季興文

（國華徐州發(fā)電有限公司，徐州221166）

國華徐州發(fā)電有限公司2臺機組為THDF 125／67型1 000MW發(fā)電機組，采用機端自并激勵磁方式，配置NES5100型勵磁調(diào)節(jié)器。與傳統(tǒng)的勵磁調(diào)節(jié)器相比，NES5100型勵磁調(diào)節(jié)器的功能有很大改進。

1 勵磁系統(tǒng)配置

勵磁系統(tǒng)主要包括勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁變壓器、勵磁整流柜、勵磁開關(guān)等部分，見圖1。

圖1 1 000MW發(fā)電機勵磁系統(tǒng)圖

勵磁變壓器由3臺容量為3 300kVA的DCB9-3300／27／3單相干式變壓器組成，低壓側(cè)額定電壓956V，采用Y／△接線方式，其高壓側(cè)不經(jīng)開關(guān)直接接在發(fā)電機出口封閉母線上。

勵磁整流柜采用獨有的抽屜式，取消了傳統(tǒng)的交、直流電源刀閘或開關(guān)，既減少了刀閘開關(guān)觸頭接觸不良或發(fā)熱的問題，同時柜體結(jié)構(gòu)緊湊美觀，封閉性好，減少了柜內(nèi)積塵引起元件故障的幾率。為保證足夠的勵磁電流，機組采用多個整流橋并聯(lián)。整流橋并聯(lián)支路數(shù)的選取原則為N＋1或N＋2［1］，N為保證發(fā)電機正常勵磁的整流橋組數(shù)，即當某一組或幾組整流橋故障退出時，不影響發(fā)電機的正常勵磁需要。該機組采用N＋2原則，即四組整流柜并聯(lián)，電流裕量更大。勵磁整流柜運行組數(shù)與其控制數(shù)值見表1。

表1 勵磁整流柜運行參數(shù)控制表

晶閘管整流采用三相全控橋式電路，相控方式，優(yōu)點是半導體元件承受的電壓低，勵磁響應快，調(diào)壓性能好，勵磁變壓器利用率高［2］。發(fā)電機正常運行時勵磁回路為感性負載，晶閘管控制角在0°～90°，產(chǎn)生正向電壓與正向電流，通過改變晶閘管的控制角來調(diào)整勵磁電流的大小，以保證發(fā)電機機端電壓恒定。發(fā)電機停機時采用逆變滅磁方式，即將直流勵磁回路的能量反送回交流側(cè)。逆變狀態(tài)時控制角在90°～150°，產(chǎn)生負向電壓與正向電流，把勵磁電流急速下降到零，有效地限制了轉(zhuǎn)子回路的過電壓。

2 勵磁調(diào)節(jié)器

2.1 裝置的作用和構(gòu)成

NES5100勵磁調(diào)節(jié)器采用微機作為硬件載體，通過比較測量反饋值與參考值的誤差，計算出控制電壓，經(jīng)限制環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子電壓反饋產(chǎn)生晶閘管的控制角，輸出觸發(fā)脈沖。當機端電壓高于給定值時，增大晶閘管的控制角，減小勵磁電流，使發(fā)電機機端電壓回到設(shè)定值；當機端電壓低于給定值時，減小晶閘管的控制角，增大勵磁電流，維持發(fā)電機機端電壓為設(shè)定值。

A、B通道分別從發(fā)電機出口的2號、3號互感器接入。主要硬件CPU板以系統(tǒng)電源板、模擬量板、同步電壓板、開關(guān)量板、脈沖放大板等硬件為支撐，實現(xiàn)模擬信號采樣，并根據(jù)采樣結(jié)果及開關(guān)量輸入信號邏輯產(chǎn)生控制脈沖，經(jīng)邏輯判斷程序?qū)崿F(xiàn)開關(guān)量信號輸出、雙套切換等核心控制功能。

軟件核心為勵磁應用程序，包括主流程和控制調(diào)節(jié)程序。主流程放置于主任務中，完成勵磁應用程序的初始化以及機組狀態(tài)的判斷等功能；控制調(diào)節(jié)程序放置于3.3ms中斷中，控制周期為3.3ms，完成所有勵磁控制調(diào)節(jié)功能，確?？刂频目焖俸途?。

2.2 功能特點

2.2.1 勵磁調(diào)節(jié)功能

裝置在原有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)方式（AVR方式）、勵磁電流閉環(huán)調(diào)節(jié)方式（FCR方式）基礎(chǔ)上，增加了恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)方式，并啟用了軟起勵功能。

AVR調(diào)節(jié)方式為正常方式，以發(fā)電機的機端電壓作為調(diào)節(jié)變量，維持發(fā)電機的機端電壓與電壓參考值一致，而電壓參考值則主要由增磁命令或減磁命令進行增減。發(fā)電機空載時，電壓參考值變化，使機端電壓也隨之變化；發(fā)電機負載時，電壓參考值變化仍然使發(fā)電機電壓隨之變化，同時引起發(fā)電機無功功率更大范圍變化。

