張元棟，劉光權(quán)，柳呈祥，黃柯維

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443133)

某巨型水電站勵磁系統(tǒng)采用靜止式可控硅自并勵的勵磁方式，部分機組自2003年開始陸續(xù)投產(chǎn)，全部選用進(jìn)口勵磁設(shè)備。因運行時間長，勵磁調(diào)節(jié)器電子元器件老化，設(shè)備故障率逐年升高，備件已停產(chǎn)，庫存?zhèn)浼?shù)量嚴(yán)重不足，威脅設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運行；國家和電網(wǎng)對機組涉網(wǎng)功能提出了新要求、新標(biāo)準(zhǔn)，原勵磁系統(tǒng)PSS功能不能滿足要求。為此，該電站于2016開始著手研究設(shè)備技術(shù)改造路線及改造中涉及的具體技術(shù)問題。由于原進(jìn)口勵磁系統(tǒng)起勵裝置、功率整流設(shè)備及滅磁裝置運行穩(wěn)定，故障率低，備件充裕，均流效果理想，經(jīng)綜合評估，最終決定僅進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)器國產(chǎn)化改造，更換為國電南瑞電控公司生產(chǎn)的NES6100勵磁調(diào)節(jié)器。

1 勵磁調(diào)節(jié)器簡介

NES6100勵磁調(diào)節(jié)器是國電南瑞總結(jié)以往勵磁研發(fā)運行經(jīng)驗，研制出的第四代產(chǎn)品。

采用三層硬件架構(gòu)，最底層由FPGA完成AD采樣控制、脈沖生成、頻率測量、主從套切換等高實時的功能；中間層RP1283 DSP完成AD采樣值計算、勵磁實時控制及保護(hù)限制、DA輸出、雙套控制器通訊等核心功能；上層POWERPC負(fù)責(zé)對外通訊、錄波、變位記錄等功能；RP1001 DSP負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)方遙控、遙設(shè)等命令，根據(jù)工程實際需求，靈活組態(tài)順序控制邏輯[1-3]。

采用PID+PSS2B控制方式，與第三代產(chǎn)品NES5100勵磁調(diào)節(jié)器相比新增了定子電流限制器、PSS4B、PSVR等功能，優(yōu)化了各反時限環(huán)節(jié)，實現(xiàn)主輔環(huán)協(xié)調(diào)控制，進(jìn)一步提升了勵磁控制系統(tǒng)的可靠性。

2 改造的實現(xiàn)和新技術(shù)的應(yīng)用

此次為部分改造，相對設(shè)備整體更換造成了大量的系統(tǒng)兼容性、接口配合、控制功能需單獨開發(fā)等一系列技術(shù)難題，為解決上述技術(shù)難題并滿足實際現(xiàn)場運行的需要，該電站聯(lián)合國電南瑞在設(shè)備選型、設(shè)計、安裝調(diào)試階段對勵磁調(diào)節(jié)器硬件和軟件進(jìn)行了大量改進(jìn)。

2.1 首次實現(xiàn)國產(chǎn)調(diào)節(jié)器與進(jìn)口西門子功率柜完美配合

原進(jìn)口勵磁調(diào)節(jié)器采用雙窄脈沖群的觸發(fā)方式，此次僅改造勵磁調(diào)節(jié)器，需要重新設(shè)計開發(fā)NES6100勵磁調(diào)節(jié)器的脈沖接口電路、脈沖分配板及脈沖觸發(fā)程序，以實現(xiàn)與功率整流柜內(nèi)脈沖變回路的匹配。

硬件結(jié)構(gòu)上，為提高脈沖驅(qū)動功率和穩(wěn)定性，將NES6100勵磁調(diào)節(jié)器脈沖板接口電路的開關(guān)器件由MOS管更換為連續(xù)IC為5A的NPN三極管；為匹配功率整流柜的脈沖傳輸方式，設(shè)計脈沖分配板，將調(diào)節(jié)器的脈沖輸出信號擴展成7個原進(jìn)口勵磁脈沖電纜專用接口，簡單可靠的實現(xiàn)了脈沖接口的統(tǒng)一。

