淺談勵磁系統(tǒng)在330MW機組中的應(yīng)用

　　摘要：華能�？陔姀S#8、9機組勵磁系統(tǒng)新改造為南瑞RCS-9400系列勵磁系統(tǒng)，原勵磁系統(tǒng)為南瑞SAVR2000，本文主要介紹南瑞RCS-9400勵磁系統(tǒng)在海口電廠#8、9汽輪發(fā)電機啟、停機及運行中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：勵磁系統(tǒng);勵磁技術(shù);功能與應(yīng)用

　　1背景

　　華能�？陔姀S四期共有2臺330MW國產(chǎn)北京北重汽輪電機有限責(zé)任公司生產(chǎn)的QFSN-330-2型汽輪發(fā)電機，單機容量為330MW。發(fā)電機原勵磁系統(tǒng)為南瑞SAVR2000系列，因系統(tǒng)老化，便改造為南瑞RCS-9400系列靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。

　　2 勵磁系統(tǒng)的重要性

　　在發(fā)電廠，勵磁系統(tǒng)是為發(fā)電機提高可控的勵磁電流的系統(tǒng)，即給發(fā)電機提高可控的磁場，是發(fā)電機最為重要的輔助系統(tǒng)之一，勵磁系統(tǒng)是閉環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以保證在機組正常運行的情況下維持發(fā)電機極端電壓穩(wěn)定運行，使機組能夠輸出一定的有功與無功，除此之外，還可以保證發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流恒定輸出。當(dāng)系統(tǒng)波動或者發(fā)生事故時，需勵磁系統(tǒng)維持發(fā)電機端電壓在給定值，合理分配發(fā)電機組之間的無功，對發(fā)電機定子及轉(zhuǎn)子側(cè)各電氣量的負荷進行限制和保護，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此勵磁系統(tǒng)對提高發(fā)電機電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有相當(dāng)大的作用。

　　3 RCS-9400勵磁系統(tǒng)的構(gòu)成

　　�？陔姀S#8、9機組勵磁系統(tǒng)主要有雙通道數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)裝置柜(包含9410數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)裝置、9415勵磁系統(tǒng)信息管理裝置、9412智能脈沖觸發(fā)裝置)、#1~3號RCS-9420可控硅整流柜、RCS-9431滅磁開關(guān)柜、RCS-9432滅磁電阻/轉(zhuǎn)子接地柜、勵磁變壓器及其其他輔助部分組成。

　　(1)該勵磁系統(tǒng)的核心設(shè)備是勵磁調(diào)節(jié)柜中的9410數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)裝置，RCS-9410勵磁調(diào)節(jié)裝置是以高速DSP為計算機控制核心、以ARM為對外通訊系統(tǒng)的中心，同時最外層以32位單片機為人機接口層，提供內(nèi)容最為豐富和靈活的人機操作平臺，配置了標(biāo)準(zhǔn)模型的PID + PSS調(diào)節(jié)軟件，配置了最完善的限制和保護功能軟件，不僅保證正常運行工況下的穩(wěn)定性，而且在異常工況或事故情況下，一方面保護勵磁系統(tǒng)及發(fā)電機的安全，同時保證對系統(tǒng)的較大出力，對系統(tǒng)穩(wěn)定作貢獻。

　　(2)RCS-9420可控硅整流裝置通過接受勵磁調(diào)節(jié)器的觸發(fā)脈沖信號，實現(xiàn)可控整流，為發(fā)電機或副勵磁機的勵磁繞組提供勵磁電流;該整流裝置可實現(xiàn)短時間的逆變功能，通過逆變實現(xiàn)發(fā)電機的快速滅磁。主要包含以下五部分：(1)三相可控硅整流橋;(2)過壓保護;(3)過流保護;(4)冷卻系統(tǒng);(5)輔助控制回路。RCS-9430 滅磁裝置是由滅磁開關(guān)、滅磁電阻、轉(zhuǎn)子過電壓保護組成的，在正常停機或事故停機時對發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組進行快速滅磁，在運行中抑制轉(zhuǎn)子中過電壓的綜合設(shè)備。對于自并勵系統(tǒng)，還配置直流電源供電的或交流電源供電的初勵回路，保證發(fā)電機的可靠起勵。

　　(3)微機勵磁系統(tǒng)典型原理

　　大致的原理是取發(fā)電機端電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流作為參考，通過勵磁調(diào)節(jié)裝置，輸出可控硅的觸發(fā)脈沖，即觸發(fā)角度，使得整流裝置輸出勵磁電流，給發(fā)電機提供特定的磁場，調(diào)節(jié)發(fā)電機無功，維持發(fā)電機端電壓的輸出。

