李建文

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

近年來，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在世界上發(fā)展十分迅速。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組是以天然氣為燃料的新型節(jié)能環(huán)保發(fā)電機(jī)組，具有起動(dòng)性能好、發(fā)電質(zhì)量高、噪聲低振動(dòng)小等眾多優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)大型燃?xì)廨啓C(jī)組多選用國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)化的輔機(jī)設(shè)備與其的配合程度顯得尤為關(guān)鍵。重慶兩江燃機(jī)電廠采用東方電氣引進(jìn)的日本三菱公司的M701F4 燃?xì)廨啓C(jī)組，是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)單軸供熱F4 型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸布置，一期裝機(jī)容量 2×467MW。燃機(jī)起動(dòng)時(shí)需要外部裝置帶動(dòng)機(jī)組達(dá)到自維持轉(zhuǎn)速（2100r/min），由于該燃?xì)廨啓C(jī)組本身的軸功率太大，使用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)難以達(dá)到要求。該電廠選用的是ABB 公司的SFC 靜止變頻裝置作為外部起動(dòng)裝置，在起動(dòng)階段將發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)使用帶動(dòng)燃機(jī)到自維持轉(zhuǎn)速。因此燃?xì)廨啓C(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)不僅需要滿足常規(guī)火電發(fā)電機(jī)組的電壓控制和無功分配要求，同時(shí)還需配合SFC 完成燃?xì)鈾C(jī)組的起動(dòng)過程。

1 燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)特點(diǎn)

重慶兩江燃機(jī)電廠的勵(lì)磁系統(tǒng)和SFC 的總體框圖如圖1所示。

兩江電廠勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是南瑞電控公司的NES5100 自并勵(lì)可控硅整流勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁變壓器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置、大功率可控硅整流裝置和滅磁裝置組成。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)和SFC 原理框圖

1.1 勵(lì)磁變壓器

勵(lì)磁變壓器出于與發(fā)電機(jī)封閉母線連接上的方便以及防止相間短路的考慮，由三個(gè)單相環(huán)氧干式變壓器組成，采用Y/D-11 的接線方式，不僅降低了一次繞組的耐壓水平，同時(shí)抵消了二次側(cè)的三次諧波，改善了整流柜陽極的電壓波形。高低壓繞組之間有靜電屏蔽，大大降低了高低壓繞組之間的電容耦合引起的感應(yīng)過電壓。勵(lì)磁變二次電壓的選擇充分考慮了頂值電壓倍數(shù)、換相壓降和主回路上的壓降。在勵(lì)磁變額定容量的選擇上，考慮到諧波電流分量增加的諧波損耗，適當(dāng)加大二次額定電流的數(shù)值，并根據(jù)已確定的勵(lì)磁變二次側(cè)電壓來確定最終的額定容量。具體勵(lì)磁變參數(shù)見表1。

表1 勵(lì)磁變參數(shù)表

1.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（以下簡(jiǎn)稱AVR）是燃機(jī)起動(dòng)和發(fā)電機(jī)控制的核心環(huán)節(jié)，采用雙微機(jī)雙通道冗余配置，互為熱備用，備用通道自動(dòng)跟蹤主套，并能在運(yùn)行通道故障時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換到備用通道。在任一套裝置故障后，單套裝置能夠?qū)崿F(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的所有控制功能，并保證其安全運(yùn)行。調(diào)節(jié)器采用ARM高頻處理器，采用高精度多點(diǎn)交流采樣技術(shù)，真實(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)發(fā)電機(jī)真實(shí)工況。

