廣蓄B 廠勵磁系統改造淺析

閆文斌，陳 強，劉壽銘，朱明崗，孫新志

（1.南方電網調峰調頻發電有限公司檢修試驗分公司，廣東 廣州 511493；2.廣州擎天實業有限公司，廣東 廣州 510860）

0 引言

廣州抽水蓄能電站，共有8 臺300 MW 的可逆式抽蓄機組，是我國第一座大型抽蓄電站。其中，廣蓄B 廠5 號～8 號4 臺機組所使用的電氣設備是全套進口西門子的設備，包括發電機、水輪機、勵磁系統、調速系統、保護裝置、SFC 變頻器等關鍵電氣設備，整個電站于2000 年全部投產發電。

截止2019 年底，原西門子勵磁系統設備已運行長達20 年，設備老化嚴重，運行可靠性逐年降低。由于勵磁系統停產，廠家無法提供足夠技術支持，備品備件也無法購買更換，且舊勵磁系部分功能也存在不能適應現行勵磁系統國標、行標要求的現象。鑒于上述原因，廣蓄B 廠勵磁系統亟待更新改造。

廣州擎天實業公司承接了本次勵磁系統改造任務，經過多次與廣蓄電站及南網雙調修試公司相關技術人員的分析、討論、研究，根據廣蓄B 廠的發電電動機組特性與需求，為其研制了合適的勵磁系統。改造后的5 號、6 號機組勵磁系統已順利投入運行。試驗結果表明，改造后的勵磁系統滿足國標和行標對勵磁系統的要求，運行穩定。

1 舊勵磁系統

廣蓄B 廠機組的勵磁系統相關參數如表1所示。

表1 廣蓄B 廠機組勵磁系統相關參數

廣蓄B 廠原勵磁控制系統使用的是西門子公司生產的全數字式SIMAND-D 微機勵磁控制器，其使用可編程軟件實現控制系統的描述和定義控制系統中硬件和軟件之間的配置及相互聯系，使用通信總線實現主備用通道之間的功能切換[1]。該勵磁系統整體配置為一套6 柜勵磁系統，包括1 個調節柜，1 個滅磁開關柜，1 個滅磁電阻柜，2 個功率柜以及1個交流進線柜。

2 新勵磁系統

此次改造后的廣蓄B 廠勵磁系統使用的是EXC9200 型全數字化勵磁系統，其依托高性能、高可靠的嵌入式計算機和實時操作系統平臺，采用分布式控制方式，各控制板具備CAN 總線能力，勵磁調節器之間采用千兆以太網通信，調節器與功率滅磁柜之間采用CAN 總線方式互連，實現勵磁系統的控制、狀態顯示和故障監測等[2]。

廣蓄B 廠新勵磁系統配置1 個調節柜、1 個滅磁電阻/開關柜、3 個功率柜以及1 個交流進線柜，柜體排列如圖1 所示。

圖1 廣蓄B 廠EXC9200 勵磁系統柜體排列圖

2.1 調節柜

廣蓄B 廠勵磁調節器配置主要器件如表2所示。

表2 EXC9200 調節器主要配置

EXC9200 勵磁調節器采用雙通道冗余的設計方式，從模擬量采樣到脈沖觸發均獨立配置。每個通道的配置完全一致，均可單獨實現對勵磁系統的穩定控制。通道間的切換基于優先級方式，提高了系統工作穩定性，最大限度地降低勵磁裝置被強迫退出運行的概率。

調節器的控制方式包括AVR 調節（自動方式）、FCR 調節（手動方式）、恒PF 調節以及恒Q 調節等，可滿足電站各種工況的控制需求。除此以外，調節器擁有PSS 附加控制功能，可有效抑制電力系統低頻振蕩。

人機界面可以通過文字、表計、表格、圖形等多種方式，將勵磁系統的信息具象化，使勵磁系統擁有良好的人機交互體驗，可進行故障追憶協助故障分析等功能。

EXC9200 勵磁系統調節器具備B 碼對時功能，NTP 對時功能等，還可對外提供MODBUS/MODBUS TCP、IEC61850 等通信服務，滿足電站實時通信以及故障、時間時標統一的需求。

2.2 滅磁柜

廣蓄B 廠滅磁柜主要由滅磁回路、滅磁柜智能FCB 板以及FCB 顯示屏組成。

滅磁回路的滅磁開關采用GE-rapid 4207，具有良好的分斷能力和絕緣性能。滅磁電阻采用CSC-11 型SiC 非線性電阻，可滿足電站事故或故障情況下快速滅磁的要求。

