李 霞

（國電電力發(fā)展股份有限公司和禹水電開發(fā)公司，遼寧 本溪 117200）

目前，仍有部分水輪發(fā)電機(jī)還采用直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式，存在勵(lì)磁裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在滯后環(huán)節(jié)，響應(yīng)時(shí)間長，動態(tài)性能差等缺點(diǎn)，無法滿足現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中勵(lì)磁系統(tǒng)模型參數(shù)指標(biāo)要求，也不滿足流域水電站智能化集控控制要求。本文以桓仁電站2 號發(fā)電機(jī)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改造為目前運(yùn)用成熟的自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)為例，分析解決向自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)過渡的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)單一控制方式向數(shù)字化、智能化進(jìn)行過渡。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)改造問題解析

1.1 對機(jī)組動力穩(wěn)定性的影響

機(jī)組軸系的臨界轉(zhuǎn)速直接影響機(jī)組的安全運(yùn)行，為保證機(jī)組導(dǎo)軸承載荷，機(jī)組的動力穩(wěn)定特性，采用不拆除直流勵(lì)磁機(jī)，只拆除勵(lì)磁機(jī)碳刷及直流引線，避免勵(lì)磁系統(tǒng)改造對機(jī)組軸系動力穩(wěn)定的影響。

1.2 對繼電保護(hù)的影響

機(jī)組繼電保護(hù)增加了勵(lì)磁變過流、速斷、溫度保護(hù)，作用于跳發(fā)電機(jī)出口斷路器、滅磁開關(guān)、停機(jī)，溫度保護(hù)告警等，并采用記憶過電流及阻抗保護(hù)等方法保證繼電保護(hù)動作可靠。

1.3 對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快，勵(lì)磁電壓在幾個(gè)周波內(nèi)就能達(dá)到頂值，故障切除后的發(fā)電機(jī)電勢能夠迅速提高。勵(lì)磁系統(tǒng)改造后較好地改善了電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定及功角穩(wěn)定，提高了電壓穩(wěn)定水平。

1.4 對電氣設(shè)備的調(diào)整及布置影響

利用原勵(lì)磁裝置盤柜位置安裝新盤柜，額外增加箱式勵(lì)磁變壓器位置。勵(lì)磁變高壓側(cè)動力電纜從發(fā)電機(jī)出口內(nèi)側(cè)母排接引，滅磁柜連接轉(zhuǎn)子側(cè)的直流動力電纜接引方式不變，電纜布置于橋架槽盒中，電氣設(shè)備調(diào)整及布局優(yōu)化、合理。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)改造硬件配置

根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)改造需要解決的問題及整體規(guī)劃進(jìn)行硬件配置，該系統(tǒng)由起勵(lì)回路、勵(lì)磁變壓器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、功率整流柜、滅磁回路及測量用電壓互感器、電流互感器、數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)等組成。

2.1 智能快速起勵(lì)方式

采用高頻脈沖列的智能低殘壓快速起勵(lì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)殘壓起勵(lì)，設(shè)計(jì)起勵(lì)回路及相應(yīng)設(shè)備。

2.2 勵(lì)磁變壓器

以勵(lì)磁回路容量、二次側(cè)電壓、發(fā)電機(jī)定額勵(lì)磁電壓、額定勵(lì)磁電流為設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)，根據(jù)國家和電力行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程規(guī)范，并結(jié)合機(jī)組運(yùn)行工況對勵(lì)磁變壓器進(jìn)行選擇。勵(lì)磁變壓器為戶內(nèi)、無勵(lì)磁調(diào)壓、環(huán)氧樹脂澆注全密封的三相組合式干式變壓器，勵(lì)磁變的容量選擇考慮與勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)能力相配合，保護(hù)定值與勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)能力相協(xié)調(diào)，防止機(jī)組強(qiáng)勵(lì)過程保護(hù)誤動作，水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓倍數(shù)一般為1.5～2，本次勵(lì)磁改造，勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓、電流倍數(shù)選擇2 倍，允許強(qiáng)勵(lì)時(shí)間應(yīng)不小于10 s。

為改善可控硅整流橋電壓波形，變壓器宜采用星形-三角形接線。

2.3 智能一體化自動勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)裝置

自動勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元兩部分構(gòu)成。

2.3.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

本次改造對勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行了硬件配置、組件軟件、控制邏輯及參數(shù)設(shè)置等綜合改造。選用高性能的EXC9200 型定制化生產(chǎn)設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器，電壓等調(diào)節(jié)精度優(yōu)越。同時(shí)具有多通道冗余能力，通道間切換基于優(yōu)先級方式，最大限度降低勵(lì)磁裝置強(qiáng)迫退出運(yùn)行的概率，采用分布式控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的操作、顯示、狀態(tài)和故障監(jiān)測等智能一體化，利用電站現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳，便于電站動態(tài)監(jiān)控勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行工況。

