水泥廠余熱發電勵磁系統的保護與限制

鄧 瀾，王婷婷，蘭挺進

（1.蘇州中材建設有限公司，江蘇 蘇州 215301；2.南京科電新銳電力技術有限公司，江蘇 南京 210000）

1 磁場的目的及勵磁控制的主要作用

左手定則描述的是如何判斷通電導體在磁場中的受力方向，從能量轉換的角度，它表達的是電動機的工作過程，也就是從電能轉換為機械能，最基本的公式為：

其中B為磁感應強度；右手定則，描述的是如何判斷運動導體在磁場中的感應電勢（電流）方向，從能量轉換的角度，它表達的是發電機的工作過程，也就是從機械能轉換為電能，最基本的公式為：

其中Φ0為磁通量。從以上兩個定則的基本公式中表明，磁場是兩個定則需求的共同點，也就是說磁場的目的是為能量轉換提供介質（轉換的場所）。在發電機感應電勢公式（2）中，Φ0與轉子電流（勵磁電流）在磁通不飽和狀況下是成正比的，在發電機空載狀態下，空載電動勢與發電機定子電壓是相等的。轉子沖轉到額定轉速,汽輪發電3000r/min→轉子繞組加勵磁電流(直流)→產生旋轉磁場→定子繞組切割磁力線產生三相對稱感應電勢→發電機出線端三相對稱電壓。根據公式（2）和Il，Φ0可知，調節勵磁電流Il，可改變磁通Φ0，從而改變定子繞組感應電勢E0。勵磁控制的主要作用是通過控制磁通而控制定子電動勢（空載時實際就是發電機出口電壓，并網時體現在機組無功的控制）。

印尼巴亞余熱機組的勵磁系統如圖1所示：系統為自并勵方式（靜態勵磁系統），由勵磁變壓器及勵磁控制柜（含勵磁控制、整流、滅磁）組成。勵磁變壓器高壓側接于發電機出口，勵磁變低壓側接入勵磁柜，作為整流電源輸入，整流后的直流電流，通過滅磁開關輸出到發電機轉子。通過勵磁的控制，使發電機的出口電壓穩定在運行人員設定的給定值上。勵磁系統閉環負反饋的示意如圖2所示，通過PID閉環控制，使發電機電壓的給定與反饋達到無差狀態。PID的傳遞函數如下：

圖1 勵磁系統基本構成

圖2 勵磁電壓負反饋閉環原理

在時域系統，離散化后的表達式為：

在公式（3）和（4）中，e為給定和反饋的電壓差值，Ti為積分時間；Td為微分時間，KP為比例系數。

2 勵磁控制系統的保護與限制

GB/T 7409.3—2007“同步電機勵磁系統技術要求”中5.15規定，自動電壓調節器在其基本功能的基礎上，必須具有相應的保護與限制功能。當然，承擔發電機安全保證的是發電機保護裝置，所有涉及到機組安全問題的，經由發電機保護匯總后，保護出口跳開相應的開關及執行機構。勵磁系統中的限制和保護，是為了完善勵磁系統功能而設置的，通常勵磁系統中的保護與限制都先于發電機保護裝置動作，即發電機運行狀況偏離正常范圍時，先靠勵磁系統的調節、限制、保護等，讓發電機運行于正常范圍。印尼巴亞水泥生產線余熱機組為兩臺15MW發電機，勵磁系統為南京科電新銳生產的KD2000，該系統有以下幾種保護與限制的功能。

2.1 V/F限制功能及低頻逆變保護

V/F限制是指空載時防止發電機轉速過低引起發電機及變壓器磁飽和而設計的限制功能，當頻率低于47.5Hz時調節器自動按照設定的斜率降低電壓給定值，并發出V/F限制信號；低頻逆變保護是指當轉速低于45 Hz時，調節器自動逆變滅磁，發出LFD限制信號。

圖3 V/F限制及低頻逆變

2.2 過/欠勵限制

過/欠勵限制的判據是發電機的功率，發電機正常運行于與其相對應的功率圓內的一、四象限，功率圓及過/欠勵的區域如圖4所示：發電機的運行狀態，可以通過測量發電機出口的PT及CT的電氣二次量來識別，勵磁調節器通過采集PT及CT，能夠計算出發電機三相電流、電壓、有功、無功、功率因數等數值的大小及方向。在過、欠勵的限制中，調節器采用直線模擬功率圓的區域特性。過勵區域在功率圓第一象限，通過設置兩點來確定過勵直線，點1為發電機在0有功時，允許發出的最大無功，點2為發電機在額定有功時，允許發出多少無功。確定這兩點后，程序內將這一線段20等分，計算出不同的有功時，發電機允許發出的無功，也就是相應的限制值。當機組運行時，如果檢測到無功數值超過設定的允許值，經設定的延時時間后，勵磁系統發出過勵限制信號，同時閉鎖增磁功能。欠勵區域在功率圓第四象限，通過設置兩點來確定過勵直線，點1為發電機在0有功時，允許吸收（進相）的最大無功，點2為發電機在額定有功時，允許吸收（進相）最大無功。確定好這兩點后，程序內將這一線段20等分，計算出不同的有功時，發電機允許吸收（進相）的無功，也就是相應的限制值。當機組運行時，如果檢測到無功數值低于設定的允許值，經設定的延時時間后，勵磁系統發出欠勵限制信號，同時閉鎖減磁功能。