FCR調(diào)節(jié)方式主要在勵磁試驗時或電壓閉環(huán)故障（如PT斷線）時使用，以發(fā)電機勵磁電流作為調(diào)節(jié)變量，維持發(fā)電機勵磁電流與電流參考值一致，而勵磁電流參考值也是由增磁命令或減磁命令進行增減。

在DCS畫面上增加了“恒功率因數(shù)”投、退按鈕，實現(xiàn)恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)方式。機組正常運行時以AVR方式運行，發(fā)電機起勵建壓后，各運行方式相互跟蹤。給定調(diào)節(jié)利用開關(guān)量輸入信號，控制AVR給定值的增、減。自動跟蹤功能保證了從AVR模式到FCR模式或恒功率因數(shù)模式、A通道到B通道的平穩(wěn)切換。

軟起勵是勵磁系統(tǒng)升壓方式之一，主要用于發(fā)電機的啟動控制。AVR的給定值按照設(shè)定的速度上升，此時AVR相當于一個隨動系統(tǒng)。在起勵過程中，與常規(guī)起勵的開環(huán)方式不同，軟起勵仍然在進行閉環(huán)計算，用于控制的給定值并非是實際給定值。根據(jù)現(xiàn)場實際，定值設(shè)為25%。圖2為軟起勵功能投、退兩種情況下發(fā)電機零起升壓曲線，當勵磁系統(tǒng)接收到開機令后開始起勵升壓，機端電壓大于25%額定值后，調(diào)節(jié)器以一個可調(diào)整的速度逐步增加給定值，使發(fā)電機電壓逐漸平穩(wěn)地上升直到設(shè)定值。從試驗結(jié)果看，軟起勵可以在10s內(nèi)完成起勵，而其電壓超調(diào)量可以小于1%，甚至更低。因此，軟起勵不僅可以減小發(fā)電機啟動升壓時的電壓超調(diào)，保護絕緣，而且能有效降低轉(zhuǎn)子電流的沖擊。

圖2 發(fā)電機零起升壓曲線

2.2.2 限制功能

大型發(fā)電機對限制及保護功能的要求更高。限制器的目的是給定限制邊界，確保在未達到不穩(wěn)定區(qū)域前予以干預，維護發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行。

限制功能分為以下兩種：

（1）欠勵限制。發(fā)電機欠勵反映在各個電氣參量中，主要表現(xiàn)為：勵磁電流低、進相深度大（容性無功功率大）和定子電流增大。為防止發(fā)電機進入不穩(wěn)定運行區(qū)域或者發(fā)電機端部和壓齒發(fā)熱等，保證發(fā)電機安全運行，針對反映欠勵的主要電氣量采取相應的限制手段，用P／Q（有功功率／無功功率）限制來實現(xiàn)。發(fā)電機實際運行范圍比發(fā)電機安全運行P／Q限制范圍要小得多，以保持足夠的安全裕度。

該發(fā)電機經(jīng)進相試驗，綜合發(fā)電機機端電壓、廠用6kV、400V母線電壓及功角70°等邊界條件，實測參數(shù)后整定的無功欠勵曲線為五點折線，用五個無功功率值對應五個有功功率水平來設(shè)定限制曲線，見圖3。圖中0ABCDE圍成的區(qū)域為進相允許范圍。發(fā)電機正常運行到達P／Q曲線圖ABCDE邊界時，欠勵限制動作過程為：裝置實時檢測發(fā)電機有功功率和無功功率，根據(jù)點與直線位置計算，判斷實際允許點離欠勵限制曲線的遠近（模值）和內(nèi)外（符號），當運行點越過欠勵限制曲線，裝置即以無功功率作為被調(diào)節(jié)量之一進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)偏差即為運行點至欠勵曲線的距離，增加勵磁使發(fā)電機運行點回到安全允許區(qū)域。欠勵動作時間整定為0.06s，返回時間1s。

圖3 1 000MW機組欠勵限制P／Q曲線圖

（2）過勵磁限制。發(fā)電機過勵磁主要表現(xiàn)為：勵磁電流高、無功功率過負荷和定子過電流，為保證發(fā)電機安全運行，針對反映過勵磁的主要電氣量的限制手段有：勵磁過流限制、無功功率過勵限制、瞬時強勵限制和V／f（電壓／頻率）限制。

