無刷勵(lì)磁系統(tǒng)改造的方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王海軍，霍乾濤，史玉華

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061）

1 概述

勵(lì)磁系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)重要輔機(jī)之一，是建立并維持機(jī)組機(jī)端電壓穩(wěn)定的核心控制系統(tǒng)，是保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要要素，也是公認(rèn)的提高電網(wǎng)輸送能力最經(jīng)濟(jì)、最優(yōu)先采用的手段之一。

由于受到電力電子技術(shù)發(fā)展水平和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電刷絕緣水平的限制，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)形式多樣?，F(xiàn)階段我國(guó)國(guó)內(nèi)采用的勵(lì)磁系統(tǒng)有自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁、直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁、交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁、無刷勵(lì)磁機(jī)及自并勵(lì)勵(lì)磁機(jī)等勵(lì)磁形式。由于自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)無旋轉(zhuǎn)部件故也稱為靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，且其系統(tǒng)響應(yīng)快，后期運(yùn)行和維護(hù)成本較低，因此為當(dāng)前新建大型機(jī)組電廠所采用的主流勵(lì)磁系統(tǒng)形式。

2 問題的提出

某330MW 電廠建造于80年代，在初期進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，電廠部分發(fā)電機(jī)機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)采用無刷勵(lì)磁形式并一直在沿用，但由于機(jī)組大軸較長(zhǎng)，使得機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)穩(wěn)定性能問題，同時(shí)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)整流器維護(hù)檢測(cè)復(fù)雜，給機(jī)組的正常運(yùn)行帶來諸多問題，這在很大程度上影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)由于機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備老化、功能不完善，需要進(jìn)行勵(lì)磁系統(tǒng)升級(jí)，滿足機(jī)組穩(wěn)定要求，同時(shí)達(dá)到電力系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備的更型。

3 改造方案分析及對(duì)比

為了解決上述問題，需要對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)或勵(lì)磁方式進(jìn)行改造，以提高勵(lì)磁系統(tǒng)的性能和機(jī)組穩(wěn)定要求。為此根據(jù)機(jī)組現(xiàn)有勵(lì)磁方式進(jìn)行改造方案的分析及評(píng)價(jià)。

方案1，保持現(xiàn)有的無刷勵(lì)磁方式。由于機(jī)組運(yùn)行過程中，機(jī)組檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)穩(wěn)定問題，因此其需要對(duì)大軸進(jìn)行返廠維修或重新生產(chǎn)，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有勵(lì)磁系統(tǒng)升級(jí)。該方案保留原勵(lì)磁方式，符合電廠運(yùn)行人員的習(xí)慣，但不能解決大軸長(zhǎng)而引起的其他問題，同時(shí)由于旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)的存在，其響應(yīng)較慢，達(dá)不到快速勵(lì)磁的目的，影響系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)能力，而且旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁的后期維護(hù)量大，費(fèi)用也高。

方案2，將勵(lì)磁系統(tǒng)改造為靜止自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。自并勵(lì)主要由勵(lì)磁變壓器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁整流裝置、滅磁及過電壓保護(hù)裝置等組成。其特點(diǎn)為：①可改善軸系穩(wěn)定性，由于取消了旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部件，使得發(fā)電機(jī)大軸縮短，降低了原動(dòng)機(jī)動(dòng)平衡和發(fā)電機(jī)的軸系振蕩問題；②能提高電力系統(tǒng)運(yùn)行水平，由于勵(lì)磁系統(tǒng)響應(yīng)速度快，再加入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）后，可大大提高電力系統(tǒng)運(yùn)行水平；③后期維護(hù)工作量小。

綜合考慮發(fā)電機(jī)大軸生產(chǎn)周期及系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題后，最終選取方案2 對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

4 裝置及關(guān)鍵器件的選型

4.1 裝置選型依據(jù)

裝置的選擇需要按照現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，我國(guó)大型火力發(fā)電機(jī)組靜止自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：《GB／T7409.3－2007 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 大中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求》（以下簡(jiǎn)稱GB／T7409.3）、《DL／T843－2010大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》（以下簡(jiǎn)稱DL／T843）、《DLT 294.1－2011 發(fā)電機(jī)滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置技術(shù)條件 第1 部分：磁場(chǎng)斷路器》（以下簡(jiǎn)稱DL／T－294.1）及《DLT 294.2－2011 發(fā)電機(jī)滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置技術(shù)條件 第2 部分：非線性電阻》（以下簡(jiǎn)稱DL／T－294.2）等。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，勵(lì)磁系統(tǒng)各部件的設(shè)計(jì)及選型如下。

