基于分布式控制的勵磁系統最優設計與應用

內蒙古大唐國際托克托發電有限責任公司 王慧鋒

勵磁系統是給發電機轉子繞組提供動態可調變勵磁電流，用以建立旋轉磁場的電源及附屬設備的統稱，是同步發電機組的重要系統之一，能夠有效保障發電機的安全穩定與經濟運行。它根據發電機及電力系統有功功率和無功功率的變化，實時調整勵磁電流大小，以滿足發電機及電力系統運行工況，從而確保整個輸電系統的穩定運行。發電機正常運行時，勵磁系統輸出可調勵磁電流以維持機端電壓恒定和系統所需要的無功功率；當電力系統異常故障時，進行強行勵磁或減磁，以確保故障快速消除；當發電機內部故障時進行快速滅磁，避免事故擴大。因此，勵磁系統在電網及電廠的安全運行中均占據著極其重要的地位。基于勵磁系統整體設計的可靠性和功能的全面性需要隨著新時代新技術的發展而逐步提升，本文提出了一種新型分布式勵磁控制系統的設計理念，并將其應用于托克托電廠的發電機組，保證了發電設備的長期穩定與經濟運行。

1 勵磁系統設計背景

托克托電廠發電機組原配置由瑞士ABB公司生產的UNITROL5000型靜態自并勵勵磁系統，它是二十一世紀初的主流勵磁設備，具有調節響應速度快、功能完善、結構緊湊的優勢。但近年來UNITROL5000型勵磁系統在各發電企業的故障率逐年升高，暴露的問題存在著普遍性，如電源模塊故障、通訊系統故障、冷卻系統故障等，嚴重時會引起機組非停事件。為保障發電機組長期安全穩定運行，消除勵磁系統存在的隱患問題，經與廠家及科研院專業人員研究討論，現提出新型分布式勵磁系統的設計理念，并與當前的新技術和新工藝相結合，通過對托克托電廠的發電機組勵磁設備的改造與應用，為各發電企業提供借鑒。

2 勵磁系統的原理構成

2.1 勵磁系統的作用

托克托電廠火力發電機組配置主流的靜態自并勵勵磁系統，為發電機轉子繞組提供可調勵磁電流以建立磁場，將發電機的機械能源源不斷地轉換為電能，為電網及用戶提供清潔電力。發電機勵磁電流供給示意圖如圖1所示。

圖1 發電機勵磁電流供給示意圖

2.2 勵磁系統的構成

靜態自并勵勵磁系統主電路典型接線方式是將勵磁變壓器連接在同步發電機的出口端。這種接線方式比較簡單，勵磁電源的可靠性較高。它主要由勵磁變壓器、勵磁調節器、整流裝置、初勵裝置、滅磁裝置等組成。勵磁變壓器為勵磁系統整流提供電源；勵磁調節裝置通過控制參考值和測量值變化，實時地進行動態調整，維持發電機機端電壓及勵磁電流處于恒定水平；整流裝置主要由晶閘管、觸發板、保險等組成，將交流電源轉變成直流電源，送至發電機轉子繞組；初勵裝置為發電機啟動時提供建立初始磁場的能量；滅磁裝置主要包括滅磁開關、滅磁電阻及過壓保護設備，能夠在發生故障時進行快速滅磁，保障發電機在安全可靠范圍內運行。勵磁系統結構圖如圖2所示。

圖2 勵磁系統結構圖

2.3 勵磁系統的運行原理

勵磁調節器是勵磁系統的“中央處理器”，是關鍵核心控制設備，控制著整套勵磁裝置的正常運行。一般采用雙套冗余配置，每套調節器有自動和手動兩種控制方式。自動控制方式實現機端電壓的閉環控制，為勵磁系統正常運行時的控制方式；手動控制方式實現勵磁電流的閉環控制，運行人員可通過手動方式調整發電機的勵磁電流，確保機端電壓恒定。

發電機正常運行時，勵磁變壓器作為電源輸出至整流裝置。勵磁調節器采集發電機定子電壓、定子電流、勵磁電流及同步電壓信號等發電機的運行參數，并根據發電機的運行工況變化，調節整流裝置的脈沖信號觸發角度，以控制整流元件輸出電壓的大小，從而實現對發電機勵磁電流的調整。滅磁裝置也是勵磁系統的關鍵設備，既作為勵磁電流輸出的開關，又配置有滅磁時消耗轉子能量的滅磁電阻和用于保護轉子繞組的過電壓保護器，保障著發電機的安全運行。初勵裝置則作為發電機軟起勵的初始電源，給發電機轉子繞組提供建立初始磁場的能量。

