天一電廠勵磁系統(tǒng)改造

張延龍

（廣東省能源集團天生橋一級水電開發(fā)有限責任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400）

1 前言

天生橋一級水電開發(fā)有限責任公司水力發(fā)電廠（以下簡稱天一電廠）位于廣西隆林縣與貴州安龍縣交界的紅水河流域南盤江干流上，屬南方電網(wǎng)總調(diào)直調(diào)電廠，在系統(tǒng)中主要承擔調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，總裝機容量4×300 MW[1]。天一電廠發(fā)電機型號為SF300-44/12440，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)

勵磁系統(tǒng)不僅具有維持發(fā)電機機端電壓、分配無功功率的功能，還具備維持電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的功能，是發(fā)電機組的重要組成部分，影響著發(fā)電過程的安全性和穩(wěn)定性。因此，對設(shè)備老化、性能降低的勵磁系統(tǒng)進行改造是保障發(fā)電機組安全運行的必要手段。

2 改造原因

天一電廠勵磁系統(tǒng)于2007年開始進行第2次改造升級，采用南瑞電控第3代勵磁產(chǎn)品NES5100勵磁系統(tǒng)，每臺機勵磁系統(tǒng)基礎(chǔ)配置為1面勵磁調(diào)節(jié)器柜，3面可控硅整流裝置柜，1面滅磁開關(guān)柜，1面滅磁電阻柜以及1面電制動操作柜。2008年全廠4臺機組勵磁系統(tǒng)完成改造，至2020年已運行超過12年，由于運行時間較長，出現(xiàn)了如下問題。

（1）原勵磁系統(tǒng)廠家南瑞電控已于2014年停止生產(chǎn)NES5100勵磁裝置，部分電子元器件電氣性能老化，配套的備品備件供應(yīng)也日趨緊張；

（2）勵磁工控機運行年限過長導(dǎo)致工控機故障率高，常有死屏、黑屏、反應(yīng)遲緩等情況發(fā)生；

（3）可控硅整流柜采用雙電源雙風機散熱，起勵后必須啟動風機進行散熱，噪聲較大，易吸入灰塵。經(jīng)過長年運行，風機引風管常有偏離原有位置的情況，造成因采風量不足而誤報“風機故障信號”，可靠性降低，此外經(jīng)常出現(xiàn)風機損壞的情況、維護困難。

此外，為打好天一電廠建設(shè)遠控中心、智能化電廠的基礎(chǔ)，提升勵磁系統(tǒng)性能，保障機組安全穩(wěn)定運行，故需要對天一電廠勵磁系統(tǒng)進行改造。

3 勵磁改造情況

3.1 基本情況

天一電廠勵磁系統(tǒng)采用自并勵靜止勵磁方式，將勵磁變壓器連接在同步發(fā)電機的出口端，是靜態(tài)自勵勵磁系統(tǒng)的典型接線方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維護量小等優(yōu)點。本次改造不改變勵磁方式，改造范圍包括發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器、可控硅整流裝置、滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護裝置，優(yōu)化了電制動流程，保留原勵磁變壓器、制動變壓器及剎車開關(guān)。改造后天一電廠勵磁系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 勵磁系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，發(fā)電機勵磁電源取自發(fā)電機出口端，經(jīng)過勵磁變壓器降壓、全控整流橋功率單元整流后給發(fā)電機勵磁，勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號和調(diào)節(jié)準則控制可控硅的控制角來調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。發(fā)電機起勵措施采用殘壓起勵和他勵起勵2種方式。通常情況下，采用殘壓起勵，利用機組剩磁產(chǎn)生的殘壓供給初始勵磁。當機組長時間停機，殘壓不足時采用他勵方式進行起勵，為提高他勵電源的可靠性，配置了交直流雙路電源。發(fā)電機正常停機時采用逆變滅磁，事故時機組跳滅磁開關(guān)，采用滅磁性能較高的SiC電阻進行移能滅磁。

原勵磁系統(tǒng)與勵磁變壓器、制動變壓器及轉(zhuǎn)子回路的連接形式與位置決定了本次改造的交直流回路的接口形式和位置不能改變。此外由于廠房勵磁室場地的限制，新勵磁系統(tǒng)的機柜尺寸與布局與原有系統(tǒng)盡量保持了一致，這樣既能減小主回路接口的改造工作量，還能利用部分原有控制電纜，降低了改造成本。

改造后的勵磁系統(tǒng)同樣配置7面柜體，分別為1面EXC9200勵磁調(diào)節(jié)器柜、1面電氣制動柜、3面智能化功率整流柜、1面智能化滅磁開關(guān)柜、1面滅磁電阻柜。柜面布置圖如圖2所示。

