李 霆

(遼寧東方發(fā)電有限公司對外檢修分廠，遼寧撫順113007)

2006 年遼寧東方發(fā)電有限公司承攬了綏電3#、4#機組的C 級檢修.國華綏中發(fā)電廠二期擴建工程2 ×1 000 MW 機組，發(fā)電機采用東方電機股份有限公司產(chǎn)品，QFSN－1000－2－27 型三相同步汽輪發(fā)電機，單機額定容量1 008 MW.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用自并勵可控硅靜止勵磁方式，以及國電南瑞科技股份公司自主研制的FWL/B－1000 型產(chǎn)品.國產(chǎn)化1 000 MW 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)順利投運，標志著我國在1 000 MW 級發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)研究和制造的水平邁上了新臺階.

1 勵磁系統(tǒng)基本情況

國華綏中3#、4#機組發(fā)電機及勵磁變參數(shù)如下:

1)發(fā)電機額定參數(shù).視在功率1 120 MVA，有功功率1 008 MW，定子電壓27 000 V，定子電流23 949 A，額定功率因數(shù)0.9，轉(zhuǎn)子電壓445 V，轉(zhuǎn)子電流5 173 A，頻率50 Hz.

2)勵磁變額定參數(shù). 容量3 300 kVA ×3，容量比100 ±2 ×2.5% /100，相數(shù)3 相，電壓比27 ±2 ×2.5%kV/1.092 kV，接線方式Y(jié)d11，電流212 A/5234 A，調(diào)壓方式為無激磁調(diào)壓，型號為DCB9－3300/27，勵磁變型式為環(huán)氧澆注，干式，戶內(nèi)型.

3)一次勵磁系統(tǒng).勵磁系統(tǒng)勵磁方式為自并勵可控硅勵磁方式. 全套系統(tǒng)包括1 臺勵磁三相變壓器及10 面屏柜組成，各屏柜名稱數(shù)量及型號分別是:NES－5100 勵磁調(diào)節(jié)器柜1 面、FLC 勵磁操作柜1 面、FLZ 可控硅整流柜6 面、FLK 滅磁開關(guān)柜1 面、FLR 滅磁電阻柜1 面.勵磁系統(tǒng)一次接線為勵磁變原邊接發(fā)電機出線，副邊接整流柜交流側(cè).整流柜直流側(cè)輸出通過滅磁開關(guān)接至發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組，形成自并勵回路.

2 主要部件技術(shù)特點

2.1 NES5100 微機勵磁調(diào)節(jié)器

綏中電廠3#、4#機組勵磁配置NES5100 發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器.NES5100 勵磁調(diào)節(jié)器采集機端三相交流電壓，三相交流電流，轉(zhuǎn)子三相交流電流、系統(tǒng)三相電壓等模擬量.對電壓及電流進行瞬態(tài)無相差采樣，可準確計算出發(fā)電機有功及無功.

2.2 FLZ 功率柜

提供的大功率整流柜，通過合理的熱設(shè)計，提高了整流柜出力水平.主要研究內(nèi)容:①可控硅整流柜實現(xiàn)狀態(tài)檢測，為狀態(tài)檢修創(chuàng)造條件;②設(shè)計大功率可控硅整流柜的散熱方案;③設(shè)計大功率可控硅整流柜的并聯(lián)運行時的均流方案;④提高可控硅整流柜的整體絕緣水平.

2.3 FLK+FLR 滅磁柜

滅磁系統(tǒng)的作用是當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部及外部發(fā)生諸如短路及接地等事故時迅速切斷發(fā)電機的勵磁電源，并將儲存在勵磁繞組中的磁場能量快速消耗在滅磁回路耗能元件中.對發(fā)電機滅磁系統(tǒng)的主要要求是可靠而迅速地消耗儲存在發(fā)電機中的磁場能量. 通過對滅磁原理的研究，采用了適用于大型/巨型汽輪發(fā)電機組的高可靠性快速滅磁系統(tǒng).主要研究內(nèi)容:①對多種滅磁方案進行分析研究，提出適合1000MW 機組的可行、可靠、快速的滅磁方案;②設(shè)計跨接器和跨接器可靠運行方案;③設(shè)計集中化的操作、控制回路，優(yōu)化設(shè)備控制方法，簡化操作流程，保護人員安全;④設(shè)計統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)部屏柜間二次電纜連接方案.

