NES5100型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在1 000MW機(jī)組上的應(yīng)用

季興文

（國華徐州發(fā)電有限公司，徐州221166）

國華徐州發(fā)電有限公司2臺(tái)機(jī)組為THDF 125／67型1 000MW發(fā)電機(jī)組，采用機(jī)端自并激勵(lì)磁方式，配置NES5100型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。與傳統(tǒng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器相比，NES5100型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的功能有很大改進(jìn)。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)配置

勵(lì)磁系統(tǒng)主要包括勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁變壓器、勵(lì)磁整流柜、勵(lì)磁開關(guān)等部分，見圖1。

圖1 1 000MW發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)圖

勵(lì)磁變壓器由3臺(tái)容量為3 300kVA的DCB9-3300／27／3單相干式變壓器組成，低壓側(cè)額定電壓956V，采用Y／△接線方式，其高壓側(cè)不經(jīng)開關(guān)直接接在發(fā)電機(jī)出口封閉母線上。

勵(lì)磁整流柜采用獨(dú)有的抽屜式，取消了傳統(tǒng)的交、直流電源刀閘或開關(guān)，既減少了刀閘開關(guān)觸頭接觸不良或發(fā)熱的問題，同時(shí)柜體結(jié)構(gòu)緊湊美觀，封閉性好，減少了柜內(nèi)積塵引起元件故障的幾率。為保證足夠的勵(lì)磁電流，機(jī)組采用多個(gè)整流橋并聯(lián)。整流橋并聯(lián)支路數(shù)的選取原則為N＋1或N＋2［1］，N為保證發(fā)電機(jī)正常勵(lì)磁的整流橋組數(shù)，即當(dāng)某一組或幾組整流橋故障退出時(shí)，不影響發(fā)電機(jī)的正常勵(lì)磁需要。該機(jī)組采用N＋2原則，即四組整流柜并聯(lián)，電流裕量更大。勵(lì)磁整流柜運(yùn)行組數(shù)與其控制數(shù)值見表1。

表1 勵(lì)磁整流柜運(yùn)行參數(shù)控制表

晶閘管整流采用三相全控橋式電路，相控方式，優(yōu)點(diǎn)是半導(dǎo)體元件承受的電壓低，勵(lì)磁響應(yīng)快，調(diào)壓性能好，勵(lì)磁變壓器利用率高［2］。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁回路為感性負(fù)載，晶閘管控制角在0°～90°，產(chǎn)生正向電壓與正向電流，通過改變晶閘管的控制角來調(diào)整勵(lì)磁電流的大小，以保證發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓恒定。發(fā)電機(jī)停機(jī)時(shí)采用逆變滅磁方式，即將直流勵(lì)磁回路的能量反送回交流側(cè)。逆變狀態(tài)時(shí)控制角在90°～150°，產(chǎn)生負(fù)向電壓與正向電流，把勵(lì)磁電流急速下降到零，有效地限制了轉(zhuǎn)子回路的過電壓。

2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

2.1 裝置的作用和構(gòu)成

NES5100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用微機(jī)作為硬件載體，通過比較測(cè)量反饋值與參考值的誤差，計(jì)算出控制電壓，經(jīng)限制環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子電壓反饋產(chǎn)生晶閘管的控制角，輸出觸發(fā)脈沖。當(dāng)機(jī)端電壓高于給定值時(shí)，增大晶閘管的控制角，減小勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓回到設(shè)定值；當(dāng)機(jī)端電壓低于給定值時(shí)，減小晶閘管的控制角，增大勵(lì)磁電流，維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為設(shè)定值。

A、B通道分別從發(fā)電機(jī)出口的2號(hào)、3號(hào)互感器接入。主要硬件CPU板以系統(tǒng)電源板、模擬量板、同步電壓板、開關(guān)量板、脈沖放大板等硬件為支撐，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)采樣，并根據(jù)采樣結(jié)果及開關(guān)量輸入信號(hào)邏輯產(chǎn)生控制脈沖，經(jīng)邏輯判斷程序?qū)崿F(xiàn)開關(guān)量信號(hào)輸出、雙套切換等核心控制功能。

