顧建嶸

（南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京　210032）

9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用

顧建嶸

（南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京210032）

介紹了9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用情況，PSVR100勵(lì)磁系統(tǒng)采用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)及專利，針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行的特殊要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，配合變頻啟動(dòng)設(shè)備完成燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。在9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的成功工程化應(yīng)用表明，PSVR100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)控制性能良好，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了該類重大電力控制設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。

燃?xì)廨啓C(jī)；發(fā)電機(jī)；勵(lì)磁系統(tǒng)；變頻啟動(dòng)；PSS2B；國(guó)產(chǎn)化

0　引言

勵(lì)磁系統(tǒng)作為電廠中重要的電氣設(shè)備，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)起穩(wěn)定機(jī)端電壓、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)之間無(wú)功分配、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。近年來(lái)，眾多大型燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱燃機(jī)）發(fā)電機(jī)組的建設(shè)投產(chǎn)，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性和性能指標(biāo)提出了更高的要求。

本文以華電江東9F級(jí)燃機(jī)發(fā)電機(jī)為例，介紹了PSVR100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在9F級(jí)燃機(jī)發(fā)電機(jī)上的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用情況。

1　PSVR100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

PSVR100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是國(guó)電南自公司勵(lì)磁專業(yè)根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品在性能、結(jié)構(gòu)、可靠性等方面存在的不足，有針對(duì)性地研制的新一代大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)，能更好地滿足大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的要求。

針對(duì)大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn)，PSVR100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)設(shè)計(jì)，形成了多個(gè)技術(shù)特點(diǎn)。其中包括：

（1）數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用了單CPU+大規(guī)模邏輯可編程門(mén)陣列（FPGA）的架構(gòu)模式。由CPU芯片MPC8247完成如邏輯控制、通信、勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)采樣、PID+PSS控制算法等核心任務(wù)，F(xiàn)PGA作為CPU外設(shè)統(tǒng)一管理器，負(fù)責(zé)同步相位周期測(cè)量、開(kāi)入采樣、脈沖生成檢測(cè)、硬件故障監(jiān)視等任務(wù)［1］。該種架構(gòu)有效減少了CPU中斷調(diào)用，提高了CPU的工作可靠性，如圖1所示。

圖1　調(diào)節(jié)器CPU架構(gòu)

（2）功率柜采用智能化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，保證脈沖觸發(fā)的可靠性。通過(guò)提高風(fēng)壓風(fēng)速、改變冷卻風(fēng)流動(dòng)狀態(tài)、增大散熱器或采用新型熱管散熱器等多種措施提高了散熱效果，從而使功率柜單柜電流容量高達(dá)2500A。并聯(lián)運(yùn)行的功率柜除硬件均流外，還可采用集中式智能均流技術(shù)，將均流脈沖控制單元合并到勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置內(nèi)［2］。集中式智能均流結(jié)構(gòu)如圖2所示，可保證現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)功率柜的均流系數(shù)全程大于0.95（圖中，CT為電流互感器，下同）。

圖2　集中式智能均流結(jié)構(gòu)

（3）深入分析發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)針對(duì)大型勵(lì)磁系統(tǒng)配套的滅磁柜。采用了電子跨接器+機(jī)械開(kāi)關(guān)+滅磁電阻的多重冗余滅磁回路方案，結(jié)構(gòu)可靠，提高了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的滅磁可靠性，如圖3所示。

圖3　多重冗余滅磁回路

同時(shí)，開(kāi)發(fā)針對(duì)電子跨接器的在線檢測(cè)方法，在線監(jiān)測(cè)電子跨接器，將事故風(fēng)險(xiǎn)降至最低［3］。

（4）基于VS2010開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)勵(lì)磁專用的人機(jī)界面（HMI），能夠就地顯示雙套勵(lì)磁裝置的狀態(tài)和信息，以及進(jìn)行定值操作修改、錄波查詢等功能。結(jié)合該輔助軟件可提高現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試效率，方便運(yùn)行人員維護(hù)。HMI配置如圖4所示。

圖4　HMI配置

2　9F級(jí)燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn)