4.2 勵(lì)磁變壓器設(shè)計(jì)

勵(lì)磁變壓器是交流勵(lì)磁電源的提供裝置，其主要電氣參數(shù)為二次電壓和額定容量，由于二次電壓影響系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)、系統(tǒng)其他關(guān)鍵器件的參數(shù)，因此二次電壓的合理選取非常重要。根據(jù)DL／T843 要求，“自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓倍數(shù)在發(fā)電機(jī)額定電壓時(shí)不低于2.25 倍”，且“勵(lì)磁系統(tǒng)允許頂值電流時(shí)間不低于10s”，因此勵(lì)磁變二次電壓為：

式中：αmin為勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)晶閘管觸發(fā)角，一般選取10 度；Ufn為發(fā)電機(jī)在額定工況下的勵(lì)磁電壓。

根據(jù)DL／T843 的要求，勵(lì)磁系統(tǒng)在保證當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流、電壓為其額定負(fù)載下勵(lì)磁電流、電壓的1.1 倍時(shí)，能長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，即：

再考慮電路壓降損耗和發(fā)電機(jī)滑環(huán)損失，最終選取勵(lì)磁變壓器容量為5300kVA，二次電壓為890V。

4.3 勵(lì)磁整流柜

根據(jù)DL／T843 的要求：“功率整流裝置的一個(gè)橋（或者一個(gè)支路）退出運(yùn)行時(shí)應(yīng)能滿足輸出頂值電流和1.1 倍發(fā)電機(jī)額定磁場(chǎng)電流連續(xù)運(yùn)行要求，并要求在發(fā)電機(jī)機(jī)端短路時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)過電流不損壞功率整流裝置?！庇捎趶?qiáng)勵(lì)只考慮10s，因此勵(lì)磁系統(tǒng)主要考慮1.1 倍額定工況運(yùn)行。

由于發(fā)電機(jī)機(jī)組額定磁場(chǎng)電流為3460A，再考慮到裝置的裕量及均流系數(shù)，最終選取單柜額定出力為3000A 的4 柜并聯(lián)運(yùn)行模式。滿足DL／T843的要求，同時(shí)可以滿足發(fā)電機(jī)組在任何工況下的運(yùn)行需求。

4.4 滅磁裝置的選擇

滅磁裝置的設(shè)計(jì)主要為滅磁方式及其關(guān)鍵器件。關(guān)鍵器件為磁場(chǎng)斷路器、滅磁電阻，而為了滿足現(xiàn)場(chǎng)滅磁的速度，采用非線性滅磁方式。

磁場(chǎng)斷路器選擇主要考慮額定電流、額定電壓、滅磁弧壓、分?jǐn)嗄芰Φ?，這些參數(shù)需要滿足DL／T843 和DL／T－294.1 標(biāo)準(zhǔn)要求。考慮發(fā)電機(jī)機(jī)組額定勵(lì)磁電壓為494.8V、額定勵(lì)磁電流為3460A，依據(jù)上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)初步選定磁場(chǎng)斷路器為HPB45M－82S。

根據(jù)DL／T－294.1 可知需要的磁場(chǎng)斷路器弧壓為：

其中：Ukmax為磁場(chǎng)斷路器弧壓；Ummax為滅磁電阻控制電壓；Uzmax為整流器輸出的最大電壓。

由于勵(lì)磁電壓為494.8V，考慮到器件的安全性能，設(shè)計(jì)的滅磁系統(tǒng)控制電壓為1800V，而整流器輸出的最大電壓為發(fā)生空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)的工況，即發(fā)電機(jī)機(jī)端達(dá)到1.3 倍延時(shí)0.5s 跳滅磁開關(guān)時(shí)的電壓，此時(shí)勵(lì)磁變副邊電壓約為1.4 倍額定，因此整流器輸出的最高電壓為1761.8V，磁場(chǎng)斷路器的弧壓需要大于3561V，而HPB45M－82S 的弧壓為3800V，滿足滅磁的需求。

非線性滅磁電阻的主要參數(shù)為滅磁控制電壓和滅磁容量。滅磁容量與發(fā)電機(jī)工況有關(guān)，為了使設(shè)計(jì)的滅磁電阻能夠滿足各種工況的滅磁需求，利用計(jì)算機(jī)求解同步發(fā)電機(jī)PARK 方程的方式來求解滅磁容量，仿真工況為空載誤強(qiáng)勵(lì)和發(fā)電機(jī)機(jī)端短路，如圖1所示。

