薛林鋒，崔超，馬少杰，鄭杰銳

（1.中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510860；2.鞍鋼第二發(fā)電廠，遼寧鞍山 114000）

引言

CCPP 是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組(Combined Cycle Power Plant)的簡稱。鋼鐵廠在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的低熱值高爐煤氣，國內(nèi)各大鋼鐵廠普遍配套有適合利用這種煤氣做燃料的CCPP 發(fā)電機(jī)組，通過CCPP 對鋼鐵行業(yè)副產(chǎn)煤氣的回收利用，可減少高爐煤氣的放散、降低能源損失、減輕大氣環(huán)境污染[1]。鞍鋼第二發(fā)電廠2006年建成了整套進(jìn)口三菱CCPP 發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)容量為300 MW，勵磁系統(tǒng)型號為MEC5000型號。投產(chǎn)十多年來，由于原裝進(jìn)口設(shè)備多采用技術(shù)黑匣子，出現(xiàn)故障缺陷時(shí)難以詳細(xì)分析原因，且使用后期故障率開始升高，備品和服務(wù)費(fèi)用昂貴，實(shí)施國產(chǎn)化改造的需求迫切。

1 CCPP發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)國產(chǎn)化設(shè)計(jì)

勵磁系統(tǒng)國產(chǎn)化主要要考慮以下幾方面：調(diào)節(jié)器部分、功率變換部分、滅磁及過壓保護(hù)部分、對外接口設(shè)計(jì)。

1.1 勵磁調(diào)節(jié)器國產(chǎn)化

國產(chǎn)EXC9200 勵磁調(diào)節(jié)器，采用PowerPC+FPGA 架構(gòu)，硬件使用800 MHz 的PowerPC 處理器和大容量FPGA 芯片，采用高速高密電路設(shè)計(jì)技術(shù)；軟件應(yīng)用Vxworks 高性能嵌入式操作系統(tǒng)，整體調(diào)節(jié)器運(yùn)算周期小于1 ms；電磁兼容性設(shè)計(jì)達(dá)到國際電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-4和IEC61000-4-5最高的四級抗擾度指標(biāo)等級；調(diào)節(jié)器采用雙微機(jī)通道冗余，調(diào)節(jié)通道輸入、輸出完全獨(dú)立。通道之間的切換采用優(yōu)先級高低、自動切換的策略。雙通道調(diào)節(jié)器框圖見圖1。

調(diào)節(jié)部分是勵磁系統(tǒng)的核心控制部分，一般由人機(jī)界面、調(diào)節(jié)通道、開關(guān)量輸入/輸出板、智能IIU板和特殊功能模塊組成。人機(jī)界面提供了友好的人機(jī)接口，運(yùn)行維護(hù)人員可通過人機(jī)界面對勵磁系統(tǒng)進(jìn)行簡單的操作控制。

圖1 雙通道調(diào)節(jié)器框圖

鞍鋼第二發(fā)電廠CCPP 機(jī)組采用雙調(diào)節(jié)通道，通道間實(shí)現(xiàn)完全對等冗余，互為備用。每個(gè)調(diào)節(jié)通道有兩塊板件，模擬量板實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)據(jù)采集，主控制板實(shí)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)PID 運(yùn)算和及PSS 等調(diào)節(jié)功能。開關(guān)量輸入/輸出板為調(diào)節(jié)器提供一個(gè)對外輸入、輸出接口。智能IIU 可通過通信和硬接點(diǎn)的方式把調(diào)節(jié)器內(nèi)部狀態(tài)量輸出至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)也可通過通信的方式對勵磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人為調(diào)節(jié)。系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)節(jié)器及各板件之間通過雙CAN 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。智能IIU 板、特殊功能模塊和雙調(diào)節(jié)通道通過CAN 總線1 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)調(diào)節(jié)通道CHA、CHB、CHC 和開關(guān)量輸入/輸出板件間通過CAN 總路線2 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。2 條CAN 總路線相互獨(dú)立。