1.3 可控硅整流裝置

可控硅整流裝置由四面整流柜并聯(lián)而成，單柜按三相全控橋式接線。發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流為3620A，單柜輸出額定電流達(dá)到3000A，滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定的N-1 及N-2 原則。可控硅元件選用ABB 公司的5STP28L4200，通態(tài)平均電流為3170A，反向不重復(fù)峰值電壓為4200V，電壓和電流均留有足夠的儲(chǔ)備系數(shù)。每組橋壁中可控硅元件串聯(lián)配置快速熔斷器，并聯(lián)配置RC 阻容吸收回路。南瑞特有的選型計(jì)算得到的阻容參數(shù)能夠?qū)⒔涣鱾?cè)過電壓限制到1.8 倍以下，大幅度改善了交流側(cè)電壓的波形。通過合理的銅排走線設(shè)計(jì)、可控硅門極強(qiáng)觸發(fā)、增加脈沖寬度和可控硅縝密篩選等方法，提高各功率柜的均流能力，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際均流系數(shù)高達(dá)0.96?？煽毓璨捎娩X性散熱器加強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式。整流柜配有兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，互為備用。正常工作時(shí)單臺(tái)風(fēng)機(jī)起動(dòng)，當(dāng)該風(fēng)機(jī)故障時(shí)，備用風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟用。每個(gè)整流橋直流側(cè)和交流側(cè)均設(shè)有隔離刀閘，便于單個(gè)整流橋的投入和切除，方便檢修。

1.4 起勵(lì)裝置

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)升壓開始階段需要通過殘壓或起勵(lì)回路完成建壓，起勵(lì)回路采用三相交流起勵(lì)方式，電源取自廠用電源380V，通過起勵(lì)降壓變壓器和整流模塊輸出直流電流給轉(zhuǎn)子。相對(duì)于直流起勵(lì)來說，交流起勵(lì)的回路電流是斷續(xù)的，比較有利于接觸器可靠斷??；且降壓變壓器使得電源側(cè)的電流減小，大大降低了起勵(lì)電源的容量。

1.5 滅磁裝置

為了最大程度發(fā)揮勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部電力電子器件的功能，正常停機(jī)時(shí)機(jī)組滅磁方式采用為逆變滅磁，在發(fā)電機(jī)解列后通過控制調(diào)節(jié)器的輸出脈沖，將轉(zhuǎn)子內(nèi)部的能量快速的轉(zhuǎn)移至電網(wǎng)側(cè)，達(dá)到停機(jī)的目的。事故或緊急停機(jī)時(shí)采用“磁場(chǎng)斷路器+線性電阻”滅磁的方式，切斷勵(lì)磁電源，同時(shí)將滅磁電阻通過機(jī)械跨接器和電子跨接器引入轉(zhuǎn)子回路吸收消耗掉轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能，達(dá)到快速滅磁的目的。

2 SFC 起動(dòng)過程中的勵(lì)磁控制策略

2.1 勵(lì)磁系統(tǒng)SFC 控制模式

SFC 又稱之為靜止變頻器，能夠產(chǎn)生頻率可調(diào)的交流電源。SFC 輸出變頻交流電源到發(fā)電機(jī)定子端，將發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)使用，通過調(diào)頻調(diào)速使其按照預(yù)先設(shè)定的速率加速上升，同軸拖動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)。整個(gè)起動(dòng)過程發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子都由勵(lì)磁裝置施加一定的勵(lì)磁電流，其電流的大小由SFC 裝置給定，其勵(lì)磁裝置的工作方式由SFC 控制。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器需要準(zhǔn)確接受并理解透平控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱TCS）和SFC 發(fā)出的指令，配合SFC 拖動(dòng)燃機(jī)到自維持轉(zhuǎn)速。隨后由TCS 發(fā)出退SFC 和退勵(lì)磁的指令，由燃機(jī)自身動(dòng)力將機(jī)組帶到額定轉(zhuǎn)速（3000r/min）。

對(duì)于帶有SFC 變頻拖動(dòng)裝置的燃?xì)廨啓C(jī)組，勵(lì)磁系統(tǒng)存在兩種不同的工作狀態(tài)：燃機(jī)起動(dòng)狀態(tài)和并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，因此勵(lì)磁系統(tǒng)需要額外增加一種控制模式即SFC 控制模式，在電流環(huán)狀態(tài)下配合SFC完成燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程。勵(lì)磁系統(tǒng)的控制輸入量有兩個(gè)：“轉(zhuǎn)子電流給定量（4～20mA）”和“SFC 投入”，接收到“SFC 投入”令后AVR 進(jìn)入SFC 模式，將“轉(zhuǎn)子電流給定量（4～20mA）”根據(jù)SFC 裝置設(shè)定的標(biāo)幺轉(zhuǎn)化為實(shí)際值，該值與勵(lì)磁電流反饋經(jīng)過比較后形成誤差信號(hào)輸入AVR 的PID 回路。SFC模式下的邏輯框圖如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)SFC 模式邏輯框圖