圖1 空載誤強(qiáng)勵(lì)工況

由以上仿真可知，需要的最大滅磁容量為3.1734MJ，根據(jù)DL／T843 的要求，考慮到20%退出仍滿足滅磁的需要，最終選取發(fā)電機(jī)滅磁容量為4MJ。如圖2所示為負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路跳滅磁開關(guān)工況。

圖2 負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路跳滅磁開關(guān)工況

4.5 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓大小與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流或勵(lì)磁電壓有一定的關(guān)系，因此通過控制勵(lì)磁電流或勵(lì)磁電壓就可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的調(diào)整。由于現(xiàn)代化勵(lì)磁設(shè)備的勵(lì)磁整流裝置一般由可控硅三相全控整流橋來承擔(dān)，因此只要控制可控硅的觸發(fā)角，就可以控制勵(lì)磁電流或勵(lì)磁電壓的大小。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器就是通過檢測(cè)來自機(jī)端電壓互感器（PT）的電壓信號(hào)與目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)反饋控制原理計(jì)算出可控硅的觸發(fā)角來實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電壓的控制，從而控制發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓。

正是由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的重要性，作為發(fā)電機(jī)控制核心之一的勵(lì)磁系統(tǒng)其模型必須滿足GB／T7409.3和DL／T843 的要求。因此調(diào)節(jié)器應(yīng)具有強(qiáng)勵(lì)限制、過勵(lì)限制、欠勵(lì)限制、轉(zhuǎn)子過電流限制、PT 斷線檢測(cè)等功能。同時(shí)為了更好地支持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器需要具備PSS 功能以提高電力穩(wěn)定和電力輸送能力，為了限制“反調(diào)”，PSS 的模型一般選用PSS2B 模型。

根據(jù)《Q／GDW 142－2006 國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)建模導(dǎo)則》，PSS2B 模型如圖3所示。

為了試驗(yàn)方便，調(diào)節(jié)器應(yīng)滿足人機(jī)接口界面友好，方便數(shù)據(jù)信息查看等功能?？紤]到調(diào)節(jié)器所處環(huán)境勵(lì)磁電流很大，其形成的電磁環(huán)境容易干擾附近電子器件的工作，因此所選勵(lì)磁調(diào)節(jié)器必須需具備屏蔽和抗干擾功能。

圖3 PSS2B 加速型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型圖

圖4 勵(lì)磁系統(tǒng)布置圖

5 裝置的布置設(shè)計(jì)

采用無刷勵(lì)磁系統(tǒng)方式時(shí)，除了與發(fā)電機(jī)同軸的旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)外，還有勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，由于勵(lì)磁機(jī)容量較小，因此勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)裝置空間也較小。當(dāng)發(fā)電機(jī)采用靜止自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)，由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁容量增大，使得勵(lì)磁系統(tǒng)的布置所需要的空間也增大，因此勵(lì)磁系統(tǒng)空間布置很重要，能否合理布置關(guān)系到改造是否可行。

通過對(duì)發(fā)電機(jī)廠房的調(diào)查和測(cè)繪，在發(fā)電機(jī)機(jī)組下部整理出一空間，布置了所設(shè)計(jì)勵(lì)磁系統(tǒng)裝置及勵(lì)磁變壓器，布置圖如圖4所示。

6 結(jié)論

本次改造取消了旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁部件，截短了發(fā)電機(jī)大軸，改善了軸系，解決了之前存在的穩(wěn)定問題，同時(shí)系統(tǒng)采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，配合先進(jìn)的控制算法和控制策略，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)水平。

該電廠勵(lì)磁系統(tǒng)改造后工業(yè)性運(yùn)行時(shí)間已達(dá)1年，系統(tǒng)各部件穩(wěn)定可靠，表明改造方案非常成功，可推廣應(yīng)用，為其他電廠旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)的改造提供了參考。

［1］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2002.

［2］GB／T7409.3－2007.同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 大中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求［S］.

［3］DL／T843－2010.大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.

［4］DLT 294.1－2011.發(fā)電機(jī)滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置技術(shù)條件 第1 部分：磁場(chǎng)斷路器［S］.

［5］DLT 294.2－2011.發(fā)電機(jī)滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置技術(shù)條件 第2 部分：非線性電阻［S］.

［6］王海軍，陳小明.大型水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)關(guān)鍵器件和起勵(lì)方式選擇的研究［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2012，（3）：56－58.

［7］王海軍，霍乾濤，何 靖，邱 莉.直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.電工技術(shù)，2013，（3）：4－5.

［8］孫春光.自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)與它勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的比較［J］.經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2011，（27）：137－138.

［9］Q／GDW 142－2006.國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)建模導(dǎo)則［S］.