井岡山航電樞紐水力發(fā)電機(jī)組EXC 9100勵磁系統(tǒng)選型優(yōu)化與應(yīng)用

中建五局土木工程有限公司 皮俊科 楊珊華 吳永鑫

井岡山航電樞紐位于贛江中游河段的江西省吉安市境內(nèi)，其中發(fā)電機(jī)組由6臺22.17MW燈泡貫流式水力發(fā)電機(jī)與3臺50MVA的10.5kV/242kV升壓變采用擴(kuò)大單元接線方式組成。

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的作用主要是：維持發(fā)電機(jī)或其他控制點(diǎn)的電壓水平，控制并聯(lián)機(jī)組無功功率分配，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)主要分為自并勵靜止勵磁、它勵靜止勵磁、直流勵磁機(jī)勵磁、交流勵磁機(jī)勵磁、無刷勵磁等勵磁系統(tǒng)。本電站采用的是主流的自并勵勵磁系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)。勵磁系統(tǒng)的選型與整定參數(shù)的設(shè)置對整個(gè)系統(tǒng)的靜、動態(tài)穩(wěn)定特性起著至關(guān)重要的作用，但設(shè)備廠家與設(shè)計(jì)院在選型與參數(shù)計(jì)算時(shí)所依據(jù)的模型均來自理論數(shù)據(jù)，與實(shí)際運(yùn)行狀況會有一定的偏差，如果不進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)行過程中可能會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大影響，嚴(yán)重時(shí)會影響整個(gè)地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此有必要對上述參數(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合機(jī)組調(diào)試試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算與總結(jié)，確保項(xiàng)目的調(diào)試與試運(yùn)行順利完工與交付，也為今后類似項(xiàng)目積累經(jīng)驗(yàn)。

1 EXC 9100勵磁系統(tǒng)介紹

1.1 EXC 9100勵磁系統(tǒng)介紹

EXC 9100型勵磁系統(tǒng)主要由勵磁調(diào)節(jié)器單元（調(diào)節(jié)柜)、功率單元（兩個(gè)功率柜)、滅磁及過壓保護(hù)單元(滅磁開關(guān)柜、滅磁電阻柜等)、起勵單元、勵磁變壓器等組成。勵磁調(diào)節(jié)器單元包括了A/B兩調(diào)節(jié)通道、人機(jī)界面部分、對外接口（智能IIU）及通訊模塊部分。勵磁系統(tǒng)內(nèi)部的勵磁調(diào)節(jié)通道、人機(jī)界面、智能IIU、功率單元、滅磁及過壓保護(hù)單元之間的數(shù)據(jù)交換通過現(xiàn)場CAN總線實(shí)現(xiàn)。勵磁調(diào)節(jié)器A、B通道間完全對等冗余，互為備用。

本工程主要參數(shù)如下：浙江富春江水電設(shè)備有限公司產(chǎn)SFWG22.17-80/7600發(fā)電機(jī)，額定容量24.63MVA，額定功率22.17MW，額定功率因數(shù)cosφ0.9（滯后），定子額定電壓10.5kV，定子額定電流1354.5A，額定頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)速75r/min，額定勵磁電壓388V，額定勵磁電流810A，定子線圈接線方式Y(jié)型接線，冷卻方式為強(qiáng)壓、強(qiáng)迫，二次冷卻，強(qiáng)勵頂值電倍數(shù)2，強(qiáng)勵電壓響應(yīng)比1037/388，允許強(qiáng)勵時(shí)間10sec，每相定子電阻（75℃）0.0331Ω，不飽和/飽和直軸同步電抗0.905/0.802，不飽和橫軸同步電抗0.613。

1.2 EXC 9100勵磁調(diào)節(jié)柜介紹

勵磁調(diào)節(jié)器主要由A/B雙通道主控制板、開入量板、開出量板、人機(jī)界面、智能IIU以及特殊功能通訊模塊（可選配）等組成。

主控制板完成的主要功能：常規(guī)調(diào)節(jié)功能。包括AVR調(diào)節(jié)（自動方式和手動方式）、給定值預(yù)置、無功調(diào)差、恒無功/功率因數(shù)附加調(diào)節(jié)、軟起勵、通道跟蹤、系統(tǒng)電壓跟蹤等；附加控制功能。包括國際標(biāo)準(zhǔn)的IEEE-PSS2A、電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器（PSVR）及魯棒非線性PSS等；限制功能。包括發(fā)電機(jī)電壓V/F限制、瞬時(shí)強(qiáng)勵限制、反時(shí)限過勵限制、五點(diǎn)擬合的欠勵限制等；模擬量采集、計(jì)算功能。實(shí)現(xiàn)了32點(diǎn)向量同步交流采樣技術(shù)，完成了同步采集控制、同步交流采樣及算法實(shí)現(xiàn)、頻率補(bǔ)償、同步信號檢測、脈沖形成以及CPU接口等功能；脈沖輸出。FPGA接受ARM的調(diào)節(jié)運(yùn)算結(jié)果，進(jìn)行同步信號檢測及頻率補(bǔ)償后形成并輸出可控硅觸發(fā)脈沖信號；其它輔助功能。包括故障邏輯判斷、參數(shù)在線修改、防誤操作（如防接點(diǎn)粘連措施）、電源管理、芯片間互檢、通道間互檢、12位D/A輸出等。