2.3.2 勵(lì)磁功率單元

智能化功率柜配置了智能控制單元，具有風(fēng)溫、三相勵(lì)磁電流檢測和風(fēng)機(jī)檢測等附加功能，實(shí)現(xiàn)控制、顯示和故障報(bào)警等功能，并通過 CAN 總線或光纖通信與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通信，形成智能一體化的系統(tǒng)。在智能化功率柜中更實(shí)現(xiàn)了功率柜間的橋臂均流系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)，電磁兼容能力均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求的3 級水平。整流功率柜中采用雙套冗余三相橋式全控整流電路，兩個(gè)并聯(lián)全控支路互為熱備用，保證發(fā)電機(jī)在強(qiáng)勵(lì)所有運(yùn)行工況下均能持續(xù)運(yùn)行。功率柜中配備智能化風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)開機(jī)令或電流輸出值啟停風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)互為備用，故障時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號。

2.4 數(shù)字化 CAN 總線及光纖數(shù)字通信系統(tǒng)

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部具備雙CAN 總線，脈沖傳輸采用光纖傳輸方式，脈沖傳輸回路經(jīng)過專門的電路處理，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。對外通信接口根據(jù)機(jī)組監(jiān)控、國網(wǎng)傳輸要求等特點(diǎn)，采用千兆自適應(yīng)以太網(wǎng)、光纖通信、IEC0870-5-104 等通信協(xié)議，采用雙機(jī)四網(wǎng)冗余配置?，F(xiàn)地人機(jī)接口使用工業(yè)級觸摸屏、PLC 配置串口通信管理模塊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地LCU 與外圍設(shè)備的串口通信；本體LCU 柜設(shè)現(xiàn)地交換機(jī)，通過光纖環(huán)網(wǎng)接入主干網(wǎng)交換機(jī)，可以將模件和端配板分開布置在兩個(gè)盤柜內(nèi)，通過使用加長的專用電纜連接，保證改造前后外部線可以正常接入新的屏柜。

2.5 智能化滅磁柜

發(fā)電機(jī)正常停機(jī)時(shí)采用逆變滅磁，事故停機(jī)采用磁場斷路器加非線性電阻滅磁方式。

2.5.1 智能滅磁柜

滅磁柜智能控制板的核心控制芯片為 ARM，智能化滅磁柜取消了常規(guī)表計(jì)和指示燈，滅磁柜的操作、控制、狀態(tài)監(jiān)視、信息傳遞、信息顯示等均實(shí)現(xiàn)了智能化，滅磁柜故障、狀態(tài)信號，可通過 CAN 總線或光纖通信傳送到調(diào)節(jié)柜進(jìn)行處理。

2.5.2 磁場斷路器

在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組主回路中設(shè)置一臺雙斷口磁場斷路器，其分?jǐn)嚯娏鞯淖畲笾挡坏陀? 倍額定工作電流，最小值不高于6%額定工作電流，確保磁場斷路器在正常強(qiáng)勵(lì)和各種異常故障等工況下跳閘時(shí)，保證足夠的斷口弧壓，形成足夠的轉(zhuǎn)子反向電壓。

2.5.3 滅磁電阻

勵(lì)磁繞組的滅磁過電壓保護(hù)裝置采用氧化鋅非線性電阻，是目前所知的最理想的滅磁及過電壓保護(hù)材料，它具有單位體積能容量大，保護(hù)性能好，漏電流小，老化壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

2.5.4 智能化轉(zhuǎn)子溫度告警

滅磁柜智能控制板通過計(jì)算轉(zhuǎn)子繞組的電阻來估算轉(zhuǎn)子溫度，實(shí)度轉(zhuǎn)子溫度的監(jiān)控。

2.6 互感器

因勵(lì)磁方式改造前后發(fā)電機(jī)額定參數(shù)不變，因此電壓互感器、電流互感器可不必更新。

3 勵(lì)磁系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)與型號選擇

3.1 勵(lì)磁變壓器

3.1.1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

額定容量：106 MVA；額定功率：90 MW；額定機(jī)端電壓：13.8 kV；額定電流：3 690 A；額定功率因數(shù)：85%；轉(zhuǎn)子額定電流：1 350 A；轉(zhuǎn)子額定電壓：316 V；額定空載勵(lì)磁電壓：120 V；額定空載勵(lì)磁電流：608 A。

