國產勵磁系統在進口燃氣發電機組的應用

牟 偉，婁季獻，張建彪，許訓煒，吳 龍

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

由于燃氣輪機聯合循環系統（GTCC）將燃氣輪機單循環及蒸汽輪機單循環結合在一起，運行靈活，技術先進，熱效率高，機組啟動快，自動化程度高，調峰性能好，成為當代最先進的商業化火力發電技術，能滿足日益嚴格的環境保護要求[1]。隨著我國經濟進一步發展對電力高峰負荷和電網供電安全要求的增加以及環保意識的增強，在國內發展天然氣聯合循環發電技術對于電力調峰、調整能源結構以及節能減排具有重要意義。

目前國內已投運或新建燃氣聯合循環電站采用GE、西門子、ALSTOM、三菱等進口燃氣輪機，或采用由國內主機廠與上述國外廠商合作制造的燃氣機組。而二次控制及保護設備，如SFC靜止變頻器、EXC勵磁系統、GP保護設備則基本由國外進口設備壟斷。隨著國產二次控制保護設備技術的發展，目前燃機二次設備已具備采用國產設備的條件，如國產勵磁系統在控制性能、通信接口及自動化程度上已完全滿足國內燃機勵磁控制的需要。

1 勵磁系統配置

燃機用勵磁系統一般采用自并激靜止勵磁方式。目前國內燃機的啟動過程主要使用靜止變頻器（SFC）啟動[2，3]，在啟動中需要勵磁系統與之配合，接入它勵電源提供勵磁電流，因而燃機用勵磁系統與常規火電機組的自并勵系統在配置上略有不同[4]。而調節器、功率整流橋以及滅磁系統可實現在啟動工況和發電工況下的復用，節省設備成本。但調節器需要根據外部信號識別機組工況，正確切換勵磁電源開關并工作在正確模式。本項目燃機為ALSTOM燃氣發電機組，勵磁系統采用新一代PCS-9400燃機智能勵磁系統，系統配置原理如圖1所示。

圖1 燃機用勵磁系統配置原理圖

除常規自并勵系統所具有的勵磁變、調節控制柜、功率整流柜、滅磁和過壓保護柜外，還配置開關切換柜，柜內設置啟動變壓器和切換開關。切換開關實現SFC啟動工況和自勵建壓工況下的勵磁電源切換。PCS-9400勵磁系統配置冗余雙通道勵磁調節器，任一通道調節器均包含電壓閉環（AVR）、電流閉環（FCR）和定角度開環（OR）3種基本控制方式，在AVR方式下還可投切無功閉環、功率因數閉環、無功卸載、調差以及PSS-2B/4B等附加控制。調節器具有超高速的采樣和計算能力，工頻每周波采樣72點，計算速度4000次/s，模型計算更精確。PCS-9400勵磁系統采用脈沖光纖傳輸方式和分布式觸發脈沖發生，提高觸發脈沖傳輸的抗干擾能力，解決了整流橋之間共用脈沖問題。對可控硅元件電流、勵磁電壓電流等進行在線監測，實現整流橋元件級智能均流和滅磁電阻能耗在線計算。PCS-9400勵磁系統還配置智能IO單元，實現與變頻器SFC、燃機控制系統（TCS）、故障錄波器等的信號接口，并進行控制邏輯操作。IO單元與AVR通過光纖連接，向調節器發出不同工況下的控制指令，并接收AVR的反饋狀態。

2 勵磁設備信號交互

燃機主控系統TCS與SFC、勵磁等設備的信號交互量較多，采用Profibus-DP通訊方式連接。勵磁IO接口單元主要實現與SFC和TCS的信號交互。IO單元的應用能夠靈活實現與外部設備或系統間的所有開關量、模擬量交換，可以采用硬接線或通訊方式。IO單元根據外部輸入信號和機組當前狀態準確識別當前工況，根據SFC或TCS系統發出的指令正確進入啟動工況或自勵發電工況。勵磁控制裝置與主控和變頻器之間的信號交互如圖2所示。

