張延龍

（廣東省能源集團(tuán)天生橋一級(jí)水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400）

1 前言

天生橋一級(jí)水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠（以下簡(jiǎn)稱天一電廠）位于廣西隆林縣與貴州安龍縣交界的紅水河流域南盤江干流上，屬南方電網(wǎng)總調(diào)直調(diào)電廠，在系統(tǒng)中主要承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，總裝機(jī)容量4×300 MW[1]。天一電廠發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF300-44/12440，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)

勵(lì)磁系統(tǒng)不僅具有維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、分配無功功率的功能，還具備維持電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的功能，是發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，影響著發(fā)電過程的安全性和穩(wěn)定性。因此，對(duì)設(shè)備老化、性能降低的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行改造是保障發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的必要手段。

2 改造原因

天一電廠勵(lì)磁系統(tǒng)于2007年開始進(jìn)行第2次改造升級(jí)，采用南瑞電控第3代勵(lì)磁產(chǎn)品NES5100勵(lì)磁系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)基礎(chǔ)配置為1面勵(lì)磁調(diào)節(jié)器柜，3面可控硅整流裝置柜，1面滅磁開關(guān)柜，1面滅磁電阻柜以及1面電制動(dòng)操作柜。2008年全廠4臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)完成改造，至2020年已運(yùn)行超過12年，由于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，出現(xiàn)了如下問題。

（1）原勵(lì)磁系統(tǒng)廠家南瑞電控已于2014年停止生產(chǎn)NES5100勵(lì)磁裝置，部分電子元器件電氣性能老化，配套的備品備件供應(yīng)也日趨緊張；

（2）勵(lì)磁工控機(jī)運(yùn)行年限過長(zhǎng)導(dǎo)致工控機(jī)故障率高，常有死屏、黑屏、反應(yīng)遲緩等情況發(fā)生；

（3）可控硅整流柜采用雙電源雙風(fēng)機(jī)散熱，起勵(lì)后必須啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，噪聲較大，易吸入灰塵。經(jīng)過長(zhǎng)年運(yùn)行，風(fēng)機(jī)引風(fēng)管常有偏離原有位置的情況，造成因采風(fēng)量不足而誤報(bào)“風(fēng)機(jī)故障信號(hào)”，可靠性降低，此外經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)機(jī)損壞的情況、維護(hù)困難。

此外，為打好天一電廠建設(shè)遠(yuǎn)控中心、智能化電廠的基礎(chǔ)，提升勵(lì)磁系統(tǒng)性能，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，故需要對(duì)天一電廠勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3 勵(lì)磁改造情況

3.1 基本情況

天一電廠勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)靜止勵(lì)磁方式，將勵(lì)磁變壓器連接在同步發(fā)電機(jī)的出口端，是靜態(tài)自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的典型接線方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)。本次改造不改變勵(lì)磁方式，改造范圍包括發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、可控硅整流裝置、滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置，優(yōu)化了電制動(dòng)流程，保留原勵(lì)磁變壓器、制動(dòng)變壓器及剎車開關(guān)。改造后天一電廠勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)出口端，經(jīng)過勵(lì)磁變壓器降壓、全控整流橋功率單元整流后給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號(hào)和調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制可控硅的控制角來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。發(fā)電機(jī)起勵(lì)措施采用殘壓起勵(lì)和他勵(lì)起勵(lì)2種方式。通常情況下，采用殘壓起勵(lì)，利用機(jī)組剩磁產(chǎn)生的殘壓供給初始勵(lì)磁。當(dāng)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，殘壓不足時(shí)采用他勵(lì)方式進(jìn)行起勵(lì)，為提高他勵(lì)電源的可靠性，配置了交直流雙路電源。發(fā)電機(jī)正常停機(jī)時(shí)采用逆變滅磁，事故時(shí)機(jī)組跳滅磁開關(guān)，采用滅磁性能較高的SiC電阻進(jìn)行移能滅磁。

