鄧 瀾，王婷婷，蘭挺進(jìn)

（1.蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州 215301；2.南京科電新銳電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 磁場(chǎng)的目的及勵(lì)磁控制的主要作用

左手定則描述的是如何判斷通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向，從能量轉(zhuǎn)換的角度，它表達(dá)的是電動(dòng)機(jī)的工作過程，也就是從電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，最基本的公式為：

其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；右手定則，描述的是如何判斷運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的感應(yīng)電勢(shì)（電流）方向，從能量轉(zhuǎn)換的角度，它表達(dá)的是發(fā)電機(jī)的工作過程，也就是從機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，最基本的公式為：

其中Φ0為磁通量。從以上兩個(gè)定則的基本公式中表明，磁場(chǎng)是兩個(gè)定則需求的共同點(diǎn)，也就是說磁場(chǎng)的目的是為能量轉(zhuǎn)換提供介質(zhì)（轉(zhuǎn)換的場(chǎng)所）。在發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)公式（2）中，Φ0與轉(zhuǎn)子電流（勵(lì)磁電流）在磁通不飽和狀況下是成正比的，在發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)下，空載電動(dòng)勢(shì)與發(fā)電機(jī)定子電壓是相等的。轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速,汽輪發(fā)電3000r/min→轉(zhuǎn)子繞組加勵(lì)磁電流(直流)→產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)→定子繞組切割磁力線產(chǎn)生三相對(duì)稱感應(yīng)電勢(shì)→發(fā)電機(jī)出線端三相對(duì)稱電壓。根據(jù)公式（2）和Il，Φ0可知，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流Il，可改變磁通Φ0，從而改變定子繞組感應(yīng)電勢(shì)E0。勵(lì)磁控制的主要作用是通過控制磁通而控制定子電動(dòng)勢(shì)（空載時(shí)實(shí)際就是發(fā)電機(jī)出口電壓，并網(wǎng)時(shí)體現(xiàn)在機(jī)組無功的控制）。

印尼巴亞余熱機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)如圖1所示：系統(tǒng)為自并勵(lì)方式（靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)），由勵(lì)磁變壓器及勵(lì)磁控制柜（含勵(lì)磁控制、整流、滅磁）組成。勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)接于發(fā)電機(jī)出口，勵(lì)磁變低壓側(cè)接入勵(lì)磁柜，作為整流電源輸入，整流后的直流電流，通過滅磁開關(guān)輸出到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。通過勵(lì)磁的控制，使發(fā)電機(jī)的出口電壓穩(wěn)定在運(yùn)行人員設(shè)定的給定值上。勵(lì)磁系統(tǒng)閉環(huán)負(fù)反饋的示意如圖2所示，通過PID閉環(huán)控制，使發(fā)電機(jī)電壓的給定與反饋達(dá)到無差狀態(tài)。PID的傳遞函數(shù)如下：

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)基本構(gòu)成

圖2 勵(lì)磁電壓負(fù)反饋閉環(huán)原理

在時(shí)域系統(tǒng)，離散化后的表達(dá)式為：

在公式（3）和（4）中，e為給定和反饋的電壓差值，Ti為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)間，KP為比例系數(shù)。

2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的保護(hù)與限制

GB/T 7409.3—2007“同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求”中5.15規(guī)定，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器在其基本功能的基礎(chǔ)上，必須具有相應(yīng)的保護(hù)與限制功能。當(dāng)然，承擔(dān)發(fā)電機(jī)安全保證的是發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置，所有涉及到機(jī)組安全問題的，經(jīng)由發(fā)電機(jī)保護(hù)匯總后，保護(hù)出口跳開相應(yīng)的開關(guān)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。勵(lì)磁系統(tǒng)中的限制和保護(hù)，是為了完善勵(lì)磁系統(tǒng)功能而設(shè)置的，通常勵(lì)磁系統(tǒng)中的保護(hù)與限制都先于發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作，即發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況偏離正常范圍時(shí)，先靠勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、限制、保護(hù)等，讓發(fā)電機(jī)運(yùn)行于正常范圍。印尼巴亞水泥生產(chǎn)線余熱機(jī)組為兩臺(tái)15MW發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)為南京科電新銳生產(chǎn)的KD2000，該系統(tǒng)有以下幾種保護(hù)與限制的功能。

2.1 V/F限制功能及低頻逆變保護(hù)

V/F限制是指空載時(shí)防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過低引起發(fā)電機(jī)及變壓器磁飽和而設(shè)計(jì)的限制功能，當(dāng)頻率低于47.5Hz時(shí)調(diào)節(jié)器自動(dòng)按照設(shè)定的斜率降低電壓給定值，并發(fā)出V/F限制信號(hào)；低頻逆變保護(hù)是指當(dāng)轉(zhuǎn)速低于45 Hz時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)逆變滅磁，發(fā)出LFD限制信號(hào)。

