火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能之勵(lì)磁設(shè)計(jì)探討

摘要：首先對(duì)火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能的勵(lì)磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，主要包含增加啟動(dòng)勵(lì)磁、高強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)、流程配合等特殊需求，隨后針對(duì)性探討和介紹了啟動(dòng)勵(lì)磁設(shè)計(jì)、主勵(lì)磁設(shè)計(jì)、啟動(dòng)流程設(shè)計(jì)的原則和要點(diǎn)，并形成一套可用于實(shí)際工程化應(yīng)用的設(shè)計(jì)方案，用于指導(dǎo)類似工程實(shí)施。

關(guān)鍵詞：火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能；啟動(dòng)勵(lì)磁；高強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)；啟動(dòng)流程

中圖分類號(hào)：TM921.41" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）08-0004-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.002

0" " 引言

隨著雙碳政策的執(zhí)行和環(huán)保的需要，常規(guī)火電機(jī)組的生存空間不斷被壓縮，且隨著政策引導(dǎo)，居民采暖和工業(yè)用汽將逐步由600 MW及以上機(jī)組承擔(dān)，未來(lái)將會(huì)有一大批300 MW及以下供熱機(jī)組退出歷史舞臺(tái)，而300 MW以下的非供熱機(jī)組更是面臨即將被關(guān)停的困境。此外，隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的大力發(fā)展，光伏、風(fēng)電等清潔電力占比逐年增大，而相較于傳統(tǒng)火電，清潔電力對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全支撐效果較差，其占比快速提高導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)的電壓支撐能力不斷削弱，系統(tǒng)穩(wěn)定水平下降[1-2]。

如何讓傳統(tǒng)火電機(jī)組特別是容量相對(duì)較小的火電機(jī)組繼續(xù)生存，又能在新型電力系統(tǒng)的新格局下發(fā)揮作用，成為火電行業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)問(wèn)題。于是，傳統(tǒng)火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能，將火電機(jī)組升級(jí)改造為具備發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)雙功能的方案應(yīng)運(yùn)而生，它既可以在發(fā)電機(jī)模式下承擔(dān)區(qū)域應(yīng)急備用電源的任務(wù)，也可以在調(diào)相機(jī)模式下承擔(dān)區(qū)域電網(wǎng)無(wú)功支撐的功能[3-4]，從而充分發(fā)揮機(jī)組高負(fù)荷時(shí)期有功支撐和低負(fù)荷時(shí)期無(wú)功支撐綜合效能，不僅能大幅提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，也能解決新能源發(fā)展和保障電力可靠供應(yīng)之間的矛盾，是傳統(tǒng)火電可持續(xù)發(fā)展探索的新方向[5]。

勵(lì)磁系統(tǒng)作為電站運(yùn)行的核心設(shè)備，是發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行、調(diào)相機(jī)啟動(dòng)、調(diào)相機(jī)穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)功能發(fā)揮的關(guān)鍵。針對(duì)火電增加調(diào)相機(jī)功能的機(jī)組，勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)需綜合考慮發(fā)電機(jī)運(yùn)行、調(diào)相機(jī)啟動(dòng)、調(diào)相機(jī)強(qiáng)勵(lì)、流程接口等需求，在功率設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、流程配合設(shè)計(jì)等方面均需特殊考慮，本文將針對(duì)火電增加調(diào)相機(jī)功能的機(jī)組特點(diǎn)，詳細(xì)介紹勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和要點(diǎn)。

1" " 火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能之勵(lì)磁特點(diǎn)

1.1" " 啟動(dòng)勵(lì)磁或啟動(dòng)功能

在作為發(fā)電機(jī)使用時(shí)，機(jī)組原動(dòng)力由汽輪機(jī)提供，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速后，機(jī)組由勵(lì)磁系統(tǒng)建壓后并網(wǎng)運(yùn)行。在作為調(diào)相機(jī)使用時(shí)，調(diào)相機(jī)與汽輪機(jī)脫開(kāi)，調(diào)相機(jī)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)不再發(fā)出有功，而是發(fā)出或吸收無(wú)功，從而起到調(diào)相的作用。而在并網(wǎng)前，調(diào)相機(jī)沒(méi)有原動(dòng)力沖轉(zhuǎn)，為實(shí)現(xiàn)同期并網(wǎng)，減小并網(wǎng)時(shí)的沖擊，需通過(guò)SFC和勵(lì)磁系統(tǒng)共同作用，先將調(diào)相機(jī)拖動(dòng)至1.05倍額定轉(zhuǎn)速，再惰走建壓并網(wǎng)，故在調(diào)相機(jī)啟動(dòng)升速時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)需要配置啟動(dòng)勵(lì)磁或具備啟動(dòng)功能，本文將介紹配置啟動(dòng)勵(lì)磁的設(shè)計(jì)方案。