3 勵磁調(diào)節(jié)器控制功能介紹

NES5100 勵磁調(diào)節(jié)器的主要功能是精確快速地調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的機端電壓和無功功率.NES5100 勵磁調(diào)節(jié)器控制周期為3.3 ms，其不斷地將給定值與測量值進行比較，然后進行調(diào)節(jié)計算，改變可控硅整流器的觸發(fā)角度. 同時，NES5100 還具備實時故障診斷和容錯、智能調(diào)節(jié)及輔助分析、信息網(wǎng)絡(luò)化等功能.

3.1 調(diào)節(jié)器控制方式

發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器控制方式為PID +PSS 控制方式，PSS 采用IEEE PSS2B 模型. PID 模型框圖如圖1所示.

圖1 NES5100 勵磁調(diào)節(jié)器PID 模型

3.2 運行方式

NES5100 調(diào)節(jié)器可使機組實現(xiàn)以下運行方式:①恒機端電壓閉環(huán)方式(AVR，基本配置);②恒轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)方式(FCR，基本配置);③定角度方式(試驗);④正常運行方式為恒發(fā)電機機端電壓運行方式.

3.3 開機升壓方式

本系統(tǒng)采用自動軟起勵升壓方式. 自動軟起勵升壓調(diào)節(jié)器進入運行后，自動啟動起勵，機端電壓給定值自動緩慢上升，直至設(shè)定點，發(fā)電機電壓自動平穩(wěn)上升至設(shè)定點.該設(shè)定點可事先整定，整定值任意.

3.4 限制及保護

NES5100 配有完備的限制及保護功能，對發(fā)電機各種極限運行工況及時做出反應(yīng)，確保發(fā)電機機組安全運行.限制及保護如下等多項功能:過勵反時限限制器、過勵延時限制器、欠勵瞬時限制器、強勵頂值瞬時限制器、V/Hz 限制器、功率柜故障限制器、開機保護功能、空載過電壓保護功能、PT 斷線防誤強勵功能.

3.5 實時故障自診斷

電源電壓過低、過高或消失的檢測、PT 斷線的檢測、可控硅同步電壓相序及發(fā)電機機端電壓相序的檢測、交流采樣檢測、可控硅觸發(fā)脈沖號及數(shù)量的檢測、控制角度的檢測、雙機通訊故障的檢測、硬件和軟件看門狗檢測.

3.6 容錯控制

根據(jù)調(diào)節(jié)裝置自檢的結(jié)果，對各種信息進行分析，取得正確的信息維持勵磁系統(tǒng)的正常運行.具體有:機端電壓測量容錯、定子電流測量容錯、轉(zhuǎn)子電流測量容錯、發(fā)電機頻率測量容錯、有功功率及無功功率測量容錯、起勵令及逆變令容錯、增減磁信號容錯、主斷路器信號容錯.

3.7 錄波及記憶功能

調(diào)節(jié)器能夠?qū)\行中的數(shù)據(jù)進行手動或自動錄波，對曾經(jīng)發(fā)生的異常事件記錄提供試驗結(jié)果的錄波功能，并可對試驗結(jié)果進行分析，減少試驗人員對數(shù)據(jù)的處理工作.錄波有以下幾種啟動方式:手動錄波;試驗自動錄波;故障或異常自動錄波.錄波功能能夠記錄所有模擬量和所有的開關(guān)量，在故障發(fā)生前后各10 s的波形和異常狀態(tài)，完全保護故障現(xiàn)場，有利于故障的分析和事故的追憶.

4 現(xiàn)場試驗及性能

4.1 零起升壓試驗

合滅磁開關(guān)，就地操作“就地建壓”按鈕，通過發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器控制面板操作增磁，逐漸升壓至發(fā)電機機端電壓額定值，并記錄在發(fā)電機電壓上升過程中，記錄若干點的發(fā)電機機端電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓及觸發(fā)角度值.

通過試驗驗證勵磁系統(tǒng)人工零起升壓平穩(wěn)正常.

