大朝山電廠(chǎng)勵(lì)磁系統(tǒng)改造后應(yīng)用

余　浩

（國(guó)投云南大朝山水電有限公司，云南昆明650213）

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大朝山電廠(chǎng)勵(lì)磁系統(tǒng)改造后應(yīng)用

余浩

（國(guó)投云南大朝山水電有限公司，云南昆明650213）

摘要：介紹了大朝山水電站勵(lì)磁系統(tǒng)改造后的概況，對(duì)新勵(lì)磁系統(tǒng)UNITROL 6000的硬件、起勵(lì)邏輯、無(wú)功疊加控制原理進(jìn)行了闡述。介紹勵(lì)磁系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案。

關(guān)鍵詞：勵(lì)磁系統(tǒng)；UNITROL 6000；起勵(lì)；無(wú)功疊加控制；大朝山水電站

1　概述

大朝山水電站共裝設(shè)6臺(tái)立軸水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定功率為225 MW。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)機(jī)由15.75 kV封閉母線(xiàn)經(jīng)過(guò)GCB與主變連接，升壓后接入聯(lián)合單元GIB經(jīng)500 kV干式電纜接至500 kV GIS。5號(hào)，6號(hào)機(jī)由15.75 kV封閉母線(xiàn)經(jīng)主變連接。升壓后經(jīng)220 kV干式電纜連接220 kV GIS。500 kV 為3/2接線(xiàn)方式，有兩回出線(xiàn)接至寶峰變。220 kV為雙母線(xiàn)接線(xiàn)方式，有四回出線(xiàn)。500 kV與220 kV由自耦聯(lián)絡(luò)變壓器聯(lián)絡(luò)。

發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)：發(fā)電機(jī)型號(hào)：SF225-52/12800；額定功率Pn=225 MW；功率因素：cos椎n=0.9；額定機(jī)端電壓：Un=15.75 kV；額定機(jī)端電流：In=9 164 A；額定勵(lì)磁電壓：Ufn=365V；額定勵(lì)磁電流：Ifn=1570 A；額定陽(yáng)極電壓：Uyn=780 V。

2　大朝山電廠(chǎng)勵(lì)磁系統(tǒng)簡(jiǎn)介

大朝山水電站原運(yùn)行的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器為瑞士ABB公司UNITROL 5000型調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁功率柜為廣州電氣科學(xué)研究所FJL-3型功率柜，滅磁及過(guò)電壓保護(hù)裝置為中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所下屬合肥科聚高技術(shù)有限責(zé)任公司產(chǎn)品。

UNITROL 5000型調(diào)節(jié)器為ABB公司早期產(chǎn)品，其控制器與模塊之間廣泛采用扁平電纜，抗干擾能力較差。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器雖然為雙通道配置，但從近年來(lái)的故障分析結(jié)果看，調(diào)節(jié)器雙通道并沒(méi)有做到完全獨(dú)立，任意一通道故障，另一通道完好的情況下，依然可能會(huì)引起機(jī)組事故跳閘。勵(lì)磁系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間已近10年，隨著運(yùn)行年限的增加，裝置元器件老化問(wèn)題日益突出，尤其是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)潛在隱患。為保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，大朝山電廠(chǎng)從2014年開(kāi)始對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，將勵(lì)磁調(diào)節(jié)器更換為ABB公司推出的最新一代產(chǎn)品UNITROL 6000型調(diào)節(jié)器。

圖1　勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖

UNITROL 6000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主要特點(diǎn)是控制器模板之間、通道之間都采用光纖數(shù)據(jù)傳輸，極大的提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。各通道從輸入到輸出均能完全獨(dú)立工作。能夠遠(yuǎn)方和現(xiàn)地給定。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由3個(gè)通道組成，包括兩個(gè)等同的按電壓或無(wú)功閉環(huán)調(diào)節(jié)的自動(dòng)通道（AVR），按勵(lì)磁電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的手動(dòng)通道（FCR），3個(gè)通道具有100%冗余度。

