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(國電南京自動化股份有限公司，南京 210032)

1 問題的提出

華電上海奉賢燃機發(fā)電有限公司(以下簡稱奉賢發(fā)電公司)一期為4×180 MW雙燃料9E級一拖一多軸布置燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組。機島設(shè)備采用GE公司的PG9171E型燃氣輪機(以下簡稱燃機)，燃機發(fā)電機采用閉式空冷，額定出力136 MW。燃機發(fā)電機勵磁方式為兩機一變無刷勵磁，勵磁變壓器(以下簡稱勵磁變)電源取自廠用電源母線，變比400/280，勵磁機額定勵磁電壓100 V，額定勵磁電流12.6 A。相關(guān)一次設(shè)備接線圖如圖1所示。

原勵磁系統(tǒng)采用奧地利ELIN公司生產(chǎn)的THYNE4型單通道勵磁調(diào)節(jié)器，配置為單控制器單整流橋，不滿足《汽輪發(fā)電機運行規(guī)程》(國電發(fā)〔1999〕579號文)“發(fā)電機應配備雙自動通道勵磁

圖1 勵磁系統(tǒng)一次設(shè)備接線Fig.1 Excitation system primary equipment wiring

調(diào)節(jié)器”要求。本次改造計劃將原有單控制器改為雙控制器，雙控制器自動通道采用一主一熱備運行方式；單整流橋改為雙整流橋并聯(lián)互為熱備用方式運行； 要配合機島控制系統(tǒng)(Mark VI)實現(xiàn)機組的一鍵啟停。

本文以奉賢發(fā)電公司一期#11，#21 9E燃機無刷勵磁系統(tǒng)為例，介紹了PSVR 100發(fā)電機勵磁系統(tǒng)在GE 9E燃機無刷勵磁系統(tǒng)上的國產(chǎn)化改造應用情況。

2 主要技術(shù)工作

與常規(guī)的勵磁系統(tǒng)比較，9E燃機無刷勵磁系統(tǒng)的特殊之處在于該型勵磁系統(tǒng)需要與機島控制系統(tǒng)(Mark VI)交互配合，實現(xiàn)機組的一鍵啟停，也是該型勵磁系統(tǒng)改造的技術(shù)難點。

經(jīng)過前期的技術(shù)研究、圖紙分析和現(xiàn)場實際確認，確定了改造后的勵磁系統(tǒng)與MARK VI系統(tǒng)之間交互的關(guān)鍵信號量(見表1)，確保改造后勵磁系統(tǒng)與MARK VI系統(tǒng)之間的功能匹配一致。

表1 勵磁系統(tǒng)與MARK VI通信信號Tab.1 Excitation system and MARK VI signal

通過對該燃機啟停過程及交互信號的梳理分析、實際操作、試驗確認，最終確定燃機的啟停動過程。

2.1 啟動過程

燃機在啟動時，Mark VI根據(jù)機組的啟動進度情況對勵磁系統(tǒng)發(fā)出相應的指令。在發(fā)電機到達95%額定轉(zhuǎn)速時，合勵磁系統(tǒng)電源開關(guān)，同時令勵磁系統(tǒng)投入運行；在發(fā)電機達到98%額定轉(zhuǎn)速時,令勵磁系統(tǒng)開始投入建壓，將機端電壓快速建至95%額定電壓。

勵磁系統(tǒng)在建壓完成后對Mark VI系統(tǒng)反饋建壓完成信號，允許同期，進入下一步同期流程。

由MARK VI系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機電壓信號和母線電壓信號進行同期判斷，當轉(zhuǎn)速、電壓滿足并網(wǎng)條件后出口操作同期并網(wǎng)。

相關(guān)啟動流程如圖2所示。

圖2 啟動流程Fig.2 Start-up process

2.2 停機過程

燃機在停機時，首先由運行人員將Mark VI系統(tǒng)投入恒功率因數(shù)(PF)控制模式，手動操作降低有功負荷給定值，準備機組解列；由于機組處于PF控制模式下，在減有功負荷的同時Mark VI系統(tǒng)也會控制勵磁系統(tǒng)減無功負荷。