1.2" " 高強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)

調(diào)相機(jī)可根據(jù)系統(tǒng)需求提供或吸收無(wú)功功率，滿足系統(tǒng)暫態(tài)的無(wú)功需求，同時(shí)兼顧穩(wěn)態(tài)需求，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率，它既可以有效解決電源端暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}，也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓和直流功率的迅速恢復(fù)，提升電力系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。為滿足上述暫態(tài)需求能力，參照國(guó)網(wǎng)調(diào)相機(jī)相關(guān)要求[6]，勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)電壓倍數(shù)不小于3.5（對(duì)應(yīng)調(diào)相機(jī)端電壓0.8Ue時(shí)），強(qiáng)勵(lì)電流倍數(shù)不小于2.5，允許強(qiáng)勵(lì)時(shí)間不低于15 s。該標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)，故在火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能的工程中，勵(lì)磁變壓器、功率單元晶閘管選型設(shè)計(jì)將相應(yīng)提高和改造。

1.3" " 流程配合

作為調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)需要與DCS、SFC等系統(tǒng)進(jìn)行配合交互，且一般調(diào)相機(jī)啟停過(guò)程均采用自動(dòng)順控，故勵(lì)磁系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的信號(hào)交互接口和匹配DCS、SFC、保護(hù)等其他系統(tǒng)的邏輯流程，方能確保機(jī)組的順利啟停。

2" " 設(shè)計(jì)原則與要點(diǎn)

2.1" " 典型機(jī)組參數(shù)

本文以350 MW機(jī)組為例，介紹勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與要點(diǎn)，機(jī)組典型參數(shù)如表1所示。

原發(fā)電機(jī)的老勵(lì)磁變及勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

由以上參數(shù)可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)的容量、定子電流、勵(lì)磁電流等參數(shù)基準(zhǔn)不一致，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)不一致，故勵(lì)磁設(shè)計(jì)時(shí)軟硬件均需特殊處理。

2.2" " 啟動(dòng)勵(lì)磁設(shè)計(jì)

本文將介紹配置單獨(dú)啟動(dòng)勵(lì)磁的方案，即調(diào)相機(jī)在啟動(dòng)階段采用啟動(dòng)勵(lì)磁工作，啟動(dòng)升速結(jié)束后切換至主勵(lì)磁工作，啟動(dòng)勵(lì)磁和主勵(lì)磁采用不同的勵(lì)磁變和功率橋。啟動(dòng)勵(lì)磁的選型設(shè)計(jì)需嚴(yán)格按照SFC啟動(dòng)設(shè)備的要求來(lái)進(jìn)行。

2.2.1" " 啟動(dòng)勵(lì)磁變?cè)O(shè)計(jì)選型

調(diào)相機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中由SFC提供定子電流，由啟動(dòng)勵(lì)磁提供勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流的大小由SFC運(yùn)算決定，SFC啟動(dòng)升速曲線如圖1所示。

啟動(dòng)勵(lì)磁變副邊電流的計(jì)算式如式（1）所示：

式中：I2為啟動(dòng)變壓器二次側(cè)電流；Ifq為調(diào)相機(jī)SFC啟動(dòng)時(shí)所需的勵(lì)磁電流。

由圖1可見(jiàn)，在調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中需要的最大勵(lì)磁電流為600 A，則啟動(dòng)勵(lì)磁變副邊電流為：

故勵(lì)磁變?cè)O(shè)計(jì)選型應(yīng)要求副邊電流大于539 A。

調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，勵(lì)磁電壓由勵(lì)磁變提供，勵(lì)磁電壓與勵(lì)磁變二次側(cè)電壓的計(jì)算式如式（2）所示：

式中：U2為勵(lì)磁變壓器二次側(cè)空載額定線電壓；αmin為勵(lì)磁最小觸發(fā)角，啟動(dòng)過(guò)程最小為10°；Ifq為啟動(dòng)勵(lì)磁電流；Ufq為啟動(dòng)勵(lì)磁電壓；∑ΔU為電壓降之和，包括導(dǎo)通兩臂的硅元件正向壓降，匯流導(dǎo)線電阻壓降及轉(zhuǎn)子滑環(huán)與碳刷間的壓降，計(jì)算中啟動(dòng)工況取2 V；Xr為變壓器電抗，其計(jì)算式見(jiàn)式（3）：

