國(guó)產(chǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)在大型抽水蓄能電站的應(yīng)用及分析

王 偉，董 波

（1.浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江 衢州 324000；2.安徽響水澗抽水蓄能電站，安徽 蕪湖 2410838）

抽水蓄能機(jī)組與常規(guī)機(jī)組相比較，運(yùn)行工況多，有發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相等數(shù)種工況。因此，在選用勵(lì)磁裝置時(shí)，必須考慮SFC啟動(dòng)、電氣制動(dòng)和背靠背起動(dòng)（BTB）等對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求。長(zhǎng)期以來，我國(guó)抽水蓄能電站均采用進(jìn)口勵(lì)磁設(shè)備，存在設(shè)備價(jià)格昂貴、訂貨周期長(zhǎng)、備品備件價(jià)格高、供應(yīng)不及時(shí)和保修期短等問題。而且，投產(chǎn)后發(fā)生故障或進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，均需國(guó)外資深工程師現(xiàn)場(chǎng)處理，又會(huì)產(chǎn)生服務(wù)費(fèi)用高、服務(wù)不及時(shí)和延誤發(fā)電工期等問題。

響水澗抽水蓄能電站位于安徽省蕪湖市三山區(qū)峨橋鎮(zhèn)境內(nèi)，總裝機(jī)容量1000MW，安裝4臺(tái)250MW可逆式水泵水輪機(jī)/發(fā)電電動(dòng)機(jī)組。作為主機(jī)設(shè)備全國(guó)產(chǎn)化的大型抽水蓄能電站，響水澗抽水蓄能電站采用的自并勵(lì)可控硅靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)，其勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是帶集成順控器的NES5100型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。該套勵(lì)磁系統(tǒng)在響水澗電站的成功應(yīng)用，打破了國(guó)外公司的技術(shù)壟斷，降低了抽水蓄能電站的投資成本和維護(hù)成本。

1 國(guó)產(chǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)主回路設(shè)備

響水澗抽水蓄能電站為發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線，發(fā)電機(jī)出口設(shè)15.75kV開關(guān)。勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)見表1，勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖見圖1。

表1 勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)

1.1 勵(lì)磁電源

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖

勵(lì)磁變壓器連接在主變低壓側(cè)，中間不設(shè)隔離開關(guān)。交流電源通過電纜線被送至1號(hào)整流柜FLZ1內(nèi)交流母線。3個(gè)可控硅整流橋并聯(lián)在交流母線上，為轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電源。在勵(lì)磁變的低壓側(cè)裝設(shè)一只勵(lì)磁變低壓開關(guān)。機(jī)組正常開機(jī)建壓時(shí)，開關(guān)合閘；停機(jī)滅磁時(shí)，開關(guān)分閘。電制動(dòng)投入前合閘，電制動(dòng)退出后分閘。在勵(lì)磁變保護(hù)動(dòng)作時(shí)，該開關(guān)由保護(hù)出口跳閘，隔離故障設(shè)備,保障設(shè)備安全；在設(shè)備檢修維護(hù)時(shí)將其斷開作為停電隔離措施，保證人身安全。

1.2 可控硅整流裝置

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，3個(gè)可控硅整流橋均投入運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)可控硅整流橋發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，剩余2個(gè)可控硅整流橋仍能滿足機(jī)組包括強(qiáng)勵(lì)在內(nèi)的最大運(yùn)行出力要求；當(dāng)二個(gè)可控硅整流橋發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)立即限負(fù)荷運(yùn)行，有備用機(jī)組的可以聯(lián)系轉(zhuǎn)移負(fù)荷、停機(jī)處理。不同可控硅整流橋相同橋臂上的可控硅發(fā)生故障的數(shù)量不超過1個(gè)時(shí)，機(jī)組仍能正常運(yùn)行。

1.3 散熱裝置

每個(gè)整流柜底部都安裝2臺(tái)DDM10/8型抽氣式冷卻風(fēng)機(jī)，3個(gè)整流柜內(nèi)部聯(lián)通，在3號(hào)整流柜上方有一公共排氣口。勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，冷空氣經(jīng)濾網(wǎng)從整流柜底部進(jìn)入，對(duì)可控硅進(jìn)行冷卻，熱空氣從3號(hào)整流柜上部排至柜外。為了減小風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪音，在其內(nèi)部裝設(shè)了噪聲吸收裝置。風(fēng)機(jī)運(yùn)行遵循輪番啟動(dòng)原則，自動(dòng)切換，互為備用，在確保備用風(fēng)機(jī)具備正常運(yùn)行功能的同時(shí)，也使兩臺(tái)風(fēng)機(jī)具有相同的磨損度。