圖2 勵磁控制與主控和變頻器之間的信號交互

勵磁系統與SFC之間的信號交換不多，且由于相關信號的重要性與實時性，故信號交互宜采用硬接線方式實現，信號列表如表1所示。另外由于2臺機組配置有2套SFC裝置，每套SFC都可啟動任一臺機組，即有直通啟動和交叉啟動需求，因而對勵磁系統而言需要與2套SFC裝置建立信號交互，并且需要相互閉鎖。實際實現時可采用PLC器件，根據TCS發出的SFC選擇指令建立勵磁與被選擇SFC間的信號通道。

表1 勵磁系統與SFC系統的二次控制接口

勵磁系統與主控TCS系統之間采用一對一的信號交換，信號交換量較多但實時性要求不高，信號列表如表2所示。現場勵磁系統與TCS之間采用Profibus-DP的總線通訊方式，它是一種國際化、不依賴于設備制造商的開放式現場總線標準，適合于快速、時間要求嚴格和可靠性高的通信任務，廣泛應用于制造業自動化、軌道交通、電力自動化領域。采用冗余化Profibus總線通訊，極大簡化了信號電纜接線，擴展了勵磁設備從站與TCS主控的信號交換數量，提高了系統運行的可靠性。

3 SFC啟動過程的功能設計

勵磁IO單元根據開入和TCS通訊信號識別機組當前工況，滿足啟動條件時發出勵磁就緒（ready）信號，等待SFC的啟動指令。TCS在同時收到勵磁和SFC的ready信號并檢查相關斷路器和刀閘位置無誤后向SFC發啟動命令。在SFC啟動階段，勵磁系統的工作流程如圖3所示。當收到SFC的啟動令后IO單元首先判斷并調整電源開關狀態，確保勵磁變開關在分位且啟動變開關在合位；而后檢查整流電源電壓的特征、合滅磁開關、控制調節器轉手動并投勵，迅速將勵磁電流調節至SFC的指定值。上述步驟若有異常，IO單元向SFC發出勵磁故障信號，同時退出啟動流程、記錄故障ID并向TCS發出告警信號。

表2 勵磁系統與TCS系統的二次控制接口

圖3 SFC啟動階段勵磁系統工作流程

若拖動過程無異常，燃機達到自持轉速后，SFC發勵磁停機令，調節器逆變滅磁；而后IO單元分開滅磁開關和啟動變開關，恢復調節器控制方式至電壓閉環，SFC啟動流程結束。勵磁系統和SFC間需建立完善的相互跳閘機制。拖動過程中，勵磁IO單元全面監視勵磁狀態和啟動電源狀態，并等待SFC的停機指令。若出現勵磁控制、整流或滅磁任一部份故障且不適宜后續并網發電運行時，IO單元向SFC和TCS發出勵磁故障信號，通知SFC停機。若出現廠用電它勵電源消失、跌落等異常，IO單元立刻通知SFC停機，避免機組定子過流。反之，SFC運行中一旦出現異常需要停機，比如定子過壓或過流，SFC發出滅磁開關跳閘令和勵磁停機令。滅磁開關分斷并接入滅磁電阻，IO單元退出SFC啟動流程。另外在拖動階段調節器接收SFC的電流參考值時需要根據現場情況采取必要的限幅措施，防止硬接線回路干擾導致輸出勵磁電流偏離正常值。由于電流參考采用4～20mA輸入，在拖動階段輸入不會小于4mA，一般電流值也小于空載額定勵磁電。IO單元實時監測輸入回路，一旦參考輸入回路異常立刻通知SFC停機。在SFC拖動階段，調節器的勵磁電流控制模型如圖4所示，勵磁電流參考輸入帶限幅保護功能。

圖4 建壓并網階段勵磁工作流程

4 建壓發電過程的功能設計

達到自持轉速(該燃機為2700 r/m in)后SFC退出，由燃氣輪機帶動發電機繼續升速至同步轉速。勵磁IO單元識別機組當前工況，滿足開機條件時向TCS發出ready信號并等待TCS的起勵指令。一旦收到起勵令，勵磁系統的工作流程如圖5所示。

