顧建嶸

（南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京　210032）

9F級燃氣輪機發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的國產(chǎn)化應(yīng)用

顧建嶸

（南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京210032）

介紹了9F級燃氣輪機發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的國產(chǎn)化應(yīng)用情況，PSVR100勵磁系統(tǒng)采用了多項先進技術(shù)及專利，針對燃氣輪機勵磁系統(tǒng)運行的特殊要求進行設(shè)計，配合變頻啟動設(shè)備完成燃氣輪機的啟動過程。在9F級燃氣輪機的成功工程化應(yīng)用表明，PSVR100發(fā)電機勵磁系統(tǒng)控制性能良好，運行穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了該類重大電力控制設(shè)備的國產(chǎn)化。

燃氣輪機；發(fā)電機；勵磁系統(tǒng)；變頻啟動；PSS2B；國產(chǎn)化

0　引言

勵磁系統(tǒng)作為電廠中重要的電氣設(shè)備，在發(fā)電機運行時起穩(wěn)定機端電壓、調(diào)節(jié)發(fā)電機之間無功分配、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。近年來，眾多大型燃氣輪機（以下簡稱燃機）發(fā)電機組的建設(shè)投產(chǎn)，對勵磁系統(tǒng)可靠性和性能指標(biāo)提出了更高的要求。

本文以華電江東9F級燃機發(fā)電機為例，介紹了PSVR100發(fā)電機勵磁系統(tǒng)在9F級燃機發(fā)電機上的國產(chǎn)化應(yīng)用情況。

1　PSVR100發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的性能特點

PSVR100發(fā)電機勵磁系統(tǒng)是國電南自公司勵磁專業(yè)根據(jù)目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品在性能、結(jié)構(gòu)、可靠性等方面存在的不足，有針對性地研制的新一代大型發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)，能更好地滿足大型發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的要求。

針對大型發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的特點，PSVR100發(fā)電機勵磁系統(tǒng)經(jīng)過多年的研發(fā)設(shè)計，形成了多個技術(shù)特點。其中包括：

（1）數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器采用了單CPU+大規(guī)模邏輯可編程門陣列（FPGA）的架構(gòu)模式。由CPU芯片MPC8247完成如邏輯控制、通信、勵磁系統(tǒng)狀態(tài)采樣、PID+PSS控制算法等核心任務(wù)，F(xiàn)PGA作為CPU外設(shè)統(tǒng)一管理器，負責(zé)同步相位周期測量、開入采樣、脈沖生成檢測、硬件故障監(jiān)視等任務(wù)［1］。該種架構(gòu)有效減少了CPU中斷調(diào)用，提高了CPU的工作可靠性，如圖1所示。

圖1　調(diào)節(jié)器CPU架構(gòu)

（2）功率柜采用智能化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，保證脈沖觸發(fā)的可靠性。通過提高風(fēng)壓風(fēng)速、改變冷卻風(fēng)流動狀態(tài)、增大散熱器或采用新型熱管散熱器等多種措施提高了散熱效果，從而使功率柜單柜電流容量高達2500A。并聯(lián)運行的功率柜除硬件均流外，還可采用集中式智能均流技術(shù)，將均流脈沖控制單元合并到勵磁調(diào)節(jié)裝置內(nèi)［2］。集中式智能均流結(jié)構(gòu)如圖2所示，可保證現(xiàn)場實際運行時功率柜的均流系數(shù)全程大于0.95（圖中，CT為電流互感器，下同）。

圖2　集中式智能均流結(jié)構(gòu)

（3）深入分析發(fā)電機滅磁系統(tǒng)原理，設(shè)計針對大型勵磁系統(tǒng)配套的滅磁柜。采用了電子跨接器+機械開關(guān)+滅磁電阻的多重冗余滅磁回路方案，結(jié)構(gòu)可靠，提高了發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的滅磁可靠性，如圖3所示。

圖3　多重冗余滅磁回路

同時，開發(fā)針對電子跨接器的在線檢測方法，在線監(jiān)測電子跨接器，將事故風(fēng)險降至最低［3］。

（4）基于VS2010開發(fā)設(shè)計勵磁專用的人機界面（HMI），能夠就地顯示雙套勵磁裝置的狀態(tài)和信息，以及進行定值操作修改、錄波查詢等功能。結(jié)合該輔助軟件可提高現(xiàn)場調(diào)試效率，方便運行人員維護。HMI配置如圖4所示。