式中：Uk為變壓器阻抗電壓，取4%。

根據(jù)SFC啟動(dòng)的要求，啟動(dòng)期間勵(lì)磁電壓需滿足1.8倍額定空載勵(lì)磁電壓，即取Ufq=1.8Uf0，綜上，得出U2應(yīng)滿足式（4）：

由此得出勵(lì)磁變壓器二次側(cè)空載額定線電壓應(yīng)大于145 V。

綜上，啟動(dòng)勵(lì)磁變二次側(cè)電流應(yīng)大于539 A，電壓應(yīng)大于145 V，再考慮裕度，變壓器選型為容量200 kVA，變比400/160 V，額定二次電流722 A，阻抗4%。

2.2.2" " 啟動(dòng)勵(lì)磁其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

啟動(dòng)勵(lì)磁僅在調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過(guò)程使用，啟動(dòng)完成后即退出運(yùn)行，勵(lì)磁變選型完成后，啟動(dòng)勵(lì)磁其他元器件選型按照常規(guī)勵(lì)磁選型設(shè)計(jì)即可[7]。

啟動(dòng)勵(lì)磁在工作期間需要與SFC之間進(jìn)行4～20 mA的信號(hào)交互，具體為啟動(dòng)勵(lì)磁接收SFC發(fā)來(lái)的4～20 mA勵(lì)磁電流參考值指令，同時(shí)將啟動(dòng)勵(lì)磁實(shí)際工作的勵(lì)磁電流值通過(guò)4～20 mA反饋至SFC，故在設(shè)計(jì)啟動(dòng)勵(lì)磁時(shí)，需預(yù)留至少2組4～20 mA信號(hào)通道。

由于是火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能，故現(xiàn)場(chǎng)需要新增啟動(dòng)電源柜1面、啟動(dòng)功率柜1面，設(shè)計(jì)階段需考慮新增屏柜的土建位置和走線空間。

2.3" " 主勵(lì)磁主要元器件設(shè)計(jì)

火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能，發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)共用同一套主勵(lì)磁系統(tǒng)，故主勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需兼顧發(fā)電工況和調(diào)相工況的需求，核心元器件的選擇需按照發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)中較高者核算。

2.3.1" " 主勵(lì)磁變?cè)O(shè)計(jì)選型

主勵(lì)磁變副邊電流的計(jì)算式如式（5）所示：

式中：I2為主勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電流；Ifn為發(fā)電機(jī)或調(diào)相機(jī)勵(lì)磁電流。

由表1可知，發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流大于調(diào)相機(jī)額定勵(lì)磁電流，故取4 467 A。由式（5）可得出I2為：

故主勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電流應(yīng)大于4 012 A。

勵(lì)磁電壓與主勵(lì)磁變二次側(cè)電壓的計(jì)算式如式（6）所示：

式中：k1為勵(lì)磁電壓強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)；k2為勵(lì)磁變二次側(cè)電壓跌落倍數(shù)；k3為勵(lì)磁電流強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)；Ufn為額定勵(lì)磁電壓；U2為勵(lì)磁變壓器二次側(cè)空載額定線電壓；Uk為變壓器阻抗電壓，取8%；∑ΔU為電壓降之和，包括導(dǎo)通兩臂的硅元件正向壓降、匯流導(dǎo)線電阻壓降及轉(zhuǎn)子滑環(huán)與碳刷間的壓降；αmin為勵(lì)磁最小觸發(fā)角；Ifn為額定勵(lì)磁電流；I2為勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電流。

由式（6）可得出U2應(yīng)滿足式（7）：

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，作為調(diào)相機(jī)運(yùn)行，當(dāng)機(jī)端電壓跌落至0.8倍時(shí)，要求勵(lì)磁系統(tǒng)電壓強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)不低于3.5倍，勵(lì)磁電流強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)不低于2.5倍，以此為最高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即k1取3.5，k2取0.8，k3取2.5，αmin取勵(lì)磁控制最小角度10°，∑ΔU取強(qiáng)勵(lì)工況10 V，Uk取8%，由式（7）可得出U2為：

綜上，主勵(lì)磁變二次側(cè)電流應(yīng)大于4 012 A，電壓應(yīng)大于1 228 V，再考慮裕度，變壓器選型為容量8 750 kVA，變比22/1.25 kV，額定二次電流4 042 A，阻抗8%。

而原發(fā)電機(jī)的老勵(lì)磁變?nèi)萘繛? 950 kVA、低壓側(cè)電壓0.65 kV，均遠(yuǎn)不能滿足新增調(diào)相機(jī)的運(yùn)行需求，故主勵(lì)磁變需進(jìn)行整體更換。