4.2 自動軟起勵升壓試驗

機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 rpm;合6 個可控硅整流柜交流、直流側(cè)刀閘;合上6 個整流柜的脈沖投入開關(guān);合滅磁開關(guān);投入起勵電源.發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器工作在“等待”狀態(tài)，控制方式為“電壓閉環(huán)”，起勵方式為“自動升壓”方式.在單控室用DCS 遠方建壓，調(diào)節(jié)器自動建壓至發(fā)電機定子電壓額定值，試驗情況見圖2.

從錄波圖可看到，起勵過程能有效協(xié)調(diào)電壓上升時間、電壓超調(diào)量，符合現(xiàn)場實際，能滿足現(xiàn)場運行的要求.

圖2 自動軟起勵升壓試驗錄波情況

4.3 發(fā)電機PT 斷線模擬試驗

4.3.1 發(fā)電機空載單套PT 斷線模擬試驗

將機端電壓調(diào)整為UFN. 在主界面觀察A 套為主，B 套為從，A/B 套空載，A/B 套正常，A/B 套控制方式在電壓閉環(huán).通過斷開A 套A 相機端電壓在1001輸入端子的聯(lián)片，模擬A 套PT 斷線故障.

在主界面觀察“PT”控件和“AVR”控件閃爍，通訊狀態(tài)為“A 套故障”，A 套閉環(huán)方式為“電流閉環(huán)”，A套為從，B 套為主.試驗完成后恢復(fù)模擬斷線.

通過試驗可看到，勵磁調(diào)節(jié)器能夠正確判斷PT斷線并快速切換至從套運行，發(fā)電機電壓控制穩(wěn)定.

4.3.2 發(fā)電機空載雙套PT 斷線模擬試驗

將機端電壓調(diào)整為UFN. 在主界面觀察A 套為主，B 套為從，A/B 套空載，A/B 套正常，A/B 套控制方式在電壓閉環(huán).

斷開A 套A 相機端電壓在1001 輸入端子的聯(lián)片，然后再斷開B 套A 相機端電壓在1001 輸入端子的聯(lián)片，模擬雙套PT 斷線故障.

在主界面觀察“PT”控件和“AVR”控件閃爍，兩套均故障，兩套閉環(huán)方式均為“電流閉環(huán)”. 試驗完成后恢復(fù)模擬斷線.通過試驗可看到，勵磁調(diào)節(jié)器能夠正確判斷雙套PT 斷線并快速切換運行方式，發(fā)電機電壓控制穩(wěn)定.

4.4 逆變滅磁試驗

將發(fā)電機機端電壓調(diào)至100%UFN，在NES5100 發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器上操作“就地逆變”按鈕，勵磁調(diào)節(jié)裝置發(fā)出逆變角觸發(fā)脈沖，發(fā)電機磁場逆變滅磁，機端電壓自動從100%UFN 緩慢降到0.記錄試驗波形見圖3.

圖3 逆變滅磁試驗

從錄波圖可看到，勵磁系統(tǒng)逆變滅磁功能正常，調(diào)節(jié)平穩(wěn).

4.5 空載V/F 限制試驗

自動建壓，將機端電壓調(diào)整為UFN. 降低機組轉(zhuǎn)速，使得機組頻率逐步降低到45 Hz.在從50 Hz 降低到47.16 Hz(V/F=1.06)的過程中，機端電壓和電壓給定保持不變，轉(zhuǎn)子電流逐漸上升;在到達47.16 Hz時，調(diào)節(jié)器報出V/F 限制，機端電壓下降;在47.16 Hz降低到45 Hz 的過程中，機端電壓持續(xù)下降;在小于45 Hz 時，調(diào)節(jié)器自動逆變停機.(此試驗是在升高機端電壓的條件下所做.)

通過試驗可看到，勵磁系統(tǒng)V/F 限制功能正常，調(diào)節(jié)平穩(wěn).

4.6 功率柜退出試驗

試驗內(nèi)容:將發(fā)電機機端電壓調(diào)節(jié)至100%UFN，選擇退出FLZ1－3 發(fā)電機可控硅整流柜，將該功率柜脈沖控制把手置于“切除”位，觀察FLZ1－3 可控硅整流柜以及另外3 個可控硅功率柜電流變化情況.

