某核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)問題分析及處理

顧秋斌 翟常營 陳耀明 林鑫

福建福清核電有限公司 福建福州 350300

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)作為核電廠的重要后備電源，在應(yīng)急條件下起著至關(guān)重要的作用。本文介紹的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器使用了西門子公司生產(chǎn)的電磁迭加型可控相復(fù)勵(lì)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)，該套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡單，建壓速度快的特點(diǎn)，能夠保證應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)在應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)10s內(nèi)完成建壓，滿足電廠應(yīng)急電源的需求[1]。

1 問題描述

維持應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定是保證柴油發(fā)電機(jī)供電質(zhì)量的主要措施之一。作為核電廠內(nèi)的事故應(yīng)急電源，其電壓的穩(wěn)定對(duì)下游核安全級(jí)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行也起著至關(guān)重要的作用，若電壓過高或過低，勢(shì)必會(huì)對(duì)負(fù)荷設(shè)備造成一定的影響。

該套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由帶相復(fù)勵(lì)變壓器及振蕩回路的勵(lì)磁調(diào)節(jié)回路和三相不可控整流橋附加IGBT直流斬波電路構(gòu)成的調(diào)節(jié)器回路組成[2]。按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，該套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在不投調(diào)節(jié)器時(shí)可以達(dá)到±5%的調(diào)節(jié)精度，投入調(diào)節(jié)器后可以達(dá)到±0.5%的調(diào)節(jié)精度。

在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行空載勵(lì)磁試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器試驗(yàn)?zāi)Ｊ较聼o法準(zhǔn)確控制柴油發(fā)電機(jī)電壓至額定值，并網(wǎng)時(shí)因電壓調(diào)節(jié)不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)無功進(jìn)相的問題，不滿足設(shè)計(jì)的要求。

2 原因分析及處理過程

該問題的分析需從相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及原理出發(fā)，分析其產(chǎn)生的根本原因。

2.1 相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的工作原理

由圖1所示，柴油發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁復(fù)勵(lì)回路主要由復(fù)勵(lì)變壓器、電抗器L321、電容器C32和半導(dǎo)體整流器橋VD等部分組成。相復(fù)勵(lì)變壓器是一臺(tái)三相三繞組的變壓器，它的每相有三個(gè)繞組，即電壓繞組N1，電流繞組N3，輸出繞組N2。其中N1和N3是變壓器的輸入繞組。

圖1 相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁原理圖

當(dāng)柴油機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸升轉(zhuǎn)速的過程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子剩磁的會(huì)使定子產(chǎn)生一個(gè)殘余電壓，當(dāng)殘余電壓經(jīng)過振蕩電路的振蕩點(diǎn)（大約44Hz）左右時(shí)，電流向電壓繞組N1的空載部分電流會(huì)迅速增大，經(jīng)過半導(dǎo)體整流橋變成直流電送至發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組上，使轉(zhuǎn)子磁場增加，發(fā)電機(jī)的電壓也逐漸升高直至空載額定值。

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶上負(fù)荷后，電壓繞組提供的勵(lì)磁電流基本恒定不變，相復(fù)勵(lì)變壓器的電流繞組N3會(huì)流過負(fù)載電流，相復(fù)勵(lì)變壓器的兩個(gè)輸入繞組均在輸出繞組N2上產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)，隨著負(fù)載電流的變化，輸出繞組N2上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也隨著改變，負(fù)載電流增大，輸出的勵(lì)磁電流也隨之增大，以維持發(fā)電機(jī)端電壓保持恒定。

因振蕩器及CT變比的非線性特性，復(fù)勵(lì)回路的控制精度在±5%左右，不能得到較高控制精度，因此，在柴油發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，還附加了一個(gè)IGBT直流斬波電路構(gòu)成的調(diào)節(jié)器，用于提高調(diào)壓精度，當(dāng)調(diào)節(jié)器中的DC LINK的電壓大于勵(lì)磁回路的電壓時(shí)，調(diào)節(jié)器則從勵(lì)磁回路吸收直流電流，反之，則會(huì)給勵(lì)磁回路提供部分電流，使發(fā)電機(jī)的出口電壓維持設(shè)定值[3]。

2.2 相復(fù)勵(lì)電壓調(diào)試過程及問題分析

（1）相復(fù)勵(lì)回路電壓調(diào)節(jié)及無功功率不足分析。相復(fù)勵(lì)回路包含兩個(gè)調(diào)節(jié)元件，一個(gè)是相復(fù)勵(lì)變壓器的輸出繞組N2抽頭（固定端2.1，調(diào)節(jié)端繞組匝數(shù)2.3＜2.4＜2.5＜2.6＜2.2）及電壓繞組的N1抽頭（固定端3.1，調(diào)節(jié)端繞組匝數(shù)3.3＜3.4＜3.5＜3.6＜3.2）。另外一個(gè)是電抗器的氣隙。

根據(jù)磁平衡的原理：

由上述磁平衡公式可見，當(dāng)相復(fù)勵(lì)變壓器的輸出繞組N2匝數(shù)越少，輸出電壓越大，反之越小。當(dāng)相復(fù)勵(lì)變壓器的電壓繞組N1匝數(shù)越大時(shí)，輸出電壓越大，反之越小。

為了防止柴油發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷或并網(wǎng)時(shí)能夠提供足夠的無功功率，在調(diào)節(jié)電壓時(shí)一般先將相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁變壓器的輸出繞組的N2抽頭可調(diào)節(jié)端調(diào)至最小2.1-2.3，然后通過調(diào)節(jié)電壓抽頭N3來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓。同時(shí)，相復(fù)勵(lì)回路的調(diào)節(jié)需將恒壓調(diào)節(jié)裝置退出運(yùn)行。