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓Ug、機(jī)端電流Ig、以及重要IO信號(hào)接入雙通道調(diào)節(jié)柜內(nèi)測(cè)量單元板CCM。并采用了AC800PEC高速可編程控制器，AC800PEC是系統(tǒng)的中央處理單元和通訊中心。其CPU采用帶64 位IEEE浮點(diǎn)運(yùn)算單元的全功能400或600 MHz的RISC處理器，光接口路數(shù)多，互通性和模塊化配置方便，適用于各種電力電子控制。勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜內(nèi)還有3塊CIO板，在滅磁開(kāi)關(guān)柜內(nèi)裝設(shè)1塊CIO板，用于為調(diào)節(jié)通道提供模擬和數(shù)字的IO接口。3個(gè)功率柜內(nèi)均裝設(shè)整流橋控制接口板CCI、門(mén)極驅(qū)動(dòng)接口板GDI和整流橋信號(hào)接口板CSI。其中CCI是功率柜控制的核心，主要工作過(guò)程為接受調(diào)節(jié)柜發(fā)來(lái)的調(diào)節(jié)信號(hào)。結(jié)合CSI采集到功率柜內(nèi)交流側(cè)電壓、電流和直流側(cè)電壓的信號(hào)，輸出脈沖發(fā)給GDI，最后通過(guò)脈沖觸發(fā)控制整流橋的導(dǎo)通。此外CCI板還能實(shí)現(xiàn)3個(gè)功率柜同步檢測(cè)、均流控制、故障監(jiān)控功能。

3　勵(lì)磁系統(tǒng)的起勵(lì)方式

3.1起勵(lì)控制

大朝山電廠(chǎng)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)機(jī)勵(lì)磁變接在GCB主變側(cè)，勵(lì)磁變直接從系統(tǒng)受電。采用他勵(lì)方式建壓，起勵(lì)時(shí)間較短。但用這種接線(xiàn)方式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故發(fā)電機(jī)跳GCB開(kāi)關(guān)后，勵(lì)磁系統(tǒng)不能主動(dòng)恢復(fù)正常；而且在系統(tǒng)電壓很低的時(shí)候，也有可能導(dǎo)致失磁。在他勵(lì)方式下當(dāng)接受到起勵(lì)命令時(shí)，將閉鎖起勵(lì)全導(dǎo)通控制角開(kāi)放命令。由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過(guò)預(yù)設(shè)的軟起勵(lì)程序按可調(diào)整的斜坡函數(shù)逐漸將電壓平滑地上升至額定電壓，以防止起勵(lì)過(guò)程中機(jī)端電壓超調(diào)。達(dá)到額定電壓后起勵(lì)退出，勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)入AVR控制，并投入自動(dòng)跟蹤。

大朝山電廠(chǎng)5號(hào)，6號(hào)機(jī)勵(lì)磁變?cè)诎l(fā)電機(jī)出口，勵(lì)磁變從機(jī)組側(cè)受電，采用自并勵(lì)方式建壓。起勵(lì)過(guò)程對(duì)機(jī)組殘壓有一定的要求。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)達(dá)到95%額定轉(zhuǎn)速，程序判斷進(jìn)入機(jī)組空轉(zhuǎn)態(tài)。勵(lì)磁功率柜內(nèi)陽(yáng)極電壓Uy＜1.5 % Uyn時(shí)，投入殘壓起勵(lì)。連續(xù)觸發(fā)可控硅整流橋，全導(dǎo)通控制角開(kāi)始建壓。當(dāng)陽(yáng)極電壓Uy＞30 % Uyn時(shí)延時(shí)100 ms退出全導(dǎo)通控制角起勵(lì)過(guò)程。進(jìn)入軟起勵(lì)過(guò)程。達(dá)到額定電壓后起勵(lì)退出，勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)入AVR控制。并投入自動(dòng)跟蹤。如果控制角全導(dǎo)通開(kāi)放10 s后Uy＜30 % Uyn，則發(fā)起勵(lì)失敗信號(hào)，退出起勵(lì)過(guò)程，跳開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)FCB。正常情況下大朝山電廠(chǎng)C級(jí)檢修完成后，殘壓為1.4 %的額定機(jī)端電壓220.5 V。經(jīng)過(guò)勵(lì)磁變后陽(yáng)極電壓約為10.92 V。在相位和寬度上均能保證觸發(fā)移相正常，并大于晶閘管正相導(dǎo)通電壓。

3.2勵(lì)磁系統(tǒng)的控制方式

勵(lì)磁系統(tǒng)的主備兩個(gè)通道都配有自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）和勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器（FCR）。AVR運(yùn)行時(shí)，引入機(jī)端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；FCR運(yùn)行時(shí)，引入勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

