FWL/B－1000 勵(lì)磁系統(tǒng)在綏中1 000 MW機(jī)組上的應(yīng)用

李 霆

(遼寧東方發(fā)電有限公司對(duì)外檢修分廠，遼寧撫順113007)

2006 年遼寧東方發(fā)電有限公司承攬了綏電3#、4#機(jī)組的C 級(jí)檢修.國(guó)華綏中發(fā)電廠二期擴(kuò)建工程2 ×1 000 MW 機(jī)組，發(fā)電機(jī)采用東方電機(jī)股份有限公司產(chǎn)品，QFSN－1000－2－27 型三相同步汽輪發(fā)電機(jī)，單機(jī)額定容量1 008 MW.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)可控硅靜止勵(lì)磁方式，以及國(guó)電南瑞科技股份公司自主研制的FWL/B－1000 型產(chǎn)品.國(guó)產(chǎn)化1 000 MW 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)順利投運(yùn)，標(biāo)志著我國(guó)在1 000 MW 級(jí)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)研究和制造的水平邁上了新臺(tái)階.

1 勵(lì)磁系統(tǒng)基本情況

國(guó)華綏中3#、4#機(jī)組發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁變參數(shù)如下:

1)發(fā)電機(jī)額定參數(shù).視在功率1 120 MVA，有功功率1 008 MW，定子電壓27 000 V，定子電流23 949 A，額定功率因數(shù)0.9，轉(zhuǎn)子電壓445 V，轉(zhuǎn)子電流5 173 A，頻率50 Hz.

2)勵(lì)磁變額定參數(shù). 容量3 300 kVA ×3，容量比100 ±2 ×2.5% /100，相數(shù)3 相，電壓比27 ±2 ×2.5%kV/1.092 kV，接線方式Y(jié)d11，電流212 A/5234 A，調(diào)壓方式為無(wú)激磁調(diào)壓，型號(hào)為DCB9－3300/27，勵(lì)磁變型式為環(huán)氧澆注，干式，戶內(nèi)型.

3)一次勵(lì)磁系統(tǒng).勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁方式為自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁方式. 全套系統(tǒng)包括1 臺(tái)勵(lì)磁三相變壓器及10 面屏柜組成，各屏柜名稱數(shù)量及型號(hào)分別是:NES－5100 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器柜1 面、FLC 勵(lì)磁操作柜1 面、FLZ 可控硅整流柜6 面、FLK 滅磁開關(guān)柜1 面、FLR 滅磁電阻柜1 面.勵(lì)磁系統(tǒng)一次接線為勵(lì)磁變?cè)吔影l(fā)電機(jī)出線，副邊接整流柜交流側(cè).整流柜直流側(cè)輸出通過(guò)滅磁開關(guān)接至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，形成自并勵(lì)回路.

2 主要部件技術(shù)特點(diǎn)

2.1 NES5100 微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

綏中電廠3#、4#機(jī)組勵(lì)磁配置NES5100 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器.NES5100 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采集機(jī)端三相交流電壓，三相交流電流，轉(zhuǎn)子三相交流電流、系統(tǒng)三相電壓等模擬量.對(duì)電壓及電流進(jìn)行瞬態(tài)無(wú)相差采樣，可準(zhǔn)確計(jì)算出發(fā)電機(jī)有功及無(wú)功.

2.2 FLZ 功率柜

提供的大功率整流柜，通過(guò)合理的熱設(shè)計(jì)，提高了整流柜出力水平.主要研究?jī)?nèi)容:①可控硅整流柜實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢測(cè)，為狀態(tài)檢修創(chuàng)造條件;②設(shè)計(jì)大功率可控硅整流柜的散熱方案;③設(shè)計(jì)大功率可控硅整流柜的并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的均流方案;④提高可控硅整流柜的整體絕緣水平.