2.3.2" " 功率單元晶閘管設(shè)計(jì)選型

主勵(lì)磁變選型確定后，施加到可控硅整流橋晶閘管兩端的最大電壓值由式（8）計(jì)算：

由于主勵(lì)磁變低壓側(cè)電壓為1.25 kV，由式（8）得到晶閘管兩端最大電壓為：

由此，晶閘管選型時(shí)，可重復(fù)加于可控硅元件的最大正向、反向峰值電壓值應(yīng)大于4 860 V，根據(jù)晶閘管選型等級(jí)，可選取DYNEX公司的DCR3990A52型可控硅，其可重復(fù)加于可控硅元件的最大正向、反向峰值電壓值可達(dá)5 200 V，額定正向平均電流為3 990 A。

另由表1可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)磁電流4 467 A大于調(diào)相機(jī)的額定勵(lì)磁電流4 289 A，按照高值設(shè)計(jì)的原則，額定勵(lì)磁電流Ifn取4 467 A。發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)為2倍，即強(qiáng)勵(lì)電流為2×4 467=8 934 A，而調(diào)相機(jī)強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)為2.5倍，即強(qiáng)勵(lì)電流為2.5×4 289≈10 723 A，故按照高值設(shè)計(jì)的原則，強(qiáng)勵(lì)電流Iqn取10 723 A。

根據(jù)總體容量及勵(lì)磁系統(tǒng)N-1原則[8-9]，功率單元配置可控硅整流柜3面，每個(gè)整流柜配置3相全控橋1套，當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)退出1橋運(yùn)行時(shí)，要求滿足機(jī)組的所有工況運(yùn)行，按照最高標(biāo)準(zhǔn)：

退1橋，剩2橋并列運(yùn)行時(shí)，單橋長(zhǎng)期輸出電流必須滿足（K2為均流系數(shù)，取0.95）：

退1橋，剩2橋并列運(yùn)行時(shí)，單橋強(qiáng)勵(lì)短時(shí)（15 s）輸出電流必須滿足：

采用DCR3990A52型可控硅的功率橋，配置RSV210-400散熱器和洛森DKHR560風(fēng)機(jī)，單橋長(zhǎng)期輸出電流可達(dá)3 000 A，單橋短時(shí)強(qiáng)勵(lì)輸出電流可達(dá)6 000 A，滿足最高運(yùn)行需求。而原發(fā)電機(jī)的老勵(lì)磁系統(tǒng)可承受的陽(yáng)極電壓為880 V，可控硅可承受反向阻斷電壓為4 300 V，均不能滿足新增調(diào)相機(jī)的運(yùn)行需求，故勵(lì)磁系統(tǒng)需整體更換。

2.4" " 配合流程設(shè)計(jì)

當(dāng)作為調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的啟動(dòng)過(guò)程普遍采用一鍵順控模式，在啟動(dòng)過(guò)程中勵(lì)磁系統(tǒng)需要與DCS系統(tǒng)、SFC系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)交互，主要過(guò)程為：

（1）啟動(dòng)勵(lì)磁配合SFC對(duì)機(jī)組進(jìn)行拖動(dòng)升速。

（2）升速至1.05倍額定轉(zhuǎn)速后，SFC退出運(yùn)行。

（3）啟動(dòng)勵(lì)磁退出，主勵(lì)磁投入并建壓。

（4）同期裝置快速捕捉同期點(diǎn)，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。

（5）并網(wǎng)后，由勵(lì)磁系統(tǒng)工作維持機(jī)組運(yùn)行。

典型的啟機(jī)并網(wǎng)流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

從啟機(jī)并網(wǎng)流程圖可見(jiàn)，勵(lì)磁系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮預(yù)留與DCS、SFC的接口通道，并定義對(duì)應(yīng)功能，軟件設(shè)計(jì)上需與啟機(jī)流程相符。同時(shí)，DCS需進(jìn)行擴(kuò)容改造并設(shè)計(jì)總控流程，以匹配新增調(diào)相機(jī)的啟動(dòng)需求。

3" " 結(jié)語(yǔ)

在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能將是傳統(tǒng)火電發(fā)展的重要方向，其勵(lì)磁系統(tǒng)的啟動(dòng)勵(lì)磁、高強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)主勵(lì)磁、啟動(dòng)流程接口等方面是難點(diǎn)和關(guān)鍵，本文介紹了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)原則和要點(diǎn)，以期對(duì)類似機(jī)組的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用有一定的參考和借鑒作用。

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收稿日期：2022-12-28

作者簡(jiǎn)介：蘇家財(cái)（1986—），男，重慶人，工程師，研究方向：發(fā)電廠控制保護(hù)、特高壓直流輸電、柔性交直流輸電。