2.2 燃機(jī)起動(dòng)流程

勵(lì)磁系統(tǒng)在燃機(jī)起動(dòng)流程分以下4 個(gè)階段：

1）準(zhǔn)備階段

勵(lì)磁系統(tǒng)在燃機(jī)起動(dòng)前保持發(fā)電機(jī)并網(wǎng)等待狀態(tài)，即控制方式為電壓環(huán)、滅磁開關(guān)（以下簡(jiǎn)稱FCB）分閘、勵(lì)磁變副變到整流柜陽極的斷路器（以下簡(jiǎn)稱MDS5）合閘、合上起動(dòng)變副變的斷路器（以下簡(jiǎn)稱MDS4）分閘，待TCS 確認(rèn)機(jī)組是否具備起動(dòng)條件。

燃機(jī)滿足起動(dòng)條件后，由TCS 向SFC 發(fā)出“SFC投入令”，SFC 會(huì)完成一系列的開關(guān)分合閘流程，其中包括MDS5 分閘、MDS4 合閘。MDS4 和MDS5的狀態(tài)切換使得勵(lì)磁系統(tǒng)由自并勵(lì)模式切換為他勵(lì)模式，因?yàn)樵赟FC 投入運(yùn)行時(shí)向發(fā)電機(jī)定子側(cè)輸入的是變頻電源，通過勵(lì)磁變壓器后無法作為勵(lì)磁源為轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，這期間發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流由廠內(nèi)電源通過起動(dòng)變壓器施加到整流柜的交流側(cè)來提供，此時(shí)退出起勵(lì)回路。

SFC 完成各開關(guān)的分合邏輯后，向AVR 發(fā)出“SFC 已投入”開關(guān)量信號(hào)，AVR 收到該信號(hào)后，控制模式由電壓環(huán)切換為電流環(huán)，此時(shí)的電流給定值由SFC 發(fā)出的外部模擬量（4～20mA）確定。

2）起動(dòng)階段

機(jī)組起動(dòng)一切準(zhǔn)備就緒后，由TCS 同時(shí)分別向SFC 和勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出“投入令”，控制FCB 合閘并觸發(fā)勵(lì)磁建壓令給AVR，AVR 運(yùn)行狀態(tài)由等待態(tài)轉(zhuǎn)入空載態(tài)，觸發(fā)可控硅控制脈沖，由于此時(shí)SFC 的轉(zhuǎn)子電流給定值仍為0，觸發(fā)角置逆變角。此刻AVR發(fā)出“SFC 已投入”開關(guān)量信號(hào)給SFC，反饋當(dāng)前控制狀態(tài)。隨后SFC 發(fā)出“轉(zhuǎn)子電流給定”模擬量信號(hào)（4～20mA）給AVR，AVR 根據(jù)模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)的實(shí)際電流給定值進(jìn)行控制，維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流在給定水平。

3）升速階段

燃機(jī)起動(dòng)之后會(huì)經(jīng)歷吹掃、清洗、點(diǎn)火等一系列階段，最終達(dá)到自維持轉(zhuǎn)速（2100r/min）。SFC控制勵(lì)磁使發(fā)電機(jī)按一定的磁通與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線運(yùn)行，整個(gè)過程AVR 都是工作在電流環(huán)模式下，并接受SFC 發(fā)出的電流給定值實(shí)時(shí)控制。