1.2 勵磁功率柜國產(chǎn)化

按照機(jī)組建設(shè)時(shí)的設(shè)計(jì)，鞍鋼第二發(fā)電廠CCPP 機(jī)組的勵磁功率柜與勵磁調(diào)節(jié)器分別放置在發(fā)電機(jī)旁和控制室。勵磁系統(tǒng)配置有3個(gè)三相全控橋，每個(gè)橋配置有獨(dú)立的雙風(fēng)機(jī)。

改造前的三菱勵磁整流橋采用串聯(lián)風(fēng)道設(shè)計(jì)，沒有停風(fēng)機(jī)運(yùn)行能力。散熱風(fēng)機(jī)僅采用一路自用交流電進(jìn)行供電，一旦自用交流電源回路故障，風(fēng)機(jī)將停止運(yùn)行，調(diào)節(jié)器將限制負(fù)載，影響機(jī)組正常運(yùn)行[2]。功率柜采用常規(guī)整流橋設(shè)計(jì)，沒有自動均流功能，運(yùn)行多年后均流系數(shù)低于85%。

改造后的勵磁整流橋采用并聯(lián)風(fēng)道，具備停風(fēng)機(jī)運(yùn)行能力，并且每個(gè)橋的風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)不影響其他整流橋的正常輸出，減少了風(fēng)機(jī)故障引起停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，采用集中式阻容保護(hù)替代之前的分散式阻容保護(hù)，同時(shí)吸收交流側(cè)和直流側(cè)的尖峰過電壓。采用智能化功率柜，實(shí)現(xiàn)智能檢測、智能顯示、智能控制。多個(gè)功率柜間采用動態(tài)均流技術(shù)，功率柜間的均流系數(shù)達(dá)到97%以上。各個(gè)功率柜與調(diào)節(jié)柜之間的信息傳輸采用CAN 總線的方式，采用光纖傳輸觸發(fā)脈沖，且每個(gè)功率柜傳輸通道獨(dú)立，彼此不受影響，從而大大提高了可靠性。

1.3 滅磁系統(tǒng)國產(chǎn)化

原三菱勵磁系統(tǒng)采用交流滅磁的原理，在交流側(cè)裝有一臺三極斷路器，直流側(cè)裝有線性電阻。交流滅磁原理在滅磁時(shí)對脈沖控制有嚴(yán)格的時(shí)序要求[3]。改造后的滅磁系統(tǒng)采用目前普遍使用的直流滅磁方案，整流橋的直流側(cè)安裝有一臺瑞士賽雪龍生產(chǎn)的UR36 直流磁場斷路器，滅磁電阻采用碳化硅（SiC）非線性電阻，加上跨接器組成滅磁系統(tǒng)主回路。滅磁回路原理圖見圖2。

圖2 滅磁回路原理圖

當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，滅磁開關(guān)QFG 閉合，跨接器V71 的3 個(gè)晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)，即滅磁回路不工作。當(dāng)運(yùn)行中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子LZ 出現(xiàn)正向過電壓時(shí)，V71.3 導(dǎo)通一個(gè)周波吸收正向電壓，下一個(gè)周波關(guān)斷。當(dāng)停機(jī)跳開滅磁開關(guān)QFG 時(shí)，V71.1 和V71.2同時(shí)導(dǎo)通，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子LZ 和滅磁電阻GB 形成回路，將轉(zhuǎn)子線圈中儲存的能量在滅磁電阻中消耗掉。

1.4 對外接口設(shè)計(jì)

眾所周知，對于成套從國外進(jìn)口的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，單獨(dú)改造其中的勵磁系統(tǒng)，必須首先解決與控制柜、保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)的接口問題。

（1）與控制柜的接口

包括滅磁開關(guān)合閘、滅磁開關(guān)分閘、升壓、降壓、恒電壓調(diào)節(jié)、恒電流調(diào)節(jié)、并網(wǎng)狀態(tài)、恒功率因素調(diào)節(jié)投退、PSS投退。

