烏東德水電站發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計

鄒來勇，張 杰

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010）

烏東德電站位于四川省金沙江干流上，總裝機容量10 200 MW，左右岸各6 臺850 MW 水輪發(fā)電機組。作為發(fā)電機主要附屬設(shè)備的勵磁系統(tǒng)，承擔(dān)提供發(fā)電機勵磁電流、維持發(fā)電機機端電壓、調(diào)節(jié)無功分配和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等重要任務(wù)，其可靠性直接影響發(fā)電機的安全運行，而其勵磁方式、調(diào)節(jié)性能和頂值電壓倍數(shù)又都關(guān)乎所接入的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，烏東德工程建設(shè)伊始，根據(jù)電站地下廠房特點，從技術(shù)和經(jīng)濟等多維度對發(fā)電機勵磁方式、頂值電壓倍數(shù)以及勵磁系統(tǒng)各主要設(shè)備的型式和結(jié)構(gòu)進行了分析研究和比選，確定了勵磁系統(tǒng)總體設(shè)計方案。本文介紹設(shè)計中方案比選的一些經(jīng)驗和體會，限于篇幅，本文對設(shè)備參數(shù)計算不作過多介紹。

1 勵磁方式及勵磁頂值倍數(shù)

1.1 勵磁方式

發(fā)電機有多種勵磁方式，包括他勵和自勵方式，自勵又分為自并勵和自復(fù)勵方式，其中自并勵方式由于其高起始響應(yīng)的顯著優(yōu)點，以及接線簡單、無旋轉(zhuǎn)部件、占地面積小、維護工作量小、投資省等特點獲得廣泛應(yīng)用，積累了豐富的設(shè)計、制造和運行經(jīng)驗。

當然，在某些勵磁特性上，如發(fā)電機近端三相短路下的強勵電壓特性、短路電流特性方面，自并勵勵磁方式也有不及其他勵磁方式之處，但對于機端采用離相封閉母線的發(fā)電機，自并勵方式與其他勵磁方式比較，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的作用并無多大區(qū)別，采取一定措施后對發(fā)電機后備保護動作也無影響[1，2]。

自并勵又有兩種接線方式可選：①勵磁變接于發(fā)電機端，如圖1（a）所示。這種接線方式是最典型也是最常用的接法，只要發(fā)電機運行，就有勵磁電源，可靠性高，在外部短路切除后，能迅速提供強勵電流，提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平，這種接線方式，需要外置起勵和電氣制動電源。②勵磁變接于發(fā)電機斷路器系統(tǒng)側(cè)，如圖1（b）所示，是抽水蓄能機組典型接線方式[3]，同樣適用于常規(guī)水輪發(fā)電機，如非洲最大的水電站安哥拉卡古路卡巴薩水電站就采用這種勵磁方式，但在國內(nèi)常規(guī)機組中鮮有應(yīng)用。這種接線方式，勵磁變壓器從系統(tǒng)側(cè)受電，除了需具備黑啟動功能的機組，一般不需要設(shè)起勵裝置和電氣制動勵磁裝置，缺點是若系統(tǒng)側(cè)事故，發(fā)電機斷路器跳閘后，系統(tǒng)電壓仍低，勵磁系統(tǒng)不能正常提供勵磁電流。

圖1 自并勵勵磁方式

烏東德電站為地下廠房，布置空間較為緊張，適合占地小的自并勵勵磁方式，如圖1（a）所示，勵磁電源取自發(fā)電機機端。

1.2 勵磁頂值電壓倍數(shù)

適當高的頂值電壓倍數(shù)，并通過快速勵磁控制，可提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，但過高的頂值電壓倍數(shù)對勵磁系統(tǒng)的主回路及轉(zhuǎn)子的絕緣、磁場斷路器及整流元件的選型、以及工程造價均帶來不利影響。

烏東德電站單機容量大，對系統(tǒng)有著重要影響，因此按主變壓器高壓側(cè)發(fā)生三相短路期間保持短路電流暫態(tài)分量不衰減的原則來初選頂值電壓倍數(shù)很有必要。為頂值電壓系數(shù)，定義為：

式中：αmin、αo分別為強勵及空載時晶閘管的控制角。

由臨界外阻抗計算公式[4]可推導(dǎo)出頂值電壓系數(shù)Kα計算公式，并計算出主變高壓側(cè)三相短路電流暫態(tài)分量不衰減的Kα為：

式中：Xd為直軸電抗，烏東德左岸機組為0.83；XT為主變電抗，取0.17。

忽略各種壓降，強勵以及空載時，整流器輸出電壓分別為：

式中：UfN為額定勵磁電壓，541 V；Ufo為額定空載勵磁電壓，258 V；U2N為勵磁變副邊電壓。

由式（1）、（2）、（3）、（4）求得頂值電壓倍數(shù)KC為：

即維持主變高壓側(cè)三相短路電流暫態(tài)分量不衰減的頂值電壓倍數(shù)應(yīng)不小于2.2，有研究[5，6]表明，對于靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，當頂值電壓倍數(shù)大于1.6 后，會產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性不再隨頂值電壓倍數(shù)的提高而改善。為進一步確定該參數(shù)，研究了部分單機容量相近的發(fā)電機頂值電壓倍數(shù)，見表1，除三峽電站取電力系統(tǒng)要求的2.5 倍外，其它電站均采用2.0 倍。

