三峽地下電站國產(chǎn)化勵磁系統(tǒng)

王 波，張 敬，胡先洪，周 宇，余 翔

（1.長江電力向家壩水力發(fā)電廠籌建處，四川 宜賓 644600；2.長江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司，武漢 430070；3.長江電力三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

1 引言

勵磁控制器承擔(dān)著維持同步發(fā)電機機端電壓穩(wěn)定、協(xié)調(diào)并列機組間的無功分配以及抑制有功功率振蕩的任務(wù)，它的可靠性對于發(fā)電廠有著特別的意義[1]。三峽水力發(fā)電廠是世界上最大的水力發(fā)電廠，已經(jīng)建成的26臺機組均采用了西門子勵磁控制系統(tǒng)。最后建成的地下廠房6臺700MW機組將首次采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化勵磁系統(tǒng)，其中 2套為 MEC3000型自并勵微機勵磁系統(tǒng)。

MEC3000由1面調(diào)節(jié)器柜、1面輔助控制柜、4面可控硅整流柜、2面滅磁開關(guān)柜、1面碳化硅非線性滅磁電阻柜共9面屏柜組成，結(jié)構(gòu)緊湊簡單。其電制動用切換開關(guān)和交流滅磁用開關(guān)裝設(shè)在勵磁變保護外罩內(nèi)，如圖1所示。MEC3000型勵磁系統(tǒng)采用靜止式可控硅自并勵方式。勵磁變壓器采用三個單相環(huán)氧澆注的干式勵磁變壓器。功率柜采用環(huán)形熱管散熱的自然冷卻方式，可控硅的觸發(fā)脈沖由勵磁變二次側(cè)的同步變壓器提供同步信號。勵磁調(diào)節(jié)器采用高度冗余的雙通道結(jié)構(gòu)。事故滅磁時跳磁場斷路器配合碳化硅電阻進行移能滅磁，在磁場斷路器拒動時，啟動交流開關(guān)配合碳化硅電阻進行移能滅磁。轉(zhuǎn)子過電壓保護采用可控硅跨接器方式運行。電氣制動采用了柔性電制動方案。本文將對構(gòu)成MEC3000型勵磁主要組成部分作簡要介紹。

圖1 MEC3000勵磁系統(tǒng)正視圖

2 勵磁調(diào)節(jié)器

勵磁調(diào)節(jié)器采用機箱式結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計，由兩套硬件上完全獨立的控制通道組成。兩個控制通道結(jié)構(gòu)和功能完全一致，每一個通道中均設(shè)有自動和手動控制單元。如圖2所示，每個通道包含兩塊CPU板，一塊是計算板，實現(xiàn)采樣、調(diào)節(jié)和通信；另一塊作為脈沖板生成控制脈沖。運行過程中兩個控制通道互為熱備用，同時接收輸入的信號并進行調(diào)節(jié)，當(dāng)在線通道發(fā)生故障或PT斷線時，調(diào)節(jié)器自動切換至備用通道，同時輸出至功率柜的控制脈沖仍進行正常切換。兩個通道之間也可通過手動進行切換[2]。

圖2 勵磁系統(tǒng)原理圖

圖3給出了勵磁調(diào)節(jié)器的通信網(wǎng)絡(luò)圖。兩個通道4塊CPU板通過CAN總線連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互檢。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有通道信號異常時，立即報警并切換到正常通道運行。計算板通過RS232與本地監(jiān)控的人機界面相連。與監(jiān)控通信既可以通過人機界面進行，也可以通過CAN網(wǎng)直接與計算板通信。需要擴展電氣制動功能時，可以通過 CAN網(wǎng)連接調(diào)節(jié)器的可編程計算機控制器(PCC)實現(xiàn)。PCC模塊具有 PLC的可靠性與單片機的運算能力[3]，使用CPU模塊與DI、DO模塊搭建的邏輯控制器可以配合控制通道時序，控制外部開關(guān)，實現(xiàn)電氣制動功能。

勵磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律采用了標(biāo)準(zhǔn)的PID+PSS2A模型。PID+PSS2A控制模型可以有效抑制電力系統(tǒng)的低頻振蕩，另外在有功功率正常調(diào)節(jié)時不會產(chǎn)生無功反調(diào)，這對水電廠尤為重要。模型中的角速度不是直接測量的結(jié)果，而是計算得到的Eq轉(zhuǎn)速。