4）停機(jī)階段

燃機(jī)達(dá)到2100r/min 后，熱力透平輸出的功率已足夠產(chǎn)生動(dòng)力繼續(xù)升速到額定轉(zhuǎn)速，SFC 退出運(yùn)行。TCS 向勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出“勵(lì)磁切除令”，滅磁開關(guān)分閘，AVR 收到停機(jī)令，觸發(fā)角置逆變角，將轉(zhuǎn)子能量逆變至電網(wǎng)側(cè)，轉(zhuǎn)子電流下降為0，AVR 運(yùn)行狀態(tài)由空載態(tài)回到等待態(tài)。隨后SFC 合上MDS5，分開MDS4，“SFC 已投入”開關(guān)量置0，AVR 控制模式由電流環(huán)切回電壓環(huán)，為之后的并網(wǎng)開機(jī)做準(zhǔn)備。

2.3 SFC 模式下的限制保護(hù)

在燃機(jī)起動(dòng)過程中，由于初始階段發(fā)電機(jī)的定子電壓幅值很低且諧波大，加上機(jī)組轉(zhuǎn)速低，頻率和相序難以準(zhǔn)確測(cè)量，常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)會(huì)誤報(bào)出PT斷線保護(hù)和機(jī)端相序故障，因此勵(lì)磁系統(tǒng)在SFC 模式下應(yīng)屏蔽掉這些功能，并在程序采樣計(jì)算中設(shè)置為定時(shí)觸發(fā)方式。

V/F限制又稱過磁通限制，是為了防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過激磁，通過計(jì)算定子電壓和機(jī)端頻率的比值，確定當(dāng)前線圈過電流狀態(tài)。燃機(jī)起動(dòng)過程發(fā)電機(jī)機(jī)端頻率變化范圍在0.05～35Hz（15～2100r/min），定子電壓變化范圍在0～10%額定定子電壓。常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)的V/F限制一般設(shè)置在1.06，涵蓋了燃機(jī)起動(dòng)過程的V/F變化。在電壓頻率準(zhǔn)確測(cè)量的前提上，不需要單獨(dú)設(shè)置針對(duì)SFC 模式下的V/F限制。實(shí)際應(yīng)用中考慮到初始階段的發(fā)電機(jī)定子電壓質(zhì)量較差，電壓頻率難以準(zhǔn)確測(cè)量，為了防止誤報(bào)，勵(lì)磁系統(tǒng)也屏蔽掉了V/F限制功能。

3 燃機(jī)并網(wǎng)過程中的勵(lì)磁控制策略

燃機(jī)機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速（3000r/min）后，已具備開機(jī)升壓條件。勵(lì)磁系統(tǒng)再次接受TCS 的“勵(lì)磁投入令”，滅磁開關(guān)合閘并發(fā)出勵(lì)磁建壓令，AVR發(fā)出可控硅觸發(fā)脈沖，同時(shí)控制起勵(lì)接觸器投入起勵(lì)回路，待定子電壓達(dá)到20%額定機(jī)端電壓后，切除起勵(lì)回路，完全由勵(lì)磁變副變提供勵(lì)磁電源。升壓過程中AVR 工作在電壓環(huán)，一般以軟起勵(lì)的方式上升到到發(fā)電機(jī)的額定定子電壓，完成發(fā)電機(jī)升壓過程。此后準(zhǔn)同期裝置通過增減磁調(diào)整勵(lì)磁系統(tǒng)的電壓給定，使實(shí)際定子電壓與系統(tǒng)電壓保持一致，并在同期點(diǎn)合上發(fā)電機(jī)出口斷路器，完成發(fā)電機(jī)的同期并網(wǎng)發(fā)電。

4 結(jié)論

勵(lì)磁系統(tǒng)在燃機(jī)的起動(dòng)和發(fā)電過程中具有極其 重要的作用，而SFC 模式下的電流環(huán)控制和并網(wǎng)模式下的電壓環(huán)控制的準(zhǔn)確切換尤為關(guān)鍵。國(guó)產(chǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)在與SFC 配合已經(jīng)具有非常成熟的技術(shù)，針對(duì)不同的SFC 控制流程，制定相應(yīng)的勵(lì)磁控制策略，正確理解并反饋外部信號(hào)，保證燃機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)和并網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)電機(jī)的電壓穩(wěn)定，給類似機(jī)組起到一定的借鑒作用。

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