòng)力矩。

當(dāng)收到電氣制動(dòng)退出的命令后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制將制動(dòng)電流降為0，斷開(kāi)制動(dòng)變陽(yáng)極交流斷路器S106，完成電氣制動(dòng)的整個(gè)流程。

6 結(jié)束語(yǔ)

MEC3000功能豐富，性能可靠，擴(kuò)展性好，具備了在 700MW 機(jī)組投運(yùn)的條件。今后二十年內(nèi)，我國(guó)將有約150臺(tái)單機(jī)容量超過(guò)600MW的水電機(jī)組投入運(yùn)行，急需國(guó)產(chǎn)勵(lì)磁設(shè)備代替進(jìn)口產(chǎn)品。國(guó)產(chǎn)化勵(lì)磁裝置在三峽地下電站的投產(chǎn)將為國(guó)內(nèi)其他大型機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的選型和改造提供了重要參考依據(jù)，徹底改變國(guó)外勵(lì)磁設(shè)備制造商在我國(guó)大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁設(shè)備中形成的壟斷地位。

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