發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器的動態(tài)試驗研究

張 珺

(華南理工大學 環(huán)境與能源學院，廣東 廣州 510006)

目前，發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)是電力系統(tǒng)最經(jīng)濟、有效的控制方式之一，是一個非?；钴S的研究領(lǐng)域，且勵磁電機結(jié)構(gòu)簡單，其功能涵蓋了勵磁系統(tǒng)所具有的測量、控制、限制、調(diào)節(jié)、保護等，大大簡化了硬件電路，調(diào)試工作量也大為減少。其制造成本較低、便于維護，在國內(nèi)外均已有較為成熟的發(fā)展，廣泛用于系統(tǒng)供電[1，2]。同時，調(diào)節(jié)器的控制及設計技術(shù)成熟，理論先進，現(xiàn)場運行維護方便，并且內(nèi)部結(jié)合了傅氏計算方法，具有良好的工業(yè)現(xiàn)場抗干擾能力[3]，但在實踐運行中發(fā)現(xiàn)其在二次控制回路銜接上具有較多問題。

為促進勵磁調(diào)節(jié)與控制工程實踐應用的進一步開展，并最終提高現(xiàn)代大型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和運行質(zhì)量，本文將結(jié)合設備在陜西省寶雞第二發(fā)電有限公司的具體運用實例說明這一研究領(lǐng)域的核心問題所在，試圖在試驗參數(shù)的選取、回路設計、試驗方案等方面問題上作以說明，以更好的解決勵磁機在實際電廠的應用。

1 發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器動態(tài)試驗條件

1.1 WKKL-2000微機勵磁調(diào)節(jié)器運行參數(shù)及主要保護功能

WKKL-2000微機勵磁調(diào)節(jié)器為中國電力科學研究院并生產(chǎn)的第二代微機勵磁調(diào)節(jié)器。它繼承了第一代WKKL系列微機勵磁調(diào)節(jié)器的全部調(diào)節(jié)、控制及限制保護功能，并結(jié)合了WKKL系列微機勵磁調(diào)節(jié)器300余臺套的現(xiàn)場運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上開發(fā)研制的升級換代產(chǎn)品。WKKL-2000微機勵磁調(diào)節(jié)器在計算速度、抗電磁干擾，可靠性以及使用的方便性上都有了很大的提高。WKKL-2000適用于從三機勵磁到自并勵等各種方式的可控硅勵磁，是現(xiàn)代大、中型同步發(fā)電機理想的勵磁調(diào)節(jié)裝置。

WKKL-2000發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器的基本任務是維持發(fā)電機的機端電壓恒定，通過合理的調(diào)差設置保證并列運行的機組間無功功率的合理分配，通過快速的勵磁響應提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定。除了以上基本的控制調(diào)節(jié)功能外，WKKL-2000還具有故障錄波、事件記錄、系統(tǒng)自檢、智能調(diào)試等輔助功能。本文發(fā)電機WKKL-2000勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)如下:

表1 發(fā)電機WKKL-2000勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)表

注:A、B柜參數(shù)相同

低勵限制和保護(進相運行試驗):勵磁調(diào)節(jié)A柜B柜低勵限制和保護正確，40MW發(fā)信號50MW(1.25倍)切手動，延時2秒跳至Q4，Q5開關(guān)。#3發(fā)電機有功功率在200Mw左右，#3發(fā)電機允許進相吸收電網(wǎng)無功65Mw;#3發(fā)電機有功功率在300Mw左右，#3發(fā)電機允許進相吸收電網(wǎng)無功50M。

V/Hz限制:將參數(shù)設定的V/Hz限制定值設為1.15倍。將發(fā)電機電壓加到大于1.15倍小于1.2倍，V/Hz限制動作，加到大于1.2倍切手動，1.5秒后退出。

過勵限制:發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流大小與兩柜退出運行關(guān)系如下:

表2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流大小與兩柜退出運行關(guān)系表

1.2 RCS-9400發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器運行參數(shù)

發(fā)電機RCS-9400勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)