軟件核心為勵(lì)磁應(yīng)用程序，包括主流程和控制調(diào)節(jié)程序。主流程放置于主任務(wù)中，完成勵(lì)磁應(yīng)用程序的初始化以及機(jī)組狀態(tài)的判斷等功能；控制調(diào)節(jié)程序放置于3.3ms中斷中，控制周期為3.3ms，完成所有勵(lì)磁控制調(diào)節(jié)功能，確?？刂频目焖俸途?。

2.2 功能特點(diǎn)

2.2.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能

裝置在原有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)方式（AVR方式）、勵(lì)磁電流閉環(huán)調(diào)節(jié)方式（FCR方式）基礎(chǔ)上，增加了恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)方式，并啟用了軟起勵(lì)功能。

AVR調(diào)節(jié)方式為正常方式，以發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓作為調(diào)節(jié)變量，維持發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓與電壓參考值一致，而電壓參考值則主要由增磁命令或減磁命令進(jìn)行增減。發(fā)電機(jī)空載時(shí)，電壓參考值變化，使機(jī)端電壓也隨之變化；發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)，電壓參考值變化仍然使發(fā)電機(jī)電壓隨之變化，同時(shí)引起發(fā)電機(jī)無功功率更大范圍變化。

FCR調(diào)節(jié)方式主要在勵(lì)磁試驗(yàn)時(shí)或電壓閉環(huán)故障（如PT斷線）時(shí)使用，以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流作為調(diào)節(jié)變量，維持發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流與電流參考值一致，而勵(lì)磁電流參考值也是由增磁命令或減磁命令進(jìn)行增減。

在DCS畫面上增加了“恒功率因數(shù)”投、退按鈕，實(shí)現(xiàn)恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)方式。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)以AVR方式運(yùn)行，發(fā)電機(jī)起勵(lì)建壓后，各運(yùn)行方式相互跟蹤。給定調(diào)節(jié)利用開關(guān)量輸入信號(hào)，控制AVR給定值的增、減。自動(dòng)跟蹤功能保證了從AVR模式到FCR模式或恒功率因數(shù)模式、A通道到B通道的平穩(wěn)切換。

軟起勵(lì)是勵(lì)磁系統(tǒng)升壓方式之一，主要用于發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)控制。AVR的給定值按照設(shè)定的速度上升，此時(shí)AVR相當(dāng)于一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。在起勵(lì)過程中，與常規(guī)起勵(lì)的開環(huán)方式不同，軟起勵(lì)仍然在進(jìn)行閉環(huán)計(jì)算，用于控制的給定值并非是實(shí)際給定值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，定值設(shè)為25%。圖2為軟起勵(lì)功能投、退兩種情況下發(fā)電機(jī)零起升壓曲線，當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)接收到開機(jī)令后開始起勵(lì)升壓，機(jī)端電壓大于25%額定值后，調(diào)節(jié)器以一個(gè)可調(diào)整的速度逐步增加給定值，使發(fā)電機(jī)電壓逐漸平穩(wěn)地上升直到設(shè)定值。從試驗(yàn)結(jié)果看，軟起勵(lì)可以在10s內(nèi)完成起勵(lì)，而其電壓超調(diào)量可以小于1%，甚至更低。因此，軟起勵(lì)不僅可以減小發(fā)電機(jī)啟動(dòng)升壓時(shí)的電壓超調(diào)，保護(hù)絕緣，而且能有效降低轉(zhuǎn)子電流的沖擊。

圖2 發(fā)電機(jī)零起升壓曲線

2.2.2 限制功能

大型發(fā)電機(jī)對(duì)限制及保護(hù)功能的要求更高。限制器的目的是給定限制邊界，確保在未達(dá)到不穩(wěn)定區(qū)域前予以干預(yù)，維護(hù)發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

限制功能分為以下兩種：

（1）欠勵(lì)限制。發(fā)電機(jī)欠勵(lì)反映在各個(gè)電氣參量中，主要表現(xiàn)為：勵(lì)磁電流低、進(jìn)相深度大（容性無功功率大）和定子電流增大。為防止發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域或者發(fā)電機(jī)端部和壓齒發(fā)熱等，保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，針對(duì)反映欠勵(lì)的主要電氣量采取相應(yīng)的限制手段，用P／Q（有功功率／無功功率）限制來實(shí)現(xiàn)。發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行范圍比發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行P／Q限制范圍要小得多，以保持足夠的安全裕度。