勵磁過流限制主要用來防止轉(zhuǎn)子回路過熱。當系統(tǒng)電壓較低時，發(fā)電機輸出無功過大，發(fā)電機勵磁電流超過其最大允許長期連續(xù)運行電流，必須對勵磁電流進行限制，防止長時過流導致過熱損壞發(fā)電機勵磁繞組。勵磁過流限制動作過程為：當勵磁電流超過勵磁電流過流反時限啟動值時，裝置進行熱量累積計算，當熱容量超過磁場繞組允許熱容量時，限制動作，將發(fā)電機勵磁電流調(diào)節(jié)至長期運行允許值。當勵磁電流低于啟動值后，裝置計算其冷卻速度及剩余熱量，如果剩余熱量仍然大于零時，勵磁電流再次超過啟動電流時，則迅速動作限制。

無功功率過勵限制。裝置實時檢測發(fā)電機有功功率和無功功率，根據(jù)點與直線位置計算，判斷實際運行點離過勵限制曲線的遠近（模值）和內(nèi)外（符號），當運行點越過過勵限制曲線進入過勵區(qū)域，限制即啟動計時，延時時間到后，裝置即以無功功率作為被調(diào)節(jié)量，調(diào)節(jié)偏差即為運行點至過勵曲線的距離，從而保證發(fā)電機運行點回到安全運行區(qū)域內(nèi)。過勵動作時間整定為25s，返回時間5s。

在NES5100調(diào)節(jié)器中，勵磁過電流限制通過P／Q限制來實現(xiàn)。發(fā)電機過勵區(qū)域比發(fā)電機允許安全范圍小得多，即實際的無功功率過勵限制曲線比過勵允許曲線低。該廠無功功率過勵曲線為五點折線，見圖4。圖4中0ABCDE圍成的區(qū)域為實際運行允許范圍，外部為過勵范圍。

圖4 1 000MW機組過勵限制P／Q曲線圖

瞬時強勵限制即強勵頂值限制，其作用是防止在調(diào)節(jié)過程中發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流瞬時超過允許的強勵頂值。瞬時強勵限制與前述無功及過流限制不同點是：定值是強勵允許值，不是長期允許值；動作是瞬時的，不是按發(fā)熱積累考慮的。該機組實際整定值為2倍轉(zhuǎn)子電流值。

V／f限制。發(fā)電機運行時，發(fā)電機端電壓與頻率的比值有一個安全工作范圍，當V／f比值超過安全范圍時，容易導致發(fā)電機及主變過激磁和過熱現(xiàn)象；因此，當V／f比值超出安全范圍時，必須限制發(fā)電機端電壓幅值，控制發(fā)電機端電壓隨發(fā)電機頻率變化而變化，維持V／f比值在安全范圍內(nèi)。該廠V／f限制定值取1.06為安全運行范圍。

3 存在問題及改進情況

3.1 各勵磁整流柜間均流系數(shù)的改進

機組投運后，4臺勵磁整流柜均流系數(shù)較低，主要原因是電源為中間進線方式，遠端的1、4號勵磁整流柜因距離遠、導體交流阻抗過大導致電流小，中間的2、3號柜電流大。在對2、3號柜交流輸入回路增加均流磁環(huán)后，人為增加了其交流阻抗。經(jīng)采取均流措施調(diào)節(jié)后，使各支路阻抗平衡，均流效果改善明顯。改進前后各柜電流對比見表2。

表2 增加均流環(huán)前后各勵磁整流柜電流分布實測值對比

3.2 遠方建壓失敗的處理

在機組投運初期，2臺機組分別出現(xiàn)過1次發(fā)電機開機時遠方建壓失敗的情況，經(jīng)檢查：起勵電源正常，勵磁系統(tǒng)各交直流電源及脈沖電源均投入正常，發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路、勵磁系統(tǒng)一、二次回路及發(fā)電機PT回路均正常。后對勵磁調(diào)節(jié)裝置進行斷電重啟，再升壓時遠方起勵建壓正常，2號機組則遠方仍無法建壓，后采用就地手動建壓方式升壓開機。故障原因是DCS與勵磁調(diào)節(jié)裝置建壓回路通信不暢，經(jīng)處理后上述故障未重復出現(xiàn)。

4 結(jié)語

NES5100型微機勵磁調(diào)節(jié)裝置隨機組投運一年來，其運行穩(wěn)定，工作可靠，調(diào)節(jié)平穩(wěn)，功能齊全，操作簡單，機組多次停機時勵磁調(diào)節(jié)器均成功實現(xiàn)了逆變滅磁，性能良好，確保了發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路免受過電壓的沖擊，是目前較理想的微機勵磁調(diào)節(jié)裝置，其在1 000MW機組上的成功應用，提高了大機組的穩(wěn)定性，特別是在目前電網(wǎng)容量大、單機容量不斷增大的情況下，也大大提高了電力系統(tǒng)整體的安全運行水平和供電可靠性。

［1］樊俊，陳忠，涂光瑜.同步發(fā)電機半導體勵磁原理及應用［M］.北京：水利電力出版社，1991.

［2］宋志明，李洪戰(zhàn).電氣設(shè)備與運行［M］.北京：中國電力出版社，2008.