內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司 王慧鋒

勵(lì)磁系統(tǒng)是給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供動(dòng)態(tài)可調(diào)變勵(lì)磁電流，用以建立旋轉(zhuǎn)磁場的電源及附屬設(shè)備的統(tǒng)稱，是同步發(fā)電機(jī)組的重要系統(tǒng)之一，能夠有效保障發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。它根據(jù)發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)有功功率和無功功率的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整勵(lì)磁電流大小，以滿足發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)運(yùn)行工況，從而確保整個(gè)輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)輸出可調(diào)勵(lì)磁電流以維持機(jī)端電壓恒定和系統(tǒng)所需要的無功功率；當(dāng)電力系統(tǒng)異常故障時(shí)，進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁或減磁，以確保故障快速消除；當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)進(jìn)行快速滅磁，避免事故擴(kuò)大。因此，勵(lì)磁系統(tǒng)在電網(wǎng)及電廠的安全運(yùn)行中均占據(jù)著極其重要的地位。基于勵(lì)磁系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的可靠性和功能的全面性需要隨著新時(shí)代新技術(shù)的發(fā)展而逐步提升，本文提出了一種新型分布式勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，并將其應(yīng)用于托克托電廠的發(fā)電機(jī)組，保證了發(fā)電設(shè)備的長期穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

托克托電廠發(fā)電機(jī)組原配置由瑞士ABB 公司生產(chǎn)的UNITROL5000型靜態(tài)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，它是二十一世紀(jì)初的主流勵(lì)磁設(shè)備，具有調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快、功能完善、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢。但近年來UNITROL5000型勵(lì)磁系統(tǒng)在各發(fā)電企業(yè)的故障率逐年升高，暴露的問題存在著普遍性，如電源模塊故障、通訊系統(tǒng)故障、冷卻系統(tǒng)故障等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起機(jī)組非停事件。為保障發(fā)電機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，消除勵(lì)磁系統(tǒng)存在的隱患問題，經(jīng)與廠家及科研院專業(yè)人員研究討論，現(xiàn)提出新型分布式勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，并與當(dāng)前的新技術(shù)和新工藝相結(jié)合，通過對(duì)托克托電廠的發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁設(shè)備的改造與應(yīng)用，為各發(fā)電企業(yè)提供借鑒。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)的原理構(gòu)成

2.1 勵(lì)磁系統(tǒng)的作用

托克托電廠火力發(fā)電機(jī)組配置主流的靜態(tài)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供可調(diào)勵(lì)磁電流以建立磁場，將發(fā)電機(jī)的機(jī)械能源源不斷地轉(zhuǎn)換為電能，為電網(wǎng)及用戶提供清潔電力。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流供給示意圖如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流供給示意圖

2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成

靜態(tài)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)主電路典型接線方式是將勵(lì)磁變壓器連接在同步發(fā)電機(jī)的出口端。這種接線方式比較簡單，勵(lì)磁電源的可靠性較高。它主要由勵(lì)磁變壓器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、整流裝置、初勵(lì)裝置、滅磁裝置等組成。勵(lì)磁變壓器為勵(lì)磁系統(tǒng)整流提供電源；勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置通過控制參考值和測量值變化，實(shí)時(shí)地進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓及勵(lì)磁電流處于恒定水平；整流裝置主要由晶閘管、觸發(fā)板、保險(xiǎn)等組成，將交流電源轉(zhuǎn)變成直流電源，送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組；初勵(lì)裝置為發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)提供建立初始磁場的能量；滅磁裝置主要包括滅磁開關(guān)、滅磁電阻及過壓保護(hù)設(shè)備，能夠在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行快速滅磁，保障發(fā)電機(jī)在安全可靠范圍內(nèi)運(yùn)行。勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行原理

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是勵(lì)磁系統(tǒng)的“中央處理器”，是關(guān)鍵核心控制設(shè)備，控制著整套勵(lì)磁裝置的正常運(yùn)行。一般采用雙套冗余配置，每套調(diào)節(jié)器有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式。自動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)機(jī)端電壓的閉環(huán)控制，為勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的控制方式；手動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制，運(yùn)行人員可通過手動(dòng)方式調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，確保機(jī)端電壓恒定。