3 分布式勵磁系統結構

3.1 勵磁調節器的分布設計

3.1.1 勵磁調節器的設計理念

勵磁調節器測量發電機的電氣量，根據調控指令，選擇勵磁調節給定值，在測量值與給定值之間進行比較、計算，然后輸出計算后的觸發脈沖至可控硅整流裝置。當機端電壓實測值高于給定值時，觸發脈沖角度增大，使機端電壓降低；當機端電壓實測值低于給定值時，觸發脈沖角度減小，使機端電壓升高，保證實測值與給定值之間動態平衡。通過實時的動態調整，維持發電機機端電壓處于恒定水平，限制發電機在安全可靠范圍內運行。因此，勵磁調節器的設計需實現模擬量測量、命令及狀態測量、判斷、計算及限制、輸出觸發脈沖和狀態信號監測等功能。

圖3 調節器配置

3.1.2 勵磁調節器冗余配置

自動電壓調節器應有兩個獨立的自動電壓調節通道，含各自的電壓互感器、測量環節、調節環節、脈沖控制環節、限制環節、電力系統穩定器和工作電源等。分布式控制的勵磁系統配置兩套功能相同的勵磁調節器，相互獨立，互為備用。正常運行時分主、備通道，同時采集機端電壓、機端電流、勵磁電壓、勵磁電流進行調節運算，接收控制指令，送出狀態信號，相互跟蹤，互不干擾。任何工況下，兩套勵磁調節器均能實現無擾動切換。

兩套勵磁調節器分別配置信號測量系統、脈沖形成、裝置檢測等9個功能單元，各個功能單元之間分別布置在不同的插件上，彼此相互獨立，各司其職。即使某一插件發生異常，可在線更換任意功能單元，而不影響另一調節器的功能配置及正常運行。

3.1.3 勵磁調節器獨立電源配置

兩套調節器配置獨立的電源系統，每套調節器采用雙路電源供電（一路直流電源，一路UPS電源），且分別配置2個獨立電源插件，雙路電源同時供電，內部無需電源切換設計，這樣保證任一電源消失，都不會影響調節器的運行。兩套調節器四路獨立電源，大大提高了調節器的電源可靠性。

3.1.4 勵磁調節器控制系統通訊配置

兩套調節器之間采用光纖通訊，且每套調節器配置兩塊通訊插件，這樣就既消除了以往采用網絡通訊、CAN總線通訊、RS485通訊等方式出現異常的安全隱患，大大提升了通訊的抗干擾能力，又增加了勵磁調節器主、備通訊冗余度，可靠性大幅提升。

兩套調節器分別通過一路光纖與整流柜控制裝置通訊，實現觸發脈沖與控制信號控制的獨立。光纖通訊增強了抗干擾能力，也消除電磁信號對裝置通訊的擾動。正常運行時，主調節器送至整流柜的光纖通訊信號號含有“本套為主”的信息，因此整流柜控制裝置采用主調節器的觸發脈沖與控制信號。當主調節器故障，切換至備用調節器運行時，整流柜控制裝置采用備用調節器的觸發脈沖與控制信號。

3.2 整流柜的分布設計

自勵勵磁系統中的大功率整流裝置均采用三相橋式接線。這種接線的優點是晶閘管元件承受的電壓低，而變壓器的容量利用率高。整流裝置采用全控橋方式較多，全控橋方式在三相全波整流接線中，六個橋臂元件全都采用晶閘管。整流裝置是利用晶閘管構成的電路進行電能變換，整流狀態可將交流電變換成直流電供直流負載，逆變狀態又可將直流電變換成交流電供給交流負載。

3.2.1 整流柜的獨立電源配置

每臺整流柜的控制裝置配置雙路電源供電（一路直流電源，一路UPS電源），配置2個獨立電源插件，雙路電源同時供電，內部無需電源切換設計，這樣保證任一電源消失，都不會影響調節器的運行；整流柜的控制裝置同時接收主、備勵磁調節器的觸發脈沖信號及控制信號，當任一信號出現異常時，自動切換至另一信號指令運行，確保整流柜控制的可靠性。