該發(fā)電機(jī)經(jīng)進(jìn)相試驗(yàn)，綜合發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、廠用6kV、400V母線電壓及功角70°等邊界條件，實(shí)測(cè)參數(shù)后整定的無功欠勵(lì)曲線為五點(diǎn)折線，用五個(gè)無功功率值對(duì)應(yīng)五個(gè)有功功率水平來設(shè)定限制曲線，見圖3。圖中0ABCDE圍成的區(qū)域?yàn)檫M(jìn)相允許范圍。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行到達(dá)P／Q曲線圖ABCDE邊界時(shí)，欠勵(lì)限制動(dòng)作過程為：裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率，根據(jù)點(diǎn)與直線位置計(jì)算，判斷實(shí)際允許點(diǎn)離欠勵(lì)限制曲線的遠(yuǎn)近（模值）和內(nèi)外（符號(hào)），當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)越過欠勵(lì)限制曲線，裝置即以無功功率作為被調(diào)節(jié)量之一進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)偏差即為運(yùn)行點(diǎn)至欠勵(lì)曲線的距離，增加勵(lì)磁使發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)回到安全允許區(qū)域。欠勵(lì)動(dòng)作時(shí)間整定為0.06s，返回時(shí)間1s。

圖3 1 000MW機(jī)組欠勵(lì)限制P／Q曲線圖

（2）過勵(lì)磁限制。發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁主要表現(xiàn)為：勵(lì)磁電流高、無功功率過負(fù)荷和定子過電流，為保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，針對(duì)反映過勵(lì)磁的主要電氣量的限制手段有：勵(lì)磁過流限制、無功功率過勵(lì)限制、瞬時(shí)強(qiáng)勵(lì)限制和V／f（電壓／頻率）限制。

勵(lì)磁過流限制主要用來防止轉(zhuǎn)子回路過熱。當(dāng)系統(tǒng)電壓較低時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出無功過大，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流超過其最大允許長期連續(xù)運(yùn)行電流，必須對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行限制，防止長時(shí)過流導(dǎo)致過熱損壞發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁過流限制動(dòng)作過程為：當(dāng)勵(lì)磁電流超過勵(lì)磁電流過流反時(shí)限啟動(dòng)值時(shí)，裝置進(jìn)行熱量累積計(jì)算，當(dāng)熱容量超過磁場(chǎng)繞組允許熱容量時(shí)，限制動(dòng)作，將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)至長期運(yùn)行允許值。當(dāng)勵(lì)磁電流低于啟動(dòng)值后，裝置計(jì)算其冷卻速度及剩余熱量，如果剩余熱量仍然大于零時(shí)，勵(lì)磁電流再次超過啟動(dòng)電流時(shí)，則迅速動(dòng)作限制。

無功功率過勵(lì)限制。裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率，根據(jù)點(diǎn)與直線位置計(jì)算，判斷實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)離過勵(lì)限制曲線的遠(yuǎn)近（模值）和內(nèi)外（符號(hào)），當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)越過過勵(lì)限制曲線進(jìn)入過勵(lì)區(qū)域，限制即啟動(dòng)計(jì)時(shí)，延時(shí)時(shí)間到后，裝置即以無功功率作為被調(diào)節(jié)量，調(diào)節(jié)偏差即為運(yùn)行點(diǎn)至過勵(lì)曲線的距離，從而保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)回到安全運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。過勵(lì)動(dòng)作時(shí)間整定為25s，返回時(shí)間5s。

在NES5100調(diào)節(jié)器中，勵(lì)磁過電流限制通過P／Q限制來實(shí)現(xiàn)。發(fā)電機(jī)過勵(lì)區(qū)域比發(fā)電機(jī)允許安全范圍小得多，即實(shí)際的無功功率過勵(lì)限制曲線比過勵(lì)允許曲線低。該廠無功功率過勵(lì)曲線為五點(diǎn)折線，見圖4。圖4中0ABCDE圍成的區(qū)域?yàn)閷?shí)際運(yùn)行允許范圍，外部為過勵(lì)范圍。

