孔祥帥

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

深圳抽水蓄能電站位于廣東省深圳市鹽田區(qū)和龍崗區(qū)交界處，毗鄰香港特別行政區(qū)，站址距深圳市中心約20 km，為日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，工程裝設(shè)4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量1 200 MW，平均水頭448.30 m，單機(jī)額定容量334 MW，額定功率因數(shù)(滯后)0.9，額定機(jī)端電壓15.75 kV，額定勵(lì)磁電壓327 V，額定勵(lì)磁電流1 600 A，空載勵(lì)磁電壓132 V，空載勵(lì)磁電流743 A。該電站在電力系統(tǒng)中的主要任務(wù)是調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等，勵(lì)磁系統(tǒng)由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)、制造。

勵(lì)磁系統(tǒng)為發(fā)電機(jī)提供磁場(chǎng)電流，包含多種控制和限制邏輯，是保證發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行的重要組成部分，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及電網(wǎng)質(zhì)量起著重要作用[1]。

深圳抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)采用靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)斷路器和主變壓器之間的15.75 kV離相封閉母線。勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除了滿足機(jī)組發(fā)電、抽水、調(diào)相、線路充電(零起升壓)運(yùn)行的要求外，還應(yīng)滿足機(jī)組發(fā)電啟動(dòng)、電動(dòng)工況啟動(dòng)(包括SFC和BTB啟動(dòng))、黑啟動(dòng)、電氣制動(dòng)以及準(zhǔn)同期并網(wǎng)等要求。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)硬件配置

深圳抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)由調(diào)節(jié)控制單元、整流單元、滅磁及過(guò)壓保護(hù)回路、交流側(cè)斷路器和勵(lì)磁變壓器等組成，UNITROL 6800 T6S勵(lì)磁系統(tǒng)邏輯框圖如圖1所示。

圖1 UNITROL 6800 T6S勵(lì)磁系統(tǒng)邏輯框圖

1.1 調(diào)節(jié)控制單元

勵(lì)磁系統(tǒng)配備雙調(diào)節(jié)通道加一個(gè)獨(dú)立的備用手動(dòng)通道，每個(gè)調(diào)節(jié)通道設(shè)有自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)(AVR)和勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)(FCR)功能，實(shí)現(xiàn)控制回路的冗余設(shè)計(jì)。自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)范圍為發(fā)電機(jī)額定電壓的70%～110%，勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)范圍為發(fā)電機(jī)空載額定勵(lì)磁電流的20%～110%[2]。

勵(lì)磁系統(tǒng)除擁有過(guò)勵(lì)限制、欠勵(lì)限制、V/Hz限制、定子電流限制及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)等常規(guī)功能外，為配合抽水蓄能機(jī)組特殊工況要求，還配置起始勵(lì)磁控制功能、SFC啟動(dòng)控制功能、背靠背發(fā)電拖動(dòng)控制功能、背靠背水泵被拖動(dòng)控制功能和電氣制動(dòng)控制功能等。

1.2 整流單元

深圳抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)由三個(gè)三相全控整流橋組成整流功率單元，整流單元采用n-1冗余設(shè)計(jì)[3]。為了抑制晶閘管元件在換相過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰過(guò)電壓，在每個(gè)整流單元交流側(cè)配置了尖峰吸收裝置。每個(gè)整流單元內(nèi)配置有單獨(dú)的整流橋控制板來(lái)負(fù)責(zé)整流橋整體的控制和監(jiān)視功能，包括采集單橋勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、陽(yáng)極電壓和整流橋風(fēng)道溫度等，并且負(fù)責(zé)整流橋均流和風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制。整流單元采用強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)，每個(gè)整流單元配4個(gè)冷卻風(fēng)機(jī)，兩個(gè)一組，兩組風(fēng)機(jī)互為備用。風(fēng)機(jī)電源采用冗余電源設(shè)計(jì)，一路取自廠用電，另一路取自勵(lì)磁變壓器，確保整流單元冷卻系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 滅磁及過(guò)壓保護(hù)回路

滅磁開(kāi)關(guān)采用HPB 45M-82S直流高速斷路器，額定電流4 500 A，HPB直流開(kāi)關(guān)弧室比較大，安全性能好，保證在強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)及勵(lì)磁回路短路時(shí)可靠斷開(kāi)勵(lì)磁回路。滅磁開(kāi)關(guān)設(shè)有電氣跳閘和機(jī)械跳閘機(jī)構(gòu)，電氣跳閘設(shè)有雙跳閘線圈，操作電壓為直流220 V。

滅磁回路由CROWBAR串聯(lián)滅磁電阻組成，因抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，阻尼吸收滅磁能量較小，故絕大部分的磁場(chǎng)能量需要依靠滅磁電阻消耗。為保證滅磁的快速性，采用SiC非線性電阻，并按20%裕量設(shè)計(jì)，可在發(fā)電機(jī)停機(jī)或事故滅磁時(shí)消耗轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)能量，防止對(duì)轉(zhuǎn)子繞組及勵(lì)磁系統(tǒng)造成損害。