2.3 FLK+FLR 滅磁柜

滅磁系統(tǒng)的作用是當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部及外部發(fā)生諸如短路及接地等事故時(shí)迅速切斷發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源，并將儲(chǔ)存在勵(lì)磁繞組中的磁場(chǎng)能量快速消耗在滅磁回路耗能元件中.對(duì)發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)的主要要求是可靠而迅速地消耗儲(chǔ)存在發(fā)電機(jī)中的磁場(chǎng)能量. 通過(guò)對(duì)滅磁原理的研究，采用了適用于大型/巨型汽輪發(fā)電機(jī)組的高可靠性快速滅磁系統(tǒng).主要研究?jī)?nèi)容:①對(duì)多種滅磁方案進(jìn)行分析研究，提出適合1000MW 機(jī)組的可行、可靠、快速的滅磁方案;②設(shè)計(jì)跨接器和跨接器可靠運(yùn)行方案;③設(shè)計(jì)集中化的操作、控制回路，優(yōu)化設(shè)備控制方法，簡(jiǎn)化操作流程，保護(hù)人員安全;④設(shè)計(jì)統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)部屏柜間二次電纜連接方案.

3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制功能介紹

NES5100 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主要功能是精確快速地調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓和無(wú)功功率.NES5100 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制周期為3.3 ms，其不斷地將給定值與測(cè)量值進(jìn)行比較，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，改變可控硅整流器的觸發(fā)角度. 同時(shí)，NES5100 還具備實(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.

3.1 調(diào)節(jié)器控制方式

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制方式為PID +PSS 控制方式，PSS 采用IEEE PSS2B 模型. PID 模型框圖如圖1所示.

圖1 NES5100 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器PID 模型

3.2 運(yùn)行方式

NES5100 調(diào)節(jié)器可使機(jī)組實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)行方式:①恒機(jī)端電壓閉環(huán)方式(AVR，基本配置);②恒轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)方式(FCR，基本配置);③定角度方式(試驗(yàn));④正常運(yùn)行方式為恒發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓運(yùn)行方式.

3.3 開機(jī)升壓方式

本系統(tǒng)采用自動(dòng)軟起勵(lì)升壓方式. 自動(dòng)軟起勵(lì)升壓調(diào)節(jié)器進(jìn)入運(yùn)行后，自動(dòng)啟動(dòng)起勵(lì)，機(jī)端電壓給定值自動(dòng)緩慢上升，直至設(shè)定點(diǎn)，發(fā)電機(jī)電壓自動(dòng)平穩(wěn)上升至設(shè)定點(diǎn).該設(shè)定點(diǎn)可事先整定，整定值任意.

3.4 限制及保護(hù)

NES5100 配有完備的限制及保護(hù)功能，對(duì)發(fā)電機(jī)各種極限運(yùn)行工況及時(shí)做出反應(yīng)，確保發(fā)電機(jī)機(jī)組安全運(yùn)行.限制及保護(hù)如下等多項(xiàng)功能:過(guò)勵(lì)反時(shí)限限制器、過(guò)勵(lì)延時(shí)限制器、欠勵(lì)瞬時(shí)限制器、強(qiáng)勵(lì)頂值瞬時(shí)限制器、V/Hz 限制器、功率柜故障限制器、開機(jī)保護(hù)功能、空載過(guò)電壓保護(hù)功能、PT 斷線防誤強(qiáng)勵(lì)功能.

3.5 實(shí)時(shí)故障自診斷

電源電壓過(guò)低、過(guò)高或消失的檢測(cè)、PT 斷線的檢測(cè)、可控硅同步電壓相序及發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓相序的檢測(cè)、交流采樣檢測(cè)、可控硅觸發(fā)脈沖號(hào)及數(shù)量的檢測(cè)、控制角度的檢測(cè)、雙機(jī)通訊故障的檢測(cè)、硬件和軟件看門狗檢測(cè).