圖4 1 000MW機(jī)組過勵(lì)限制P／Q曲線圖

瞬時(shí)強(qiáng)勵(lì)限制即強(qiáng)勵(lì)頂值限制，其作用是防止在調(diào)節(jié)過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流瞬時(shí)超過允許的強(qiáng)勵(lì)頂值。瞬時(shí)強(qiáng)勵(lì)限制與前述無功及過流限制不同點(diǎn)是：定值是強(qiáng)勵(lì)允許值，不是長期允許值；動(dòng)作是瞬時(shí)的，不是按發(fā)熱積累考慮的。該機(jī)組實(shí)際整定值為2倍轉(zhuǎn)子電流值。

V／f限制。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓與頻率的比值有一個(gè)安全工作范圍，當(dāng)V／f比值超過安全范圍時(shí)，容易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)及主變過激磁和過熱現(xiàn)象；因此，當(dāng)V／f比值超出安全范圍時(shí)，必須限制發(fā)電機(jī)端電壓幅值，控制發(fā)電機(jī)端電壓隨發(fā)電機(jī)頻率變化而變化，維持V／f比值在安全范圍內(nèi)。該廠V／f限制定值取1.06為安全運(yùn)行范圍。

3 存在問題及改進(jìn)情況

3.1 各勵(lì)磁整流柜間均流系數(shù)的改進(jìn)

機(jī)組投運(yùn)后，4臺(tái)勵(lì)磁整流柜均流系數(shù)較低，主要原因是電源為中間進(jìn)線方式，遠(yuǎn)端的1、4號(hào)勵(lì)磁整流柜因距離遠(yuǎn)、導(dǎo)體交流阻抗過大導(dǎo)致電流小，中間的2、3號(hào)柜電流大。在對(duì)2、3號(hào)柜交流輸入回路增加均流磁環(huán)后，人為增加了其交流阻抗。經(jīng)采取均流措施調(diào)節(jié)后，使各支路阻抗平衡，均流效果改善明顯。改進(jìn)前后各柜電流對(duì)比見表2。

表2 增加均流環(huán)前后各勵(lì)磁整流柜電流分布實(shí)測(cè)值對(duì)比

3.2 遠(yuǎn)方建壓失敗的處理

在機(jī)組投運(yùn)初期，2臺(tái)機(jī)組分別出現(xiàn)過1次發(fā)電機(jī)開機(jī)時(shí)遠(yuǎn)方建壓失敗的情況，經(jīng)檢查：起勵(lì)電源正常，勵(lì)磁系統(tǒng)各交直流電源及脈沖電源均投入正常，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路、勵(lì)磁系統(tǒng)一、二次回路及發(fā)電機(jī)PT回路均正常。后對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行斷電重啟，再升壓時(shí)遠(yuǎn)方起勵(lì)建壓正常，2號(hào)機(jī)組則遠(yuǎn)方仍無法建壓，后采用就地手動(dòng)建壓方式升壓開機(jī)。故障原因是DCS與勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置建壓回路通信不暢，經(jīng)處理后上述故障未重復(fù)出現(xiàn)。

4 結(jié)語

NES5100型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置隨機(jī)組投運(yùn)一年來，其運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，調(diào)節(jié)平穩(wěn)，功能齊全，操作簡單，機(jī)組多次停機(jī)時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均成功實(shí)現(xiàn)了逆變滅磁，性能良好，確保了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路免受過電壓的沖擊，是目前較理想的微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，其在1 000MW機(jī)組上的成功應(yīng)用，提高了大機(jī)組的穩(wěn)定性，特別是在目前電網(wǎng)容量大、單機(jī)容量不斷增大的情況下，也大大提高了電力系統(tǒng)整體的安全運(yùn)行水平和供電可靠性。

［1］樊俊，陳忠，涂光瑜.同步發(fā)電機(jī)半導(dǎo)體勵(lì)磁原理及應(yīng)用［M］.北京：水利電力出版社，1991.

［2］宋志明，李洪戰(zhàn).電氣設(shè)備與運(yùn)行［M］.北京：中國電力出版社，2008.