控制策略上，設(shè)計開發(fā)了勵磁調(diào)節(jié)器脈沖觸發(fā)程序，脈沖頻率、個數(shù)和脈寬等參數(shù)與原進(jìn)口調(diào)節(jié)器保持一致，同時設(shè)計了脈沖檢測電路，可實時診斷并報出故障，完成雙套無擾動切換至備用通道，不會因脈沖故障而導(dǎo)致機組失磁保護(hù)動作而跳機。

2.2 優(yōu)化完善了PSS功能

部分機組原進(jìn)口勵磁調(diào)節(jié)器安裝外置硬件PSS2B裝置，外置PSS裝置硬件老化，附加的外部PSS信號回路給勵磁系統(tǒng)安全運行帶來隱患；部分機組原進(jìn)口勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)置PSS2B軟件，內(nèi)置PSS引入的ω信號取自機端電壓頻率，在動態(tài)過程中轉(zhuǎn)速和機端電壓頻率的差值足以影響PSS的補償效果，對系統(tǒng)阻尼有惡化作用，不符合現(xiàn)行行業(yè)技術(shù)要求。改造后的勵磁調(diào)節(jié)器全部內(nèi)置PSS2B/4B兩種模型，PSS2B模型ω信號取自發(fā)電機q軸虛擬電氣分量Eq的頻率，試驗證明其對0.1～2 Hz的低頻振蕩具有良好的阻尼作用，滿足電網(wǎng)要求。預(yù)裝的PSS4B模型能更好地對各種頻段低頻振蕩起到抑制作用，同時PSS4B對電力系統(tǒng)聯(lián)系阻抗的強弱具有較好的適應(yīng)性，為今后電網(wǎng)運行的更高要求做好了準(zhǔn)備。

2.3 實現(xiàn)了母線電壓跟蹤功能

原進(jìn)口勵磁調(diào)節(jié)器無跟蹤母線電壓功能，多年來的運行發(fā)現(xiàn)，隨著季節(jié)的不同，母線電壓有一定范圍的變化，機組并網(wǎng)時，機端電壓和母線電壓之間有一定的差值，會造成并網(wǎng)時較大的無功功率沖擊，最大值達(dá)220 Mvar，沖擊電流的電動力對發(fā)電機定子繞組、變壓器繞組均產(chǎn)生沖擊，定子繞組端部機械強度最弱，這種沖擊日積月累會威脅發(fā)電機的安全運行。改造后的勵磁調(diào)節(jié)器具有跟蹤母線電壓的功能，將母線電壓引入勵磁調(diào)節(jié)器，并網(wǎng)前，勵磁調(diào)節(jié)器給定值跟蹤母線電壓，徹底解決了機組同期并網(wǎng)過程中因機端電壓和系統(tǒng)電壓測量誤差引起的無功沖擊問題。

2.4 開發(fā)了試驗方式功能

在水輪機組試驗中經(jīng)常進(jìn)行零起升壓、升流試驗和勵磁大電流、小電流等試驗，目前行業(yè)中，多需要修改勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)和相關(guān)程序，過程繁瑣、效率低，存在著一定安全隱患。

改造后的勵磁調(diào)節(jié)器首次增加了“試驗方式”功能，將試驗壓板投入后，即可進(jìn)行各種勵磁開環(huán)試驗，完全不受外部開關(guān)狀態(tài)的限制。

2.5 開發(fā)了模擬量錄波功能

改造后的勵磁調(diào)節(jié)器新增模擬量錄波功能，當(dāng)1.66 ms運算周期前后，模擬量百分值變化量大于參數(shù)設(shè)定值，變量錄波為1，保持0.5 s，變量錄波上升沿觸發(fā)錄波?；趯Ｓ貌ㄐ挝募榭垂ぞ?，可快速分析波形的階躍上升時間、調(diào)節(jié)時間、阻尼比、振蕩次數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，為故障處理提供依據(jù)。