如圖4所示，勵磁調(diào)節(jié)器軟件預(yù)留了試驗接口，需要進行模型測試或者測試發(fā)電機無補償特性以整定PSS參數(shù)時，接入白噪聲后只需在界面操作即可[4]。

圖3 勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò)

圖4 PID+PSS2A控制模型

3 可控硅整流裝置

可控硅整流裝置采用環(huán)形熱管自然冷卻方式，避免了使用風(fēng)機時可能的機械故障，運行過程中無噪音無灰塵，節(jié)能環(huán)保，同時減輕了維護的工作量。整流裝置單柜自冷最大輸出電流可達(dá) 3000A，額定電流為2500A，采用4柜并聯(lián)配置方案。每柜配1套紅外溫度監(jiān)控系統(tǒng)，可在線監(jiān)測各個橋臂的可控硅溫度，當(dāng)可控硅溫度過高時自動啟動輔助散熱風(fēng)機，并發(fā)出報警信號。橋臂阻容保護單元采用易于散熱的線繞式大功率無感電阻和耐壓高達(dá)4000V的進口交流電容器，可以有效地抑制尖峰過電壓值，保證整流柜可靠運行。

圖5 熱管工作原理圖

熱傳遞有3種方式：輻射、對流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一段為蒸發(fā)端，另外一段為冷凝端。當(dāng)熱管一段受熱時，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿管壁依靠毛細(xì)效應(yīng)流回至蒸發(fā)段進行正常循環(huán)，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開來[5]。

普通重力熱管散熱器的散熱片采用橫向安裝方式，其散熱片與熱管都采用點接觸方式，其結(jié)構(gòu)安裝對柜體寬度的要求比較高，由于大多數(shù)廠房和施工現(xiàn)場對勵磁柜體的寬度都有嚴(yán)格限制，因此目前國內(nèi)專業(yè)廠家設(shè)計生產(chǎn)的普通熱管整流柜最大輸出電流不超過1500A。環(huán)形熱管散熱器工作原理如圖6所示。環(huán)形熱管采用縱向安裝方式，整個散熱器的安裝只受柜體高度限制。環(huán)形熱管采用膨脹方式將整個熱管埋入鑄鋁型材散熱片中，整個散熱片與熱管采用面接觸方式，加快了傳導(dǎo)效率，使環(huán)形熱管整流裝置在自冷條件下單柜輸出電流達(dá)到2500A。

圖6 環(huán)形熱管工作原理圖

4 滅磁裝置介紹

滅磁裝置采用法國 LENOIR公司 2CEX 06-5500組合式斷路器作為磁場斷路器，選擇了碳化硅電阻的移能滅磁方案。在滅磁系統(tǒng)中，還配合應(yīng)用了交流滅磁技術(shù)，提高了滅磁裝置換流的可靠性，并縮短滅磁時間。在任何需要滅磁的工況下，包括發(fā)電機空載滅磁、發(fā)電機甩額定負(fù)荷滅磁、誤強勵事故滅磁以及機端三相短路時，滅磁裝置都可以快速、可靠滅磁，并保證在滅磁過程中，勵磁繞組反向電壓不高于出廠試驗時勵磁繞組對地試驗電壓幅值的50%[6]。

滅磁設(shè)備包括串聯(lián)在轉(zhuǎn)子回路中的直流磁場斷路器S101，整流柜陽極側(cè)的交流磁場斷路器S102，并聯(lián)在轉(zhuǎn)子回路中的碳化硅（SiC）非線性電阻 R101，以及作為后備輔助滅磁的開關(guān)S107。整個滅磁過電壓保護回路原理圖如圖7所示。

圖7 滅磁過壓保護回路原理圖

發(fā)電機正常停機采用逆變滅磁。通過整流橋逆變來消耗轉(zhuǎn)子中儲存的能量，不跳磁場斷路器，也不需要 SiC非線性電阻投入工作。當(dāng)勵磁電流減為零后，調(diào)節(jié)器封閉整流橋觸發(fā)脈沖，合上輔助滅磁的開關(guān)S107，然后跳開交流磁場斷路器S102，滅磁過程結(jié)束。此時S107與S102均無電流通過。