3.1.2 勵(lì)磁變參數(shù)計(jì)算（按發(fā)電機(jī)待增容參數(shù)計(jì)算）

（1）額定二次電流計(jì)算

（2）額定二次電壓計(jì)算

自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓在發(fā)電機(jī)額定電壓時(shí)不低于2.25 倍額定勵(lì)磁電壓，因此按如下公式計(jì)算變壓器二次電壓：

Utn=（2.25Ufn+ΔUT）/[1.35×（cosa-c×Ucc×lp/Ifn）]

式中，ΔUT為電流回路中線路壓降，包含可控硅總壓降及電纜壓降，一般取6 V，c 為傾斜系數(shù)，三相全控整流橋取0.5。

Utn=（2.25×335+6）/[1.35×（cos10°-0.5×0.08×2）]=622 V

實(shí)際選擇Utn=630 V。

（3）額定視在功率計(jì)算

勵(lì)磁變壓器容量選擇考慮高海拔參數(shù)修正與校驗(yàn)，并留有14% 的裕度，電站所在地海拔高度＜1 000 m，無需進(jìn)行修正。

3.2 起勵(lì)回路計(jì)算

3.2.1 最小起勵(lì)電流

Iff=2%lfo=0.02×690 A=13.8 A

起勵(lì)電阻的電壓降

Ur=Uff-Ud-Ub-Iff（R75℃+Rc），Rc 是起勵(lì)回路的電纜電阻，電纜規(guī)格是 4 mm，共3 m 長。

Rc=1.6×10～2×（1+0.004 3×100）×3/4=0.017 Ω，Ur=220 V-2 V-2 V-13.8 A×（0.205 3 Ω +0.017 Ω）=212.9 V，起勵(lì)電阻Rp=Ur/Iff=212.9 V /13.8 A=15.4 Ω，電阻功率Pf=Iff×Rp=13.8 A×15.4 Ω =2 932.8 W。

起勵(lì)電阻的額定功率可以選擇Pr=10%Pf=0.1×2 932.8 W=293.3 W。

3.2.2 起勵(lì)回路參數(shù)確定

起勵(lì)電源：直流220 V；起勵(lì)電阻：10 Ω；起勵(lì)電阻的額定功率：1 000 W；起勵(lì)接觸器額定電流：100 A；續(xù)流二極管額定電壓、電流：1 800 V、120 A。

3.3 晶閘管及快熔計(jì)算

（1）晶閘管反向重復(fù)峰值電壓

（2）晶閘管通態(tài)平均電流計(jì)算

In≥Ksa×Kji×Id×[K4/（K2×K5×K6）]，其 中，Ksa-電流儲備系數(shù)，取2；Kji-電路系數(shù)，對三相全控橋取0.367；K4-海拔高度系數(shù)，取1.1；K6-風(fēng)速降低，溫度上升系數(shù)，取0.9；K2-風(fēng)速系數(shù)，6 m/s，取1.0；K5-環(huán)境溫度系數(shù)，40℃時(shí)取1.0；Id-單橋標(biāo)稱輸出電流，2 000 A。

根據(jù)上式，In≥2×0.367×2 000×[1.1/（1×1×0.9）]=1 794.2 A，實(shí)際選取的晶閘管元件通態(tài)平均電流In=2 060 A。

整流橋并聯(lián)數(shù)np=lp/（K7×In），式中K7為均流系數(shù)，按最嚴(yán)重情況取0.85；lp 為強(qiáng)勵(lì)頂值電流，計(jì)算得np=（2×1 350）/（0.85×2 060）=1.54。兩個(gè)整流橋可滿足強(qiáng)勵(lì)工況運(yùn)行要求，若只考慮1.1 倍額定勵(lì)磁電流長期運(yùn)行，np 為0.85，即單橋就可滿足長期運(yùn)行需求。

3.4 滅磁電阻計(jì)算

3.4.1 滅磁殘壓計(jì)算

滅磁電阻是非線性的，材料是ZnO，它與跨接器的配合，既用于滅磁，又用于轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60034-1，在額定磁場電壓高于500 V 時(shí)，其轉(zhuǎn)子繞組耐壓水平應(yīng)至少為額定值的10 倍，即：Ufn×10=335 V×10=3 350 V

另外，滅磁電阻應(yīng)能有效抑制轉(zhuǎn)子電壓并使其不超過轉(zhuǎn)子繞組對地耐壓值的50%，但不得低于30%，因此滅磁電阻的殘壓值可在1 421.1～2 368.5 V間選取。