原勵(lì)磁系統(tǒng)與勵(lì)磁變壓器、制動(dòng)變壓器及轉(zhuǎn)子回路的連接形式與位置決定了本次改造的交直流回路的接口形式和位置不能改變。此外由于廠房勵(lì)磁室場(chǎng)地的限制，新勵(lì)磁系統(tǒng)的機(jī)柜尺寸與布局與原有系統(tǒng)盡量保持了一致，這樣既能減小主回路接口的改造工作量，還能利用部分原有控制電纜，降低了改造成本。

改造后的勵(lì)磁系統(tǒng)同樣配置7面柜體，分別為1面EXC9200勵(lì)磁調(diào)節(jié)器柜、1面電氣制動(dòng)柜、3面智能化功率整流柜、1面智能化滅磁開關(guān)柜、1面滅磁電阻柜。柜面布置圖如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)柜面布置圖

3.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

本次改造的勵(lì)磁系統(tǒng)采用了廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司的EXC9200型勵(lì)磁系統(tǒng)，其中EXC9200勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的核心控制單元采用高性能CPU為主處理器，大容量FPGA芯片為協(xié)處理器，組成了多CPU的高速實(shí)時(shí)采樣和處理系統(tǒng)。該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由2個(gè)完全獨(dú)立的調(diào)節(jié)通道組成，具備自動(dòng)方式和手動(dòng)方式，采用的調(diào)節(jié)規(guī)律為PID+PSS[2]。2種調(diào)節(jié)方式的介紹如下所述。

自動(dòng)方式為恒機(jī)端電壓調(diào)節(jié)(AVR)，反饋量為發(fā)電機(jī)端電壓。自動(dòng)方式為主要運(yùn)行方式，有利于提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。在自動(dòng)方式下，附加了PSS環(huán)節(jié)，可有效抑制電力系統(tǒng)的有功低頻振蕩，采用了兩級(jí)超前／滯后校正環(huán)節(jié)，使勵(lì)磁系統(tǒng)有良好的動(dòng)態(tài)性能，其數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 自動(dòng)控制方式數(shù)學(xué)模型

手動(dòng)方式為恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)(FCR)，反饋量為勵(lì)磁電流。手動(dòng)方式只有一級(jí)超前／滯后校正環(huán)節(jié)，沒有疊加控制，僅作為輔助運(yùn)行方式，用于設(shè)備的投運(yùn)或維護(hù)過程中的發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)，或者是作為在自動(dòng)方式故障時(shí)（如PT故障）的輔助/過渡控制方式。為了避免在手動(dòng)方式下發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷引起機(jī)端過電壓，手動(dòng)方式具有自動(dòng)返回空載的功能。在發(fā)電機(jī)斷路器跳閘的情況下，位置信號(hào)傳送給調(diào)節(jié)器，則立即把電流給定值置為空載勵(lì)磁電流值。手動(dòng)方式的數(shù)學(xué)模型由下圖4所示。

圖4 手動(dòng)控制方式數(shù)學(xué)模型

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器配置的2個(gè)調(diào)節(jié)通道從測(cè)量回路到脈沖輸出回路完全獨(dú)立，調(diào)節(jié)通道以主從方式工作，通過對(duì)同步信號(hào)、機(jī)端電壓信號(hào)的多方位采樣和檢測(cè)來確定通道的運(yùn)行優(yōu)先級(jí)，通道間對(duì)等冗余、互為主備用，備用通道在脈沖輸出級(jí)跟蹤運(yùn)行通道，保證通道間平穩(wěn)、無擾動(dòng)切換。該調(diào)節(jié)器功能完備，可完成機(jī)組手/自動(dòng)建壓、零起升壓、增減無功負(fù)荷及解列后逆變停機(jī)等常規(guī)操作，還配備有PSS、強(qiáng)勵(lì)限制、欠勵(lì)限制、過勵(lì)反時(shí)限限制、V/Hz限制和過勵(lì)保護(hù)、低頻保護(hù)等限制保護(hù)功能，同時(shí)具備實(shí)時(shí)故障診斷和容錯(cuò)、智能調(diào)節(jié)及輔助分析、信息網(wǎng)絡(luò)化等功能。

