錦屏一級水電站勵磁系統(tǒng)及其主要特點

孫新志， 郭洪娜， 張育賓， 葉添鋅

(中國電器科學(xué)研究院有限公司、廣州擎天實業(yè)有限公司，廣東廣州 510860)

錦屏一級水電站勵磁系統(tǒng)及其主要特點

孫新志， 郭洪娜， 張育賓， 葉添鋅

(中國電器科學(xué)研究院有限公司、廣州擎天實業(yè)有限公司，廣東廣州 510860)

錦屏一級水電站6×600MW水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)裝置使用的是UNITROL6800型自并勵靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，主要由勵磁調(diào)節(jié)器、功率整流柜、滅磁及過電壓保護裝置、起勵裝置、勵磁變壓器及其它輔助設(shè)備等組成。本文結(jié)合UNITROL6800勵磁系統(tǒng)的特點和功能，重點介紹了光纖通訊技術(shù)、智能均流技術(shù)、電源回路冗余、順序功能圖編程技術(shù)等在錦屏一級電站勵磁系統(tǒng)中的應(yīng)用，對今后國內(nèi)巨型水電機組勵磁系統(tǒng)的設(shè)計、制造等具有很好的借鑒意義。

勵磁系統(tǒng);主要部分;錦屏一級;主要特點

1 概述

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，是雅礱江干流下游河段(卡拉至江口河段)的控制性水庫梯級電站，下距河口約358公里。電站總裝機容量360萬千瓦，枯水年枯期平均出力108．6萬千瓦，多年平均年發(fā)電量166．2億千瓦時，是國家“西電東送”的標志性工程。

電站水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)裝置使用的是UNITROL6800型靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，型號為A6S－0/ U241－S4500。該勵磁系統(tǒng)既秉承了UNITROL系列勵磁系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)點，同時又增加了很多技術(shù)創(chuàng)新，如電源回路冗余設(shè)計新思路、光纖通訊技術(shù)的廣泛應(yīng)用、智能均流技術(shù)的升級換代等，這都大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本文對這些重要特點進行了分析，對今后國內(nèi)巨型水電機組發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的設(shè)計、制造等具有很好的借鑒意義［1］。

2 勵磁系統(tǒng)組成的主要部分

2．1 總體結(jié)構(gòu)

錦屏一級水電站勵磁系統(tǒng)主要由勵磁調(diào)節(jié)器、功率整流柜、滅磁及過壓保護裝置、起勵裝置、勵磁變壓器及其它輔助設(shè)備等組成，其系統(tǒng)原理框圖如下圖1所示。

圖1 勵磁系統(tǒng)原理框圖

2．2 勵磁調(diào)節(jié)器

勵磁調(diào)節(jié)器硬件采用雙通道冗余配置，每個通道均采用的是高性能的AC800PEC64位浮點運算控制器，AC800PEC+CCM框架結(jié)構(gòu)［2］。

其中AC800PEC主要用于運算、邏輯控制、與其他系統(tǒng)的光纖通訊等;CCM板主要用于整個勵磁系統(tǒng)的通訊控制和模擬量信號采集，包括PT、CT、系統(tǒng)PT等信號的采集及PSS功能的實現(xiàn); CIO板，用于跟外部系統(tǒng)如DCS系統(tǒng)的開關(guān)量，模擬量信號的接口;人機界面ECT既可以用于參數(shù)顯示，還可以用做勵磁系統(tǒng)的調(diào)試工具。

2．3功率整流柜［3］

勵磁系統(tǒng)功率整流橋采用UNL13300型整流橋，單柜額定輸出電流2000A，強勵4000A。選用四(4)柜并聯(lián)運行模式，每柜裝有一個三相全控整流橋，各支路串聯(lián)元件數(shù)為1。功率柜設(shè)計原則按n－2考慮冗余，2橋故障時能滿足發(fā)電機包括強勵在內(nèi)的所有運行工況要求。

整流橋交流側(cè)采用集中式阻容保護，可以有效降低整流橋操作過電壓及換向過電壓，減小可控硅的di/dt，保護可控硅原件不受損害。

2．4 滅磁及過電壓保護裝置

錦屏一級水電站勵磁系統(tǒng)在正常停機時采用逆變滅磁，事故停機時跳滅磁開關(guān)將能量轉(zhuǎn)移到滅磁電阻進行滅磁。滅磁采用瑞士Secheron公司生產(chǎn)的直流單斷口滅磁開關(guān)，此開關(guān)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單直觀，運行穩(wěn)定、可靠、維護量小等特點。開關(guān)的合閘線圈有一路，分閘線圈分為兩路，從而保障了系統(tǒng)發(fā)生事故時，滅磁開關(guān)的可靠跳閘。