圖2 勵磁系統(tǒng)柜面布置圖

3.2 勵磁調(diào)節(jié)器

本次改造的勵磁系統(tǒng)采用了廣州擎天實業(yè)有限公司的EXC9200型勵磁系統(tǒng)，其中EXC9200勵磁調(diào)節(jié)器的核心控制單元采用高性能CPU為主處理器，大容量FPGA芯片為協(xié)處理器，組成了多CPU的高速實時采樣和處理系統(tǒng)。該勵磁調(diào)節(jié)器由2個完全獨立的調(diào)節(jié)通道組成，具備自動方式和手動方式，采用的調(diào)節(jié)規(guī)律為PID+PSS[2]。2種調(diào)節(jié)方式的介紹如下所述。

自動方式為恒機端電壓調(diào)節(jié)(AVR)，反饋量為發(fā)電機端電壓。自動方式為主要運行方式，有利于提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。在自動方式下，附加了PSS環(huán)節(jié)，可有效抑制電力系統(tǒng)的有功低頻振蕩，采用了兩級超前／滯后校正環(huán)節(jié)，使勵磁系統(tǒng)有良好的動態(tài)性能，其數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 自動控制方式數(shù)學(xué)模型

手動方式為恒勵磁電流調(diào)節(jié)(FCR)，反饋量為勵磁電流。手動方式只有一級超前／滯后校正環(huán)節(jié)，沒有疊加控制，僅作為輔助運行方式，用于設(shè)備的投運或維護過程中的發(fā)電機短路試驗，或者是作為在自動方式故障時（如PT故障）的輔助/過渡控制方式。為了避免在手動方式下發(fā)電機突然甩負荷引起機端過電壓，手動方式具有自動返回空載的功能。在發(fā)電機斷路器跳閘的情況下，位置信號傳送給調(diào)節(jié)器，則立即把電流給定值置為空載勵磁電流值。手動方式的數(shù)學(xué)模型由下圖4所示。

圖4 手動控制方式數(shù)學(xué)模型

勵磁調(diào)節(jié)器配置的2個調(diào)節(jié)通道從測量回路到脈沖輸出回路完全獨立，調(diào)節(jié)通道以主從方式工作，通過對同步信號、機端電壓信號的多方位采樣和檢測來確定通道的運行優(yōu)先級，通道間對等冗余、互為主備用，備用通道在脈沖輸出級跟蹤運行通道，保證通道間平穩(wěn)、無擾動切換。該調(diào)節(jié)器功能完備，可完成機組手/自動建壓、零起升壓、增減無功負荷及解列后逆變停機等常規(guī)操作，還配備有PSS、強勵限制、欠勵限制、過勵反時限限制、V/Hz限制和過勵保護、低頻保護等限制保護功能，同時具備實時故障診斷和容錯、智能調(diào)節(jié)及輔助分析、信息網(wǎng)絡(luò)化等功能。

3.3 勵磁系統(tǒng)功率單元

本次改造的勵磁系統(tǒng)功率單元由可控硅整流裝置、快速熔斷器、脈沖變壓器、阻容保護裝置、霍爾電流傳感器、熱管散熱器、冷卻風機及其控制回路、智能檢測單元及智能控制板等設(shè)備組成，配置了PT100測溫電阻和紅外測溫傳感器雙路溫度測量回路。

可控硅整流裝置選用ABB公司生產(chǎn)的5STP28L4200型原裝進口可控硅元件，每個元件均有快速熔斷器保護，并配置紅外測溫傳感器對每個可控硅的溫度進行監(jiān)視。可控硅整流裝置配置3個可控硅整流橋并聯(lián)輸出，每個整流橋分別單獨布置于單柜之中，單柜最高輸出可達3 000 A。退出一個整流柜后，能夠滿足勵磁在各種工況下（包含強勵）長期運行。在退出2個整流橋后，能在1.1倍額定勵磁電流工況下長期運行。

關(guān)于功率整流柜的冷卻方式，為了改善傳統(tǒng)風冷散熱帶來的噪聲大、灰塵多以及維護不便等問題，本次改造選擇了以環(huán)路并行式熱管散熱為主，風機散熱冷卻為輔的冷卻方式。其中，環(huán)路并行式熱管由蒸發(fā)器、補償器、冷凝器組成，利用介質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝來傳遞熱量，是一種高效的兩相流體回路傳熱裝置。環(huán)路并行式熱管散熱具備以下優(yōu)點：