有功負荷低于一定門檻值后，由運行人員將Mark VI投入恒無功模式，將無功負荷給定值設(shè)為零，控制勵磁系統(tǒng)減無功負荷到零，由勵磁裝置判斷有功負荷、無功負荷均低于門檻值且有MARK VI系統(tǒng)發(fā)來的停機指令(L94X1)后動作出口解列。

這一點區(qū)別于常規(guī)機組勵磁系統(tǒng)只接收無功負荷減載命令減無功負荷，勵磁裝置作為停機過程中解列指令的發(fā)出者，既要動作準確，還要防止誤動。

發(fā)電機解列后一段時間，勵磁系統(tǒng)根據(jù)MARK VI系統(tǒng)停機指令(L94X1)繼續(xù)自動完成下列操作：逆變停機，將機端電壓減小到零；分勵磁電源開關(guān)，勵磁調(diào)節(jié)裝置退出運行，最終完成燃機發(fā)電機組的停機流程。相關(guān)停機流程如圖3所示。

3 改造方案及試驗

3.1 改造方案

針對該型機組的特點和現(xiàn)場實際情況，改造方案為：PSVR 100發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)柜1面(即燃機勵磁控制盤)，柜內(nèi)布置滿足該燃機啟?？刂埔蟮碾p套發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)裝置，一主一熱備；雙套三相全控整流橋并列運行；增加1套就地勵磁人機界面(HMI)監(jiān)控系統(tǒng)以及與MARK VI系統(tǒng)配合所需的全套接口回路(包括1套發(fā)電機測控變送器、同期控制回路、保護出口回路等)。

圖3 停機流程Fig.3 Shutdown process

根據(jù)該型燃機無刷勵磁系統(tǒng)的特點，基于成熟的啟?？刂撇呗院徒换ナ皆O(shè)計理念，對PSVR 100勵磁系統(tǒng)功能進行優(yōu)化和拓展，并進行靜態(tài)及動態(tài)啟停過程模擬，實現(xiàn)與原Mark VI設(shè)備快速交互控制、一鍵啟停等功能。

該燃機無刷勵磁系統(tǒng)為常規(guī)二機一變勵磁系統(tǒng)，由于勵磁機時間常數(shù)較大，PSVR 100勵磁系統(tǒng)使用如圖4所示的傳遞函數(shù)，采用了轉(zhuǎn)子電壓負反饋，以減少勵磁機的時間常數(shù)，將常規(guī)勵磁系統(tǒng)改造成為接近快速勵磁系統(tǒng)水平，提高了發(fā)電機及電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖4 調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)Fig.4 Regulator transfer function

PSRV 100勵磁系統(tǒng)配有專用的HMI，其配置如圖5所示。該人機界面能夠就地顯示雙套勵磁裝置的狀態(tài)和信息；可方便進行定值修改、試驗操作、錄波查詢等功能；界面友好，易操作，可提高現(xiàn)場調(diào)試效率，方便運行人員維護[1]。

圖5 HMI配置Fig.5 HMI configuration

3.2 相關(guān)試驗

改造完成后對新的勵磁系統(tǒng)進行了靜態(tài)模擬及動態(tài)試驗。靜態(tài)試驗包括勵磁屏柜內(nèi)開入開出傳動、模擬量通道校驗、保護校驗、小電流試驗、邏輯功能聯(lián)調(diào)等。動態(tài)試驗分為空載試驗及負載試驗，空載動態(tài)試驗包括零起升壓、階躍、逆變、通道切換、自動手動切換及各種保護限制功能及滅磁試驗等，負載動態(tài)試驗包括并網(wǎng)帶負荷、通道切換、低勵進相、調(diào)差等試驗。選取部分靜態(tài)、動態(tài)試驗如下。