圖3 V/F限制及低頻逆變

2.2 過/欠勵(lì)限制

過/欠勵(lì)限制的判據(jù)是發(fā)電機(jī)的功率，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行于與其相對(duì)應(yīng)的功率圓內(nèi)的一、四象限，功率圓及過/欠勵(lì)的區(qū)域如圖4所示：發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，可以通過測(cè)量發(fā)電機(jī)出口的PT及CT的電氣二次量來識(shí)別，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過采集PT及CT，能夠計(jì)算出發(fā)電機(jī)三相電流、電壓、有功、無功、功率因數(shù)等數(shù)值的大小及方向。在過、欠勵(lì)的限制中，調(diào)節(jié)器采用直線模擬功率圓的區(qū)域特性。過勵(lì)區(qū)域在功率圓第一象限，通過設(shè)置兩點(diǎn)來確定過勵(lì)直線，點(diǎn)1為發(fā)電機(jī)在0有功時(shí)，允許發(fā)出的最大無功，點(diǎn)2為發(fā)電機(jī)在額定有功時(shí)，允許發(fā)出多少無功。確定這兩點(diǎn)后，程序內(nèi)將這一線段20等分，計(jì)算出不同的有功時(shí)，發(fā)電機(jī)允許發(fā)出的無功，也就是相應(yīng)的限制值。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，如果檢測(cè)到無功數(shù)值超過設(shè)定的允許值，經(jīng)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出過勵(lì)限制信號(hào)，同時(shí)閉鎖增磁功能。欠勵(lì)區(qū)域在功率圓第四象限，通過設(shè)置兩點(diǎn)來確定過勵(lì)直線，點(diǎn)1為發(fā)電機(jī)在0有功時(shí)，允許吸收（進(jìn)相）的最大無功，點(diǎn)2為發(fā)電機(jī)在額定有功時(shí)，允許吸收（進(jìn)相）最大無功。確定好這兩點(diǎn)后，程序內(nèi)將這一線段20等分，計(jì)算出不同的有功時(shí)，發(fā)電機(jī)允許吸收（進(jìn)相）的無功，也就是相應(yīng)的限制值。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，如果檢測(cè)到無功數(shù)值低于設(shè)定的允許值，經(jīng)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出欠勵(lì)限制信號(hào)，同時(shí)閉鎖減磁功能。

2.3 強(qiáng)勵(lì)限制

強(qiáng)勵(lì)限制的判據(jù)是轉(zhuǎn)子電流，通過不同的判據(jù)實(shí)現(xiàn)不同的保護(hù)，也是系統(tǒng)可靠性的體現(xiàn)。勵(lì)磁系統(tǒng)通常允許轉(zhuǎn)子電流1.1倍額定數(shù)值能長(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流為額定的1.8倍后，可以允許運(yùn)行10s，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流高于1.1倍額定電流時(shí)，具體所允許的運(yùn)行時(shí)間是由反時(shí)限曲線來計(jì)算的，當(dāng)強(qiáng)勵(lì)限制動(dòng)作后，勵(lì)磁運(yùn)行方式自動(dòng)切換為電流閉環(huán)，按1.1倍的額定電流進(jìn)行閉環(huán)控制。

圖5 強(qiáng)勵(lì)限制曲線

2.4 整流橋熔絲熔斷及發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)

自并勵(lì)系統(tǒng)的功率來自機(jī)端勵(lì)磁變壓器，經(jīng)由三相全控橋整流后變成直流電流，經(jīng)由滅磁開關(guān)輸出到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。三相全控橋的可控硅及熔斷器，都按額定勵(lì)磁參數(shù)的1.1倍長(zhǎng)期運(yùn)行及瞬間2倍強(qiáng)勵(lì)的容量來選擇，但是如果在整流橋在重負(fù)荷狀況下發(fā)生熔絲熔斷，為了避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，適當(dāng)限制整流橋的輸出電流是有必要的，當(dāng)然，這個(gè)限制是指電流超過1.1倍以上時(shí)。發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)是指在空載狀態(tài)下，如果發(fā)電機(jī)的電壓超過設(shè)定值（比如是1.3倍），勵(lì)磁系統(tǒng)將逆變停機(jī)。

圖6 整流橋熔絲熔斷及發(fā)電機(jī)過壓保護(hù)