模擬量板完成的主要功能：主要實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)端PT電壓、機(jī)端CT電流、勵磁CT電流、同步信號、系統(tǒng)PT電壓、白噪聲等模擬量信號的轉(zhuǎn)換；I/O接口板完成的主要功能：外部對勵磁調(diào)節(jié)器的諸如起勵、增減磁操作、逆變、并網(wǎng)等控制、操作、狀態(tài)信號，及調(diào)節(jié)器向外輸出的控制、狀態(tài)信號；開入量板板完成的主要功能：外部對勵磁調(diào)節(jié)器的諸如起勵、增減磁操作、逆變、并網(wǎng)等控制、操作、狀態(tài)信號，采用的是24V電壓等級的開入量；開出量板板完成的主要功能：勵磁調(diào)節(jié)器向外輸出的諸如投入起勵電源、逆變失敗分滅磁開關(guān)、R631信號等控制、狀態(tài)信號硬件組成；智能IIU板主要功能：可靈活實(shí)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)與電站監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

1.3 EXC 9100智能功率柜介紹

智能化功率柜。每個(gè)智能化功率柜的主要部件包括六個(gè)可控硅組件（包括散熱器）、六個(gè)帶接點(diǎn)指示的快速熔斷器、六個(gè)高耐壓值的脈沖變壓器、一套集中阻斷式阻容保護(hù)裝置或分散式阻容保護(hù)、一臺或兩臺互為備用的的冷卻風(fēng)機(jī)、一個(gè)或兩個(gè)風(fēng)壓節(jié)點(diǎn)用于風(fēng)機(jī)啟停監(jiān)測、一塊功率柜智能控制板、一塊帶按鍵的液晶顯示屏、三個(gè)霍爾電流傳感器、一個(gè)或二個(gè)測溫電阻用于風(fēng)溫檢測。

功率柜智能控制板。其核心控制芯片由ARM與CPLD組成。功率柜的控制信號從端子接入，經(jīng)過光隔后送給ARM，輸出信號經(jīng)過繼電器輸出至相應(yīng)端子上。調(diào)節(jié)柜送來的觸發(fā)脈沖信號經(jīng)過光隔后送至CPLD處理，首先將其轉(zhuǎn)換為高頻脈沖列，然后經(jīng)放大后驅(qū)動脈沖變壓器，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通。控制板能將各種狀態(tài)和參數(shù)輸出到液晶顯示屏上顯示，同時(shí)接收操作命令進(jìn)行相應(yīng)的處理。該板的功能是功率柜的智能檢測和控制，可進(jìn)行可控硅整流橋每個(gè)橋臂電流、風(fēng)道溫度、快速熔斷器狀態(tài)、阻容保護(hù)狀態(tài)、風(fēng)壓接點(diǎn)的監(jiān)測和智能均流、風(fēng)機(jī)操作的控制以及功率柜電流顯示、均流、風(fēng)溫校準(zhǔn)等功能；同時(shí)將功率柜的信號通過CAN總線送到調(diào)節(jié)柜處理。

1.4 EXC 9100滅磁開關(guān)柜介紹

勵磁系統(tǒng)正常停機(jī)時(shí)，調(diào)節(jié)器自動逆變滅磁，不需要跳開滅磁開關(guān)滅磁；事故停機(jī)，需要跳滅磁開關(guān)將磁場能量轉(zhuǎn)移到滅磁電阻滅磁。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于滑極等非正常狀態(tài)時(shí)，會在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，此時(shí)轉(zhuǎn)子回路中的A61模塊檢測到轉(zhuǎn)子正向過電壓超過定值時(shí)，就會馬上觸發(fā)V62可控硅，將滅磁電阻單元FR并入轉(zhuǎn)子回路，通過滅磁電阻將產(chǎn)生的過電壓能量消除；而轉(zhuǎn)子回路的反向過電壓信號則直接經(jīng)過V61二極管接入滅磁電阻耗能，以保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不會出現(xiàn)開路，從而保護(hù)轉(zhuǎn)子絕緣不會被破壞。由于這種保護(hù)的存在，轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)生相反的磁場，用以抵消定子負(fù)序電流所產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)磁場，保護(hù)轉(zhuǎn)子表面、轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)不會被燒壞。