3.6 容錯(cuò)控制

根據(jù)調(diào)節(jié)裝置自檢的結(jié)果，對(duì)各種信息進(jìn)行分析，取得正確的信息維持勵(lì)磁系統(tǒng)的正常運(yùn)行.具體有:機(jī)端電壓測(cè)量容錯(cuò)、定子電流測(cè)量容錯(cuò)、轉(zhuǎn)子電流測(cè)量容錯(cuò)、發(fā)電機(jī)頻率測(cè)量容錯(cuò)、有功功率及無(wú)功功率測(cè)量容錯(cuò)、起勵(lì)令及逆變令容錯(cuò)、增減磁信號(hào)容錯(cuò)、主斷路器信號(hào)容錯(cuò).

3.7 錄波及記憶功能

調(diào)節(jié)器能夠?qū)\(yùn)行中的數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)錄波，對(duì)曾經(jīng)發(fā)生的異常事件記錄提供試驗(yàn)結(jié)果的錄波功能，并可對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，減少試驗(yàn)人員對(duì)數(shù)據(jù)的處理工作.錄波有以下幾種啟動(dòng)方式:手動(dòng)錄波;試驗(yàn)自動(dòng)錄波;故障或異常自動(dòng)錄波.錄波功能能夠記錄所有模擬量和所有的開關(guān)量，在故障發(fā)生前后各10 s的波形和異常狀態(tài)，完全保護(hù)故障現(xiàn)場(chǎng)，有利于故障的分析和事故的追憶.

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及性能

4.1 零起升壓試驗(yàn)

合滅磁開關(guān)，就地操作“就地建壓”按鈕，通過(guò)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制面板操作增磁，逐漸升壓至發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓額定值，并記錄在發(fā)電機(jī)電壓上升過(guò)程中，記錄若干點(diǎn)的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓及觸發(fā)角度值.

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證勵(lì)磁系統(tǒng)人工零起升壓平穩(wěn)正常.

4.2 自動(dòng)軟起勵(lì)升壓試驗(yàn)

機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 rpm;合6 個(gè)可控硅整流柜交流、直流側(cè)刀閘;合上6 個(gè)整流柜的脈沖投入開關(guān);合滅磁開關(guān);投入起勵(lì)電源.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作在“等待”狀態(tài)，控制方式為“電壓閉環(huán)”，起勵(lì)方式為“自動(dòng)升壓”方式.在單控室用DCS 遠(yuǎn)方建壓，調(diào)節(jié)器自動(dòng)建壓至發(fā)電機(jī)定子電壓額定值，試驗(yàn)情況見(jiàn)圖2.

從錄波圖可看到，起勵(lì)過(guò)程能有效協(xié)調(diào)電壓上升時(shí)間、電壓超調(diào)量，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，能滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的要求.

圖2 自動(dòng)軟起勵(lì)升壓試驗(yàn)錄波情況

4.3 發(fā)電機(jī)PT 斷線模擬試驗(yàn)

4.3.1 發(fā)電機(jī)空載單套PT 斷線模擬試驗(yàn)

將機(jī)端電壓調(diào)整為UFN. 在主界面觀察A 套為主，B 套為從，A/B 套空載，A/B 套正常，A/B 套控制方式在電壓閉環(huán).通過(guò)斷開A 套A 相機(jī)端電壓在1001輸入端子的聯(lián)片，模擬A 套PT 斷線故障.

在主界面觀察“PT”控件和“AVR”控件閃爍，通訊狀態(tài)為“A 套故障”，A 套閉環(huán)方式為“電流閉環(huán)”，A套為從，B 套為主.試驗(yàn)完成后恢復(fù)模擬斷線.

通過(guò)試驗(yàn)可看到，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器能夠正確判斷PT斷線并快速切換至從套運(yùn)行，發(fā)電機(jī)電壓控制穩(wěn)定.