表3 發(fā)電機RCS-9400勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)表[進相運行定值]

A柜 B柜無功欠勵限制2點Q:200.0MW 200.0MW無功欠勵限制3點Q:-59.9MVar -59.9MVar無功欠勵限制3點P:300.1MW 300.1MW無功欠勵限制4點Q:-59.9MVar -59.9MVar無功欠勵限制4點P:-49.9MVar -49.9MVar QUEL調(diào)節(jié)增益系數(shù):0.125 0.125 QUEL動作延時時間:0.06S 0.06S低勵限制返回時間:1.00S 1.00S伏赫茲電壓整定值:20.997kV 20.997kV伏赫茲頻率整定值:95.00% 95.00%伏赫茲逆變頻率值:90.00% 90.00%HXL動作延時時間:1.00S 1.00S HXL返回延時時間:1.00S 1.00S

表4 發(fā)電機RCS-9400勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)表[勵磁調(diào)節(jié)模型定值]

2 發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器動態(tài)試驗試驗項目

2.1 階躍響應試驗

維持發(fā)電機機端電壓在16kV左右，分別做5%、10%、20%階躍響應試驗，觀察發(fā)電機機端電壓在階躍過程中調(diào)節(jié)器的動態(tài)性能，記錄試驗波形。

表5 試驗記錄表

2.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)試驗

勵磁系統(tǒng)滯后特性測量:PSS退出運行，80%Pn，無功盡可能少帶，在PSS輸出信號迭加點輸入白噪聲信號，用動態(tài)信號分析儀測量發(fā)電機電壓對于PSS輸出信號迭加點的相頻特性即勵磁系統(tǒng)滯后特性。

PSS超前滯后參數(shù)整定:根據(jù)勵磁系統(tǒng)滯后特性和PSS的傳遞函數(shù)計算滿足PSS相位補償特性要求的PSS相位補償參數(shù)。

PSS臨界增益測量:從Kpss=0.8，開始逐步增加PSS的增益，觀察發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓和無功功率的波動情況，確定PSS的臨界增益。

PSS增益整定PSS的實際增益取臨界增益的20%～30%。

發(fā)電機電壓給定階躍試驗:80%Pn，無功盡可能少帶，在PSS投入和退出兩種情況下進行發(fā)電機電壓2%階躍試驗并錄波，比較PSS投入和退出兩種情況下有功功率的波動情況。

表6 階躍試驗記錄表

反調(diào)試驗:機組帶60%Pn，少量無功，在PSS投入的情況下，電廠正常運行情況下最快速度的增加有功功率，同時，錄取發(fā)電機有功無功波形，觀察發(fā)電機無功功率無明顯功振蕩現(xiàn)象。

2.3 勵磁調(diào)節(jié)器進相運行及低勵限制功能試驗

整定調(diào)節(jié)器無功低勵定值為-10MVar，減發(fā)電機無功至限制區(qū)域，調(diào)節(jié)器無功低勵限制正確動作。

2.4 滅磁試驗及通道切換試驗

A/B通道切換試驗:檢查自動柜控制方式在電壓方式，A套為主通道運行，操作增減磁把手，使發(fā)電機機端電壓升至18kV，切調(diào)節(jié)器通道選擇把手至B主，檢查調(diào)節(jié)器運行穩(wěn)定，再切調(diào)節(jié)器通道選擇開關(guān)至A主。

電壓環(huán)/電流環(huán)切換試驗:勵磁調(diào)節(jié)裝置運行正常，置調(diào)節(jié)器控制方式開關(guān)于恒電壓閉環(huán)運行。切調(diào)節(jié)器控制方式開關(guān)至If投入。檢查調(diào)節(jié)器運行穩(wěn)定，切調(diào)節(jié)器控制方式開關(guān)至恒電壓運行。