該型機組勵磁方式為兩機一變勵磁，可以利用勵磁變作為小電流試驗所需電源，在確保設(shè)備和人員安全的情況下還可直接利用勵磁繞組作為負載進行小電流試驗。該試驗方式可驗證勵磁系統(tǒng)主回路的正確性，并可直接驗證手動環(huán)(恒電流模式PID)的調(diào)節(jié)性能。

邏輯功能聯(lián)調(diào)作為靜態(tài)試驗的最后一個環(huán)節(jié)，模擬燃機啟停過程中對勵磁系統(tǒng)的配合情況進行校驗。由于MARK VI系統(tǒng)所需的發(fā)電機電壓、電流、有功功率、無功功率等相關(guān)電氣量(DC 4～20 mA)來自于勵磁屏柜內(nèi)測控變送器，因此利用繼電保護測試儀對勵磁屏柜相關(guān)端子外加模擬量，模擬出發(fā)電機建壓，帶有功功率、無功功率等工況。該試驗還需分散控制系統(tǒng)(DCS)熱控專業(yè)人員配合將MARK VI系統(tǒng)內(nèi)的一些DI，DO量根據(jù)需要進行強制，配合繼電保護測試儀，驗證勵磁系統(tǒng)在燃機啟停過程中的邏輯功能是否正確。

相關(guān)空載試驗波形如圖6所示。 圖6a為自動建壓試驗波形，設(shè)定目標值95%額定機端電壓，步長每秒10%，建壓過程中超調(diào)量為0.253%；圖6b為階躍響應(±5%)試驗波形，設(shè)定100%額定機端電壓下給定階躍量5%，試驗按先下階躍再上階躍方式，計算出上階躍上升時間0.52 s，調(diào)節(jié)時間2.40 s，階躍過程中超調(diào)量為7.533%，無振蕩，試驗結(jié)果均滿足標準要求[2]。

圖6 空載試驗波形Fig.6 No-load test waveform

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)采用PSS2B的模型，如圖7所示，將經(jīng)過掃頻試驗后確定的PSS參數(shù)固化到裝置，分別進行PSS功能投/退試驗。圖8為PSS功能投退情況下階躍有功功率錄波，根據(jù)試驗波形可看出，PSS投入后發(fā)電機的有功功率振蕩得到了明顯抑制，增加了勵磁系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，波形振蕩頻率變化符合要求，阻尼比有較大提高， PSS作用正確[3]。

圖7 PSS2B模型Fig.7 PSS2B model

圖8 PSS功能投退情況下階躍有功功率錄波Fig.8 Step active power recording with/without PSS

上述靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗結(jié)果表明，國產(chǎn)化PSVR 100發(fā)電機勵磁系統(tǒng)能夠滿足該9E 燃機及類似機組的運行及啟停要求，調(diào)節(jié)控制性能優(yōu)良，相關(guān)保護邏輯功能動作準確。

4 結(jié)論

PSVR100發(fā)電機勵磁系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了在奉賢發(fā)電公司9E燃機#11，#21機組的國產(chǎn)化改造。近1年來，PSVR100勵磁系統(tǒng)各項控制性能良好，通過各種運行工況的考驗，運行平穩(wěn)，與MARKVI系統(tǒng)交互配合良好，運行穩(wěn)定、可靠，機組啟停正常，獲得了用戶的認可和好評。與改造前相比，大大提高了機組的可靠性，縮短了維護響應時間，降低了勵磁設(shè)備的運行維護費用。

9E燃機無刷勵磁系統(tǒng)的成功國產(chǎn)化改造表明，PSVR 100勵磁系統(tǒng)各項性能優(yōu)越，運行穩(wěn)定，保護和控制性能符合國家及行業(yè)勵磁標準，滿足燃機安全、穩(wěn)定運行的各項技術(shù)要求，打破了進口設(shè)備的技術(shù)壟斷，實現(xiàn)了9E燃機無刷勵磁系統(tǒng)以及該類電力控制設(shè)備的國產(chǎn)化，為國內(nèi)很多相同或類似機組提供了更多、更好的選擇，經(jīng)濟和社會效益顯著。