4.3.2 發(fā)電機(jī)空載雙套PT 斷線模擬試驗(yàn)

將機(jī)端電壓調(diào)整為UFN. 在主界面觀察A 套為主，B 套為從，A/B 套空載，A/B 套正常，A/B 套控制方式在電壓閉環(huán).

斷開A 套A 相機(jī)端電壓在1001 輸入端子的聯(lián)片，然后再斷開B 套A 相機(jī)端電壓在1001 輸入端子的聯(lián)片，模擬雙套PT 斷線故障.

在主界面觀察“PT”控件和“AVR”控件閃爍，兩套均故障，兩套閉環(huán)方式均為“電流閉環(huán)”. 試驗(yàn)完成后恢復(fù)模擬斷線.通過(guò)試驗(yàn)可看到，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器能夠正確判斷雙套PT 斷線并快速切換運(yùn)行方式，發(fā)電機(jī)電壓控制穩(wěn)定.

4.4 逆變滅磁試驗(yàn)

將發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓調(diào)至100%UFN，在NES5100 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上操作“就地逆變”按鈕，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置發(fā)出逆變角觸發(fā)脈沖，發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)逆變滅磁，機(jī)端電壓自動(dòng)從100%UFN 緩慢降到0.記錄試驗(yàn)波形見(jiàn)圖3.

圖3 逆變滅磁試驗(yàn)

從錄波圖可看到，勵(lì)磁系統(tǒng)逆變滅磁功能正常，調(diào)節(jié)平穩(wěn).

4.5 空載V/F 限制試驗(yàn)

自動(dòng)建壓，將機(jī)端電壓調(diào)整為UFN. 降低機(jī)組轉(zhuǎn)速，使得機(jī)組頻率逐步降低到45 Hz.在從50 Hz 降低到47.16 Hz(V/F=1.06)的過(guò)程中，機(jī)端電壓和電壓給定保持不變，轉(zhuǎn)子電流逐漸上升;在到達(dá)47.16 Hz時(shí)，調(diào)節(jié)器報(bào)出V/F 限制，機(jī)端電壓下降;在47.16 Hz降低到45 Hz 的過(guò)程中，機(jī)端電壓持續(xù)下降;在小于45 Hz 時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)逆變停機(jī).(此試驗(yàn)是在升高機(jī)端電壓的條件下所做.)

通過(guò)試驗(yàn)可看到，勵(lì)磁系統(tǒng)V/F 限制功能正常，調(diào)節(jié)平穩(wěn).

4.6 功率柜退出試驗(yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容:將發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓調(diào)節(jié)至100%UFN，選擇退出FLZ1－3 發(fā)電機(jī)可控硅整流柜，將該功率柜脈沖控制把手置于“切除”位，觀察FLZ1－3 可控硅整流柜以及另外3 個(gè)可控硅功率柜電流變化情況.

試驗(yàn)結(jié)論:當(dāng)1 ～3 臺(tái)可控硅整流柜退出時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流平均分配至其他柜，發(fā)電機(jī)電壓控制平穩(wěn)，無(wú)波動(dòng).

4.7 負(fù)載切換試驗(yàn)

在主界面觀察A 套為主，B 套為從，A/B 套負(fù)載，A/B 套正常，A/B 套控制方式“在電壓閉環(huán)”. 注意:在主界面觀察兩套電壓給定值相同、觸發(fā)角度接近、機(jī)端電壓實(shí)際值差別小于0.2%，可以進(jìn)行主從切換.切換后，錄波觀察無(wú)功波動(dòng). 分別以A/B 套為主套，做“電壓閉環(huán)”與“電流閉環(huán)”切換的試驗(yàn)，錄波觀察無(wú)功波動(dòng).如圖4 所示.