滅磁柜智能FCB 板可實現數據實時監測、跨接器故障監測、過壓監測、滅磁開關控制等多種功能。

FCB 顯示屏用于顯示勵磁電壓、勵磁電流以及滅磁柜參數設置、故障狀態信息顯示等。

2.3 功率柜

廣蓄B 廠勵磁系統功率柜采用三個3 000A 等級功率柜，使用N-1 冗余設計。單柜投入即可滿足額定勵磁電流運行需求，雙柜投入即可滿足強勵運行需求。正常運行時，3 個功率柜同時投入，可降低單柜通過的電流，有效延長可控硅使用壽命。

每個功率柜主要配備1 塊智能REC 板、1 個REC 顯示屏、2 個風機以及1 套三相全控整流橋。整流橋采用ABB 的5STP28L4200 的可控硅，有良好的觸發和整流性能。風機安裝設計在整流橋上方。運行時冷風由柜門底部百葉窗吸入，經過整流橋，由上風口吹出柜體，符合熱空氣上升原則。雙風機冗余設計可有效保障功率柜散熱的可靠性。

功率柜智能REC 板，可實現功率柜脈沖觸發控制、數據采集處理、風機控制以及智能均流等多種功能。智能均流功能投入后，可保證各運行工況下均流系數在95%以上。

功率柜REC 顯示屏主要用于顯示本柜勵磁電壓、勵磁電流，控制風機，以及各功能參數設置、故障狀態信息顯示等。

2.4 交流進線柜

廣蓄B 廠交流進線柜主要元器件為交流進線開關、交流互感器以及電源變壓器等。

交流進線開關采用抽出式交流斷路器。其分斷能力強、分閘速度快，可帶電抽出，方便抽蓄電站勵磁系統檢修隔離使用。

交流互感器用于勵磁調節器手動控制方式電流反饋信號。

電源變壓器則用于提供二路風機電源。通過電氣設計硬件閉鎖，其僅在陽極電壓換算后達到90%額定機端電壓方可投入使用，避免系統在二路交流電源電壓過低時進行切換。

3 改造后勵磁的主要創新點

抽蓄機組運行工況多，工況轉換頻繁，轉換過程復雜[3]。勵磁系統需要快速響應的能力來滿足機組啟停需求，以及完善的保護功能來保障設備的安全運行。其改造后的主要創新點如下。

3.1 勵磁系統限制保護功能

（1）完整的限制器功能，包括V/F 限制、過勵限制、欠勵限制、最大勵磁電流限制、最小勵磁電流限制、過無功限制、定子電流限制等，可以確保機組運行在非正常狀態下時，將機組電壓、電流、有功、無功等限制在安全區間，保障機組不被損壞。

（2）完善的保護功能，包括轉子過壓保護、調節器雙通道故障、三整流橋故障或退出、跨接器故障、起勵失敗、逆變失敗、抽水工況下空載誤分交流開關、空載誤分滅磁開關、抽水工況啟動是低轉速轉子通流時間長等。以上故障均為十分嚴重的勵磁系統故障，任意一個故障出現，將觸發勵磁系統一級故障，直接分斷滅磁開關和交流開關，并發信號至機組保護或監控系統，使機組迅速滅磁停機，保護發電機機組及主變壓器等一次設備的安全。

3.2 與監控系統的通信

原勵磁系統與監控系統RTU 之間采用RK512協議進行通信，該通信方式為西門子內部通信協議，對外不公開，故新勵磁系統采用S7 300 系列PLC 的CP341 模塊與RTU 進行通信[4]。改造后的通信架構如圖2。

圖2 EXC9200 勵磁系統與RTU 通信架構

3.3 勵磁調節器各種工況參數獨立設置

（1）為進一步提升勵磁系統在抽蓄機組不同運行工況下的控制性能，EXC9200 勵磁系統中AVR參數、PSS 參數、過勵限制器參數、欠勵器限制、V/F限制參數等在發電工況和抽水工況均可獨立設置，以保證機組不同工況運行需求。

（2）背靠背電動模式和SFC 啟動模式下的“調節器給定速度”這一參數影響機組勵磁系統自動方式跟蹤手動方式的速度及并網后切換至自動方式的速度。在EXC9200 勵磁系統增加了這些給定速度參數設置，方便勵磁調節器通道間、手自動方式間的跟蹤調節及機組并網運行。

4 勵磁系統現場試驗分析

勵磁系統現場試驗主要分為靜態試驗、空載試驗、負載試驗和涉網試驗等。其中，涉網試驗主要包括機組勵磁系統參數實測和建模試驗、進相運行試驗以及電力系統穩定器（PPS）試驗等，抽蓄電站與常規電站相比多了抽水工況運行，需要在抽水工況下進行各種試驗。本節以PSS 試驗和SFC 啟動試驗為例說明勵磁系統運行效果。