3.3 勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元

本次改造的勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元由可控硅整流裝置、快速熔斷器、脈沖變壓器、阻容保護(hù)裝置、霍爾電流傳感器、熱管散熱器、冷卻風(fēng)機(jī)及其控制回路、智能檢測(cè)單元及智能控制板等設(shè)備組成，配置了PT100測(cè)溫電阻和紅外測(cè)溫傳感器雙路溫度測(cè)量回路。

可控硅整流裝置選用ABB公司生產(chǎn)的5STP28L4200型原裝進(jìn)口可控硅元件，每個(gè)元件均有快速熔斷器保護(hù)，并配置紅外測(cè)溫傳感器對(duì)每個(gè)可控硅的溫度進(jìn)行監(jiān)視?？煽毓枵餮b置配置3個(gè)可控硅整流橋并聯(lián)輸出，每個(gè)整流橋分別單獨(dú)布置于單柜之中，單柜最高輸出可達(dá)3 000 A。退出一個(gè)整流柜后，能夠滿足勵(lì)磁在各種工況下（包含強(qiáng)勵(lì)）長(zhǎng)期運(yùn)行。在退出2個(gè)整流橋后，能在1.1倍額定勵(lì)磁電流工況下長(zhǎng)期運(yùn)行。

關(guān)于功率整流柜的冷卻方式，為了改善傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱帶來的噪聲大、灰塵多以及維護(hù)不便等問題，本次改造選擇了以環(huán)路并行式熱管散熱為主，風(fēng)機(jī)散熱冷卻為輔的冷卻方式。其中，環(huán)路并行式熱管由蒸發(fā)器、補(bǔ)償器、冷凝器組成，利用介質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝來傳遞熱量，是一種高效的兩相流體回路傳熱裝置。環(huán)路并行式熱管散熱具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）氣液攜帶阻力小、傳熱效率高；

（2）等溫性能好，可遠(yuǎn)距離傳熱，并能改變熱量傳遞的方向；

（3）啟動(dòng)快速靈活、無需外加動(dòng)力；

（4）管路形狀不受限制，可依據(jù)實(shí)際需求靈活設(shè)計(jì)。

風(fēng)機(jī)散熱冷卻作為輔助冷卻手段，沿用了原有的雙電源雙風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)選用德國(guó)施樂百品牌原裝進(jìn)口產(chǎn)品，每套風(fēng)機(jī)均能提供單柜所需要的全部冷風(fēng)。

根據(jù)GB/T 7409.3-2007“同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大、中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求”規(guī)程第5.19條的規(guī)定，功率整流裝置的均流系數(shù)應(yīng)≥0.85。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)均流系數(shù)的要求，采用了廣州擎天研發(fā)的動(dòng)態(tài)均流技術(shù)，該技術(shù)以元件通態(tài)平均電流為調(diào)節(jié)目標(biāo)，通過對(duì)同相橋臂元件觸發(fā)脈沖時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)均流的目的[3]。通過改造后實(shí)際驗(yàn)證得到，當(dāng)機(jī)組在空載額定勵(lì)磁電流下運(yùn)行時(shí)，投入自動(dòng)均流時(shí)，每套設(shè)備的均流系數(shù)均高于0.97，當(dāng)自動(dòng)均流全退出時(shí)，設(shè)備的均流系數(shù)在0.86～0.89之間，實(shí)踐證明動(dòng)態(tài)均流技術(shù)有效可靠。

本次改造為了防止可控硅整流元件過電壓擊穿，配置了功率柜交流側(cè)過電壓保護(hù)和硅元件換相過電壓保護(hù)，采用了集中式阻容吸收回路。該回路具有體積小，安裝方便，保護(hù)可靠，吸收效果好等優(yōu)點(diǎn)。二極管整流部分主要吸收交流側(cè)過電壓，與轉(zhuǎn)子正負(fù)極連接阻容主要用于吸收換相過電壓，具體線路如圖5所示。