圖1 EXC 9100逆變滅磁原理圖

2 EXC 9100勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)核算與優(yōu)化

勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)核算：勵磁變?nèi)萘颗c電壓、可控硅元件的參數(shù)、整流橋參數(shù)、滅磁開關(guān)參數(shù)、滅磁電阻參數(shù)、起勵裝置參數(shù)、勵磁變CT參數(shù)、快速熔斷器參數(shù)，需要分別對所有參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與校驗(yàn)。

2.1 勵磁變?nèi)萘颗c電壓

計(jì)算依據(jù)：滿足發(fā)電機(jī)勵磁繞組在1.1倍額定勵磁電流下長期運(yùn)行的要求，并留有足夠裕度；發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降到80%額定值時(shí)能提供2倍強(qiáng)勵電流；整流橋?yàn)槿嗳貥?，最小控制角?0°。

變壓器二次電壓以U2N=(2×UfN+ΔUT)/ 1.35×0.8×(cosα-C×Im/In×XT)計(jì)算，式中UfN為額定勵磁電壓，取388V；ΔUT為可控硅總壓降，一般取2V；C為傾斜系數(shù)，三相全控橋時(shí)取C=0.5；Im/In為強(qiáng)勵時(shí)的二次電流與額定二次電流之比，取2；XT為變壓器漏抗，取0.06；cosα為最小控制角系數(shù)，取0.985，帶入式中得U2N=780V。

變壓器容量計(jì)算：在考慮變壓器的諧波損耗時(shí)，可取整流變壓器的容量為發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)勵磁容量的1.2倍。則勵磁變?nèi)萘坑?jì)算為：P=1.2√3×u2N×0.816IfN=1.2×1.732×780×810×0.816=1071.5k VA。實(shí)際選取勵磁變壓器的容量為1100kVA，有裕度滿足要求。勵磁變壓器選取的容量為1100kVA，變比為10500V/780V。

2.2 可控硅元件的參數(shù)

可控硅反峰電壓選擇計(jì)算：反向重復(fù)峰值電壓應(yīng)大于或等于勵磁變壓器二次側(cè)最大峰值電壓的2.75倍，則Urp=2.75×√2×U2N=3.8885×780=30 33.03V，現(xiàn)實(shí)際選取的晶閘管重復(fù)峰值電壓為Urp=4200V，滿足要求并留有較大裕度。

常溫下可控硅平均通態(tài)電流的選擇為:IP≥KSAKjiIdK4/K2KSK6，式中KSA為電流儲備系數(shù)取2；Kji為電路系數(shù)，對三相全控橋取0.367；K4為海拔高度系數(shù)，取1.1；K6為風(fēng)速降低，溫度上升，取0.9；K2為風(fēng)速系數(shù)，5m/s，取1.0；KS為環(huán)境溫度系數(shù)，40℃，取1.0；Id為額定勵磁電流，取810A，帶入式中得IP=726.7A。

并聯(lián)支路數(shù)nb≥IP/K7In。K7取1，In=1150A,計(jì)算Nb=0.63，即單橋就能滿足所有工況運(yùn)行包括強(qiáng)勵，實(shí)際選取并聯(lián)支路數(shù)為2。

可控硅選取為5STP12F4200 1150A/4200V。

2.3 整流橋參數(shù)

本工程配置兩套整流橋，考慮到額定勵磁電壓為388V，額定勵磁電流為810A。選擇可控硅快熔型號為RS4-1000V/1000A-PLm104NK。

自動調(diào)節(jié)特性參數(shù)。自動方式運(yùn)行，三相調(diào)壓器輸出電壓保持恒定。進(jìn)行增磁操作，當(dāng)電壓給定Ugd大于機(jī)端電壓Ug時(shí)控制信號Uk減小，輸出電壓增大；進(jìn)行減磁操作，當(dāng)Ugd小于Ug時(shí)控制信號Uk增大，輸出電壓減小。増減調(diào)節(jié)輸出電壓變化連續(xù)，無突變現(xiàn)象（表1）；移相特性參數(shù)。B通道恒控制角模式，各整流橋觸發(fā)角度下的移相特性見表2。

表1 自動調(diào)節(jié)特性參數(shù)表

表2 移相特性參數(shù)表

2.4 滅磁開關(guān)參數(shù)