2.3 強勵限制

強勵限制的判據是轉子電流，通過不同的判據實現不同的保護，也是系統可靠性的體現。勵磁系統通常允許轉子電流1.1倍額定數值能長期運行，當轉子電流為額定的1.8倍后，可以允許運行10s，當轉子電流高于1.1倍額定電流時，具體所允許的運行時間是由反時限曲線來計算的，當強勵限制動作后，勵磁運行方式自動切換為電流閉環，按1.1倍的額定電流進行閉環控制。

圖5 強勵限制曲線

2.4 整流橋熔絲熔斷及發電機過電壓保護

自并勵系統的功率來自機端勵磁變壓器，經由三相全控橋整流后變成直流電流，經由滅磁開關輸出到發電機轉子。三相全控橋的可控硅及熔斷器，都按額定勵磁參數的1.1倍長期運行及瞬間2倍強勵的容量來選擇，但是如果在整流橋在重負荷狀況下發生熔絲熔斷，為了避免故障的進一步擴大，適當限制整流橋的輸出電流是有必要的，當然，這個限制是指電流超過1.1倍以上時。發電機過電壓保護是指在空載狀態下，如果發電機的電壓超過設定值（比如是1.3倍），勵磁系統將逆變停機。

圖6 整流橋熔絲熔斷及發電機過壓保護

2.5 PT斷線及通道切換

我們提到勵磁最基本的功能是維持發電機出口電壓的恒定，PT電壓是表征發電機的實際電壓及給勵磁系統的反饋電壓。為了提高勵磁系統運行的可靠性，通常勵磁系統需要兩路三相電壓作為反饋電壓，也就是常說的勵磁專用PT和電廠內的儀用PT。調節器是按雙套冗余配置的，在電壓反饋的分配上，KD2000采用交叉方式，即A通道把勵磁PT當主反饋信號，而把儀用PT當參考信號，B通道則把儀用PT當主反饋通道，而把勵磁PT當參考信號。采用這種交叉配置后，不管勵磁PT還是儀用PT斷線后，勵磁系統都能自動切換到電壓反饋信號正常的通道運行，從而維持恒電壓的運行方式，同時發出PT斷線的信號，提醒運行人員進行故障的查找與檢修。

圖7 PT斷線及通道切換

3 試驗記錄

以上所論述的保護和限制功能，可以通過開機過程及模擬試驗的方式來驗證該功能的正確性。印尼巴亞水泥生產線余熱機組為兩臺15MW發電機，機組參數為：Pe：15MW，Uf：11500V，If：941A，cosΦ=0.8，Il=321A，Ul=160V。

3.1 頻率特性及V/F限制試驗（開機過程試驗）

頻率特性及V/F限制試驗見表1。

表1 頻率特性及V/F限制

3.2 空載PT斷線試驗（開機過程試驗）

A套為主時，模擬PT1斷線（斷開端子1D-1短接片），主套切為B套，A套報出“PT斷線”故障。

B套為主時，模擬PT2斷線（斷開端子1D-8短接片），主套切為A套，B套報出“PT斷線”故障。

3.3 過勵試驗（模擬試驗）

設定參數：Pmax=15 MW，Qmin=11.2 MVar；Pmin=0 MW，Qmax=18.7 MVar。在P=7.5 MW，Q=15 MVar，調節裝置過勵限制動作，過勵指示燈亮，此時增磁無效，按減磁按鈕返回過勵限制。

3.4 欠勵試驗（模擬試驗）

設定參數：Pmax=15 MW，Qmin=-5 MVar；Pmin=0 MW，Qmax=-10MVar。在P=7.5MW，Q=-7.5MVar，調節裝置欠勵限制動作，欠勵指示燈亮，此時減磁按鈕閉鎖，按增磁按鈕返回。

3.5 強勵試驗（模擬試驗）

設定參數：ILmax=180%，ILmin=110%，T=10s，動作值：IL=200%,時間6.5s。調節裝置強勵限制動作，強勵指示燈亮，此時增磁按鈕閉鎖，減小勵磁電流后，動作返回。

3.6 過壓保護及整流橋熔絲熔斷（模擬試驗）

設定參數：Umax=130%；動作值：Uact=130%。

3.7 整流橋熔絲熔斷（模擬試驗）

調節器處于開機狀態，模擬轉子電流為150%額定值，強制熔絲熔斷信號后，調節器轉為電流閉環，電流給定為110%額定值。

4 運行的效果及結論

印尼巴亞水泥余熱機組2號機并網發電以來，勵磁系統運行可靠，保護及限制功能齊全，取得很好的運行效果。實踐表明，勵磁系統輔助的保護及限制功能，與勵磁主控程序一樣的重要，是機組的安全運行必要的配置與保障。