圖5 集中式阻容吸收回路原理圖

3.4 滅磁及過壓保護(hù)單元

本次改造，天一電廠滅磁系統(tǒng)采用美國(guó)GE公司生產(chǎn)的快速直流斷路器作為磁場(chǎng)斷路器（即滅磁開關(guān)FMK），型號(hào)為Gerapid2607，英國(guó)M&I公司生產(chǎn)的Metrosil Varistor系列SiC電阻作為滅磁電阻,滅磁容量為6.6 MJ。過壓保護(hù)設(shè)備包括SiC電阻、電流互感器，由2個(gè)反向可控硅、1個(gè)正向可控硅以及可控硅觸發(fā)器BOD板組成的過壓保護(hù)跨接器。滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)原理圖如圖6所示。

圖6 滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)原理圖

發(fā)電機(jī)正常停機(jī)時(shí)采用逆變電氣滅磁，通過整流橋逆變將轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的能量回饋至電源側(cè)。在事故情況下，為了滿足獨(dú)立性和強(qiáng)制性要求，采用磁場(chǎng)斷路器動(dòng)作的方式進(jìn)行機(jī)械滅磁[4]，導(dǎo)通可控硅將SiC非線性電阻接入轉(zhuǎn)子回路，將轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的能量快速轉(zhuǎn)移至滅磁電阻中[5]。

當(dāng)出現(xiàn)正向過電壓時(shí)，觸發(fā)器BOD板觸發(fā)正向可控硅V1導(dǎo)通，SiC滅磁電阻R接入，滅磁柜智能板檢測(cè)到電流互感器CT的電流信號(hào)發(fā)出“過壓保護(hù)動(dòng)作”信號(hào)。SiC滅磁電阻吸收過電壓能量，限制轉(zhuǎn)子過電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)子回路的瞬時(shí)過電壓消失后，BOD板控制可控硅V1阻斷，避免可控硅整流橋持續(xù)對(duì)滅磁電阻供電。同理，當(dāng)出現(xiàn)反向過電壓時(shí)，BOD板觸發(fā)反向可控硅V2導(dǎo)通，接入滅磁電阻吸收能量，保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子始終不出現(xiàn)開路，可靠地保護(hù)轉(zhuǎn)子絕緣不遭受破壞[5]。

本設(shè)計(jì)采用的Gerapid2607磁場(chǎng)斷路器，結(jié)構(gòu)緊湊，滅弧能力強(qiáng)，可靠性高，SiC滅磁電阻性能穩(wěn)定，可保證長(zhǎng)期運(yùn)行。采用的可控硅跨接器系統(tǒng)也具有較多優(yōu)點(diǎn)，以跨接器代替滅磁開關(guān)的滅磁接點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)磁場(chǎng)能量釋放，消除滅磁接點(diǎn)機(jī)械機(jī)構(gòu)松動(dòng)、卡塞等事故隱患，顯著減少維護(hù)工作量。此外BOD器件用于可控硅跨接器觸發(fā)，可以精確地整定過電壓保護(hù)動(dòng)作值，無須特別維護(hù)?？煽毓鑆2、V3冗余配置，分別由兩路獨(dú)立的觸發(fā)回路控制，提供兩路跨接通道，提高了滅磁可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

天一電廠EXC9200型勵(lì)磁系統(tǒng)投入運(yùn)行后，調(diào)節(jié)性能良好，調(diào)節(jié)精度高，操作方便，運(yùn)行可靠，達(dá)到了勵(lì)磁系統(tǒng)改造的目的，使天一電廠的設(shè)備技術(shù)水平上了一個(gè)新臺(tái)階，為電廠的安全生產(chǎn)起到了很大的促進(jìn)作用，為天一電廠建設(shè)遠(yuǎn)控中心、智能化電廠奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。