2.5 PT斷線及通道切換

我們提到勵(lì)磁最基本的功能是維持發(fā)電機(jī)出口電壓的恒定，PT電壓是表征發(fā)電機(jī)的實(shí)際電壓及給勵(lì)磁系統(tǒng)的反饋電壓。為了提高勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，通常勵(lì)磁系統(tǒng)需要兩路三相電壓作為反饋電壓，也就是常說的勵(lì)磁專用PT和電廠內(nèi)的儀用PT。調(diào)節(jié)器是按雙套冗余配置的，在電壓反饋的分配上，KD2000采用交叉方式，即A通道把勵(lì)磁PT當(dāng)主反饋信號(hào)，而把儀用PT當(dāng)參考信號(hào)，B通道則把儀用PT當(dāng)主反饋通道，而把勵(lì)磁PT當(dāng)參考信號(hào)。采用這種交叉配置后，不管勵(lì)磁PT還是儀用PT斷線后，勵(lì)磁系統(tǒng)都能自動(dòng)切換到電壓反饋信號(hào)正常的通道運(yùn)行，從而維持恒電壓的運(yùn)行方式，同時(shí)發(fā)出PT斷線的信號(hào)，提醒運(yùn)行人員進(jìn)行故障的查找與檢修。

圖7 PT斷線及通道切換

3 試驗(yàn)記錄

以上所論述的保護(hù)和限制功能，可以通過開機(jī)過程及模擬試驗(yàn)的方式來驗(yàn)證該功能的正確性。印尼巴亞水泥生產(chǎn)線余熱機(jī)組為兩臺(tái)15MW發(fā)電機(jī)，機(jī)組參數(shù)為：Pe：15MW，Uf：11500V，If：941A，cosΦ=0.8，Il=321A，Ul=160V。

3.1 頻率特性及V/F限制試驗(yàn)（開機(jī)過程試驗(yàn)）

頻率特性及V/F限制試驗(yàn)見表1。

表1 頻率特性及V/F限制

3.2 空載PT斷線試驗(yàn)（開機(jī)過程試驗(yàn)）

A套為主時(shí)，模擬PT1斷線（斷開端子1D-1短接片），主套切為B套，A套報(bào)出“PT斷線”故障。

B套為主時(shí)，模擬PT2斷線（斷開端子1D-8短接片），主套切為A套，B套報(bào)出“PT斷線”故障。

3.3 過勵(lì)試驗(yàn)（模擬試驗(yàn)）

設(shè)定參數(shù)：Pmax=15 MW，Qmin=11.2 MVar；Pmin=0 MW，Qmax=18.7 MVar。在P=7.5 MW，Q=15 MVar，調(diào)節(jié)裝置過勵(lì)限制動(dòng)作，過勵(lì)指示燈亮，此時(shí)增磁無效，按減磁按鈕返回過勵(lì)限制。

3.4 欠勵(lì)試驗(yàn)（模擬試驗(yàn)）

設(shè)定參數(shù)：Pmax=15 MW，Qmin=-5 MVar；Pmin=0 MW，Qmax=-10MVar。在P=7.5MW，Q=-7.5MVar，調(diào)節(jié)裝置欠勵(lì)限制動(dòng)作，欠勵(lì)指示燈亮，此時(shí)減磁按鈕閉鎖，按增磁按鈕返回。

3.5 強(qiáng)勵(lì)試驗(yàn)（模擬試驗(yàn)）

設(shè)定參數(shù)：ILmax=180%，ILmin=110%，T=10s，動(dòng)作值：IL=200%,時(shí)間6.5s。調(diào)節(jié)裝置強(qiáng)勵(lì)限制動(dòng)作，強(qiáng)勵(lì)指示燈亮，此時(shí)增磁按鈕閉鎖，減小勵(lì)磁電流后，動(dòng)作返回。

3.6 過壓保護(hù)及整流橋熔絲熔斷（模擬試驗(yàn)）

設(shè)定參數(shù)：Umax=130%；動(dòng)作值：Uact=130%。

3.7 整流橋熔絲熔斷（模擬試驗(yàn)）

調(diào)節(jié)器處于開機(jī)狀態(tài)，模擬轉(zhuǎn)子電流為150%額定值，強(qiáng)制熔絲熔斷信號(hào)后，調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)為電流閉環(huán)，電流給定為110%額定值。

4 運(yùn)行的效果及結(jié)論

印尼巴亞水泥余熱機(jī)組2號(hào)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電以來，勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行可靠，保護(hù)及限制功能齊全，取得很好的運(yùn)行效果。實(shí)踐表明，勵(lì)磁系統(tǒng)輔助的保護(hù)及限制功能，與勵(lì)磁主控程序一樣的重要，是機(jī)組的安全運(yùn)行必要的配置與保障。