1.4 黑啟動(dòng)裝置

勵(lì)磁系統(tǒng)配置有發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)功能箱，由閉鎖二極管、限流電阻和起勵(lì)接觸器及其控制回路組成，起勵(lì)電源取自直流220V母線。當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，起勵(lì)接觸器合上，接入直流電源,使發(fā)電機(jī)的端電壓升高，當(dāng)機(jī)組電壓達(dá)到5%額定機(jī)端電壓時(shí)，可控硅整流橋啟動(dòng)整流，使機(jī)組的勵(lì)磁電流逐步升高，在直流母線上的勵(lì)磁電流超過20%空載勵(lì)磁電流時(shí)，起勵(lì)接觸器跳開。此后，機(jī)端電壓將隨勵(lì)磁電流增加而增加。

1.5 過電壓保護(hù)及滅磁裝置

勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)設(shè)有1個(gè)直流過電壓保護(hù)裝置，該裝置是由兩個(gè)反向平行的可控硅及觸發(fā)可控硅（BOD）和滅磁電阻（非線性電阻、線性電阻）組成。可控硅由觸發(fā)模塊控制，當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓超過觸發(fā)模塊的動(dòng)作閥值時(shí)，相應(yīng)的可控硅導(dǎo)通，接入滅磁電阻，將能量消耗在滅磁電阻上，起到保護(hù)的作用。

在兩個(gè)反向平行的可控硅兩端并聯(lián)一個(gè)機(jī)械跨接器，停機(jī)滅磁時(shí)，磁場(chǎng)電流通過可控硅整流橋逆變，將轉(zhuǎn)子所儲(chǔ)能量返回系統(tǒng)，隨之機(jī)械跨接器合上，接入滅磁電阻，消耗殘余能量，在機(jī)械跨接器合上后0.1s磁場(chǎng)開關(guān)FCB在無負(fù)荷狀態(tài)下斷開，充分延長(zhǎng)了磁場(chǎng)開關(guān)FCB的使用壽命。機(jī)械跨接器滿足下列條件之一即分閘：在合上后延時(shí)30s或磁場(chǎng)開關(guān)FCB合閘之前。

2 國(guó)產(chǎn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的應(yīng)用

2.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式

響水澗電站的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用帶集成順控器的NES5100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，為雙通道數(shù)字調(diào)節(jié)器，兩個(gè)通道彼此獨(dú)立，一主一備，兩個(gè)通道的配置和功能完全一樣。運(yùn)行通道故障時(shí)首先切至備用通道，若此時(shí)故障仍存在，再切至備用通道的電流閉環(huán)調(diào)節(jié)模式（無擾動(dòng)自動(dòng)切換）。

每個(gè)通道均設(shè)有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)方式和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)方式。勵(lì)磁電流閉環(huán)調(diào)節(jié)方式是常規(guī)勵(lì)磁控制方式，主要在SFC啟動(dòng)、背靠背拖動(dòng)、電氣制動(dòng)、黑啟動(dòng)、調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)電壓測(cè)量故障（PT斷線）或做試驗(yàn)時(shí)使用，以勵(lì)磁電流作為調(diào)節(jié)變量，維持發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流與電流參考值一致。勵(lì)磁電流參考值由增磁命令（遠(yuǎn)方或就地）或減磁命令（遠(yuǎn)方或就地）進(jìn)行增加或減小，而勵(lì)磁電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)方式在大于90%額定轉(zhuǎn)速的運(yùn)行工況下使用。電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)模式和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)模式的切換操作，可通過工控機(jī)“模式切換”功能界面進(jìn)行切換。

調(diào)節(jié)器裝置電源分兩路引入：一路來自勵(lì)磁交流母線，經(jīng)整流后供給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器；另一路取自電站220V直流系統(tǒng)，作為后備電源。

2.2 調(diào)節(jié)器正常運(yùn)行狀態(tài)指示

1）脈沖電源板上24VP電源指示燈亮。

2）系統(tǒng)電源板上5V1、12VP、12VN、5V2、24V1、24V0電源指示燈亮。

3）CPU板“EX03”上“自動(dòng)”、“主（從）套”、“運(yùn)行”、“TXDL”燈亮，第二排4個(gè)黃燈閃爍，第三排2個(gè)黃燈閃爍，其它指示燈滅。正常運(yùn)行時(shí)4個(gè)撥碼開關(guān)均在下方位置。

