林良渝

（閩東電力柘榮發(fā)電分公司，福建 寧德355300）

0 引言

電力系統(tǒng)發(fā)展初始階段，機組容量較小，電站多采用勵磁機（直流勵磁機和交流勵磁機）方式勵磁，對勵磁系統(tǒng)的要求也較低。但由于這種勵磁系統(tǒng)維護工作量大、響應速度慢等缺點，已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)的要求[1]。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，可控硅和IGBT制作工藝不斷革新，以半導體為功率元件的勵磁方式在大、中型同步發(fā)電機組得到廣泛應用。半導體勵磁方式普遍采用交流勵磁電源加半導體整流元件（SCR、IGBT等）的方式實現(xiàn)，目前，半導體勵磁方式仍然是勵磁方式的主流[2，3]。

福建龍溪三級電站共兩臺發(fā)電機組，機組額定機端電壓為6300V，當采用舊勵磁系統(tǒng)對發(fā)電機起勵升壓時機端電壓在6000～6700V之間波動，并且舊勵磁系統(tǒng)不存在零起升壓和系統(tǒng)電壓跟蹤功能，給系統(tǒng)運行及維護帶來諸多不便。同時隨著勵磁系統(tǒng)零部件老化，嚴重影響了整個機組的安全穩(wěn)定運行，亟待對勵磁系統(tǒng)進行升級改造。

EXC9200型勵磁系統(tǒng)是中國電器科學研究院有限公司/廣州擎天實業(yè)有限公司開發(fā)的第六代微機勵磁系統(tǒng)。主處理器采用POWERPC+FPGA架構，內(nèi)嵌Vxworks實時操作系統(tǒng)。本文對EXC9200勵磁系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器數(shù)學模型進行了說明，并對勵磁系統(tǒng)的架構和靜、動態(tài)特性進行了分析。把該勵磁系統(tǒng)應用于福建龍溪三級電站，取得較好的控制效果，能夠滿足電站和電網(wǎng)的要求。

1 勵磁系統(tǒng)及其數(shù)學模型

1.1 勵磁系統(tǒng)介紹

1.1.1 調(diào)節(jié)單元

調(diào)節(jié)單元是勵磁系統(tǒng)的核心，通過對發(fā)電機機端電壓、勵磁電流等模擬量及開機令、停機令等開關量信號的采集，實現(xiàn)對勵磁電壓、勵磁電流的輸出控制，以達到勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能。勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)單元的配置框圖見圖1。從圖中可以看出勵磁系統(tǒng)一般由人機界面、調(diào)節(jié)器、開關量輸入/輸出、智能控制模塊等組成。運行維護人員可通過人機界面對勵磁系統(tǒng)進行簡單的操作控制。調(diào)節(jié)器部分主要實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)的恒機端電壓、恒勵磁電壓等調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)需要配置為雙調(diào)節(jié)通道或三調(diào)節(jié)通道。福建龍溪三級電站采用雙調(diào)節(jié)通道（REGA/REGB通道），通道間實現(xiàn)完全對等冗余，互為備用。開關量輸入/輸出模塊為調(diào)節(jié)器提供對外輸入、輸出接口。通信模塊可實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交互，也可通過通信的方式與上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

圖1 勵磁系統(tǒng)雙調(diào)節(jié)通道配置框圖

1.1.2 功率變換單元

在勵磁系統(tǒng)中，功率變換單元主要實現(xiàn)交流電和直流電間的相互轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)階段勵磁系統(tǒng)的功率單元一般采用三相橋式全控整流電路來實現(xiàn)，功率元件采用可控硅。每個全控橋由6個可控硅元件組成。龍溪三級電站功率單元采用1個功率柜，有2個三相橋式全控整流電路并聯(lián)而成。

三相橋式全控整流電路的原理圖如圖2所示[4]。功率元件由 VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6 6個可控硅半導體元件組成，勵磁調(diào)節(jié)單元通過控制可控硅的觸發(fā)角實現(xiàn)功率單元的整流和逆變功能。在勵磁系統(tǒng)中，UA，UB，UC為三相交流電壓輸入，取自勵磁變壓器的副邊。負載為發(fā)電機的轉(zhuǎn)子。整流橋的輸出直接接入發(fā)電機轉(zhuǎn)子。

圖2 三相橋式全控整流電路原理圖

1.1.3 保護單元

（1）阻容保護

在勵磁系統(tǒng)正常運行過程中，整流橋可控硅整流換相過程中可能會產(chǎn)生較高的電壓，為了避免可控硅整流元件過電壓擊穿，需要設計阻容吸收回路對產(chǎn)生的尖峰過電壓進行吸收。針對龍溪三級電站，我們采用分散式阻容保護，即把電阻電容串聯(lián)，然后并聯(lián)在可控硅的兩端，如圖2所示。

（2）過壓保護

過壓保護部分原理框圖如圖3所示。

圖3中REC為功率單元，對應整流橋；QFG對應滅磁開關；FR為非線性滅磁電阻；RD為快熔；V1為二極管；V2為可控硅；A1為可控硅觸發(fā)檢測板；CT為電流互感器。

