淺談勵(lì)磁系統(tǒng)在330MW機(jī)組中的應(yīng)用

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

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

　　1背景

　　華能�？陔姀S四期共有2臺(tái)330MW國(guó)產(chǎn)北京北重汽輪電機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的QFSN-330-2型汽輪發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量為330MW。發(fā)電機(jī)原勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)。

　　2 勵(lì)磁系統(tǒng)的重要性

　　在發(fā)電廠，勵(lì)磁系統(tǒng)是為發(fā)電機(jī)提高可控的勵(lì)磁電流的系統(tǒng)，即給發(fā)電機(jī)提高可控的磁場(chǎng)，是發(fā)電機(jī)最為重要的輔助系統(tǒng)之一，勵(lì)磁系統(tǒng)是閉環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以保證在機(jī)組正常運(yùn)行的情況下維持發(fā)電機(jī)極端電壓穩(wěn)定運(yùn)行，使機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子電流恒定輸出。當(dāng)系統(tǒng)波動(dòng)或者發(fā)生事故時(shí)，需勵(lì)磁系統(tǒng)維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定值，合理分配發(fā)電機(jī)組之間的無功，對(duì)發(fā)電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子側(cè)各電氣量的負(fù)荷進(jìn)行限制和保護(hù)，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)提高發(fā)電機(jī)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有相當(dāng)大的作用。

　　3 RCS-9400勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成

　　海口電廠#8、9機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)主要有雙通道數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置柜(包含9410數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置、9415勵(lì)磁系統(tǒng)信息管理裝置、9412智能脈沖觸發(fā)裝置)、#1~3號(hào)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(lì)磁變壓器及其其他輔助部分組成。

　　(1)該勵(lì)磁系統(tǒng)的核心設(shè)備是勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜中的9410數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，RCS-9410勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置是以高速DSP為計(jì)算機(jī)控制核心、以ARM為對(duì)外通訊系統(tǒng)的中心，同時(shí)最外層以32位單片機(jī)為人機(jī)接口層，提供內(nèi)容最為豐富和靈活的人機(jī)操作平臺(tái)，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(hù)功能軟件，不僅保證正常運(yùn)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(hù)勵(lì)磁系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)的安全，同時(shí)保證對(duì)系統(tǒng)的較大出力，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定作貢獻(xiàn)。

　　(2)RCS-9420可控硅整流裝置通過接受勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的觸發(fā)脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可控整流，為發(fā)電機(jī)或副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁電流;該整流裝置可實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的逆變功能，通過逆變實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)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(hù);(3)過流保護(hù);(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(hù)組成的，在正常停機(jī)或事故停機(jī)時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行快速滅磁，在運(yùn)行中抑制轉(zhuǎn)子中過電壓的綜合設(shè)備。對(duì)于自并勵(lì)系統(tǒng)，還配置直流電源供電的或交流電源供電的初勵(lì)回路，保證發(fā)電機(jī)的可靠起勵(lì)。

　　(3)微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)典型原理

　　大致的原理是取發(fā)電機(jī)端電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流作為參考，通過勵(lì)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(lì)磁電流，給發(fā)電機(jī)提供特定的磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無功，維持發(fā)電機(jī)端電壓的輸出。

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

　　4.1機(jī)組啟機(jī)過程

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

　　我廠#8/9發(fā)電組發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式采用機(jī)端靜態(tài)自并勵(lì)方式，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，先由輔助直流或交流啟勵(lì)電源給轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，定子繞組切割磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，使得端電壓逐步上升，為了維持輸出機(jī)端電壓的穩(wěn)定，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置采用機(jī)端電壓閉環(huán)控制，以發(fā)電機(jī)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(jī)端電壓穩(wěn)定輸出，采用自動(dòng)定速升壓的方式進(jìn)行升壓，當(dāng)定子升壓到20%額定電壓后，自動(dòng)切換可控硅向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流。

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

　　其中電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)在自并勵(lì)勵(lì)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(lì)磁方式時(shí)，會(huì)降低電力系統(tǒng)的阻尼特性，導(dǎo)致低頻振蕩時(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，但投入PSS后會(huì)提高功率阻尼系數(shù)，振蕩時(shí)使轉(zhuǎn)子阻尼達(dá)到理想數(shù)值，從而提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

　　4.2機(jī)組運(yùn)行時(shí)

　　發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，主要是要維持機(jī)端電壓穩(wěn)定輸出，無功能根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)載情況進(jìn)行相關(guān)平衡調(diào)節(jié)。勵(lì)磁系統(tǒng)維持機(jī)端電壓閉環(huán)運(yùn)行方式，保證機(jī)端電壓穩(wěn)定輸出。同時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)帶有低勵(lì)磁限制、過勵(lì)磁限制、伏赫茲限制、硅柜過電流限制、TV斷線保護(hù)功能、空載過電壓保護(hù)、45Hz低周波保護(hù)等功能，所以勵(lì)磁調(diào)節(jié)器備有主從兩套通道，當(dāng)裝置檢測(cè)到故障后，“通道選擇”在自動(dòng)位時(shí)，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(huì)自動(dòng)切換至從通道;若從通道有故障，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)則會(huì)維持主通道運(yùn)行，并自動(dòng)切換至恒轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)方式或者是定角度開環(huán)運(yùn)行;若發(fā)電機(jī)空載，則會(huì)逆變停機(jī)。