3.2.2 整流柜的分布式配置

每臺整流柜配置有智能控制裝置，既可以實現整流柜并機運行，又可以作為獨立單元運行。正常運行時，幾臺整流柜受控于勵磁調節器并列運行，輸出勵磁電流。當兩套勵磁調節器同時故障，失去脈沖觸發信號及控制信號時，整流柜又可以獨立運行，避免了因為調節器故障造成的機組非停。此外，當某一臺整流柜出現控制元件故障、整流元件故障等異常情況時，可以單獨退出該整流柜進行修理、調試與試驗。修復后，又可以正常并列運行。

每臺整流柜配置獨立的勵磁電流采、勵磁電壓及同步電壓信號采集單元，這樣當同步電壓信號采集異常或者任一整流柜發生異常時，不影響其他整流柜的正常運行。每臺整流柜控制裝置之間采用CAN環網通訊，實現智能均流。環網通訊消除了單點故障造成的通訊中斷，為實時智能均流提供了可靠保障。

3.2.3 整流柜的其他配置

每臺整流柜風機運行狀態判據采用風壓擋板加風壓檢測，消除了傳統設計中判據單一的安全隱患，使整流柜運行更加穩定。此外，整流柜橋臂配置單獨的分流器，采用基于抗交直流飽和的無畸變電壓電流波形變換技術實現每個橋臂電流的監測，大大提高了采樣精度和準確性。

圖4 基于分布式控制的勵磁系統整體結構

3.3 智能滅磁裝置的設計

滅磁開關柜摒棄以往傳統的簡單控制回路配置，設置獨立的滅磁智能測控裝置，實現滅磁柜的智能集中控制。另外增加友好的人機界面，能夠很好的適用于新一代的廠站控制要求。

滅磁開關柜智能測控裝置與勵磁調節器一樣配置雙路電源供電，2個獨立電源插件，增加了電源可靠性和冗余度；滅磁開關柜智能測控裝置通過兩路獨立光纖，與2個勵磁調節器分別通訊，能夠完成滅磁能量在線計算、滅磁開關控制、過壓保護、初勵控制、勵異常判斷等功能，實現了勵磁系統從初勵到滅磁的全過程監測、控制兼能量轉移計算。

圖5 勵磁系統通訊配置

4 工程應用后效果

基于分布式控制的勵磁系統采用近100%光纖通訊，脈沖光纖傳輸與分布式移相觸發相結合，實現了從控制器到整流橋一對一樹狀并行傳輸，解決了原勵磁系統串行通訊、易受干擾的隱患，提高整流橋觸發脈沖傳輸過程中的抗干擾能力和智能均流水平。

新型勵磁系統采用發分布式控制，雙套智能調節器＋整流柜智能裝置＋滅磁柜智能裝置的勵磁系統全智能控制架構，實現雙主用雙輔助四調節通道冗余配置，提高了通道切換冗余度。

每個整流柜有獨立的同步電壓采集和脈沖觸發序列，當其中一個電壓采集或者脈沖觸發回路故障時，不影響其他整流柜運行。

整流柜風機運行狀況采用風壓擋板+風壓繼電器雙重判據，消除了傳統整流柜風機故障單一判據的隱患。

基于分布式控制系統，每個整流柜既可以與其他整流柜并列整體運行，又可以做個一個獨立體單獨運行，這樣既消除了雙套調節器故障造成的機組失磁，也方便了勵磁系統整流柜獨立檢修和發生故障時的隔離。

圖6 勵磁系統電源配置

每套勵磁調節器、每臺整流柜及滅磁開關柜都采用獨立的雙路交、直控制電源，極大的提高了電源的可靠性。

勵磁系統新增滅磁開關智能測控裝置，能夠實現滅磁能量的在線計算、轉子溫度在線計算、滅磁開關控制、過電壓控制及起勵異常判斷。

勵磁系統采用基于抗交直流飽和的無畸變電壓電流波形變換技術，進行每個可控硅元件的電流和勵磁電壓的在線監測，實現整流裝置元件級的智能均流和滅磁電阻能耗在線計算功能。

5 結語

本項目結合托克托電廠600MW機組現勵磁系統現狀分析，提出機組勵磁改造的可行性分布控制的先進方案設計。勵磁系統改造后，運行性能、調節性能及安全性能更上一個臺階，調節速率較原系統大幅；勵磁系統限制器功能更完善，且使用獨立的PID運算；勵磁采樣環節、電源配置、整流柜運行性能、調節性能及安全性能更上一個臺階，不僅能夠實現了勵磁系統運行的高性能、高效率，有效提高發電機及電力系統的技術、經濟指標，也為發電企業經濟、可靠運行做出很大的貢獻。