圖3 過壓保護原理圖

勵磁系統(tǒng)過壓分為正向過電壓和反向過電壓。

當發(fā)電機處于非正常運行狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子回路會產(chǎn)生很高的感應電壓，當檢測到轉(zhuǎn)子電壓超過設定值時，可控硅模塊V2會被觸發(fā)，此時非線性電阻單元FR將被并入轉(zhuǎn)子回路，消除掉產(chǎn)生的過電壓能量，此時屬于正向過電壓。

當勵磁系統(tǒng)事故停機時，需要跳開QFG將磁場能量轉(zhuǎn)移到非線性電阻FR上實現(xiàn)滅磁。把二極管V1和可控硅模塊V2反向并聯(lián)，從而保證當發(fā)電機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)反向過電壓時轉(zhuǎn)子不開路，對轉(zhuǎn)子絕緣起到保護作用。

1.2 勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型

勵磁系統(tǒng)主要有2種運行方式：自動方式和手動方式。自動方式即恒發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)模式，手動方式為恒勵磁電流調(diào)節(jié)模式。由于手動方式是輔助運行模式，本文主要介紹自動方式的數(shù)學模型。為使勵磁系統(tǒng)有良好的動態(tài)性能，采用兩級超前/滯后校正環(huán)節(jié)，其數(shù)學模型如圖4所示。其中：

Ugd：自動方式電壓給定值，范圍：1%～120%；

Ug：機端電壓測量值，標么值；

Ta：機端電壓測量時間常數(shù)，不大于20ms；

Kavr：調(diào)節(jié)器內(nèi)部放大倍數(shù)；

T1，T2：第1級超前/滯后環(huán)節(jié)時間常數(shù)；

T3，T4：第2級超前/滯后環(huán)節(jié)時間常數(shù)；

uk：自動方式輸出；

pss_uk：為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的輸出。

圖4 自動方式數(shù)學模型

如圖4所示，給定電壓值與實際反饋值的偏差，經(jīng)過二階超前/滯后環(huán)節(jié)后限幅輸出，輸出結果對應于功率單元可控硅的觸發(fā)角。勵磁系統(tǒng)通過對可控硅觸發(fā)角的控制實現(xiàn)對勵磁電壓的控制輸出，從而確保發(fā)電機機端電壓值的穩(wěn)定。為了保證勵磁系統(tǒng)對電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制效果，在給定值端需要疊加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輸出pss_uk。

2 勵磁系統(tǒng)的靜態(tài)特性

在勵磁系統(tǒng)整流和逆變過程中，移相觸發(fā)角度應有一定限制。理論上可控硅觸發(fā)角為0°～180°，而在實際工程應用中，一般選取10°～150°之間的值來作為有效移相觸發(fā)范圍[5]。

在靜態(tài)工況下，模擬整流橋陽極電壓和同步電壓，在恒控制角模式下，勵磁系統(tǒng)的移相特性如表1所示：其中整流橋原邊電壓20.7V，整流橋輸出并2kW，22Ω的電阻。

表1 勵磁系統(tǒng)移相特性

從表1中可以看出，在可控硅觸發(fā)角度為10°時，整流輸出直流電壓為24.56V，接近于該觸發(fā)角度時的理論值。

圖5為可控硅觸發(fā)角為10°時從示波器中觀測到的整流橋輸出直流電壓波形。在20ms內(nèi)，有6個連續(xù)的脈動波形，和理論結果相符。

圖5 整流橋輸出的電壓波形

3 勵磁系統(tǒng)動態(tài)特性

在此次龍溪三級電站勵磁系統(tǒng)改造過程中采用EXC9200勵磁系統(tǒng)。圖6為發(fā)電機組起勵時通過調(diào)試軟件錄到的起勵波形。其中Ug為機端電壓，Uk為控制信號，對應于可控硅觸發(fā)角，IL為勵磁電流。從圖中可以看出，機組起勵后，機端電壓最終穩(wěn)定于額定值附近，且比較平穩(wěn)，此時控制信號UK約為46.64，可控硅觸發(fā)角度約為83.95°。圖7為當發(fā)電機穩(wěn)定運行時，在發(fā)電機機端電壓額定值的86.67%基礎上疊加10%階躍信號時的階躍響應特性曲線，調(diào)節(jié)時間小于1.08s，超調(diào)量約為2.6%，從圖中可以看出勵磁系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力，滿足國標要求。

圖6 發(fā)電機組起勵特性曲線

圖7 發(fā)電機組機端電壓10%階躍特性曲線

4 結論

針對福建龍溪三級電站舊勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)不穩(wěn)定及存在安全隱患的問題，對勵磁系統(tǒng)進行升級改造。本文著重介紹了EXC9200勵磁裝置及其在龍溪三級電站的應用。對該型號勵磁系統(tǒng)的整體架構及靜、動態(tài)特性進行了分析。試驗表明該裝置集成度高，運行穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強，取得了良好的控制效果，能夠滿足電站和電網(wǎng)的要求。