圖4　HMI配置

2　9F級燃機勵磁系統(tǒng)的特點

9F級燃機勵磁系統(tǒng)有其特殊之處，與常見的勵磁系統(tǒng)不同，該型勵磁系統(tǒng)除了在機組正常運行時提供轉(zhuǎn)子電流，負責(zé)機端電壓穩(wěn)定之外，還需要在燃機機組的啟動過程中配合機島控制系統(tǒng)（TCS）、靜態(tài)變頻器（SFC）等設(shè)備。燃機在啟動時通過變頻裝置將發(fā)電機作為電動機啟動控制，配合完成燃機點火和沖轉(zhuǎn)的流程。

為實現(xiàn)上述功能，PSVR100勵磁系統(tǒng)根據(jù)需要配置了2路勵磁電源，由開關(guān)進行切換。一路取自發(fā)電機端，作為機組正常運行時的勵磁電源，此時運行方式為自并勵勵磁方式；另一路取自廠用母線，由專門的啟動勵磁變供給電源，此時的運行方式為他勵勵磁方式。燃機勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示（圖中PT為電壓互感器，下同）。

在燃機啟動階段開始時，利用變頻啟動裝置向發(fā)電機定子施加電壓。此時勵磁系統(tǒng)切換為他勵勵磁方式，變頻啟動裝置控制勵磁系統(tǒng)向發(fā)電機轉(zhuǎn)子施加勵磁，在兩者的共同作用下由電磁感應(yīng)產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)力矩，拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速升到足夠高時，進行正常轉(zhuǎn)速的控制，此時勵磁系統(tǒng)可停止輸出，切除啟動變壓器電源［4］。

圖5　燃機勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

正常運行期間，將勵磁系統(tǒng)切換為自并勵勵磁方式。零起升壓時，由起勵回路提供初勵電源，當(dāng)建立起一定的機端電壓后便可由勵磁變壓器供給勵磁電源，起勵回路退出。

PSVR100勵磁系統(tǒng)所采用的上述輔助控制技術(shù)，基于成熟的啟動控制策略和啟動回路設(shè)計理念，實現(xiàn)了燃機勵磁系統(tǒng)與TCS，SFC等設(shè)備快速交互控制、他勵與自勵方式智能切換、一鍵啟停等功能。

3　應(yīng)用情況

華電江東項目為2×480MW9F級燃機，機組為480MW重型燃機發(fā)電機組，勵磁電壓448V，勵磁電流3565A。針對該型機組，PSVR100勵磁系統(tǒng)組屏包括了調(diào)節(jié)柜1面、功率柜4面、滅磁開關(guān)柜1面、滅磁電阻柜1面、交流進線柜1面、直流進線柜1面。

PSVR100勵磁系統(tǒng)的勵磁調(diào)節(jié)器預(yù)留多個通信接口，與TCS，SFC等設(shè)備進行交互。接收SFC的控制信號和控制量輸出勵磁電流，在燃機啟動時驗證了PSVR100勵磁系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度均符合現(xiàn)場要求，滿足了燃機啟動時勵磁系統(tǒng)控制的需求。

正常運行時，勵磁調(diào)節(jié)器采用了如圖6所示的并聯(lián)校正傳遞函數(shù)。

圖6　調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)

圖7為現(xiàn)場零起升壓（目標(biāo)值100％，步長10 ％/s）的錄波圖形，發(fā)電機定子電壓互感器（PT）的變比為21.5kV/100V。根據(jù)計算得出超調(diào)量為1.82％，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（小于5％）。

圖8為現(xiàn)場空載5％階躍相應(yīng)試驗的機端電壓錄波圖形，發(fā)電機定子PT的變比為21.5kV/100V。根據(jù)計算得出，負5％階躍下降時間0.14s，調(diào)節(jié)時間0.16s，超調(diào)2.00％，振蕩次數(shù)0次；正5％階躍上升時間0.14s，調(diào)節(jié)時間0.16s，超調(diào)2.13％，振蕩次數(shù)0次。滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（上升時間不大于0.50s，振蕩次數(shù)不超過3次，調(diào)節(jié)時間不超過5.00s，超調(diào)量不大于30％［5］）。