同時(shí)，滅磁電阻殘壓值還不得高于滅磁開關(guān)的最大斷弧電壓，對于選定的滅磁開關(guān)E2N/EMS-1 600 A/1 000 V，該值為1 200 V，為保證滅磁時(shí)磁場能量能夠順利轉(zhuǎn)移至滅磁電阻，滅磁殘壓的選擇也是宜低不宜高，因此最終選擇滅磁殘壓值為1 100 V。

3.4.2 滅磁能量計(jì)算空載誤強(qiáng)勵(lì)工況下轉(zhuǎn)子繞組儲存的能量可由以下公式計(jì)算得出；

Wf=0.5×R75℃×T'do×Ifo×2Ifn=0.5×0.22×75 s×690 A×2×1 350 A=1 536 975 J=1.54 MJ滅磁電阻的額定能容應(yīng)按上式計(jì)算結(jié)果的70%選取并留有20%的裕度，即

Wf×0.7×1.2=1.54 MJ×0.7×1.2=1.29 MJ，實(shí)際選取 1.44 MJ。

3.4.3 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)設(shè)定值選取

整流橋的換相過電壓可以達(dá)到勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓的峰值的 2.5 倍，即×630 V=2 227.1 V

轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)的設(shè)定值應(yīng)該不低于上述值，且不得高于轉(zhuǎn)子繞組對地耐壓水平的70%，即，實(shí)際選取2 400 V。

3.5 滅磁開關(guān)計(jì)算

3.5.1 額定電壓

額定電壓應(yīng)不低于轉(zhuǎn)子回路長期運(yùn)行電壓的最大值，也就是勵(lì)磁變壓器二次電壓的峰值電壓，即

Ue≥×630 V=890.8 V，所選開關(guān)的額定電壓值為1 000 V。

3.5.2 額定電流計(jì)算Iu≥1.1×Ifn=1 485 A，所選開關(guān)的額定電流值1 600 A。

4 勵(lì)磁系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及效果

4.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)通道具有兩種運(yùn)行方式，自動方式和手動方式，自動方式是主要運(yùn)行方式，手動方式是輔助運(yùn)行方式，不允許長時(shí)間投入運(yùn)行。自動方式為恒機(jī)端電壓調(diào)節(jié)，手動方式為恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)。發(fā)電機(jī)起勵(lì)建壓后，兩種運(yùn)行方式相互跟蹤，兩種運(yùn)行方式之間可以人工切換，機(jī)端PT 故障時(shí)由自動方式自動切換為手動方式。

4.2 軟啟勵(lì)控制

為了防止在發(fā)電機(jī)起勵(lì)建壓過程機(jī)端電壓出現(xiàn)較大的超調(diào)，設(shè)置軟起勵(lì)控制功能。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器接收到開機(jī)令后，首先置自動方式的電壓給定值為30%，起勵(lì)升壓后，當(dāng)機(jī)端電壓大于 30%額定值后，調(diào)節(jié)器再以一個(gè)可調(diào)整的速度逐步增加電壓給定值到預(yù)置值，使發(fā)電機(jī)電壓逐漸上升。

4.3 通道跟蹤

通道間實(shí)現(xiàn)了精度更高的脈沖跟蹤，實(shí)現(xiàn)通道切換前與通道切換后，系統(tǒng)狀態(tài)一致。切換過程中，系統(tǒng)無波動，兩套調(diào)節(jié)器的采樣系統(tǒng)一致性好，在全范圍內(nèi)的采集結(jié)果基本相同。同步移相環(huán)節(jié)一致性好，可以保證兩套調(diào)節(jié)器控制信號相同時(shí)，輸出脈沖一致。

4.4 勵(lì)磁保護(hù)功能

勵(lì)磁電流頂值和強(qiáng)勵(lì)反時(shí)限限制、欠勵(lì)、V/F、過無功限制、定子電流限制的作用在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中通過勵(lì)磁保護(hù)限制器來實(shí)現(xiàn)，按照勵(lì)磁要求計(jì)算整定。

5 勵(lì)磁系統(tǒng)改造前后性能對比

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改造符合國家、行業(yè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、性能和技術(shù)指標(biāo)，滿足國網(wǎng)公司PSS、建模、進(jìn)相等涉網(wǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改造為自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)性能對比見表1。

表1 改造前后勵(lì)磁系統(tǒng)性能對比表

6 結(jié)論

通過勵(lì)磁系統(tǒng)創(chuàng)新改造，將終端智能設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備智能化管理，提高了水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，為水電站勵(lì)磁系統(tǒng)智能化改造提供了定制化解決方案，此項(xiàng)技術(shù)在東北其他水電站得到推廣應(yīng)用。