電壓環(huán)/恒角度開環(huán)切換試:勵磁調(diào)節(jié)裝置運行正常，置調(diào)節(jié)器控制方式開關(guān)于恒電壓閉環(huán)運行，切調(diào)節(jié)器控制方式開關(guān)至恒角度開環(huán)運行。檢查調(diào)節(jié)器運行穩(wěn)定，切調(diào)節(jié)器控制方式開關(guān)至恒電壓閉環(huán)運行。

3 WKKL-2000、RCS-9400勵磁調(diào)節(jié)器的運行

(1)WKKL-2000、RCS-9400微機勵磁調(diào)節(jié)器均設有A柜和B柜，每柜均有自動運行和手動運行方式可供選擇，發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電時，以雙柜均流運判斷故障方式運行。

(2)調(diào)節(jié)器的正常運行方式是雙柜并列運行方式。A、B柜并列運行的目的不僅是每柜輸出電流減小一半，同時也是兩個調(diào)節(jié)器柜工作處于主輔工作方式，單柜故障退出時不影響發(fā)電機正常運行。

(3)在A、B自動運行的情況下，人為地切除或發(fā)生故障自動切除任一柜都不會引起發(fā)電機無功波動，另一柜自動承擔勵磁電流輸出。

(4)自動柜與手動柜并列運行方式不是好的運行方式，因為手動輸出將影響自動柜的調(diào)節(jié)能力，所以操作時應盡量避免這種方。

(5)微型雙自動勵磁調(diào)節(jié)器的退出:雙柜運行退出一柜檢修:將待退出柜的勵磁切換開關(guān)打至“切除”位置，再根據(jù)需要停用1QS，2QS，及可控硅的輸入和輸出開關(guān)將調(diào)節(jié)器退出。正常停機時，將勵磁切換開關(guān)切至“切除”位置即可。

(6)WKKL-2000手動、自動切換試驗:調(diào)節(jié)器在手動輸出電流下穩(wěn)定30秒以上進行手動、自動切換，否則容易發(fā)生較大的輸出波動。

(7)微型勵磁調(diào)節(jié)器一般故障處理。故障后裝置一般會切至手動位運行，切手動后，及時將控制柜上的切至自動動位，以保持與裝置運行狀態(tài)同步。根據(jù)故障信號指示，查看裝置液晶屏上所顯示的故障，排除故障，復歸故障信號，把方式控制開關(guān)切至自動位運行。功率單元故障時，相應的功率單元面板上的指示燈點亮，A、B柜任一柜裝置自檢故障時退出該調(diào)節(jié)柜運行。信號復歸，使用面板上的復歸按鈕，該按鈕只復歸信號，不復歸程序。RCS-9400上位機故障時，不影響#4發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)功能，上位機功能為監(jiān)控和故障分析。

4 動態(tài)試驗結(jié)果分析

WKKL-2000發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器進相運行試驗的參數(shù)設定既滿足發(fā)電機運行工況技術(shù)要求，又維持了電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

反調(diào)試驗波形如圖1、2所示，說明PSS環(huán)節(jié)中抗“反調(diào)”功能正常。

進相運行及低勵限制功能試驗波形如圖3所示，限制動作后發(fā)電機運行穩(wěn)定。

圖3 無功低勵限制波形

RCS-9400發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器階躍響應試驗波形圖如圖4、5、6、7 所示，5%、10%、15%階躍實驗的調(diào)節(jié)時間依次增大，發(fā)電機并網(wǎng)信號由發(fā)電機出口開關(guān)輔助接點狀態(tài)來判斷，接點狀態(tài)長距離電纜傳輸使時間延滯。