圖5 SFC拖動階段勵磁電流環控制模型

IO單元首先判斷并調整電源開關狀態，確保啟動變開關在分位且勵磁變開關在合位；合滅磁開關并投勵，AVR按照整定速率調節機端電壓至額定附近 （如0.97Ugn）。上述步驟若有異常，調節器逆變并退出建壓流程、記錄故障ID并向TCS發勵磁失敗告警信號。

若建壓過程無異常，并網前勵磁IO等待TCS的同期使能令，（使能后方能）接收同期裝置的增減磁信號，調節機端電壓至需要值。同時向TCS反饋當前的電壓給定。正常建壓及并網過程如圖6所示。

圖6 建壓并網階段機組電氣量錄波

并網后運行人員在TCS上增減電壓給定，TCS實時傳送該值至勵磁IO。IO單元將接收的參考值與當前實際AVR給定比較，若不一致則產生增減磁信號，調整機端電壓。在并網過程中，TCS可切換勵磁控制方式至不同閉環模式，如勵磁電流閉環、無功閉環或因數閉環。還可以投切PSS、調差等附加控制。

5 解列停機的功能設計

燃氣發電機啟停頻繁，啟動和停機過程都較快速，停機過程多采用程序逆功率保護解列以防氣機超速。為此勵磁設置無功卸載功能，使機組無功功率跟隨有功下降直至0。無功卸載使解列前定子電流接近零電流，勵磁電流接近空載電流，并能顯著降低解列后的定子過壓水平。采用卸無功控制的勵磁模型如圖7所示，按功率因數目標值減小無功使機組負荷接近0。

圖7 卸無功模式的AVR控制模型

解列后勵磁系統維持機組運行在空載工況，IO單元收到TCS的停機指令后采用無斷口滅磁方式，逆變滅磁后再延時分開關，充分保護滅磁開關觸頭，最大限度延長滅磁開關和滅磁電阻使用壽命。另外本項目勵磁系統在設計時還需考慮總線通訊的可靠性。由于從燃機啟動到同步建壓再到并網發電最后解列停機，勵磁系統與TCS的信號交互完全采用基于RS-485總線的Profibus-DP通訊實現，因此通訊的可靠性至關重要，否則極易引起機組跳閘停機。提高勵磁設備的可靠性主要考慮以下幾方面：（1）勵磁IO采用完全獨立的雙路profibus通訊鏈路與TCS通訊。IO單元A/B口都與TCS保持數據交換，且通訊內容基本一致。任一路通訊中斷不影響另一路的數據通訊。即便雙路完全中斷，勵磁系統亦能保持中斷前狀態繼續運行，為人工手動停機創造條件。（2）通訊內容采用雙位容錯和收發動態比對，能夠快速判斷總線通訊異常，有效防止誤操作；一旦判斷出異常幀報文將立刻閉鎖數據刷新。（3）勵磁系統設置完善的自檢與監測功能。實現對IO單元、調節器、功率整流、滅磁及過壓保護系統、供電電源的全方位監測，確保設備運行信息的完整性，提升設備監控水平，一旦出現異常立刻向TCS發出告警信號，提示運行人員檢查處理。

6 結束語

由于燃氣輪機聯合循環發電技術的優勢，使其在我國電網中的應用比重逐漸增大，發展前景廣闊。本文探討了應用于ALSTOM進口燃氣輪機發電機組上的國產勵磁系統在系統配置、功能設計與信號交互上有別于常規勵磁系統的特殊之處，介紹了現場實際應用經驗與提高設備可靠性的措施。

通過在現場的成功應用，說明了國產勵磁系統在功能設計、自動化程度上已完全滿足國外進口燃氣機組的應用需求，為今后燃機用國產勵磁系統的性能完善、功能增強提供了參考經驗。

[1]糜洪元.國內外燃氣輪機發電技術的發展概況及其展望[J].電力設備，2006，07(10)：8-10.

[2]趙昌宗.燃氣輪機的SFC啟動[J].燃氣輪機發電技術，2002，04(3)：44-47.

[3]王亞婧，徐春建，等.燃汽輪機組勵磁系統設計與應用[J].電氣技術，2013(7)：59-61.

[4]李國東.GE 9F燃機勵磁系統國產化改造研究[J].浙江電力，2010(12)：41-43.