試驗結(jié)論:當(dāng)1 ～3 臺可控硅整流柜退出時，發(fā)電機勵磁電流平均分配至其他柜，發(fā)電機電壓控制平穩(wěn)，無波動.

4.7 負載切換試驗

在主界面觀察A 套為主，B 套為從，A/B 套負載，A/B 套正常，A/B 套控制方式“在電壓閉環(huán)”. 注意:在主界面觀察兩套電壓給定值相同、觸發(fā)角度接近、機端電壓實際值差別小于0.2%，可以進行主從切換.切換后，錄波觀察無功波動. 分別以A/B 套為主套，做“電壓閉環(huán)”與“電流閉環(huán)”切換的試驗，錄波觀察無功波動.如圖4 所示.

圖4 A 套電壓環(huán)到電流環(huán)的切換

4.8 過勵試驗

過勵試驗是為了驗證調(diào)節(jié)器過勵限制的功能，而不是為了驗證發(fā)電機無功滯相運行的能力.因此，可以通過修改過勵定值的方式來做試驗.

確定并記錄原“調(diào)試”“過欠勵”“過勵曲線”中“5點擬合”的值.修改以上定值，使過勵曲線略大于當(dāng)前無功值.

在主界面觀察有功、無功穩(wěn)定.現(xiàn)地增磁，使得無功值增加到當(dāng)前設(shè)置值以上. 此時，現(xiàn)象為增磁無效，無功被限制，等待5 s 后，2 套調(diào)節(jié)器均報出過勵限制.記錄當(dāng)前有功值和無功值. 在“調(diào)試”“錄波”欄中，手動停止錄波，上送并保存. 觀察波形中，無功應(yīng)有明顯被向下壓制的波形.現(xiàn)地減磁，使得調(diào)節(jié)器過勵限制復(fù)歸.

4.9 欠勵試驗

欠勵試驗是為了驗證調(diào)節(jié)器欠勵限制的功能，而不是為了驗證發(fā)電機無功進相運行的能力.因此，可以通過修改欠勵定值的方式來做試驗.

確定并記錄原“調(diào)試”“過欠勵”“欠勵曲線”中“5點擬合”的值.修改以上定值，使欠勵曲線略大于當(dāng)前無功值. 在主界面觀察有功、無功穩(wěn)定. 通過－2%階躍試驗，使得無功值減少到當(dāng)前設(shè)置值以下. 此時，現(xiàn)象為減磁無效，無功被限制，2 套調(diào)節(jié)器均報出欠勵限制.記錄當(dāng)前有功值和無功值.在“調(diào)試”“錄波”欄中，手動停止錄波，上送并保存. 觀察波形中，無功應(yīng)有明顯下降并被往上抬的波形.

4.10 均流試驗

均流試驗數(shù)據(jù)見表1.

表1 不同負荷條件下各整流柜電流值及均流系數(shù) A

5 結(jié) 語

通過上述試驗，勵磁系統(tǒng)各項功能均滿足相關(guān)規(guī)程的技術(shù)要求，可滿足綏中發(fā)電公司1 000 MW 汽輪發(fā)電機組的運行.

國華綏中發(fā)電廠2 ×1 000 MW 發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)，是國產(chǎn)化自并勵勵磁系統(tǒng)在1 000 MW 機組上的首次應(yīng)用，是國產(chǎn)化勵磁系統(tǒng)在百萬機組上的零的突破，國華綏中發(fā)電廠2 ×1 000 MW 發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)的成功投入運行，使我國在1 000 MW 級發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)研究和制造水平邁上新臺階，有利于促進相關(guān)行業(yè)的科技進步，并能加快推進我國大型電站裝備制造業(yè)國產(chǎn)化的進程.

［1］黃耀群，李興源.同步電機現(xiàn)代勵磁系統(tǒng)及其控制［M］.成都:成都科技大學(xué)出版社，1993.

［2］樊 俊.同步發(fā)電機半導(dǎo)體勵磁原理及應(yīng)用［M］.北京:水利電力出版社，1991.

［3］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2009.