4.1 PSS 性能驗證

低頻振蕩是影響電力系統穩定性和安全性的重要因素。在發電機勵磁系統中附加電力系統穩定器PSS(power system stabilizer)，是抑制低頻振蕩的主要措施。合理配置PSS 參數，可以優化PSS 抑制阻尼的效果[5]。需要注意的是抽水蓄能機組勵磁系統除在發電工況具備 PSS 功能外，還需在電動機抽水工況時具備 PSS 功能，使機組在發電和電動工況均能提供足夠的正阻尼，有效抑制電網低頻振蕩，以提高了電力系統的動態穩定性。

當機組滿足PSS 試驗條件后，將白噪聲信號輸入勵磁調節器，同時用電量分析儀對勵磁電壓、勵磁電流、機端電壓、機端電流、發電機有功、無功等數據進行錄波，獲取相應的機組滯后特性曲線。再結合廣蓄B 廠機組參數進行計算，最終將發電工況及抽水工況下PSS 參數均整定為：Tw1=Tw2=Tw3=4、Tw4=0、Ks1=12.53、Ks2=0.44、Ks3=1、T1=0.17、T2=0.03、T3=0.16、T4=0.03、T10=0.3、T11=0.6、T7=4、M=5、N=1、T8=0.5、T9=0.1、PSS 投 入 功 率=30%Sn、PSS 限幅：±5%。

整定PSS 參數后，利用機端電壓階躍的方式來驗證PSS 投入的效果。下列四組圖形分別為發電工況和抽水工況下PSS 退出投入的波形圖。

從圖3 中可看出，無論是在發電工況還是在抽水工況，勵磁系統在投入PSS 功能后，均有良好的抑制效果。

圖3 PSS off，發電工況Ug 進行3%階躍波形

圖4 PSS on，發電工況Ug 進行3%階躍波形

圖5 PSS off，抽水工況Ug 進行3%階躍波形

圖6 PSS on，抽水工況Ug 進行3%階躍波形

4.2 SFC 工況啟動試驗

靜止變頻器(SFC)起動是利用同步電動機與靜止變頻器配合完成，靜止變頻器向電機提供頻率可調電源，同步電動機提供適當勵磁[6]。SFC 啟動時由機組RTU 向勵磁系統下達“抽水工況投入令”和“SFC 模式投入令”，勵磁系統切換至SFC 啟動模式。勵磁系統收到“SFC 釋放脈沖使能令”后以手動方式起勵，如圖7 標志點1 所示。在SFC 與勵磁設備的共同作用下，機組轉速穩步上升。機組轉速達到額定附近，投入同期裝置，機組并網，勵磁系統運行方式由手動方式切換至自動方式，如圖7 標志點4時刻。至此，SFC 拖動流程結束，機組進入抽水調相態。SFC 拖動過程中勵磁系統的控制關鍵點在于：

圖7 SFC 拖動至并網波形圖

（1）勵磁系統手動方式下起勵，勵磁電流應快速上升，以便SFC 捕捉轉子位置；

（2）在同期完成前，機端電壓給定值Ugd 需及時跟蹤上Ug，方便并網后快速進行手自動切換。

5 結語

本文主要介紹了EXC9200 勵磁系統在廣蓄B廠的設計與應用，結合廣蓄B 廠5 號、6 號機組實際改造情況，分析了其改造后的主要特點，試驗情況等，重點介紹了PSS 試驗、SFC 拖動試驗的方法及試驗效果，為后續同類型抽蓄電站勵磁系統的改造提供借鑒。

參考文獻：

[1] 趙守運．廣蓄機組兩種勵磁控制系統的應用分析與研究[J]．水力發電，2014（11）：28-31．

[2] 鄧耀．EXC9200 勵磁系統改造的實踐與效果研究[J]．水電站機電技術，2022（10）:55-58．

[3] 陳亞紅，鄧長虹，武荷月，等．發電工況可變速抽蓄機組模式切換過程多階段柔性協調控制[J]．中國電機工程學報，2021（15）：5258-5273．

[4] 單鵬珠，陳杰，陳龍，等．廣蓄B 廠上位機系統改造技術研究[J]．電網清潔與能源，2015（10）：106-111．

[5] 馬明銳．新型電力系統穩定器的參數優化研究[D]．廣州：廣東工業大學，2019．

[6] 王海濤．抽水蓄能機組靜止變頻器啟動（SFC）控制策略研究與諧波分析[J]．通信電源技術，2013（30）：31-33．