（2）與保護(hù)系統(tǒng)的接口

包括轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動作、調(diào)節(jié)器故障跳閘、過勵保護(hù)動作。

（3）與監(jiān)控系統(tǒng)的接口

包括故障跳機(jī)、調(diào)節(jié)器故障、PSS 投退狀態(tài)、恒電壓調(diào)節(jié)、恒電流調(diào)節(jié)、恒功率因數(shù)投退狀態(tài)、欠勵限制、過勵限制、V/F 限制、勵磁起勵、功率柜故障、電源故障。

由于控制柜、保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)要保持不動，所有接口信號的定義、方式、電氣接口都必須與原來保持一致，因此必須對改造后的國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)接口進(jìn)行組態(tài)、電平轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)外部設(shè)備的需要。

考慮到未來發(fā)電機(jī)組其它設(shè)備的改造，勵磁系統(tǒng)需要留有對外通信接口。

2 開停機(jī)流程設(shè)計(jì)

與國內(nèi)勵磁系統(tǒng)的使用習(xí)慣不同，三菱MEC5000 勵磁系統(tǒng)采用一鍵開停機(jī)的簡單方式。即開機(jī)時(shí)合滅磁開關(guān)后自動起勵，停機(jī)時(shí)分滅磁開關(guān)滅磁。

2.1 開機(jī)流程設(shè)計(jì)

對于國產(chǎn)化勵磁系統(tǒng)，既要滿足開機(jī)時(shí)一鍵開機(jī)的要求，又要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中分步操作的需求，設(shè)計(jì)了如圖3所示的開機(jī)流程。

圖3 開機(jī)流程邏輯示意圖

2.2 停機(jī)流程設(shè)計(jì)

原三菱系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，在機(jī)組減負(fù)荷滿足條件后解列，解列后立即發(fā)令分滅磁開關(guān)實(shí)現(xiàn)停機(jī)滅磁操作。為了減少滅磁開關(guān)主觸頭的拉弧次數(shù)，在滿足一鍵停機(jī)要求的前提下，先執(zhí)行逆變過程，再使滅磁開關(guān)在不帶電的工況下分閘，設(shè)計(jì)了如圖4 所示的停機(jī)流程。

在開停機(jī)流程上保持了與監(jiān)控系統(tǒng)一致，符合電廠人員的使用習(xí)慣；同時(shí)進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了關(guān)鍵部件的使用壽命，降低了維護(hù)工作量。

圖4 停機(jī)流程邏輯示意圖

3 現(xiàn)場試驗(yàn)參數(shù)

3.1 自動方式下空載升壓試驗(yàn)

在建壓過程中，建壓時(shí)間為9 s，超調(diào)量為0.42%。符合國標(biāo)DL/T 1166-2012 要求（發(fā)電機(jī)電壓超調(diào)量不大于額定值的10%）。

3.2 發(fā)電機(jī)空載階躍響應(yīng)試驗(yàn)

通過10%階躍響應(yīng)試驗(yàn)來對自動電壓調(diào)節(jié)的PID 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。自動方式下通道A 進(jìn)行±10%階躍響應(yīng)的振蕩次數(shù)為0.5 次，超調(diào)量為4.1%，電壓上升時(shí)間0.6 s，調(diào)節(jié)時(shí)間為2.03 s。動態(tài)指標(biāo)滿足國標(biāo)DL/T 843-2010要求。

4 結(jié)語

鞍鋼第二發(fā)電廠CCPP燃機(jī)勵磁系統(tǒng)于2019年2 月國產(chǎn)化改造完成并投產(chǎn)，經(jīng)過電科院的測試，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。到目前為止歷經(jīng)一年多的時(shí)間，經(jīng)受過數(shù)次開停機(jī)，運(yùn)行均穩(wěn)定可靠，全面達(dá)到國產(chǎn)化的要求。