額定電壓的核算。磁場斷路器額定電壓應(yīng)大于磁場斷路器長期工作電壓的最大值，按2倍額定勵磁電壓考慮：Un＞2×Ufn=2×388=776V，實(shí)際選取的滅磁開關(guān)額定工作電壓為1000V，滿足使用要求；額定電流的核算。磁場斷路器的額定電流應(yīng)不小于發(fā)電機(jī)長期工作時(shí)勵磁電流的1.2倍：In＞1.2×810=972A；分?jǐn)嗄芰Φ暮怂?。電機(jī)故障發(fā)生轉(zhuǎn)子滑環(huán)側(cè)短路時(shí)所產(chǎn)生的磁場繞組短路電流，按以下公式計(jì)算：IS=S/0.816×√3U2N×UK%，計(jì)算得分?jǐn)嗄芰?6.6kA，實(shí)選滅磁開關(guān)額定短路耐受電流為42kA，滿足要求。

滅磁開關(guān)弧壓驗(yàn)算。非線性滅磁電阻殘壓值的選擇UR=1100V，機(jī)組發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵期間發(fā)生機(jī)端三相短路滅磁時(shí)磁場斷路器弧壓驗(yàn)算：此時(shí)電源電壓為0，勵磁電流為3倍額定勵磁電流需要的磁場斷路器弧壓為Uarcmin=0+UR=1100V，機(jī)組發(fā)電機(jī)空載過壓保護(hù)動作滅磁時(shí)磁場斷路器弧壓驗(yàn)算Uarcmin=1100-1.3×1.414×780=-333.8V。

綜上，磁場斷路器的弧壓需要大于1100V，而E1B/EMS1250A/1000V開關(guān)的理論弧壓可達(dá)2880V，滿足實(shí)際運(yùn)行要求。實(shí)際選取的滅磁開關(guān)型號為E1B/EMS1250A/1000V，額定電流為1250A、3串10并，滿足要求。

2.5 滅磁電阻參數(shù)

磁場繞組電感Lf=T'do×Rf75℃，式中Rf75℃=0.4069Ω，T'do=2.872S則Lf=0.4069×2.872=1.169H。電機(jī)額定空載勵磁電流時(shí)磁場儲能Wf0=0.5×Lf×If02=0.5×1.169×4402=0.113MJ（Ifo為空載勵磁電流）。發(fā)電機(jī)磁場最大儲能Wfmax=1/2 Lf×If0×Ifk=0.5×1.169×440×810×2=0.417MJ（Ifk為強(qiáng)勵勵磁電流）。發(fā)電機(jī)滅磁時(shí)滅磁電阻耗能和滅磁電阻設(shè)計(jì)能容量WRfk，根據(jù)我國計(jì)算機(jī)程序計(jì)算和制造廠估算經(jīng)驗(yàn)，滅磁電阻在發(fā)電機(jī)空載滅磁時(shí)耗能占磁場儲能的比率系數(shù)為0.7。（考慮定子漏抗及磁場飽和電樞反應(yīng)、轉(zhuǎn)子繞組本身電阻的耗能、阻尼繞組耗能）。考慮20%備退裕度，則WRfk=0.417×0.7×1.2=0.35MJ，配置的非線性滅磁電阻的總能容氧化鋅非線性電阻配置為0.6MJ。

2.6 其他參數(shù)

電壓保護(hù)參數(shù)2.5×√2×U2L＜動作值＜10×√2×UfN×0.7，即2757.3V＜動作值＜3840.4V，實(shí)際選取的過電壓動作值為2800V；起勵裝置參數(shù)。選用220V直流電源作為起勵電源，將BOD板的001～006斷開；勵磁變CT參數(shù)?？紤]到勵磁變壓器選取的容量為1100kVA，變比為10500V/780V，額定勵磁電流810A，最大短路電流約28834A，高壓側(cè)選擇LZZBJ9-10150/110P30/10P30/0.2530VA，低壓側(cè)選擇1000/1A；快速熔斷器參數(shù)?？紤]到額定勵磁電流為810A，選擇熔斷器電流I=810×1.25=1000A。故快速熔斷器選取為RS4-1000V/1000A-P1m104NK。

3 結(jié)語

本文經(jīng)過勵磁變?nèi)萘颗c電壓、可控硅元件的參數(shù)、整流橋參數(shù)、滅磁開關(guān)參數(shù)、滅磁電阻參數(shù)、起勵裝置參數(shù)、勵磁變CT參數(shù)、快速熔斷器參數(shù)等勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)核算及對調(diào)試試驗(yàn)時(shí)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，將相關(guān)設(shè)備參數(shù)選型進(jìn)行了優(yōu)化，給同類型機(jī)組提供了借鑒。