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁變壓器作為電源輸出至整流裝置。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采集發(fā)電機(jī)定子電壓、定子電流、勵(lì)磁電流及同步電壓信號(hào)等發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況變化，調(diào)節(jié)整流裝置的脈沖信號(hào)觸發(fā)角度，以控制整流元件輸出電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的調(diào)整。滅磁裝置也是勵(lì)磁系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，既作為勵(lì)磁電流輸出的開關(guān)，又配置有滅磁時(shí)消耗轉(zhuǎn)子能量的滅磁電阻和用于保護(hù)轉(zhuǎn)子繞組的過電壓保護(hù)器，保障著發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。初勵(lì)裝置則作為發(fā)電機(jī)軟起勵(lì)的初始電源，給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供建立初始磁場的能量。

3 分布式勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的分布設(shè)計(jì)

3.1.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)理念

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器測量發(fā)電機(jī)的電氣量，根據(jù)調(diào)控指令，選擇勵(lì)磁調(diào)節(jié)給定值，在測量值與給定值之間進(jìn)行比較、計(jì)算，然后輸出計(jì)算后的觸發(fā)脈沖至可控硅整流裝置。當(dāng)機(jī)端電壓實(shí)測值高于給定值時(shí)，觸發(fā)脈沖角度增大，使機(jī)端電壓降低；當(dāng)機(jī)端電壓實(shí)測值低于給定值時(shí)，觸發(fā)麥種角度減小，使機(jī)端電壓升高，保證實(shí)測值與給定值之間動(dòng)態(tài)平衡。通過實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓處于恒定水平，限制發(fā)電機(jī)在安全可靠范圍內(nèi)運(yùn)行。因此，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)模擬量測量、命令及狀態(tài)測量、判斷、計(jì)算及限制、輸出觸發(fā)脈沖和狀態(tài)信號(hào)監(jiān)測等功能。

圖3 調(diào)節(jié)器配置

3.1.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器冗余配置

自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)有兩個(gè)獨(dú)立的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)通道，含各自的電壓互感器、測量環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)、脈沖控制環(huán)節(jié)、限制環(huán)節(jié)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和工作電源等。分布式控制的勵(lì)磁系統(tǒng)配置兩套功能相同的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，相互獨(dú)立，互為備用。正常運(yùn)行時(shí)分主、備通道，同時(shí)采集機(jī)端電壓、機(jī)端電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)算，接收控制指令，送出狀態(tài)信號(hào)，相互跟蹤，互不干擾。任何工況下，兩套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均能實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。

兩套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器分別配置信號(hào)測量系統(tǒng)、脈沖形成、裝置檢測等9個(gè)功能單元，各個(gè)功能單元之間分別布置在不同的插件上，彼此相互獨(dú)立，各司其職。即使某一插件發(fā)生異常，可在線更換任意功能單元，而不影響另一調(diào)節(jié)器的功能配置及正常運(yùn)行。

3.1.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器獨(dú)立電源配置

兩套調(diào)節(jié)器配置獨(dú)立的電源系統(tǒng)，每套調(diào)節(jié)器采用雙路電源供電（一路直流電源，一路UPS 電源），且分別配置2個(gè)獨(dú)立電源插件，雙路電源同時(shí)供電，內(nèi)部無需電源切換設(shè)計(jì)，這樣保證任一電源消失，都不會(huì)影響調(diào)節(jié)器的運(yùn)行。兩套調(diào)節(jié)器四路獨(dú)立電源，大大提高了調(diào)節(jié)器的電源可靠性。

3.1.4 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)通訊配置

兩套調(diào)節(jié)器之間采用光纖通訊，且每套調(diào)節(jié)器配置兩塊通訊插件，這樣就既消除了以往采用網(wǎng)絡(luò)通訊、CAN 總線通訊、RS485通訊等方式出現(xiàn)異常的安全隱患，大大提升了通訊的抗干擾能力，又增加了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主、備通訊冗余度，可靠性大幅提升。