　　4 南瑞RCS-9400勵磁系統(tǒng)在330MW發(fā)電機組的應(yīng)用

　　4.1機組啟機過程

　　發(fā)電機組啟動過程中，主要是如何建立有效穩(wěn)定的磁場，輸出穩(wěn)定的機端電壓。

　　我廠#8/9發(fā)電組發(fā)電機勵磁方式采用機端靜態(tài)自并勵方式，發(fā)電機啟動時，先由輔助直流或交流啟勵電源給轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，定子繞組切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電勢，使得端電壓逐步上升，為了維持輸出機端電壓的穩(wěn)定，勵磁調(diào)節(jié)裝置采用機端電壓閉環(huán)控制，以發(fā)電機端電壓作為調(diào)節(jié)變量，利用PID控制+PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，維持機端電壓穩(wěn)定輸出，采用自動定速升壓的方式進行升壓，當(dāng)定子升壓到20%額定電壓后，自動切換可控硅向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流。

　　當(dāng)初勵投入6秒后，發(fā)電機電壓仍未能大于20%額定電壓，則會強制退出。勵磁電源是通過勵磁變壓器取發(fā)電機出口電壓作為電源，經(jīng)過可控硅整流后送至發(fā)電機轉(zhuǎn)子，通過微機勵磁控制自動調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角，使得發(fā)電機端電壓維持在給定值范圍內(nèi)，同時可根據(jù)南方電網(wǎng)中調(diào)的要求進行利用增減磁通量來調(diào)節(jié)發(fā)電機無功。

　　其中電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)在自并勵勵磁系統(tǒng)中可有效的提高電力系統(tǒng)電壓水平，當(dāng)電力系統(tǒng)大量采用該勵磁方式時，會降低電力系統(tǒng)的阻尼特性，導(dǎo)致低頻振蕩時電力系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，但投入PSS后會提高功率阻尼系數(shù)，振蕩時使轉(zhuǎn)子阻尼達到理想數(shù)值，從而提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

　　4.2機組運行時

　　發(fā)電機組運行時，主要是要維持機端電壓穩(wěn)定輸出，無功能根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)負載情況進行相關(guān)平衡調(diào)節(jié)。勵磁系統(tǒng)維持機端電壓閉環(huán)運行方式，保證機端電壓穩(wěn)定輸出。同時勵磁系統(tǒng)帶有低勵磁限制、過勵磁限制、伏赫茲限制、硅柜過電流限制、TV斷線保護功能、空載過電壓保護、45Hz低周波保護等功能，所以勵磁調(diào)節(jié)器備有主從兩套通道，當(dāng)裝置檢測到故障后，“通道選擇”在自動位時，調(diào)節(jié)器執(zhí)行主從通道切換，閉鎖故障調(diào)節(jié)裝置通道輸出。若從通道在正常狀態(tài)，則會自動切換至從通道;若從通道有故障，在并網(wǎng)運行時則會維持主通道運行，并自動切換至恒轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)方式或者是定角度開環(huán)運行;若發(fā)電機空載，則會逆變停機。

　　注：Cntl_mode值意義如下：

　　0、代表電壓閉環(huán)方式(AVR)

　　1、代表勵磁電流閉環(huán)方式(FCR)

　　2、代表開環(huán)控制方式

　　3、代表恒無功控制方式

　　4、代表恒功率因素控制方式

　　通過微機勵磁控制自動調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角，使發(fā)電機機端電壓維持在給定值范圍內(nèi)，從而控制發(fā)電機無功功率和電壓，調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角也即改變勵磁電流大小。以�？陔姀S330WM機組為例，正常運行時三臺可控硅整流柜并列運行，負荷均衡分配。一臺整流柜退出，不影響勵磁系統(tǒng)出力。兩臺整流柜退出，則不允許強勵。

　　當(dāng)發(fā)電機勵磁系統(tǒng)在額定工況或強勵工況下運行時，勵磁電流比較大，此時由于故障或人為意外因數(shù)導(dǎo)致勵磁回路斷開，此時電磁自動力矩突然消失，汽輪機在強大的機械力矩下飛速上升旋轉(zhuǎn)，若該機組主變高壓側(cè)開關(guān)未能及時跳開，導(dǎo)致發(fā)電機定子從電網(wǎng)中吸收大量無功來建立旋轉(zhuǎn)磁場，切割轉(zhuǎn)子繞組，從而產(chǎn)生巨大的電流，使轉(zhuǎn)子過熱燒毀，致使機組強烈振動危機設(shè)備人身安全。若在強勵磁電流運行時，突然斷開勵磁回路亦會產(chǎn)生強烈的拉弧現(xiàn)象，有可能燒毀氧化鋅滅磁電阻，而在勵磁系統(tǒng)保護中有滅磁開關(guān)聯(lián)跳發(fā)電機并網(wǎng)開關(guān)的邏輯保護功能，保證發(fā)電機運行全過程中安全穩(wěn)定。