1.4 交流側(cè)斷路器

為了能夠在機(jī)組停機(jī)時(shí)將勵(lì)磁系統(tǒng)與勵(lì)磁變壓器隔離或防止勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部短路，在勵(lì)磁系統(tǒng)交流進(jìn)線屏內(nèi)裝設(shè)一臺(tái)ABB E3H/E 2500可抽出型斷路器，斷路器采用雙跳閘線圈，操作電壓為直流220 V，設(shè)有10對(duì)常開(kāi)和常閉接點(diǎn)。斷路器采用可抽出式設(shè)計(jì)，以保證調(diào)試或檢修時(shí)人員安全。

1.5 起勵(lì)單元

機(jī)組正常起勵(lì)由電網(wǎng)經(jīng)勵(lì)磁變供電，為了使機(jī)組在電網(wǎng)失電時(shí)能緊急啟動(dòng)發(fā)電，勵(lì)磁系統(tǒng)還設(shè)有由廠用直流220 V蓄電池供電的備用直流起勵(lì)回路。在起勵(lì)命令發(fā)出后，整流橋開(kāi)始工作，當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓超過(guò)30%額定機(jī)端電壓后，起勵(lì)回路自動(dòng)斷開(kāi)，勵(lì)磁系統(tǒng)開(kāi)始獨(dú)立工作。如果在起勵(lì)命令發(fā)出10 s后，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓未達(dá)到設(shè)定值，勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出起勵(lì)失敗報(bào)警，并斷開(kāi)起勵(lì)回路。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

與常規(guī)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)相比，深圳抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)為方便檢修，在勵(lì)磁系統(tǒng)交流側(cè)增加了斷路器，在檢修時(shí)可以斷開(kāi)勵(lì)磁系統(tǒng)的主回路電源，以保證檢修時(shí)的人員安全。為避免發(fā)電機(jī)集電環(huán)正負(fù)極磨損不均勻，在勵(lì)磁系統(tǒng)直流輸出側(cè)增加了極性轉(zhuǎn)換裝置。這需要對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證勵(lì)磁系統(tǒng)整體安全穩(wěn)定性。

2.1 交流側(cè)斷路器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

ABB E3H/E 2500型斷路器為水平后出線端子設(shè)計(jì)，連接端子寬度為96 mm，端子間距為30 mm。如果不經(jīng)處理直接使用寬度為100 mm的常規(guī)連接銅排，銅排間距僅為26 mm，為交流進(jìn)線屏內(nèi)電氣間隙最近的部分，無(wú)法保證整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的絕緣耐壓能力，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行存在極大的安全隱患。常規(guī)改進(jìn)方案需在銅排外套絕緣護(hù)套，但長(zhǎng)期運(yùn)行存在絕緣護(hù)套老化降低絕緣能力的風(fēng)險(xiǎn)。

該項(xiàng)目將寬度為100 mm的常規(guī)連接銅排加工成與斷路器連接端子同寬的96 mm銅排，簡(jiǎn)單有效地增加了銅排間距，保證了勵(lì)磁系統(tǒng)的整體絕緣耐壓要求，又避免了使用銅排外加絕緣護(hù)套而產(chǎn)生的其他問(wèn)題。優(yōu)化后的交流側(cè)斷路器與連接銅排裝配后視圖，如圖2所示。

圖2 交流側(cè)斷路器與連接銅排裝配后視圖

2.2 直流側(cè)極性轉(zhuǎn)換裝置

勵(lì)磁系統(tǒng)的直流輸出，由出線柜經(jīng)母線送至發(fā)電機(jī)集電環(huán)處，經(jīng)碳刷與集電環(huán)連接，為轉(zhuǎn)子提供磁場(chǎng)。如果不倒換勵(lì)磁系統(tǒng)，直流輸出極性且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致集電環(huán)正負(fù)極磨損的不均勻。為了能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠的倒換勵(lì)磁系統(tǒng)，在勵(lì)磁系統(tǒng)直流輸出側(cè)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)直流輸出側(cè)的結(jié)構(gòu)和空間條件，在輸出側(cè)增加了極性轉(zhuǎn)換銅排，停機(jī)時(shí)倒換極性轉(zhuǎn)換銅排連接方式即可簡(jiǎn)單可靠地實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電壓極性轉(zhuǎn)換功能，有效避免發(fā)電機(jī)集電環(huán)正負(fù)極磨損不均勻。直流側(cè)極性轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)深圳抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)硬件的合理配置及為電站特殊要求而進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了勵(lì)磁系統(tǒng)的性能可以滿足抽水蓄能電站機(jī)組發(fā)電、抽水、調(diào)相和線路充電等多工況的運(yùn)行要求。

[1] 李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2] 竺士章.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

圖3 直流側(cè)極性轉(zhuǎn)換裝置

[3] 王稚惠.勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)字均流的實(shí)現(xiàn)[J].上海電氣技術(shù)，2013，6(4)：59-62.