滅磁電阻采用的是英國M＆I公司生產(chǎn)的SiC滅磁電阻，既用于事故滅磁，也用于轉(zhuǎn)子側(cè)過壓保護。

轉(zhuǎn)子正反向過壓保護采用可控硅跨接器(CROWBAR)+SiC滅磁電阻的方式，整定方法簡單，無須維護。

2．5 起勵單元

錦屏一級電站采用高頻脈沖列起勵技術(shù)，在起勵過程中首先使用殘壓起勵，高頻脈沖列連續(xù)觸發(fā)可控硅直至其能夠正常工作，如果殘壓起勵不成功，則投入備用直流起勵電源回路進行起勵。

3 錦屏一級站的勵磁系統(tǒng)的主要特點

3．1 冗余的光纖通訊技術(shù)

在國內(nèi)，常規(guī)的勵磁系統(tǒng)采用CAN總線、ARCNET總線等技術(shù)，采用的是串行通訊，即整個勵磁系統(tǒng)由一條通訊通道組成，如果中途通訊中斷，調(diào)節(jié)器與功率柜、滅磁柜等的聯(lián)系即會中斷。而UNITROL6800型勵磁系統(tǒng)實現(xiàn)了近100%的光纖通訊控制，這使得勵磁系統(tǒng)具備了更高的抗電磁干擾能力。其光纖連接圖如下圖2所示:

圖2 冗余的光纖通訊控制

可以看出，在UNITROL6800勵磁系統(tǒng)中，以光纖控制實現(xiàn)勵磁各調(diào)節(jié)器器到功率柜、滅磁柜及IO輸入輸出板之間的樹狀連接，實現(xiàn)了點對點通訊，任何一點脫落進步會影響勵磁系統(tǒng)的正常運行，整個勵磁系統(tǒng)具備更高的冗余能力。

3．2 智能均流技術(shù)的使用

對于大型水輪發(fā)電機組，勵磁功率柜大量采用三柜或更多柜并聯(lián)方式運行。當(dāng)多柜并聯(lián)運行時，由于各功率柜電流回路的電勢參數(shù)和(或)阻抗參數(shù)的不一致，從而引起功率柜輸出電流不平衡，因此需要采取措施實現(xiàn)功率柜之間的輸出電流均流。［4］

UNITROL6800勵磁系統(tǒng)中采用的智能均流技術(shù)為第二代均流技術(shù)來實現(xiàn)各整流橋之間的智能均流。所謂智能均流技術(shù)，即是勵磁調(diào)節(jié)器通過觸發(fā)角控制原理將總勵磁電流平均分配給各個功率柜晶閘管單元。

在該電站勵磁系統(tǒng)中，整流橋電流的測量使用的是三相交流側(cè)安裝3個CT來進行測量，測量設(shè)備體積小，接線方便，測量原理簡單，原理接線圖如圖3所示。其次電流均衡控制功能由CCI上的電流控制器和AC800PEC的平均電流兩個主要部分組成，電流控制器調(diào)節(jié)各個晶閘管的電流，晶閘管電流的六個參考值則是從AC800PEC得到并與其實際值進行比較，原理圖如下圖4所示。

圖3 可控硅電流測量

圖4 智能均流原理框圖

現(xiàn)場試驗表明，四柜并聯(lián)運行時均流系數(shù)達到在97%以上，在任意一個整流橋退出時，其余三柜無需人工調(diào)整，自動保證均流系數(shù)在97%以上。現(xiàn)場實際均流情況記錄如下表:

表1 現(xiàn)場實際均流情況記錄表

智能均流技術(shù)的使用，可以使多柜并聯(lián)的整流橋在運行時均流系數(shù)保達到97%以上，可控硅參數(shù)將不再重要，功率柜機械結(jié)構(gòu)布置及母排設(shè)計將大為簡化。

3．3 電源回路的冗余設(shè)計

在UNITROL6800勵磁系統(tǒng)中，采用了多種電源的雙冗余設(shè)計，包括調(diào)節(jié)器電源及功率滅磁柜電源，如圖5所示。

圖5 電源回路設(shè)計方案

可以看出，在本套勵磁系統(tǒng)中，勵磁調(diào)節(jié)器與功率滅磁柜電源回路完全獨立，每個電源回路均設(shè)計兩路電源模塊供電，各板件電源由APD電源分配器分配，當(dāng)有板件故障時相應(yīng)的APD電源回路自動切斷該路電源，不會影響到勵磁系統(tǒng)其它器件的正常運行，這種設(shè)計方案極大地提高了設(shè)備運行的安全性。