兩套調(diào)節(jié)器分別通過一路光纖與整流柜控制裝置通訊，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖與控制信號(hào)控制的獨(dú)立。光纖通訊增強(qiáng)了抗干擾能力，也消除電磁信號(hào)對(duì)裝置通訊的擾動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)，主調(diào)節(jié)器送至整流柜的光纖通訊信號(hào)含有“本套為主”的信息，因此整流柜控制裝置采用主調(diào)節(jié)器的觸發(fā)脈沖與控制信號(hào)。當(dāng)主調(diào)節(jié)器故障，切換至備用調(diào)節(jié)器運(yùn)行時(shí)，整流柜控制裝置采用備用調(diào)節(jié)器的觸發(fā)脈沖與控制信號(hào)。

3.2 整流柜的分布設(shè)計(jì)

自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中的大功率整流裝置均采用三相橋式接線。這種接線的優(yōu)點(diǎn)是晶閘管元件承受的電壓低，而變壓器的容量利用率高。整流裝置采用全控橋方式較多，全控橋方式在三相全波整流接線中，六個(gè)橋臂元件全都采用晶閘管。整流裝置是利用晶閘管構(gòu)成的電路進(jìn)行電能變換，整流狀態(tài)可將交流電變換成直流電供直流負(fù)載，逆變狀態(tài)又可將直流電變換成交流電供給交流負(fù)載。

3.2.1 整流柜的獨(dú)立電源配置

每臺(tái)整流柜的控制裝置配置雙路電源供電（一路直流電源，一路UPS 電源），配置2個(gè)獨(dú)立電源插件，雙路電源同時(shí)供電，內(nèi)部無需電源切換設(shè)計(jì)，這樣保證任一電源消失，都不會(huì)影響調(diào)節(jié)器的運(yùn)行；整流柜的控制裝置同時(shí)接收主、備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的觸發(fā)脈沖信號(hào)及控制信號(hào)，當(dāng)任一信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，自動(dòng)切換至另一信號(hào)指令運(yùn)行，確保整流柜控制的可靠性。

3.2.2 整流柜的分布式配置

每臺(tái)整流柜配置有智能控制裝置，既可以實(shí)現(xiàn)整流柜并機(jī)運(yùn)行，又可以作為獨(dú)立單元運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)，幾臺(tái)整流柜受控于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器并列運(yùn)行，輸出勵(lì)磁電流。當(dāng)兩套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器同時(shí)故障，失去脈沖觸發(fā)信號(hào)及控制信號(hào)時(shí)，整流柜又可以獨(dú)立運(yùn)行，避免了因?yàn)檎{(diào)節(jié)器故障造成的機(jī)組非停。此外，當(dāng)某一臺(tái)整流柜出現(xiàn)控制元件故障、整流元件故障等異常情況時(shí)，可以單獨(dú)退出該整流柜進(jìn)行修理、調(diào)試與試驗(yàn)。修復(fù)后，又可以正常并列運(yùn)行。

每臺(tái)整流柜配置獨(dú)立的勵(lì)磁電流采、勵(lì)磁電壓及同步電壓信號(hào)采集單元，這樣當(dāng)同步電壓信號(hào)采集異?；蛘呷我徽鞴癜l(fā)生異常時(shí)，不影響其他整流柜的正常運(yùn)行。每臺(tái)整流柜控制裝置之間采用CAN 環(huán)網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)智能均流。環(huán)網(wǎng)通訊消除了單點(diǎn)故障造成的通訊中斷，為實(shí)時(shí)智能均流提供了可靠保障。

3.2.3 整流柜的其他配置

每臺(tái)整流柜風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)判據(jù)采用風(fēng)壓擋板加風(fēng)壓檢測，消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中判據(jù)單一的安全隱患，使整流柜運(yùn)行更加穩(wěn)定。此外，整流柜橋臂配置單獨(dú)的分流器，采用基于抗交直流飽和的無畸變電壓電流波形變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)每個(gè)橋臂電流的監(jiān)測，大大提高了采樣精度和準(zhǔn)確性。

3.3 智能滅磁裝置的設(shè)計(jì)

滅磁開關(guān)柜摒棄以往傳統(tǒng)的簡單控制回路配置，設(shè)置獨(dú)立的滅磁智能測控裝置，實(shí)現(xiàn)滅磁柜的智能集中控制。另外增加友好的人機(jī)界面，能夠很好的適用于新一代的廠站控制要求。

