牟 偉，婁季獻，張建彪，許訓煒，吳 龍

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

由于燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)（GTCC）將燃氣輪機單循環(huán)及蒸汽輪機單循環(huán)結(jié)合在一起，運行靈活，技術(shù)先進，熱效率高，機組啟動快，自動化程度高，調(diào)峰性能好，成為當代最先進的商業(yè)化火力發(fā)電技術(shù)，能滿足日益嚴格的環(huán)境保護要求[1]。隨著我國經(jīng)濟進一步發(fā)展對電力高峰負荷和電網(wǎng)供電安全要求的增加以及環(huán)保意識的增強，在國內(nèi)發(fā)展天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)對于電力調(diào)峰、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)以及節(jié)能減排具有重要意義。

目前國內(nèi)已投運或新建燃氣聯(lián)合循環(huán)電站采用GE、西門子、ALSTOM、三菱等進口燃氣輪機，或采用由國內(nèi)主機廠與上述國外廠商合作制造的燃氣機組。而二次控制及保護設(shè)備，如SFC靜止變頻器、EXC勵磁系統(tǒng)、GP保護設(shè)備則基本由國外進口設(shè)備壟斷。隨著國產(chǎn)二次控制保護設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，目前燃機二次設(shè)備已具備采用國產(chǎn)設(shè)備的條件，如國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)在控制性能、通信接口及自動化程度上已完全滿足國內(nèi)燃機勵磁控制的需要。

1 勵磁系統(tǒng)配置

燃機用勵磁系統(tǒng)一般采用自并激靜止勵磁方式。目前國內(nèi)燃機的啟動過程主要使用靜止變頻器（SFC）啟動[2，3]，在啟動中需要勵磁系統(tǒng)與之配合，接入它勵電源提供勵磁電流，因而燃機用勵磁系統(tǒng)與常規(guī)火電機組的自并勵系統(tǒng)在配置上略有不同[4]。而調(diào)節(jié)器、功率整流橋以及滅磁系統(tǒng)可實現(xiàn)在啟動工況和發(fā)電工況下的復(fù)用，節(jié)省設(shè)備成本。但調(diào)節(jié)器需要根據(jù)外部信號識別機組工況，正確切換勵磁電源開關(guān)并工作在正確模式。本項目燃機為ALSTOM燃氣發(fā)電機組，勵磁系統(tǒng)采用新一代PCS-9400燃機智能勵磁系統(tǒng)，系統(tǒng)配置原理如圖1所示。

圖1 燃機用勵磁系統(tǒng)配置原理圖

除常規(guī)自并勵系統(tǒng)所具有的勵磁變、調(diào)節(jié)控制柜、功率整流柜、滅磁和過壓保護柜外，還配置開關(guān)切換柜，柜內(nèi)設(shè)置啟動變壓器和切換開關(guān)。切換開關(guān)實現(xiàn)SFC啟動工況和自勵建壓工況下的勵磁電源切換。PCS-9400勵磁系統(tǒng)配置冗余雙通道勵磁調(diào)節(jié)器，任一通道調(diào)節(jié)器均包含電壓閉環(huán)（AVR）、電流閉環(huán)（FCR）和定角度開環(huán)（OR）3種基本控制方式，在AVR方式下還可投切無功閉環(huán)、功率因數(shù)閉環(huán)、無功卸載、調(diào)差以及PSS-2B/4B等附加控制。調(diào)節(jié)器具有超高速的采樣和計算能力，工頻每周波采樣72點，計算速度4000次/s，模型計算更精確。PCS-9400勵磁系統(tǒng)采用脈沖光纖傳輸方式和分布式觸發(fā)脈沖發(fā)生，提高觸發(fā)脈沖傳輸?shù)目垢蓴_能力，解決了整流橋之間共用脈沖問題。對可控硅元件電流、勵磁電壓電流等進行在線監(jiān)測，實現(xiàn)整流橋元件級智能均流和滅磁電阻能耗在線計算。PCS-9400勵磁系統(tǒng)還配置智能IO單元，實現(xiàn)與變頻器SFC、燃機控制系統(tǒng)（TCS）、故障錄波器等的信號接口，并進行控制邏輯操作。IO單元與AVR通過光纖連接，向調(diào)節(jié)器發(fā)出不同工況下的控制指令，并接收AVR的反饋狀態(tài)。

2 勵磁設(shè)備信號交互

燃機主控系統(tǒng)TCS與SFC、勵磁等設(shè)備的信號交互量較多，采用Profibus-DP通訊方式連接。勵磁IO接口單元主要實現(xiàn)與SFC和TCS的信號交互。IO單元的應(yīng)用能夠靈活實現(xiàn)與外部設(shè)備或系統(tǒng)間的所有開關(guān)量、模擬量交換，可以采用硬接線或通訊方式。IO單元根據(jù)外部輸入信號和機組當前狀態(tài)準確識別當前工況，根據(jù)SFC或TCS系統(tǒng)發(fā)出的指令正確進入啟動工況或自勵發(fā)電工況。勵磁控制裝置與主控和變頻器之間的信號交互如圖2所示。