表1 部分大型水電站頂值電壓倍數(shù)

綜合技術(shù)和經(jīng)濟因素，確定烏東德勵磁頂值電壓倍數(shù)為2.0，既滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求，也滿足國內(nèi)相關(guān)勵磁標準不小于2 倍的要求。

2 勵磁系統(tǒng)主要設(shè)備

2.1 勵磁變壓器

2.1.1 型式及接線組別

烏東德勵磁變壓器布置在地下廠房母線洞內(nèi)，考慮運輸、布置及接線方便等因素，采用3 個單相變壓器，接成Y/Δ-11 組別，高壓側(cè)采用Y 接線，與離相封閉母線連接，低壓側(cè)采用Δ 接線，Δ 接線電流為Y 接的1/，減小了繞組導(dǎo)體截面，也消除3 的倍數(shù)次諧波影響。絕緣采用環(huán)氧澆注結(jié)構(gòu)，具有防潮、防腐、抗?jié)駸帷⒆枞己妥韵ㄌ匦裕约熬植糠烹娭档汀⒖苟搪纺芰澳屠纂姏_擊能力強、損耗及噪聲低、可靠性高和壽命長等諸多優(yōu)點。

2.1.2 容量、絕緣等級及溫升

勵磁變副邊電壓按機端電壓下降至80%額定電壓仍保證2 倍頂值電壓倍數(shù)考慮，副邊電流按滿足1.1 倍額定勵磁電流計算，在考慮諧波損耗后，容量預(yù)留10%～15%左右裕度，最終左岸、右岸機組勵磁變?nèi)萘糠謩e為3×2 500 kVA 和3×2 300 kVA。絕緣耐熱等級采用F 級，允許溫升按B 級絕緣耐熱等級考核取80 K。

2.2 功率整流器

2.2.1 接線型式

烏東德電站采用三相晶閘管全控橋式接線，晶閘管并聯(lián)橋數(shù)量，按可靠性、靈活性和經(jīng)濟性原則選擇，采用4 個功率整流橋并聯(lián)，每臂1 個元件，一橋故障滿足包括強勵在內(nèi)的所有功能，二橋故障滿足最大連續(xù)勵磁電流要求。

2.2.2 冷卻方式

功率整流器屬大功率設(shè)備，運行時產(chǎn)生大量熱量，目前主要冷卻方式有以下2 種：（1）熱管自然冷卻，特點：①熱阻低、熱響應(yīng)速度快、熱傳導(dǎo)性能好；②熱管等溫性能好；③體積小，重量輕；④額定運行無需風(fēng)機，無噪聲，無灰塵，節(jié)能低碳，日常維護量少。（2）強迫風(fēng)冷，系統(tǒng)比較簡單，技術(shù)成熟，適用于功率整流柜布置在開敞的主廠房、利用主廠房作為整流柜熱風(fēng)排放空間的發(fā)電機，但灰塵易進入柜內(nèi)附在元器件表面，需頻繁更換風(fēng)機濾網(wǎng)，維護工作量很大。

烏東德整流柜采用熱管自然冷卻加備用風(fēng)機方式，在額定勵磁電流下無風(fēng)機運行，在退柜或晶閘管外殼溫度大于80℃時啟動備用風(fēng)機，減小了柜內(nèi)灰塵匯聚，降低了功率柜故障率，實際運行冷卻效果良好，最高管芯溫度95.8 ℃[7]，低于允許的最高運行溫度125℃。

2.3 滅磁及過電壓保護

2.3.1 滅磁

一般機組正常停機采用逆變滅磁，事故滅磁有交流滅磁、直流滅磁和交直流冗余滅磁三種方式。大型機組多采用交直流冗余滅磁方案[8]，烏東德就采用這種滅磁方式，如圖2 所示，直流磁場斷路器S101 可獨立承擔(dān)發(fā)電機各種滅磁工況滅磁，交流磁場斷路器S102 作為直流磁場斷路器的輔助滅磁和后備運行方式，按滿足空載誤強勵滅磁工況選擇，機組事故時，觸發(fā)直流磁場斷路器跳閘滅磁，同時逆變，約70～100 ms 后，封閉整流器晶閘管觸發(fā)脈沖，同時啟動交流磁場斷路器跳閘，利用整流器陽極電壓的負半周輔助建壓實現(xiàn)交流磁場斷路器跳閘滅磁。

圖2 烏東德電站滅磁及過電壓保護方案

直流磁場斷路器選用法國LENOIR 公司的CEX06 5000 4.2 開關(guān)，CEX 開關(guān)是一種具有雙斷口并帶常閉放電觸頭的真正意義上的磁場斷路器，最大分斷電壓3 000 V，從其型式試驗報告看，在施加3 000 V 電壓試驗中實際弧壓達5 100 V，遠高于其保證的最大分斷電壓3 000 V，能滿足任何滅磁工況獨立滅磁的要求。交流磁場斷路器采用德國SIEMENS 真空斷路器，額定電流4 000 A，額定電壓12 kV。