圖7　100％零起升壓

圖8　空載5％階躍

在空載額定情況下進行跳滅磁開關(guān)的滅磁試驗，記錄機端電壓的波形如圖9所示，計算發(fā)電機電壓下降到初值的0.368的時間為3.12s，和封脈沖滅磁時間（8.60s）比較大大縮短，為機組的安全運行提供了保證。

圖9　空載額定跳滅磁開關(guān)滅磁

PSVR100勵磁系統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器采用了PSS2B的模型，如圖10所示。

在確定電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）參數(shù)后，分別在PSS退出和投入的情況下，進行±2％的階躍響應(yīng)試驗，對機端電壓、有功功率、無功功率等進行錄波。比較PSS投退前后波形的差異，以確定PSS的作用是否正確有效。如圖11、圖12所示，可看出PSS投入后，有功功率的振蕩得到了明顯的抑制。

圖10　PSS2B模型

圖11　PSS退出2％階躍有功功率錄波

圖12　PSS投入2％階躍有功功率錄波

PSS投入情況下，由運行人員操作快速降、升發(fā)電機有功功率，記錄機組有功功率、無功功率等變化曲線，如圖13所示，發(fā)電機無功波動滿足標(biāo)準(zhǔn)要求小于30％Qn。

圖13　PSS反調(diào)檢查（2015-08-31T19：33：43）

上述試驗結(jié)果證明，PSS投入后，調(diào)節(jié)器運行穩(wěn)定，階躍試驗波形振蕩頻率變化符合要求，阻尼比有較大提高，PSS抑制反調(diào)作用正確。表明PSVR100勵磁系統(tǒng)的PSS適應(yīng)頻率寬，穩(wěn)定裕量大，有較好的阻尼特性，對低頻振蕩起到明顯的抑制作用。

檢查PSVR100勵磁系統(tǒng)功率柜在轉(zhuǎn)子電流處于不同工況下的均流效果。以#1機組為例，當(dāng)發(fā)電機處于額定工況下時，記錄#1～#4功率柜輸出電流分別為863，908，887，840A，計算均流系數(shù)為0.963，驗證均流效果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（0.850）。

4　結(jié)論

PSVR100發(fā)電機勵磁系統(tǒng)在華電江東2×480 MW9F級燃機成功工程化應(yīng)用，1年多來，勵磁系統(tǒng)控制性能良好，運行穩(wěn)定、可靠，獲得了用戶的認可。

9F級燃機發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的成功國產(chǎn)化應(yīng)用，標(biāo)志著國電南自公司勵磁專業(yè)在控制理論研究、軟件設(shè)計、硬件設(shè)計、工程化應(yīng)用等方面均取得了顯著成果。解決了9F級燃機勵磁系統(tǒng)必須依賴進口的問題，實現(xiàn)了該類重大電力控制設(shè)備的國產(chǎn)化。

［1］彭鋼.PSVR100勵磁調(diào)節(jié)器的研制與應(yīng)用［J］.華電技術(shù)，2012（3）：13-17.

［2］南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司.一種勵磁功率柜的集中式均流控制方法：201610082222.1［P］.2016-02-05.

［3］南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司.一種基于電子跨接器線性滅磁回路的檢測方法：201310441596.4［P］. 2015-09-23.

［4］李丹.三菱燃機機組MEC5400型勵磁系統(tǒng)特點及調(diào)試［J］.大眾科技，2007（8）：127-128.

［5］大型汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件：DL/T843—2010［S］.

（本文責(zé)編：白銀雷）

TK472

A

1674-1951（2016）09-0010-03

2016-07-18；

2016-08-12

華電集團立項科技項目“大型發(fā)電機勵磁系統(tǒng)研發(fā)”（CHDKJ11-01-09）

顧建嶸（1986—），男，江蘇泰州人，工程師，工學(xué)碩士，從事發(fā)電機勵磁系統(tǒng)方面的工作（E-mail：javyroot@163. com）。