圖4 A 套電壓環(huán)到電流環(huán)的切換

4.8 過(guò)勵(lì)試驗(yàn)

過(guò)勵(lì)試驗(yàn)是為了驗(yàn)證調(diào)節(jié)器過(guò)勵(lì)限制的功能，而不是為了驗(yàn)證發(fā)電機(jī)無(wú)功滯相運(yùn)行的能力.因此，可以通過(guò)修改過(guò)勵(lì)定值的方式來(lái)做試驗(yàn).

確定并記錄原“調(diào)試”“過(guò)欠勵(lì)”“過(guò)勵(lì)曲線”中“5點(diǎn)擬合”的值.修改以上定值，使過(guò)勵(lì)曲線略大于當(dāng)前無(wú)功值.

在主界面觀察有功、無(wú)功穩(wěn)定.現(xiàn)地增磁，使得無(wú)功值增加到當(dāng)前設(shè)置值以上. 此時(shí)，現(xiàn)象為增磁無(wú)效，無(wú)功被限制，等待5 s 后，2 套調(diào)節(jié)器均報(bào)出過(guò)勵(lì)限制.記錄當(dāng)前有功值和無(wú)功值. 在“調(diào)試”“錄波”欄中，手動(dòng)停止錄波，上送并保存. 觀察波形中，無(wú)功應(yīng)有明顯被向下壓制的波形.現(xiàn)地減磁，使得調(diào)節(jié)器過(guò)勵(lì)限制復(fù)歸.

4.9 欠勵(lì)試驗(yàn)

欠勵(lì)試驗(yàn)是為了驗(yàn)證調(diào)節(jié)器欠勵(lì)限制的功能，而不是為了驗(yàn)證發(fā)電機(jī)無(wú)功進(jìn)相運(yùn)行的能力.因此，可以通過(guò)修改欠勵(lì)定值的方式來(lái)做試驗(yàn).

確定并記錄原“調(diào)試”“過(guò)欠勵(lì)”“欠勵(lì)曲線”中“5點(diǎn)擬合”的值.修改以上定值，使欠勵(lì)曲線略大于當(dāng)前無(wú)功值. 在主界面觀察有功、無(wú)功穩(wěn)定. 通過(guò)－2%階躍試驗(yàn)，使得無(wú)功值減少到當(dāng)前設(shè)置值以下. 此時(shí)，現(xiàn)象為減磁無(wú)效，無(wú)功被限制，2 套調(diào)節(jié)器均報(bào)出欠勵(lì)限制.記錄當(dāng)前有功值和無(wú)功值.在“調(diào)試”“錄波”欄中，手動(dòng)停止錄波，上送并保存. 觀察波形中，無(wú)功應(yīng)有明顯下降并被往上抬的波形.

4.10 均流試驗(yàn)

均流試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 不同負(fù)荷條件下各整流柜電流值及均流系數(shù) A

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述試驗(yàn)，勵(lì)磁系統(tǒng)各項(xiàng)功能均滿足相關(guān)規(guī)程的技術(shù)要求，可滿足綏中發(fā)電公司1 000 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行.

國(guó)華綏中發(fā)電廠2 ×1 000 MW 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，是國(guó)產(chǎn)化自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)在1 000 MW 機(jī)組上的首次應(yīng)用，是國(guó)產(chǎn)化勵(lì)磁系統(tǒng)在百萬(wàn)機(jī)組上的零的突破，國(guó)華綏中發(fā)電廠2 ×1 000 MW 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)的成功投入運(yùn)行，使我國(guó)在1 000 MW 級(jí)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)研究和制造水平邁上新臺(tái)階，有利于促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的科技進(jìn)步，并能加快推進(jìn)我國(guó)大型電站裝備制造業(yè)國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程.

［1］黃耀群，李興源.同步電機(jī)現(xiàn)代勵(lì)磁系統(tǒng)及其控制［M］.成都:成都科技大學(xué)出版社，1993.

［2］樊 俊.同步發(fā)電機(jī)半導(dǎo)體勵(lì)磁原理及應(yīng)用［M］.北京:水利電力出版社，1991.

［3］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.