　　注：Cntl_mode值意義如下：

　　0、代表電壓閉環(huán)方式(AVR)

　　1、代表勵(lì)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(jī)勵(lì)磁控制自動(dòng)調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角，使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓維持在給定值范圍內(nèi)，從而控制發(fā)電機(jī)無功功率和電壓，調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角也即改變勵(lì)磁電流大小。以�？陔姀S330WM機(jī)組為例，正常運(yùn)行時(shí)三臺(tái)可控硅整流柜并列運(yùn)行，負(fù)荷均衡分配。一臺(tái)整流柜退出，不影響勵(lì)磁系統(tǒng)出力。兩臺(tái)整流柜退出，則不允許強(qiáng)勵(lì)。

　　當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在額定工況或強(qiáng)勵(lì)工況下運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流比較大，此時(shí)由于故障或人為意外因數(shù)導(dǎo)致勵(lì)磁回路斷開，此時(shí)電磁自動(dòng)力矩突然消失，汽輪機(jī)在強(qiáng)大的機(jī)械力矩下飛速上升旋轉(zhuǎn)，若該機(jī)組主變高壓側(cè)開關(guān)未能及時(shí)跳開，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子從電網(wǎng)中吸收大量無功來建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，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(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)危機(jī)設(shè)備人身安全。若在強(qiáng)勵(lì)磁電流運(yùn)行時(shí)，突然斷開勵(lì)磁回路亦會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉弧現(xiàn)象，有可能燒毀氧化鋅滅磁電阻，而在勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)中有滅磁開關(guān)聯(lián)跳發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)的邏輯保護(hù)功能，保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行全過程中安全穩(wěn)定。

　　4.3停機(jī)過程中

　　發(fā)電機(jī)停機(jī)過程中，主要是如何將發(fā)電機(jī)無功、機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電流(即勵(lì)磁電流)降至0，即如何快速清除磁場(chǎng)。在發(fā)電機(jī)停機(jī)過程中，要先將勵(lì)磁逐漸減至零，即將發(fā)電機(jī)的無功、勵(lì)磁電流均減至零，最直接的辦法就是將勵(lì)磁回路斷開，但是轉(zhuǎn)子繞組具有很大的電感，斷開勵(lì)磁回路不能使發(fā)電機(jī)電流突變，而于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，因強(qiáng)迫電感性電流分?jǐn)�，在轉(zhuǎn)子繞組兩端感應(yīng)出較高的過電壓，施加在磁場(chǎng)開關(guān)上，阻止磁場(chǎng)開關(guān)切斷電流;另一方面，對(duì)于開關(guān)，強(qiáng)行分?jǐn)嘤|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?yàn)檗D(zhuǎn)子磁場(chǎng)存儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)發(fā)電機(jī)滅磁非常重要，而勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)能量。

　　當(dāng)然，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生內(nèi)部或機(jī)端短路故障時(shí)，即使繼電保護(hù)正確及時(shí)動(dòng)作，將機(jī)組從電網(wǎng)上切除，但因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的存在，定子電壓的存在，故障電流仍然存在，磁場(chǎng)存在時(shí)間越長(zhǎng)，故障點(diǎn)故障電流維持的時(shí)間也就越長(zhǎng)，故障電流所造成的危害就越大。所以當(dāng)發(fā)電機(jī)故障緊急停機(jī)時(shí)，勵(lì)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(gè)功能：

　　(1)滅磁時(shí)間短;

　　(2)滅磁時(shí)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(yàn)電壓的50%;

　　(3)滅磁開關(guān)應(yīng)有足夠的分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流能力，不會(huì)因分?jǐn)喽鵁龎摹?/p>

　　可見，滅磁裝置能夠保證發(fā)電機(jī)可靠快速滅磁，保證機(jī)組設(shè)備安全。所以，以�？陔姀S330MW #8、9汽輪發(fā)電機(jī)組配備的南瑞RCS-9400勵(lì)磁系統(tǒng)為例，正常停機(jī)前，先按“停機(jī)令”，降低發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，將發(fā)電機(jī)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(bào)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1986年，是經(jīng)國(guó)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(jī)工程學(xué)會(huì)、山西省水利發(fā)電工程協(xié)會(huì)合辦、國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的學(xué)術(shù)性期刊。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　以�？陔姀S330MW #8、9汽輪發(fā)電機(jī)組配備的南瑞RCS-9400勵(lì)磁系統(tǒng)為例，自2018年改造勵(lì)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(jī)組中能夠提供較為可靠的勵(lì)磁、滅磁功能，自動(dòng)切除故障通道，維持發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，且能夠在整個(gè)過程中保證汽輪發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定啟停機(jī)。這套勵(lì)磁裝置在�？陔姀S四期機(jī)組已運(yùn)行兩年無故障，且安全可靠運(yùn)行，顯而易見，南瑞RCS-9400勵(lì)磁系統(tǒng)在330MW機(jī)組中的應(yīng)用比較可靠，同時(shí)也為其他電廠發(fā)電機(jī)機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)改造和新投運(yùn)機(jī)組勵(lì)磁設(shè)備選型提供了一定的借鑒意義。

　　【參考文獻(xiàn)】

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　　[4] 李家坤同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式發(fā)展綜述[J] .電力學(xué)報(bào)，2005，(01).

　　作者：黃恒

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