圖2 勵磁控制與主控和變頻器之間的信號交互

勵磁系統(tǒng)與SFC之間的信號交換不多，且由于相關(guān)信號的重要性與實時性，故信號交互宜采用硬接線方式實現(xiàn)，信號列表如表1所示。另外由于2臺機組配置有2套SFC裝置，每套SFC都可啟動任一臺機組，即有直通啟動和交叉啟動需求，因而對勵磁系統(tǒng)而言需要與2套SFC裝置建立信號交互，并且需要相互閉鎖。實際實現(xiàn)時可采用PLC器件，根據(jù)TCS發(fā)出的SFC選擇指令建立勵磁與被選擇SFC間的信號通道。

表1 勵磁系統(tǒng)與SFC系統(tǒng)的二次控制接口

勵磁系統(tǒng)與主控TCS系統(tǒng)之間采用一對一的信號交換，信號交換量較多但實時性要求不高，信號列表如表2所示。現(xiàn)場勵磁系統(tǒng)與TCS之間采用Profibus-DP的總線通訊方式，它是一種國際化、不依賴于設(shè)備制造商的開放式現(xiàn)場總線標準，適合于快速、時間要求嚴格和可靠性高的通信任務(wù)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、軌道交通、電力自動化領(lǐng)域。采用冗余化Profibus總線通訊，極大簡化了信號電纜接線，擴展了勵磁設(shè)備從站與TCS主控的信號交換數(shù)量，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

3 SFC啟動過程的功能設(shè)計

勵磁IO單元根據(jù)開入和TCS通訊信號識別機組當前工況，滿足啟動條件時發(fā)出勵磁就緒（ready）信號，等待SFC的啟動指令。TCS在同時收到勵磁和SFC的ready信號并檢查相關(guān)斷路器和刀閘位置無誤后向SFC發(fā)啟動命令。在SFC啟動階段，勵磁系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。當收到SFC的啟動令后IO單元首先判斷并調(diào)整電源開關(guān)狀態(tài)，確保勵磁變開關(guān)在分位且啟動變開關(guān)在合位；而后檢查整流電源電壓的特征、合滅磁開關(guān)、控制調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)手動并投勵，迅速將勵磁電流調(diào)節(jié)至SFC的指定值。上述步驟若有異常，IO單元向SFC發(fā)出勵磁故障信號，同時退出啟動流程、記錄故障ID并向TCS發(fā)出告警信號。

表2 勵磁系統(tǒng)與TCS系統(tǒng)的二次控制接口

圖3 SFC啟動階段勵磁系統(tǒng)工作流程

若拖動過程無異常，燃機達到自持轉(zhuǎn)速后，SFC發(fā)勵磁停機令，調(diào)節(jié)器逆變滅磁；而后IO單元分開滅磁開關(guān)和啟動變開關(guān)，恢復(fù)調(diào)節(jié)器控制方式至電壓閉環(huán)，SFC啟動流程結(jié)束。勵磁系統(tǒng)和SFC間需建立完善的相互跳閘機制。拖動過程中，勵磁IO單元全面監(jiān)視勵磁狀態(tài)和啟動電源狀態(tài)，并等待SFC的停機指令。若出現(xiàn)勵磁控制、整流或滅磁任一部份故障且不適宜后續(xù)并網(wǎng)發(fā)電運行時，IO單元向SFC和TCS發(fā)出勵磁故障信號，通知SFC停機。若出現(xiàn)廠用電它勵電源消失、跌落等異常，IO單元立刻通知SFC停機，避免機組定子過流。反之，SFC運行中一旦出現(xiàn)異常需要停機，比如定子過壓或過流，SFC發(fā)出滅磁開關(guān)跳閘令和勵磁停機令。滅磁開關(guān)分斷并接入滅磁電阻，IO單元退出SFC啟動流程。另外在拖動階段調(diào)節(jié)器接收SFC的電流參考值時需要根據(jù)現(xiàn)場情況采取必要的限幅措施，防止硬接線回路干擾導(dǎo)致輸出勵磁電流偏離正常值。由于電流參考采用4～20mA輸入，在拖動階段輸入不會小于4mA，一般電流值也小于空載額定勵磁電。IO單元實時監(jiān)測輸入回路，一旦參考輸入回路異常立刻通知SFC停機。在SFC拖動階段，調(diào)節(jié)器的勵磁電流控制模型如圖4所示，勵磁電流參考輸入帶限幅保護功能。

圖4 建壓并網(wǎng)階段勵磁工作流程

4 建壓發(fā)電過程的功能設(shè)計

達到自持轉(zhuǎn)速(該燃機為2700 r/m in)后SFC退出，由燃氣輪機帶動發(fā)電機繼續(xù)升速至同步轉(zhuǎn)速。勵磁IO單元識別機組當前工況，滿足開機條件時向TCS發(fā)出ready信號并等待TCS的起勵指令。一旦收到起勵令，勵磁系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。