9F級(jí)燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)有其特殊之處，與常見(jiàn)的勵(lì)磁系統(tǒng)不同，該型勵(lì)磁系統(tǒng)除了在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)提供轉(zhuǎn)子電流，負(fù)責(zé)機(jī)端電壓穩(wěn)定之外，還需要在燃機(jī)機(jī)組的啟動(dòng)過(guò)程中配合機(jī)島控制系統(tǒng)（TCS）、靜態(tài)變頻器（SFC）等設(shè)備。燃機(jī)在啟動(dòng)時(shí)通過(guò)變頻裝置將發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制，配合完成燃機(jī)點(diǎn)火和沖轉(zhuǎn)的流程。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，PSVR100勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)需要配置了2路勵(lì)磁電源，由開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。一路取自發(fā)電機(jī)端，作為機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電源，此時(shí)運(yùn)行方式為自并勵(lì)勵(lì)磁方式；另一路取自廠用母線，由專門(mén)的啟動(dòng)勵(lì)磁變供給電源，此時(shí)的運(yùn)行方式為他勵(lì)勵(lì)磁方式。燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示（圖中PT為電壓互感器，下同）。

在燃機(jī)啟動(dòng)階段開(kāi)始時(shí)，利用變頻啟動(dòng)裝置向發(fā)電機(jī)定子施加電壓。此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)切換為他勵(lì)勵(lì)磁方式，變頻啟動(dòng)裝置控制勵(lì)磁系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子施加勵(lì)磁，在兩者的共同作用下由電磁感應(yīng)產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)力矩，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速升到足夠高時(shí)，進(jìn)行正常轉(zhuǎn)速的控制，此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)可停止輸出，切除啟動(dòng)變壓器電源［4］。

圖5　燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

正常運(yùn)行期間，將勵(lì)磁系統(tǒng)切換為自并勵(lì)勵(lì)磁方式。零起升壓時(shí)，由起勵(lì)回路提供初勵(lì)電源，當(dāng)建立起一定的機(jī)端電壓后便可由勵(lì)磁變壓器供給勵(lì)磁電源，起勵(lì)回路退出。

PSVR100勵(lì)磁系統(tǒng)所采用的上述輔助控制技術(shù)，基于成熟的啟動(dòng)控制策略和啟動(dòng)回路設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)與TCS，SFC等設(shè)備快速交互控制、他勵(lì)與自勵(lì)方式智能切換、一鍵啟停等功能。

3　應(yīng)用情況

華電江東項(xiàng)目為2×480MW9F級(jí)燃機(jī)，機(jī)組為480MW重型燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，勵(lì)磁電壓448V，勵(lì)磁電流3565A。針對(duì)該型機(jī)組，PSVR100勵(lì)磁系統(tǒng)組屏包括了調(diào)節(jié)柜1面、功率柜4面、滅磁開(kāi)關(guān)柜1面、滅磁電阻柜1面、交流進(jìn)線柜1面、直流進(jìn)線柜1面。

PSVR100勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器預(yù)留多個(gè)通信接口，與TCS，SFC等設(shè)備進(jìn)行交互。接收SFC的控制信號(hào)和控制量輸出勵(lì)磁電流，在燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)驗(yàn)證了PSVR100勵(lì)磁系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度均符合現(xiàn)場(chǎng)要求，滿足了燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)控制的需求。

正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用了如圖6所示的并聯(lián)校正傳遞函數(shù)。

圖6　調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)

圖7為現(xiàn)場(chǎng)零起升壓（目標(biāo)值100％，步長(zhǎng)10 ％/s）的錄波圖形，發(fā)電機(jī)定子電壓互感器（PT）的變比為21.5kV/100V。根據(jù)計(jì)算得出超調(diào)量為1.82％，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（小于5％）。

圖8為現(xiàn)場(chǎng)空載5％階躍相應(yīng)試驗(yàn)的機(jī)端電壓錄波圖形，發(fā)電機(jī)定子PT的變比為21.5kV/100V。根據(jù)計(jì)算得出，負(fù)5％階躍下降時(shí)間0.14s，調(diào)節(jié)時(shí)間0.16s，超調(diào)2.00％，振蕩次數(shù)0次；正5％階躍上升時(shí)間0.14s，調(diào)節(jié)時(shí)間0.16s，超調(diào)2.13％，振蕩次數(shù)0次。滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（上升時(shí)間不大于0.50s，振蕩次數(shù)不超過(guò)3次，調(diào)節(jié)時(shí)間不超過(guò)5.00s，超調(diào)量不大于30％［5］）。