2.6 優(yōu)化了PT斷線檢測方法

原進(jìn)口勵磁系統(tǒng)PT斷線判斷策略單一，無法反映PT斷線的多種情況。改造后的勵磁調(diào)節(jié)器加快了主備調(diào)節(jié)器的切換時間，增加了定子電壓負(fù)序分量、電壓電流相關(guān)性等判據(jù)，通過全面檢測發(fā)電機定子電壓、電流和轉(zhuǎn)子電流，并根據(jù)在各種PT斷線和短路情況下各個量的不同變化組合，正確判斷各種PT斷線故障，并能正確區(qū)別PT斷線和發(fā)電機出口短路，為發(fā)電機勵磁控制裝置提供正確的控制基準(zhǔn)，保障機組安全運行(見圖1)。

圖1 改造后PT斷線判據(jù)圖

2.7 增加智能電站多場景支撐功能

原進(jìn)口勵磁調(diào)節(jié)器只提供PROFIBUS通訊協(xié)議和接口。改造后的勵磁調(diào)節(jié)器支持多種通訊協(xié)議，為后續(xù)建設(shè)智能化電站奠定了基礎(chǔ)。

3 投產(chǎn)試驗情況

勵磁調(diào)節(jié)器改造后，嚴(yán)格按照現(xiàn)行國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)程要求完成了相應(yīng)的試驗項目，試驗結(jié)果均符合或優(yōu)于國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，試驗結(jié)果見表1。

表1 勵磁調(diào)節(jié)器國產(chǎn)化改造試驗結(jié)果對比分析表

同時，為適應(yīng)電網(wǎng)要求，委托中國電力科學(xué)研究院進(jìn)行了PSS、進(jìn)相等涉網(wǎng)試驗，試驗結(jié)果表明機組勵磁系統(tǒng)PSS功能和發(fā)電機進(jìn)相能力完全滿足系統(tǒng)要求。依據(jù)《電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗導(dǎo)則》要求，進(jìn)行了勵磁系統(tǒng)PSS試驗及參數(shù)整定，試驗結(jié)果表明，改造后的PSS對系統(tǒng)0.1～2 Hz的功率低頻振蕩有良好的正阻尼作用，并且抑制反調(diào)效果明顯(見圖2)。

圖2 改造后PSS試驗曲線圖

在實測的進(jìn)相能力范圍內(nèi)，整定發(fā)電機低勵限制曲線如圖3所示，整個進(jìn)相試驗過程中失磁保護(hù)未動作。最大進(jìn)相深度達(dá)-300 Mvar，試驗結(jié)果完全滿足國網(wǎng)要求。

圖3 改造后低勵限制曲線圖

4 結(jié) 語

為提高機組運行穩(wěn)定性，該巨型電站已完成機組勵磁調(diào)節(jié)器國產(chǎn)化改造，此次國產(chǎn)化改造為國內(nèi)首次實現(xiàn)國產(chǎn)調(diào)節(jié)器與進(jìn)口西門子功率柜完美配合，解決了勵磁系統(tǒng)PSS功能不滿足現(xiàn)行國家要求和同期并網(wǎng)時無功沖擊較大的問題，優(yōu)化了PT斷線判據(jù)策略，提升了用戶體驗感，延長了原功率整流柜的使用年限，減少了改造成本，實現(xiàn)了勵磁系統(tǒng)整體性能和可靠性的最優(yōu)化。從2017年4月首臺8號機組完成改造投運至今，設(shè)備運行穩(wěn)定，完全滿足國家和電網(wǎng)對機組涉網(wǎng)性能的要求，其控制精度、穩(wěn)定性、控制靈活性都得到了大幅提高，達(dá)到改造設(shè)計要求和目標(biāo)。