大朝山電廠(chǎng)疊加控制選擇無(wú)功疊加控制方式，程序中并沒(méi)有開(kāi)放功率因素疊加控制方式。勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)功遠(yuǎn)方控制由監(jiān)控系統(tǒng)AVC成組完成，AVC自動(dòng)分配給每臺(tái)機(jī)組無(wú)功功率設(shè)定值。勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)Modbus與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行串行通訊。勵(lì)磁系統(tǒng)經(jīng)過(guò)Modbus通信寄存器與監(jiān)控系統(tǒng)傳輸參考值、實(shí)際值、控制字、狀態(tài)字。

勵(lì)磁無(wú)功控制過(guò)程：

（1）勵(lì)磁系統(tǒng)建壓成功后，進(jìn)入AVR調(diào)節(jié)。準(zhǔn)備并網(wǎng)前，由監(jiān)控系統(tǒng)同期裝置通過(guò)外部給定進(jìn)行增磁、減磁調(diào)節(jié)，使電壓滿(mǎn)足同期并網(wǎng)條件。

（2）機(jī)組并網(wǎng)后，還是處于AVR調(diào)節(jié)，但是處于總線(xiàn)控制方式FLDB_REQ，在總線(xiàn)控制方式下，勵(lì)磁系統(tǒng)只接收監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)DO信號(hào)，并不接收監(jiān)控下發(fā)無(wú)功設(shè)定值。

（3）勵(lì)磁系統(tǒng)總線(xiàn)控制后，監(jiān)控下發(fā)“設(shè)定值確認(rèn)位”（即運(yùn)行操作人員在監(jiān)控上設(shè)定無(wú)功值后，確定按鈕）。勵(lì)磁系統(tǒng)接收到“設(shè)定值確認(rèn)位”為1后，確認(rèn)當(dāng)前實(shí)際設(shè)定值和監(jiān)控設(shè)定值相等，避免設(shè)定值重復(fù)下發(fā)。延時(shí)100 ms避開(kāi)通道、無(wú)功疊加控制狀態(tài)切換的瞬間，保持0.1 s后再次確認(rèn)當(dāng)前實(shí)際設(shè)定值和監(jiān)控設(shè)定值相等，才判斷設(shè)定值有效命令FLDB_REQ_OK。此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)入無(wú)功疊加控制方式，才將監(jiān)控?zé)o功設(shè)定值送入勵(lì)磁系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)定單元。

（4）進(jìn)入無(wú)功疊加控制后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器允許接收監(jiān)控?zé)o功設(shè)定值。無(wú)功設(shè)定值和當(dāng)前實(shí)際值的偏差通過(guò)一個(gè)積分器疊加到自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)上。無(wú)功控制只是起到對(duì)電壓控制校正的作用，其主導(dǎo)作用的控制量仍然是電壓偏差信號(hào)。

4　勵(lì)磁系統(tǒng)的改進(jìn)

機(jī)組檢修結(jié)束需要進(jìn)行零起升壓試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程需要合上GCB升壓檢查電氣設(shè)備的絕緣。但機(jī)組實(shí)際是在未并網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。起勵(lì)后勵(lì)磁系統(tǒng)會(huì)誤判GCB在合位，按照并網(wǎng)時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行工作。這樣可能會(huì)導(dǎo)致如下后果：

（1）在起勵(lì)命令發(fā)出后，勵(lì)磁系統(tǒng)按給定8%額定勵(lì)磁電流進(jìn)行起勵(lì)建壓（注：勵(lì)磁系統(tǒng)在手動(dòng)控制狀態(tài)下是以勵(lì)磁電流的給定進(jìn)行調(diào)節(jié)，按照經(jīng)驗(yàn)零起升壓試驗(yàn)時(shí)按8 %的額定勵(lì)磁電流設(shè)定，起勵(lì)后機(jī)端電壓約為3.5 kV）。此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)可以起勵(lì)，但是在升壓過(guò)程中，當(dāng)機(jī)端電壓或陽(yáng)極電壓小于對(duì)應(yīng)額定電壓的50 %后，則會(huì)報(bào)“OnlineFault”等故障信號(hào)，此信號(hào)將觸發(fā)勵(lì)磁系統(tǒng)跳閘，F(xiàn)CB事故跳閘。勵(lì)磁系統(tǒng)這樣設(shè)計(jì)是為了防止并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)機(jī)端電壓過(guò)低損壞機(jī)組而設(shè)計(jì)的一種保護(hù)。