滅磁開關(guān)柜智能測控裝置與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一樣配置雙路電源供電，2個(gè)獨(dú)立電源插件，增加了電源可靠性和冗余度；滅磁開關(guān)柜智能測控裝置通過兩路獨(dú)立光纖，與2個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器分別通訊，能夠完成滅磁能量在線計(jì)算、滅磁開關(guān)控制、過壓保護(hù)、初勵(lì)控制、勵(lì)異常判斷等功能，實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁系統(tǒng)從初勵(lì)到滅磁的全過程監(jiān)測、控制兼能量轉(zhuǎn)移計(jì)算。

圖4 基于分布式控制的勵(lì)磁系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

4 工程應(yīng)用后效果

基于分布式控制的勵(lì)磁系統(tǒng)采用近100%光纖通訊，脈沖光纖傳輸與分布式移相觸發(fā)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從控制器到整流橋一對(duì)一樹狀并行傳輸，解決了原勵(lì)磁系統(tǒng)串行通訊、易受干擾的隱患，提高整流橋觸發(fā)脈沖傳輸過程中的抗干擾能力和智能均流水平。

新型勵(lì)磁系統(tǒng)采用發(fā)分布式控制，雙套智能調(diào)節(jié)器+整流柜智能裝置+滅磁柜智能裝置的勵(lì)磁系統(tǒng)全智能控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙主用雙輔助四調(diào)節(jié)通道冗余配置，提高了通道切換冗余度。

每個(gè)整流柜有獨(dú)立的同步電壓采集和脈沖觸發(fā)序列，當(dāng)其中一個(gè)電壓采集或者脈沖觸發(fā)回路故障時(shí)，不影響其他整流柜運(yùn)行。

整流柜風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況采用風(fēng)壓擋板+風(fēng)壓繼電器雙重判據(jù)，消除了傳統(tǒng)整流柜風(fēng)機(jī)故障單一判據(jù)的隱患。

圖5 勵(lì)磁系統(tǒng)通訊配置

基于分布式控制系統(tǒng)，每個(gè)整流柜既可以與其他整流柜并列整體運(yùn)行，又可以做個(gè)一個(gè)獨(dú)立體單獨(dú)運(yùn)行，這樣既消除了雙套調(diào)節(jié)器故障造成的機(jī)組失磁，也方便了勵(lì)磁系統(tǒng)整流柜獨(dú)立檢修和發(fā)生故障時(shí)的隔離。

圖6 勵(lì)磁系統(tǒng)電源配置

每套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、每臺(tái)整流柜及滅磁開關(guān)柜都采用獨(dú)立的雙路交、直控制電源，極大的提高了電源的可靠性。

勵(lì)磁系統(tǒng)新增滅磁開關(guān)智能測控裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)滅磁能量的在線計(jì)算、轉(zhuǎn)子溫度在線計(jì)算、滅磁開關(guān)控制、過電壓控制及起勵(lì)異常判斷。

勵(lì)磁系統(tǒng)采用基于抗交直流飽和的無畸變電壓電流波形變換技術(shù)，進(jìn)行每個(gè)可控硅元件的電流和勵(lì)磁電壓的在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)整流裝置元件級(jí)的智能均流和滅磁電阻能耗在線計(jì)算功能。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目結(jié)合托克托電廠600MW 機(jī)組現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)現(xiàn)狀分析，提出機(jī)組勵(lì)磁改造的可行性分布控制的先進(jìn)方案設(shè)計(jì)。勵(lì)磁系統(tǒng)改造后，運(yùn)行性能、調(diào)節(jié)性能及安全性能更上一個(gè)臺(tái)階，調(diào)節(jié)速率較原系統(tǒng)大幅；勵(lì)磁系統(tǒng)限制器功能更完善，且使用獨(dú)立的PID 運(yùn)算；勵(lì)磁采樣環(huán)節(jié)、電源配置、整流柜運(yùn)行性能、調(diào)節(jié)性能及安全性能更上一個(gè)臺(tái)階，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)了勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行的高性能、高效率，有效提高發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，也為發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行做出很大的貢獻(xiàn)。