當(dāng)發(fā)電機(jī)的空載電壓偏低時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)電抗器L321的氣隙來調(diào)節(jié)空載輸出電壓[4]。增大電抗器L321的氣隙，空載輸出電壓增大，減小電抗器的輸出電壓，空載輸出電壓減小。

在柴油發(fā)電機(jī)帶上負(fù)載后或并網(wǎng)后帶上負(fù)載，若輸出線圈N2的匝數(shù)位置不合理，就會(huì)造成勵(lì)磁電流的電流分量不足以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)和漏抗的壓降，使發(fā)電機(jī)的無功發(fā)不足，此為導(dǎo)致無功進(jìn)行的原因之一。

（2）調(diào)節(jié)器回路投入后電壓調(diào)節(jié)不精確問題分析。因?yàn)橄鄰?fù)勵(lì)控制回路的控制精度僅在±5%之間，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)出口電壓很難穩(wěn)定至額定電壓6.6kV運(yùn)行，若此時(shí)電抗器L321飽和，隨著負(fù)載的增加，發(fā)電機(jī)的出口電壓會(huì)隨之降低而得不到足夠的補(bǔ)償。

自動(dòng)恒壓裝置回路投入后，發(fā)電機(jī)的空載穩(wěn)態(tài)電壓維持在6.88kV，如圖2。

圖2 柴油發(fā)電機(jī)空載波形-帶恒壓調(diào)節(jié)裝置（程序修改前）

通過圖2可以看出，自動(dòng)恒壓裝置無法將柴油發(fā)電機(jī)的出口電壓精確的調(diào)節(jié)至額定電壓6.6kV。此時(shí)，通過在儀控柜緩慢旋動(dòng)增磁旋鈕，發(fā)電機(jī)的出口電壓緩慢增加；旋動(dòng)減磁旋鈕，發(fā)電機(jī)的出口電壓緩慢降低；

一般的PID閉環(huán)控制圖如圖3所示

圖3 PID閉環(huán)控制圖

當(dāng)給定值值為6.6kV時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出電壓也為6.6kV。經(jīng)過查看調(diào)節(jié)器的邏輯程序，發(fā)現(xiàn)PID控制器的給定值輸入隨著柴油發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的變化而變化。相復(fù)勵(lì)回路的閉環(huán)控制將發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定值6.8kV，當(dāng)恒壓調(diào)節(jié)器投入后，其給定值也為6.8kV左右，并隨著機(jī)端電壓變化。由此可以判斷，恒壓調(diào)節(jié)器失去了應(yīng)有的控制作用。

（3）恒壓調(diào)節(jié)器電壓控制程序修改方案。恒壓調(diào)節(jié)器的電壓給定值自柴油發(fā)電機(jī)起機(jī)調(diào)節(jié)器裝置投入運(yùn)行后會(huì)隨著機(jī)端電壓的變化而變化，則無法維持6.6kV的額定值。

根據(jù)西門子公司設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器的現(xiàn)有輸入點(diǎn)，可以采用如下方案：

圖4 程序修改方案邏輯圖

RS觸發(fā)器S主導(dǎo)真值表 NSW選擇器真值表二進(jìn)制命令 輸出狀態(tài)QN S R — —00QN保持不變01 11001 10I O0X11 X2—— — ——— — ——— — —

利用儀控柜發(fā)出的手動(dòng)電壓調(diào)節(jié)升高信號(hào)higher、電壓降低信號(hào)lower、起勵(lì)動(dòng)作信號(hào)field flashing is active、投入調(diào)節(jié)器信號(hào)release regulator組態(tài)成電壓給定值選擇命令邏輯。如圖4

在柴油機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｊ絾?dòng)時(shí)，起勵(lì)動(dòng)作信號(hào)field flashing is active和投入調(diào)節(jié)器信號(hào)release regulator變化為1，RSS觸發(fā)器復(fù)位，QN輸出為1，NSW選擇器輸出給定值6.6kV，此時(shí)若手動(dòng)調(diào)節(jié)增磁higher或減磁lower旋鈕，或選擇同期小車并網(wǎng)（并網(wǎng)時(shí)同期小車會(huì)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓），此時(shí)RSS觸發(fā)器置位，QN輸出為0，NSW選擇器輸出給定值為柴油發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，跟隨機(jī)端電壓變化。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)由應(yīng)急模式（僅相復(fù)勵(lì)閉環(huán)回路起作用）供電退出時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)投入，此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)電壓會(huì)在恒壓裝置的控制下調(diào)節(jié)回6.6kV后延時(shí)停柴油發(fā)電機(jī)。

（4）修改方案驗(yàn)證結(jié)果。在程序修改下裝至調(diào)節(jié)器后，啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)并進(jìn)行驗(yàn)證，空載波形電壓穩(wěn)定在了6.6kV。驗(yàn)證波形如圖5：

圖5 柴油發(fā)電機(jī)空載波形-帶恒壓調(diào)節(jié)裝置（程序修改后）

3 結(jié)語

通過分析相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁的電壓調(diào)節(jié)原理，得出合理調(diào)整相復(fù)勵(lì)變壓器的輸出繞組抽頭對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的無功輸出起到一定的改善作用。通過恒壓調(diào)節(jié)器軟件的修改，解決了柴油發(fā)電機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｊ较螺敵鲭妷翰缓愣ǖ膯栴}，使得輸出電壓的控制精度滿足設(shè)計(jì)要求。