（2）勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)成功后，此時(shí)若出現(xiàn)異常需要滅磁時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)誤判機(jī)組在并網(wǎng)狀態(tài)，將無(wú)法滅磁。勵(lì)磁系統(tǒng)此種設(shè)計(jì)的目的是為了防止發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)狀態(tài)下勵(lì)磁系統(tǒng)誤發(fā)滅磁命令造成發(fā)電機(jī)失磁。

（3）為了避免此類(lèi)情況，改造勵(lì)磁系統(tǒng)為方便勵(lì)磁系統(tǒng)配合機(jī)組進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，故在調(diào)節(jié)柜內(nèi)設(shè)計(jì)一塊“GCB位置接點(diǎn)壓板”，投入該壓板時(shí)，無(wú)論機(jī)組出口斷路器GCB在什么位置，勵(lì)磁系統(tǒng)判斷GCB在“分閘”位置。該壓板機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)在“退出”位置。

5　改造后勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題

2015年12月23日3號(hào)機(jī)組C級(jí)檢修結(jié)束后進(jìn)行零起升壓試驗(yàn)。發(fā)出投勵(lì)命令后勵(lì)磁系統(tǒng)開(kāi)始起勵(lì)，但是機(jī)端電壓始終無(wú)法建立。3個(gè)功率柜顯示可控硅導(dǎo)通角開(kāi)至88°，勵(lì)磁電流為1 A。持續(xù)10 s后程序發(fā)“起勵(lì)超時(shí)”，“整流橋故障”信號(hào)。起勵(lì)失敗跳開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)。測(cè)量勵(lì)磁陽(yáng)極電壓為10.24 V，滿(mǎn)足殘壓起勵(lì)所需電壓。

后經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)是由于機(jī)組檢修期間勵(lì)磁至轉(zhuǎn)子正負(fù)極電纜調(diào)換所致。對(duì)于大型發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，為了減少勵(lì)磁碳刷的磨損，一般要求檢修時(shí)勵(lì)磁電纜正負(fù)極對(duì)調(diào)一次。對(duì)調(diào)后，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向發(fā)生180°變化，根據(jù)右手定則，定子電勢(shì)方向也隨之發(fā)生180°變化。也就是說(shuō)，對(duì)比之前相同狀況，相同時(shí)刻，電壓方向完全相反。因電壓為交變，正過(guò)零和負(fù)過(guò)零只是方便在同一時(shí)刻進(jìn)行波形比較，不影響發(fā)電機(jī)輸出電壓。但對(duì)于零起升壓試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，極性對(duì)調(diào)之前，轉(zhuǎn)子磁極仍有剩磁，對(duì)調(diào)后，新的磁場(chǎng)方向與之前的剩磁方向相反，因此第一次起勵(lì)時(shí)首先需要抵消以前的剩磁，然后建立一個(gè)方向相反的磁場(chǎng)。出現(xiàn)此情況后，以后機(jī)組檢修調(diào)換勵(lì)磁電纜極性后，首次自并勵(lì)零起升壓時(shí)應(yīng)投入外部直流起勵(lì)電源（由于擔(dān)心直流起勵(lì)影響到直流系統(tǒng)負(fù)荷，該回路長(zhǎng)期未投入使用）。建立一個(gè)相反的磁場(chǎng)后起勵(lì)就可以成功。

6　結(jié)束語(yǔ)

大朝山電站改造后投運(yùn)的UNITROL 6000勵(lì)磁系統(tǒng)作為全新的換代產(chǎn)品，控制平臺(tái)全面升級(jí)為PEC平臺(tái)。通訊也由原來(lái)的ARcnet總線(xiàn)升級(jí)為以太網(wǎng)光纖通訊，人機(jī)界面功能更為強(qiáng)大。其起勵(lì)方式靈活，控制方式合理，并具備軟起勵(lì)控制，使其能滿(mǎn)足機(jī)組不同工況下的起勵(lì)建壓。其無(wú)功疊加控制與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了有機(jī)的配合?？煽康貙?shí)現(xiàn)了全廠(chǎng)機(jī)組無(wú)功成組調(diào)節(jié)及母線(xiàn)電壓實(shí)時(shí)控制，提高了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。為大朝山電廠(chǎng)“無(wú)人值守，少人值守”奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：余浩（1982-），男，助理工程師，從事自動(dòng)化控制、勵(lì)磁維護(hù)工作。

收稿日期：2016-01-02

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.010

中圖分類(lèi)號(hào)：TM761+.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2016）04-0030-03