4）模擬板“EX04”指示燈亮。蓋板內(nèi)5個(gè)電位器分別對(duì)應(yīng)PT2電壓UF2、發(fā)電機(jī)q軸電勢(shì)Eq、A相轉(zhuǎn)子電流Ila、B相轉(zhuǎn)子電流Ilb、C相轉(zhuǎn)子電流Ilc。正常運(yùn)行時(shí)撥碼開關(guān)在下方位置。

5）同步板“EX05”、“Y/Y2”指示燈亮。

表2 與國(guó)外勵(lì)磁調(diào)節(jié)器功能的綜合比較

6）開關(guān)量板1、開關(guān)量板2無異常指示。

7）脈沖放大板“EX08”上“投入”指示燈亮。正常運(yùn)行時(shí)，撥碼開關(guān)在上方位置。

8）液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示機(jī)組的機(jī)端電壓、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁狀態(tài)、控制方式、有功功率、無功功率、頻率等。

2.3 與國(guó)外勵(lì)磁調(diào)節(jié)器功能的綜合比較

通過與國(guó)外勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的綜合比較，可以看出自身的優(yōu)勢(shì)和存在的問題。響水澗電站勵(lì)磁調(diào)節(jié)器與國(guó)外勵(lì)磁調(diào)節(jié)器比較情況見表2。

3 國(guó)產(chǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)存在的問題及對(duì)策分析

從2011年9月響水澗電站1號(hào)機(jī)整組啟動(dòng)調(diào)試開始，該勵(lì)磁系統(tǒng)在機(jī)組調(diào)試及運(yùn)行過程中，各元器件運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生因設(shè)備原因引起的故障或事故，保證了電站及電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。但在使用過程中，控制回路及保護(hù)功能方面尚存在有待改進(jìn)之處。

3.1 勵(lì)磁變低壓開關(guān)合分過于頻繁

3.1.1 問題分析

機(jī)組開機(jī)，轉(zhuǎn)速達(dá)到95%Ne時(shí)，勵(lì)磁變低壓開關(guān)ECB第一次合閘，勵(lì)磁裝置啟動(dòng)工作，機(jī)端建壓至額定后并網(wǎng)，機(jī)組停機(jī)，在機(jī)組開關(guān)GCB分閘后，ECB第一次分閘；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至50%Ne時(shí)，ECB第二次合閘，勵(lì)磁裝置工作電制動(dòng)投入；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降至5%Ne，機(jī)械制動(dòng)投入，電制動(dòng)退出，ECB第二次分閘，見圖2。在一個(gè)開停機(jī)過程中，勵(lì)磁變低壓開關(guān)將會(huì)分別完成合分閘動(dòng)作2次。

響水澗電站1號(hào)機(jī)現(xiàn)在每天的負(fù)荷計(jì)劃是1發(fā)1抽，勵(lì)磁變低壓開關(guān)每天要合分4次；在電網(wǎng)負(fù)荷緊張的時(shí)候，抽水蓄能機(jī)組為了滿足電網(wǎng)調(diào)峰填谷的要求，需要完成2發(fā)2抽計(jì)劃，勵(lì)磁變低壓開關(guān)在一天之內(nèi)要合分8次，頻繁的動(dòng)作將會(huì)影響開關(guān)本體的使用壽命。

3.1.2 對(duì)策分析

響水澗電站的勵(lì)磁系統(tǒng)采用三相全控整流橋?qū)⒔涣麟娫崔D(zhuǎn)換為直流電源，當(dāng)需要滅磁的時(shí)候，全控橋的控制角后退至最小逆變角，全控橋從“整流”狀態(tài)過渡到“逆變”狀態(tài)，在逆變狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組中儲(chǔ)存的能量逐漸被反送回交流電源側(cè)。由于勵(lì)磁繞組是無源的，隨著儲(chǔ)藏能量的衰減和逆變電流的減小，逆變過程將隨之結(jié)束。磁場(chǎng)開關(guān)FCB在逆變結(jié)束后自動(dòng)斷開，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組與交流進(jìn)線電源的可靠隔離。

基于上述對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)目前運(yùn)行情況的分析，對(duì)控制回路進(jìn)行改造是解決該問題最快捷有效的方式。改造的基本思路是：在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制回路中，取消正常停機(jī)時(shí)勵(lì)磁變低壓開關(guān)的合分控制邏輯，只在保護(hù)動(dòng)作或勵(lì)磁裝置出現(xiàn)逆變故障時(shí)，才斷開勵(lì)磁變低壓開關(guān)。

圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)停機(jī)動(dòng)作流程圖

經(jīng)過這樣改造，在正常開停機(jī)過程中，勵(lì)磁變低壓開關(guān)ECB不動(dòng)作，只合分磁場(chǎng)開關(guān)FCB，從而極大地減少勵(lì)磁變低壓開關(guān)的合分次數(shù)，延長(zhǎng)開關(guān)的使用壽命。

3.2 勵(lì)磁變保護(hù)設(shè)置不當(dāng)

3.2.1 問題分析

勵(lì)磁變壓器設(shè)置了門控跳閘邏輯，即勵(lì)磁變帶電且柜門打開時(shí)出口跳相鄰開關(guān)的保護(hù)。該保護(hù)功能主要靠檢測(cè)主變低壓側(cè)PT及勵(lì)磁變柜門位置反饋來實(shí)現(xiàn)。

圖3 主變高壓側(cè)示意圖

響水澗電站為發(fā)電機(jī)-主變壓器單元接線形式。主變低壓側(cè)在發(fā)電機(jī)出口處設(shè)15.75kV開關(guān)，見圖1；主變高壓側(cè)沒有設(shè)置開關(guān)，見圖3。

當(dāng)主變低壓側(cè)PT帶電時(shí)，若檢測(cè)到勵(lì)磁變柜門位置反饋在“開”位置，則立即出口跳相鄰開關(guān)。對(duì)可能發(fā)生的最嚴(yán)重情況進(jìn)行假定分析，假定此時(shí)1、2號(hào)機(jī)均帶額定負(fù)荷并網(wǎng)運(yùn)行，響繁線5051開關(guān)及500kV分段開關(guān)在合環(huán)運(yùn)行。1號(hào)機(jī)勵(lì)磁變柜門位置反饋發(fā)出“開”信號(hào)（實(shí)際柜門在關(guān)閉狀態(tài)），導(dǎo)致該保護(hù)動(dòng)作，出現(xiàn)的后果是：

1）跳1號(hào)機(jī)開關(guān)GCB1，1號(hào)機(jī)甩額定負(fù)荷；

2）跳2號(hào)機(jī)開關(guān)GCB2，2號(hào)機(jī)甩額定負(fù)荷；

3）跳500kV分段開關(guān)5012開關(guān)；

4）跳響繁線5051開關(guān)；

5）由1號(hào)主變供電的10k V廠用電Ⅰ段將被迫倒換至10kV廠用電Ⅱ（或Ⅲ）段供電。

由此可見，該保護(hù)誤動(dòng)作將會(huì)給電站及電網(wǎng)帶來極大的沖擊，影響電站及電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際運(yùn)行中，導(dǎo)致柜門位置反饋接點(diǎn)誤動(dòng)的因素很多，除了柜門位置反饋裝置本身可能發(fā)生故障以外，發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)也有可能該導(dǎo)致位置反饋誤動(dòng)作。

3.2.2 對(duì)策分析

門控跳閘邏輯一般在進(jìn)口勵(lì)磁設(shè)備中配備，并不符合國(guó)內(nèi)電廠運(yùn)行維護(hù)的習(xí)慣和作業(yè)操作，易誤動(dòng)作。設(shè)置該保護(hù)的主要目的，是為了防止在帶電情況下，人員誤開勵(lì)磁變柜門導(dǎo)致觸電事故?？蓪?duì)該保護(hù)進(jìn)行下列改造：

1）對(duì)勵(lì)磁變柜門加裝五防閉鎖裝置，通過五防裝置的閉鎖實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)功能；

2）取消該保護(hù)的跳閘功能，改為發(fā)報(bào)警信號(hào)。在保護(hù)誤動(dòng)作時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)報(bào)警信號(hào)，不跳閘，提醒運(yùn)行維護(hù)人員進(jìn)行檢查。

經(jīng)過這樣改造，除了能有效防止人員誤開勵(lì)磁變柜門之外，還能極大地減小保護(hù)誤動(dòng)作對(duì)電站及電網(wǎng)帶來沖擊的可能性。

4 結(jié)論

作為首套在大型抽水蓄能機(jī)組上應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)，在響水澗電站1號(hào)機(jī)調(diào)試及運(yùn)行過程中，該勵(lì)磁系統(tǒng)滿足機(jī)組發(fā)電和水泵方向（包括水泵啟動(dòng)、水泵停機(jī)、SFC啟動(dòng)、背靠背拖動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等）各種工況的需要，運(yùn)行情況穩(wěn)定。通過對(duì)該勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)、完善，將能使之更好地適用于抽水蓄能機(jī)組。

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