滅磁電阻采用SiC 非線性電阻，優(yōu)點是：①單片容量大（每片可達50 kJ）；②自然均能性優(yōu)良，易于并聯(lián)；③在遭受能量沖擊后的失效類型是軟化，無短路危險，而ZnO 呈短路態(tài)，需配置熔斷器保護；④無明顯轉(zhuǎn)折電壓，易導(dǎo)通，換流容易。缺點是滅磁時間比ZnO 電阻稍長。工作能容量按機端三相短路和空載誤強勵這兩種最惡劣滅磁工況的耗能來選取，耗能不超過工作能容量80%，最終左、右電站統(tǒng)一為18 MJ。

2.3.2 過電壓保護

為防止各種過電壓，整流器交、直流側(cè)均應(yīng)裝設(shè)過電壓保護裝置，烏東德電站交直流過電壓保護如圖3 所示，直流側(cè)轉(zhuǎn)子過電壓保護采用跨接器加非線性電阻RFS 構(gòu)成，轉(zhuǎn)子過電壓與滅磁共用同一組非線性電阻。

圖3 阻容保護裝置原理圖

交流側(cè)過電壓保護有整流式阻容保護、三角形阻容保護和星型阻容保護等。整流式阻容保護如圖3（a）所示，需設(shè)整流器，整流器輸出電壓高（為1.35U2N），即使沒有尖峰過電壓，正常運行時電阻也消耗功率，發(fā)熱最多。三角形阻容保護如圖3（b），它器件少，電容小，電阻發(fā)熱量較小，過電壓吸收效果最好。星型阻容保護如圖3（c），器件少，電容較小，電阻發(fā)熱量最少，過電壓吸收效果較好。不管哪種集中式阻容保護裝置，均不宜裝設(shè)在整流柜內(nèi)，應(yīng)單獨組柜，并配置冷卻風(fēng)機。有研究[9]表明，三角形聯(lián)結(jié)的過電壓抑制效果好，電容容量小，電阻耗能也較小，烏東德交流過電壓保護采用該方案。

2.4 勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.4.1 勵磁控制方式

動、靜態(tài)特性優(yōu)良的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定、增加功率輸送極限極為經(jīng)濟及有效的措施。勵磁調(diào)節(jié)器基于電壓偏差的PID 調(diào)節(jié)方式，對于調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時間等靜態(tài)及動態(tài)品質(zhì)有很好的作用，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）作為附加勵磁控制，以發(fā)電機轉(zhuǎn)速、功率、頻率或這些變量的組合作為輸人信號，經(jīng)校正環(huán)節(jié)后，補償勵磁系統(tǒng)本身引起的相位滯后，提供正阻尼，抑制低頻振蕩，烏東德采用PID+PSS 勵磁控制方式，可根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求選擇PSS2B 或PSS4B 模型，在系統(tǒng)振蕩頻率0.1Hz～2Hz 范圍內(nèi)提供正阻尼，改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性。

2.4.2 勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

烏東德配置冗余的雙通道數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器，每個通道包括完整的自動電壓調(diào)節(jié)（AVR）、勵磁電流調(diào)節(jié)（FCR）以及各種限制功能，雙通道采用熱備用運行方式，工作通道故障時備用通道自動投入運行，并閉鎖故障通道。

2.5 電氣制動

烏東德正常停機采用電氣制動加機械制動的混合制動方式，電氣制動勵磁電源，有下面2 種方案：①柔性電氣制動方案，電氣制動勵磁電源由380 V廠用電經(jīng)制動變壓器BT、主整流器SCR 供給，見圖4（a），該方案節(jié)省一套制動整流器，但接線及操作略為復(fù)雜，在許多大型、特大型電站有成熟運行經(jīng)驗。②獨立整流器電氣制動方案，電氣制動勵磁電源由380V 廠用電經(jīng)制動變壓器BT、制動整流器SCR2供給，見圖4（b），接線及操作簡單、可靠性高，但造價較高。烏東德電站采用柔性電氣制動。

圖4 電氣制動方案

3 結(jié)語

從2020 年烏東德電站首臺機組投產(chǎn)發(fā)電，勵磁系統(tǒng)已安全運行3 年多，它具有以下特點：

（1）合適的頂值電壓倍數(shù)，在技術(shù)上滿足要求的基礎(chǔ)上，不一味要求過高的頂值電壓倍數(shù)。

（2）根據(jù)烏東德電站廠房特點以及勵磁盤柜的布置情況，采用熱管自然冷卻方式散熱，非常適合機組分批投運且投運周期長的烏東德電站建設(shè)模式，減少建設(shè)期廠房灰塵進入柜內(nèi)。

（3）設(shè)置了單獨的交流過電壓保護柜，將發(fā)熱量大的交流阻容吸收裝置單獨組柜。

（4）磁場斷路器跳閘前采取逆變、封脈沖等輔助滅磁措施，減輕直流磁場斷路器的分斷負擔(dān)。