圖7　100％零起升壓

圖8　空載5％階躍

在空載額定情況下進(jìn)行跳滅磁開(kāi)關(guān)的滅磁試驗(yàn)，記錄機(jī)端電壓的波形如圖9所示，計(jì)算發(fā)電機(jī)電壓下降到初值的0.368的時(shí)間為3.12s，和封脈沖滅磁時(shí)間（8.60s）比較大大縮短，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供了保證。

圖9　空載額定跳滅磁開(kāi)關(guān)滅磁

PSVR100勵(lì)磁系統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器采用了PSS2B的模型，如圖10所示。

在確定電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）參數(shù)后，分別在PSS退出和投入的情況下，進(jìn)行±2％的階躍響應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)機(jī)端電壓、有功功率、無(wú)功功率等進(jìn)行錄波。比較PSS投退前后波形的差異，以確定PSS的作用是否正確有效。如圖11、圖12所示，可看出PSS投入后，有功功率的振蕩得到了明顯的抑制。

圖10　PSS2B模型

圖11　PSS退出2％階躍有功功率錄波

圖12　PSS投入2％階躍有功功率錄波

PSS投入情況下，由運(yùn)行人員操作快速降、升發(fā)電機(jī)有功功率，記錄機(jī)組有功功率、無(wú)功功率等變化曲線，如圖13所示，發(fā)電機(jī)無(wú)功波動(dòng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求小于30％Qn。

圖13　PSS反調(diào)檢查（2015-08-31T19：33：43）

上述試驗(yàn)結(jié)果證明，PSS投入后，調(diào)節(jié)器運(yùn)行穩(wěn)定，階躍試驗(yàn)波形振蕩頻率變化符合要求，阻尼比有較大提高，PSS抑制反調(diào)作用正確。表明PSVR100勵(lì)磁系統(tǒng)的PSS適應(yīng)頻率寬，穩(wěn)定裕量大，有較好的阻尼特性，對(duì)低頻振蕩起到明顯的抑制作用。

檢查PSVR100勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜在轉(zhuǎn)子電流處于不同工況下的均流效果。以#1機(jī)組為例，當(dāng)發(fā)電機(jī)處于額定工況下時(shí)，記錄#1～#4功率柜輸出電流分別為863，908，887，840A，計(jì)算均流系數(shù)為0.963，驗(yàn)證均流效果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（0.850）。

4　結(jié)論

PSVR100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在華電江東2×480 MW9F級(jí)燃機(jī)成功工程化應(yīng)用，1年多來(lái)，勵(lì)磁系統(tǒng)控制性能良好，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，獲得了用戶的認(rèn)可。

9F級(jí)燃機(jī)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的成功國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用，標(biāo)志著國(guó)電南自公司勵(lì)磁專業(yè)在控制理論研究、軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、工程化應(yīng)用等方面均取得了顯著成果。解決了9F級(jí)燃機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)必須依賴進(jìn)口的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了該類重大電力控制設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。

［1］彭鋼.PSVR100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的研制與應(yīng)用［J］.華電技術(shù)，2012（3）：13-17.

［2］南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司.一種勵(lì)磁功率柜的集中式均流控制方法：201610082222.1［P］.2016-02-05.

［3］南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司.一種基于電子跨接器線性滅磁回路的檢測(cè)方法：201310441596.4［P］. 2015-09-23.

［4］李丹.三菱燃機(jī)機(jī)組MEC5400型勵(lì)磁系統(tǒng)特點(diǎn)及調(diào)試［J］.大眾科技，2007（8）：127-128.

［5］大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件：DL/T843—2010［S］.

（本文責(zé)編：白銀雷）

TK472

A

1674-1951（2016）09-0010-03

2016-07-18；

2016-08-12

華電集團(tuán)立項(xiàng)科技項(xiàng)目“大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)研發(fā)”（CHDKJ11-01-09）

顧建嶸（1986—），男，江蘇泰州人，工程師，工學(xué)碩士，從事發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)方面的工作（E-mail：javyroot@163. com）。