（1）氣液攜帶阻力小、傳熱效率高；

（2）等溫性能好，可遠距離傳熱，并能改變熱量傳遞的方向；

（3）啟動快速靈活、無需外加動力；

（4）管路形狀不受限制，可依據(jù)實際需求靈活設(shè)計。

風機散熱冷卻作為輔助冷卻手段，沿用了原有的雙電源雙風機設(shè)計，風機選用德國施樂百品牌原裝進口產(chǎn)品，每套風機均能提供單柜所需要的全部冷風。

根據(jù)GB/T 7409.3-2007“同步電機勵磁系統(tǒng)大、中型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術(shù)要求”規(guī)程第5.19條的規(guī)定，功率整流裝置的均流系數(shù)應(yīng)≥0.85。為了實現(xiàn)對均流系數(shù)的要求，采用了廣州擎天研發(fā)的動態(tài)均流技術(shù)，該技術(shù)以元件通態(tài)平均電流為調(diào)節(jié)目標，通過對同相橋臂元件觸發(fā)脈沖時間進行自動調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)均流的目的[3]。通過改造后實際驗證得到，當機組在空載額定勵磁電流下運行時，投入自動均流時，每套設(shè)備的均流系數(shù)均高于0.97，當自動均流全退出時，設(shè)備的均流系數(shù)在0.86～0.89之間，實踐證明動態(tài)均流技術(shù)有效可靠。

本次改造為了防止可控硅整流元件過電壓擊穿，配置了功率柜交流側(cè)過電壓保護和硅元件換相過電壓保護，采用了集中式阻容吸收回路。該回路具有體積小，安裝方便，保護可靠，吸收效果好等優(yōu)點。二極管整流部分主要吸收交流側(cè)過電壓，與轉(zhuǎn)子正負極連接阻容主要用于吸收換相過電壓，具體線路如圖5所示。

圖5 集中式阻容吸收回路原理圖

3.4 滅磁及過壓保護單元

本次改造，天一電廠滅磁系統(tǒng)采用美國GE公司生產(chǎn)的快速直流斷路器作為磁場斷路器（即滅磁開關(guān)FMK），型號為Gerapid2607，英國M&I公司生產(chǎn)的Metrosil Varistor系列SiC電阻作為滅磁電阻,滅磁容量為6.6 MJ。過壓保護設(shè)備包括SiC電阻、電流互感器，由2個反向可控硅、1個正向可控硅以及可控硅觸發(fā)器BOD板組成的過壓保護跨接器。滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護原理圖如圖6所示。

圖6 滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護原理圖

發(fā)電機正常停機時采用逆變電氣滅磁，通過整流橋逆變將轉(zhuǎn)子中儲存的能量回饋至電源側(cè)。在事故情況下，為了滿足獨立性和強制性要求，采用磁場斷路器動作的方式進行機械滅磁[4]，導(dǎo)通可控硅將SiC非線性電阻接入轉(zhuǎn)子回路，將轉(zhuǎn)子中儲存的能量快速轉(zhuǎn)移至滅磁電阻中[5]。

當出現(xiàn)正向過電壓時，觸發(fā)器BOD板觸發(fā)正向可控硅V1導(dǎo)通，SiC滅磁電阻R接入，滅磁柜智能板檢測到電流互感器CT的電流信號發(fā)出“過壓保護動作”信號。SiC滅磁電阻吸收過電壓能量，限制轉(zhuǎn)子過電壓，當轉(zhuǎn)子回路的瞬時過電壓消失后，BOD板控制可控硅V1阻斷，避免可控硅整流橋持續(xù)對滅磁電阻供電。同理，當出現(xiàn)反向過電壓時，BOD板觸發(fā)反向可控硅V2導(dǎo)通，接入滅磁電阻吸收能量，保證發(fā)電機轉(zhuǎn)子始終不出現(xiàn)開路，可靠地保護轉(zhuǎn)子絕緣不遭受破壞[5]。

本設(shè)計采用的Gerapid2607磁場斷路器，結(jié)構(gòu)緊湊，滅弧能力強，可靠性高，SiC滅磁電阻性能穩(wěn)定，可保證長期運行。采用的可控硅跨接器系統(tǒng)也具有較多優(yōu)點，以跨接器代替滅磁開關(guān)的滅磁接點，可實現(xiàn)無觸點磁場能量釋放，消除滅磁接點機械機構(gòu)松動、卡塞等事故隱患，顯著減少維護工作量。此外BOD器件用于可控硅跨接器觸發(fā)，可以精確地整定過電壓保護動作值，無須特別維護。可控硅V2、V3冗余配置，分別由兩路獨立的觸發(fā)回路控制，提供兩路跨接通道，提高了滅磁可靠性。

4 結(jié)語

天一電廠EXC9200型勵磁系統(tǒng)投入運行后，調(diào)節(jié)性能良好，調(diào)節(jié)精度高，操作方便，運行可靠，達到了勵磁系統(tǒng)改造的目的，使天一電廠的設(shè)備技術(shù)水平上了一個新臺階，為電廠的安全生產(chǎn)起到了很大的促進作用，為天一電廠建設(shè)遠控中心、智能化電廠奠定了堅實的基礎(chǔ)。