　　4.3停機過程中

　　發(fā)電機停機過程中，主要是如何將發(fā)電機無功、機端電壓、轉(zhuǎn)子電流(即勵磁電流)降至0，即如何快速清除磁場。在發(fā)電機停機過程中，要先將勵磁逐漸減至零，即將發(fā)電機的無功、勵磁電流均減至零，最直接的辦法就是將勵磁回路斷開，但是轉(zhuǎn)子繞組具有很大的電感，斷開勵磁回路不能使發(fā)電機電流突變，而于轉(zhuǎn)子磁場，因強迫電感性電流分斷，在轉(zhuǎn)子繞組兩端感應(yīng)出較高的過電壓，施加在磁場開關(guān)上，阻止磁場開關(guān)切斷電流;另一方面，對于開關(guān)，強行分斷觸頭，產(chǎn)生斷口，但即使產(chǎn)生斷口，但轉(zhuǎn)子電流仍經(jīng)開關(guān)斷口上的電弧而流通。

　　因為轉(zhuǎn)子磁場存儲了一定的能量，能量不能消失，只能轉(zhuǎn)移，如果沒有其他轉(zhuǎn)移能量的措施，轉(zhuǎn)子儲能全部轉(zhuǎn)化為開關(guān)斷口電弧熱能，不是專用開關(guān)，難以承受電弧能量，開關(guān)將被斷口電弧燒損，所以如何更加可靠安全有效對發(fā)電機滅磁非常重要，而勵磁系統(tǒng)設(shè)有自動滅磁裝置，配備專用的滅磁開關(guān)能夠維持電弧燃燒，消耗磁場能量，并控制電弧電壓在安全的范圍內(nèi)，設(shè)置每次電阻吸收磁場能量。

　　當(dāng)然，當(dāng)發(fā)電機發(fā)生內(nèi)部或機端短路故障時，即使繼電保護正確及時動作，將機組從電網(wǎng)上切除，但因發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場的存在，定子電壓的存在，故障電流仍然存在，磁場存在時間越長，故障點故障電流維持的時間也就越長，故障電流所造成的危害就越大。所以當(dāng)發(fā)電機故障緊急停機時，勵磁系統(tǒng)的滅磁裝置也能滅磁迅速，減少短路電流造成的損害。其滅磁裝置具備以下幾個功能：

　　(1)滅磁時間短;

　　(2)滅磁時反向電壓不超過規(guī)定的倍數(shù)，即不超過轉(zhuǎn)子出廠耐壓試驗電壓的50%;

　　(3)滅磁開關(guān)應(yīng)有足夠的分斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流能力，不會因分斷而燒壞。

　　可見，滅磁裝置能夠保證發(fā)電機可靠快速滅磁，保證機組設(shè)備安全。所以，以海口電廠330MW #8、9汽輪發(fā)電機組配備的南瑞RCS-9400勵磁系統(tǒng)為例，正常停機前，先按“停機令”，降低發(fā)電機的勵磁電流，將發(fā)電機無功、有功減至零，最后斷開滅磁開關(guān)。

　　電力論文投稿期刊：《電力學(xué)報》(雙月刊)創(chuàng)刊于1986年，是經(jīng)國家新聞出版署審批，山西省電力公司主管，由太原電力高等�？茖W(xué)校和山西省電機工程學(xué)會、山西省水利發(fā)電工程協(xié)會合辦、國內(nèi)外公開發(fā)行的學(xué)術(shù)性期刊。

　　5 結(jié)束語

　　以�？陔姀S330MW #8、9汽輪發(fā)電機組配備的南瑞RCS-9400勵磁系統(tǒng)為例，自2018年改造勵磁系統(tǒng)為南瑞RCS-9400以來，均可按照以上功能及技術(shù)應(yīng)用在330WM機組中能夠提供較為可靠的勵磁、滅磁功能，自動切除故障通道，維持發(fā)電機安全穩(wěn)定運行，且能夠在整個過程中保證汽輪發(fā)電機安全穩(wěn)定啟停機。這套勵磁裝置在�？陔姀S四期機組已運行兩年無故障，且安全可靠運行，顯而易見，南瑞RCS-9400勵磁系統(tǒng)在330MW機組中的應(yīng)用比較可靠，同時也為其他電廠發(fā)電機機組的勵磁系統(tǒng)改造和新投運機組勵磁設(shè)備選型提供了一定的借鑒意義。

　　【參考文獻】

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　　作者：黃恒

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