圖4 5%階躍試驗波形

發(fā)電機電壓給定階躍試驗波形圖如圖8、9所示，有PSS情況下振動次數(shù)有減少，峰值與谷值差值略有減小。

電壓環(huán)/電流環(huán)切換試驗波形如圖8所示，切換過程發(fā)電機電壓平穩(wěn)，無波動。

電壓環(huán)/恒角度開環(huán)切換試波形如圖9所示，切換過程發(fā)電機電壓平穩(wěn)，無波動。

光電隔離較弱，接口線路勵磁調(diào)節(jié)過負荷，影響到發(fā)電機的抗干擾性與穩(wěn)定性。

三相短路滅磁時間測定曲線圖如圖10所示。

圖10 發(fā)電機短路滅磁曲線

A/B通道切換試驗波形如圖11所示，切換過程發(fā)電機電壓平穩(wěn)，無波動。

圖11 A/B通道切換試驗波形

5 發(fā)電機機組改進方案

通過以上試驗及試驗結(jié)果分析，給出發(fā)電機機組改進方案

(1)半導體可控硅選用300A管子，代替原200A可控硅管子，因為可控硅管子不需要強迫通風冷卻即能滿足發(fā)電機額定運行工況，減少可控硅故障率以及和冷卻風機引起的一次、二次設備積灰引起的設備損壞幾率。

(2)勵磁調(diào)節(jié)裝置工作電源采用永磁機機端電壓和Dc220V雙電源供電，Q4、Q5、開關(guān)及相關(guān)開入量采用DC24V雙電源控制，解決了直流電源消失或直流系統(tǒng)異常對勵磁調(diào)節(jié)器的影響。

(3)主勵轉(zhuǎn)子回路采用了非線性ZnO電阻滅磁技術(shù)，擊逆變滅磁技術(shù)能有效的吸收主勵轉(zhuǎn)子能量防止操作過電壓對主勵轉(zhuǎn)子絕緣的危害。

(4)增加Q4、Q5開關(guān)，KQD1、KQD2開關(guān)聯(lián)跳 Q7開關(guān)回路。取消了原主勵磁機過負荷減勵磁的接線，由勵磁調(diào)節(jié)裝置自動根據(jù)轉(zhuǎn)子電流大小來判斷，以及機端電壓來自動調(diào)節(jié)。

(5)發(fā)電機并網(wǎng)信號原由發(fā)電機出口開關(guān)輔助接點狀態(tài)來判斷，現(xiàn)改為由發(fā)電機定子電流大小來判斷，發(fā)電機并網(wǎng)信號作為輔助判據(jù)，解決了接點狀態(tài)長距離電纜傳輸所帶來的干擾問題，以及并網(wǎng)信號消失導致的機組甩負荷故障發(fā)生。電壓檢測兩柜均采用0.5級的(1YH)儀用PT二次電壓，提高測量電壓的精度解決了PT一、二次回路斷線對調(diào)節(jié)器輸出穩(wěn)定性的影響。

(6)發(fā)電機解裂滅磁原由發(fā)電機出口開關(guān)輔助接點狀態(tài)來判斷，現(xiàn)改為由發(fā)電機Q7開關(guān)輔助接點狀態(tài)及發(fā)電機電流來判斷，并實現(xiàn)了光電隔離，提高了抗干擾能力和運行穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

WkkL-2000、RCS-9400發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器能實現(xiàn)發(fā)電機恒機端電壓和恒轉(zhuǎn)子電流調(diào)節(jié)的兩種調(diào)控方式運行，并能相互跟蹤實現(xiàn)無擾切換。同時，設有欠勵、過勵、V/H限制及保護功能，并滿足發(fā)電機組進相運行的要求，及PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器投入要求。

勵磁系統(tǒng)的應用在供電系統(tǒng)中非常廣泛，尤其對于處于超高壓電網(wǎng)連接樞紐位置，超高壓系統(tǒng)的潛供電流在系統(tǒng)低載的電網(wǎng)，合理應用勵磁控制系統(tǒng)，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定及電壓水平。通過對發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的技術(shù)改造，勵磁調(diào)節(jié)參數(shù)測定，進相運行參數(shù)測定，PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)差測定，電廠系統(tǒng)運營過程中線路故障明顯下降，電網(wǎng)電壓水平趨于合理，使系統(tǒng)得以優(yōu)化和完善，為當?shù)貛砹酥T多經(jīng)濟效益、社會效益和安全效益。

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