圖5 SFC拖動階段勵磁電流環(huán)控制模型

IO單元首先判斷并調(diào)整電源開關(guān)狀態(tài)，確保啟動變開關(guān)在分位且勵磁變開關(guān)在合位；合滅磁開關(guān)并投勵，AVR按照整定速率調(diào)節(jié)機端電壓至額定附近 （如0.97Ugn）。上述步驟若有異常，調(diào)節(jié)器逆變并退出建壓流程、記錄故障ID并向TCS發(fā)勵磁失敗告警信號。

若建壓過程無異常，并網(wǎng)前勵磁IO等待TCS的同期使能令，（使能后方能）接收同期裝置的增減磁信號，調(diào)節(jié)機端電壓至需要值。同時向TCS反饋當前的電壓給定。正常建壓及并網(wǎng)過程如圖6所示。

圖6 建壓并網(wǎng)階段機組電氣量錄波

并網(wǎng)后運行人員在TCS上增減電壓給定，TCS實時傳送該值至勵磁IO。IO單元將接收的參考值與當前實際AVR給定比較，若不一致則產(chǎn)生增減磁信號，調(diào)整機端電壓。在并網(wǎng)過程中，TCS可切換勵磁控制方式至不同閉環(huán)模式，如勵磁電流閉環(huán)、無功閉環(huán)或因數(shù)閉環(huán)。還可以投切PSS、調(diào)差等附加控制。

5 解列停機的功能設(shè)計

燃氣發(fā)電機啟停頻繁，啟動和停機過程都較快速，停機過程多采用程序逆功率保護解列以防氣機超速。為此勵磁設(shè)置無功卸載功能，使機組無功功率跟隨有功下降直至0。無功卸載使解列前定子電流接近零電流，勵磁電流接近空載電流，并能顯著降低解列后的定子過壓水平。采用卸無功控制的勵磁模型如圖7所示，按功率因數(shù)目標值減小無功使機組負荷接近0。

圖7 卸無功模式的AVR控制模型

解列后勵磁系統(tǒng)維持機組運行在空載工況，IO單元收到TCS的停機指令后采用無斷口滅磁方式，逆變滅磁后再延時分開關(guān)，充分保護滅磁開關(guān)觸頭，最大限度延長滅磁開關(guān)和滅磁電阻使用壽命。另外本項目勵磁系統(tǒng)在設(shè)計時還需考慮總線通訊的可靠性。由于從燃機啟動到同步建壓再到并網(wǎng)發(fā)電最后解列停機，勵磁系統(tǒng)與TCS的信號交互完全采用基于RS-485總線的Profibus-DP通訊實現(xiàn)，因此通訊的可靠性至關(guān)重要，否則極易引起機組跳閘停機。提高勵磁設(shè)備的可靠性主要考慮以下幾方面：（1）勵磁IO采用完全獨立的雙路profibus通訊鏈路與TCS通訊。IO單元A/B口都與TCS保持數(shù)據(jù)交換，且通訊內(nèi)容基本一致。任一路通訊中斷不影響另一路的數(shù)據(jù)通訊。即便雙路完全中斷，勵磁系統(tǒng)亦能保持中斷前狀態(tài)繼續(xù)運行，為人工手動停機創(chuàng)造條件。（2）通訊內(nèi)容采用雙位容錯和收發(fā)動態(tài)比對，能夠快速判斷總線通訊異常，有效防止誤操作；一旦判斷出異常幀報文將立刻閉鎖數(shù)據(jù)刷新。（3）勵磁系統(tǒng)設(shè)置完善的自檢與監(jiān)測功能。實現(xiàn)對IO單元、調(diào)節(jié)器、功率整流、滅磁及過壓保護系統(tǒng)、供電電源的全方位監(jiān)測，確保設(shè)備運行信息的完整性，提升設(shè)備監(jiān)控水平，一旦出現(xiàn)異常立刻向TCS發(fā)出告警信號，提示運行人員檢查處理。

6 結(jié)束語

由于燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢，使其在我國電網(wǎng)中的應(yīng)用比重逐漸增大，發(fā)展前景廣闊。本文探討了應(yīng)用于ALSTOM進口燃氣輪機發(fā)電機組上的國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)在系統(tǒng)配置、功能設(shè)計與信號交互上有別于常規(guī)勵磁系統(tǒng)的特殊之處，介紹了現(xiàn)場實際應(yīng)用經(jīng)驗與提高設(shè)備可靠性的措施。

通過在現(xiàn)場的成功應(yīng)用，說明了國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)在功能設(shè)計、自動化程度上已完全滿足國外進口燃氣機組的應(yīng)用需求，為今后燃機用國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)的性能完善、功能增強提供了參考經(jīng)驗。

[1]糜洪元.國內(nèi)外燃氣輪機發(fā)電技術(shù)的發(fā)展概況及其展望[J].電力設(shè)備，2006，07(10)：8-10.

[2]趙昌宗.燃氣輪機的SFC啟動[J].燃氣輪機發(fā)電技術(shù)，2002，04(3)：44-47.

[3]王亞婧，徐春建，等.燃汽輪機組勵磁系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2013(7)：59-61.

[4]李國東.GE 9F燃機勵磁系統(tǒng)國產(chǎn)化改造研究[J].浙江電力，2010(12)：41-43.