3．4 順序功能圖編程技術(shù)的應(yīng)用

UNITROL6800勵磁系統(tǒng)的調(diào)試軟件是面向?qū)ο蟮腸ontrolbuilder軟件，其中大量使用了順序功能圖編程技術(shù)。順序功能圖(SFC，Sequential FunctionChart)采用IEC標準的語言，用于編制復(fù)雜的順控程序。利用這種先進的編程方法，初學(xué)者也很容易編出復(fù)雜的順控程序，大大提高了工作效率，也為調(diào)試、試運行帶來許多言傳的方便。

下面是滅磁開關(guān)分合閘的SFC框圖，左圖是總的滅磁開關(guān)控制流程圖，右圖是點擊FBFimaOff模塊后相應(yīng)的子流程圖，清晰的流程使得在勵磁裝置調(diào)試、排除故障方面非常方便。

圖6 滅磁開關(guān)分合閘控制SFC邏輯圖

除此之外，如三通道調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)、PSS4B功能的實現(xiàn)、IEC61850智能化通訊規(guī)約在勵磁系統(tǒng)中、SNTP網(wǎng)絡(luò)對時的應(yīng)用等也是UNITROL6800勵磁系統(tǒng)的顯著特點［5］。

4 結(jié)論

錦屏一級水電站勵磁系統(tǒng)主要由勵磁調(diào)節(jié)器、功率整流柜、滅磁及過壓保護裝置、起勵裝置、勵磁變壓器及其它輔助設(shè)備等組成。本文結(jié)合UNITROL6800勵磁系統(tǒng)的特點和功能，重點介紹了光纖通訊技術(shù)、智能均流技術(shù)、電源回路冗余、順序功能圖編程技術(shù)等在錦屏一級電站勵磁系統(tǒng)中的應(yīng)用。

截止2014年7月，錦屏一級電站6×600MW水輪發(fā)電機組均已經(jīng)全部投入運行，勵磁系統(tǒng)運行良好，為錦屏一級電站發(fā)電機組可靠安全運行提供了有力保障?，F(xiàn)場試驗及運行情況表明:勵磁系統(tǒng)滿足電網(wǎng)運行需求，整體運行良好。其先進的勵磁控制技術(shù)、完善的調(diào)節(jié)限制功能、方便的調(diào)試手段得到了用戶的贊賞，為后續(xù)大型水電站勵磁系統(tǒng)設(shè)計、制造提供技術(shù)依據(jù)，具有很好的借鑒意義。

［1］ 潘道明，UNITROL6800勵磁系統(tǒng)在隔河巖水電廠的應(yīng)用［J］．水電與新能源2013年1期．

［2］ 李亞松，顧和鵬，等．錦屏水電站雙自動通道勵磁調(diào)節(jié)器的應(yīng)用分析［J］．水電與新能源2013年3期．

［3］ 楊云峰，冶海廷，等．拉西瓦水電站勵磁裝置典型結(jié)構(gòu)及特點［J］．水力發(fā)電2009年11期．

［4］ 陸繼明，毛承雄，王丹，李國棟，等．勵磁功率柜智能均流暫態(tài)過程分析［J］．華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》2005年11期．

［5］ ABBUNITROL6800FunctionDescription［M］．ABB2010．11．

(責(zé)任編輯:卓政昌)

大渡河沙坪二級水電站500千伏送出工程獲核準

1月30日，國電大渡河沙坪二級水電站500千伏送出工程獲得四川省發(fā)改委核準。沙坪二級水電站500千伏送出工程全長約62千米，其中新建單回線路53千米(含20毫米重冰區(qū)11．3千米)，利用500千伏普天線已建雙回線路鐵塔單邊掛線9千米，由四川省電力公司投資建設(shè)。線路由電站構(gòu)架往西北出線，途經(jīng)樂山市金口河區(qū)、峨邊縣、峨眉山市、沙灣區(qū)、市中區(qū)等五個區(qū)縣，接入樂山南天500千伏變電站。

TV7;TM331

B

1001-2184(2015)01-0105-04

孫新志(1979-)，男，河南武陟人，西安理工大學(xué)水利水電工程，碩士，工程師，就職于廣州擎天實業(yè)有限公司，主要研究方向電力電子技術(shù)及同步發(fā)電機勵磁設(shè)計、研發(fā);

郭洪娜(1980-)，女，湖北襄樊人，武漢理工大學(xué)自動化專業(yè)，碩士，工程師，就職于廣州擎天實業(yè)有限公司，主要研究方向電力電子技術(shù)及同步發(fā)電機勵磁設(shè)計、研發(fā);

張育賓(1987-)，男，河南溫縣人，南昌大學(xué)電氣工程，碩士，工程師，現(xiàn)于廣州擎天實業(yè)有限公司從事勵磁系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試工作;

葉添鋅(1985-)，男，江西龍南人，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)電氣化與自動化，本科，工程師，現(xiàn)于廣州擎天實業(yè)有限公司從事勵磁系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試工作。

2014-11-18