發(fā)電機事故跳閘時，采用磁場斷路器配合 SiC非線性電阻移能滅磁。收到磁場斷路器跳閘命令后，直流磁場斷路器S101發(fā)熱斷口先分?jǐn)?，滅磁斷口閉合，投入SiC非線性電阻R101，然后吹弧斷口分?jǐn)嗬〗▔?。與此同時，滅磁信號封閉整流橋觸發(fā)脈沖，合上輔助滅磁的開關(guān)S107，以確保SiC非線性電阻投入。S107合上后聯(lián)跳交流磁場斷路器S102。封脈沖后，使晶閘管處于自然續(xù)流狀態(tài)，在半個周波20ms內(nèi)，就可利用陽極電壓的負(fù)半波輔助磁場斷路器建壓，使 SiC非線性電阻導(dǎo)通，從而迅速消耗儲存在轉(zhuǎn)子中的能量，達(dá)到快速滅磁的目的。即實現(xiàn)交流滅磁。交流磁場斷路器S102和輔助滅磁的開關(guān)S107作為直流磁場斷路器S101的后備。收到跳閘令后，正常情況下直流磁場斷路器S101在70～100ms內(nèi)能夠分?jǐn)?，若直流磁場斷路器S101拒動，輔助滅磁的開關(guān)S107會在75ms內(nèi)閉合，投入SiC非線性電阻R101，而交流磁場斷路器S102會在此后的65ms內(nèi)斷開，同樣利用陽極電壓的負(fù)半波輔助建壓實現(xiàn)移能滅磁，保證了滅磁系統(tǒng)的可靠性。

5 電氣制動

電氣制動就是使用他勵接線形式在轉(zhuǎn)子維持一定的電流，從而產(chǎn)生制動力矩，加速停機，沒有機械制動的制動塊損耗、粉塵污染等問題。MEC3000采用柔性電制動方案，即勵磁和電氣制動共用主可控硅整流柜，不需要增加額外的制動整流橋。整流柜陽極裝有勵磁變陽極交流磁場斷路器 S102和制動變陽極交流斷路器S106，兩臺開關(guān)利用位置接點互鎖。制動電源由廠用電AC380V供給，通過專用的制動變壓器T100，經(jīng)主晶閘管整流器整流后，提供機組所需的制動電流。整個電氣制動回路原理圖如圖8所示。

圖8 電氣制動原理圖

當(dāng)勵磁調(diào)節(jié)器收到電制動投入的命令后，檢查電氣制動短路開關(guān)和滅磁開關(guān)S101在閉合位置，輔助滅磁接觸器S107在斷開位置，則調(diào)節(jié)器控制依次斷開勵磁變陽極交流磁場斷路器S102，合上制動變陽極交流斷路器S106，同時轉(zhuǎn)到手動方式下工作，按預(yù)先設(shè)置的給定值調(diào)節(jié)勵磁電流從而為發(fā)電機提供合適的制動力矩。

當(dāng)收到電氣制動退出的命令后，勵磁調(diào)節(jié)器控制將制動電流降為0，斷開制動變陽極交流斷路器S106，完成電氣制動的整個流程。

6 結(jié)束語

MEC3000功能豐富，性能可靠，擴展性好，具備了在 700MW 機組投運的條件。今后二十年內(nèi)，我國將有約150臺單機容量超過600MW的水電機組投入運行，急需國產(chǎn)勵磁設(shè)備代替進口產(chǎn)品。國產(chǎn)化勵磁裝置在三峽地下電站的投產(chǎn)將為國內(nèi)其他大型機組勵磁系統(tǒng)的選型和改造提供了重要參考依據(jù)，徹底改變國外勵磁設(shè)備制造商在我國大型發(fā)電機勵磁設(shè)備中形成的壟斷地位。

[1]陸繼明，毛承雄, 等. 同步發(fā)電機微機勵磁控制器[M]. 北京：中國電力出版社, 2006.

[2]余翔, 毛承雄, 陸繼明, 胡國慶, 張敬, 瞿浩. 基于數(shù)字信號處理器的自適應(yīng)勵磁控制器[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2005(5): 79-83.

[3]余翔, 王波, 毛承雄, 陸繼明. 一種基于 PCC 的勵磁控制器實現(xiàn)方案[J]. 大電機技術(shù), 2006(5):58-60.

[4]余翔, 竇騫, 趙先元. 勵磁系統(tǒng)控制模型的辨識測試[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測，2010(1): 13-17.

[5]王波, 張敬, 周宇, 顧宏進. 回路熱管散熱器技術(shù)在大功率整流裝置的應(yīng)用[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測, 2006(5): 30-31.

[6]陳小明, 胡先洪. 勵磁系統(tǒng)交直流滅磁原理分析[J]. 水電廠自動化, 2006(4): 10-12.