某核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機相復(fù)勵勵磁電壓調(diào)節(jié)問題分析及處理

顧秋斌 翟常營 陳耀明 林鑫

福建福清核電有限公司 福建福州 350300

應(yīng)急柴油發(fā)電機作為核電廠的重要后備電源，在應(yīng)急條件下起著至關(guān)重要的作用。本文介紹的應(yīng)急柴油發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器使用了西門子公司生產(chǎn)的電磁迭加型可控相復(fù)勵無刷勵磁系統(tǒng)，該套勵磁調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡單，建壓速度快的特點，能夠保證應(yīng)急柴油發(fā)電機在應(yīng)急啟動時10s內(nèi)完成建壓，滿足電廠應(yīng)急電源的需求[1]。

1 問題描述

維持應(yīng)急柴油發(fā)電機輸出電壓的穩(wěn)定是保證柴油發(fā)電機供電質(zhì)量的主要措施之一。作為核電廠內(nèi)的事故應(yīng)急電源，其電壓的穩(wěn)定對下游核安全級設(shè)備的穩(wěn)定運行也起著至關(guān)重要的作用，若電壓過高或過低，勢必會對負荷設(shè)備造成一定的影響。

該套勵磁調(diào)節(jié)器由帶相復(fù)勵變壓器及振蕩回路的勵磁調(diào)節(jié)回路和三相不可控整流橋附加IGBT直流斬波電路構(gòu)成的調(diào)節(jié)器回路組成[2]。按照系統(tǒng)的設(shè)計要求，該套勵磁調(diào)節(jié)器在不投調(diào)節(jié)器時可以達到±5%的調(diào)節(jié)精度，投入調(diào)節(jié)器后可以達到±0.5%的調(diào)節(jié)精度。

在應(yīng)急柴油發(fā)電機進行空載勵磁試驗過程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器試驗?zāi)Ｊ较聼o法準(zhǔn)確控制柴油發(fā)電機電壓至額定值，并網(wǎng)時因電壓調(diào)節(jié)不當(dāng)會出現(xiàn)無功進相的問題，不滿足設(shè)計的要求。

2 原因分析及處理過程

該問題的分析需從相復(fù)勵勵磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及原理出發(fā)，分析其產(chǎn)生的根本原因。

2.1 相復(fù)勵勵磁調(diào)節(jié)器的工作原理

由圖1所示，柴油發(fā)電機的勵磁復(fù)勵回路主要由復(fù)勵變壓器、電抗器L321、電容器C32和半導(dǎo)體整流器橋VD等部分組成。相復(fù)勵變壓器是一臺三相三繞組的變壓器，它的每相有三個繞組，即電壓繞組N1，電流繞組N3，輸出繞組N2。其中N1和N3是變壓器的輸入繞組。

圖1 相復(fù)勵勵磁原理圖

當(dāng)柴油機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)動逐漸升轉(zhuǎn)速的過程中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子剩磁的會使定子產(chǎn)生一個殘余電壓，當(dāng)殘余電壓經(jīng)過振蕩電路的振蕩點（大約44Hz）左右時，電流向電壓繞組N1的空載部分電流會迅速增大，經(jīng)過半導(dǎo)體整流橋變成直流電送至發(fā)電機勵磁繞組上，使轉(zhuǎn)子磁場增加，發(fā)電機的電壓也逐漸升高直至空載額定值。

當(dāng)柴油發(fā)電機并網(wǎng)帶上負荷后，電壓繞組提供的勵磁電流基本恒定不變，相復(fù)勵變壓器的電流繞組N3會流過負載電流，相復(fù)勵變壓器的兩個輸入繞組均在輸出繞組N2上產(chǎn)生了電動勢，此時，隨著負載電流的變化，輸出繞組N2上的感應(yīng)電動勢也隨著改變，負載電流增大，輸出的勵磁電流也隨之增大，以維持發(fā)電機端電壓保持恒定。

因振蕩器及CT變比的非線性特性，復(fù)勵回路的控制精度在±5%左右，不能得到較高控制精度，因此，在柴油發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)中，還附加了一個IGBT直流斬波電路構(gòu)成的調(diào)節(jié)器，用于提高調(diào)壓精度，當(dāng)調(diào)節(jié)器中的DC LINK的電壓大于勵磁回路的電壓時，調(diào)節(jié)器則從勵磁回路吸收直流電流，反之，則會給勵磁回路提供部分電流，使發(fā)電機的出口電壓維持設(shè)定值[3]。

2.2 相復(fù)勵電壓調(diào)試過程及問題分析

（1）相復(fù)勵回路電壓調(diào)節(jié)及無功功率不足分析。相復(fù)勵回路包含兩個調(diào)節(jié)元件，一個是相復(fù)勵變壓器的輸出繞組N2抽頭（固定端2.1，調(diào)節(jié)端繞組匝數(shù)2.3＜2.4＜2.5＜2.6＜2.2）及電壓繞組的N1抽頭（固定端3.1，調(diào)節(jié)端繞組匝數(shù)3.3＜3.4＜3.5＜3.6＜3.2）。另外一個是電抗器的氣隙。

根據(jù)磁平衡的原理：

由上述磁平衡公式可見，當(dāng)相復(fù)勵變壓器的輸出繞組N2匝數(shù)越少，輸出電壓越大，反之越小。當(dāng)相復(fù)勵變壓器的電壓繞組N1匝數(shù)越大時，輸出電壓越大，反之越小。

為了防止柴油發(fā)電機帶負荷或并網(wǎng)時能夠提供足夠的無功功率，在調(diào)節(jié)電壓時一般先將相復(fù)勵勵磁變壓器的輸出繞組的N2抽頭可調(diào)節(jié)端調(diào)至最小2.1-2.3，然后通過調(diào)節(jié)電壓抽頭N3來調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出電壓。同時，相復(fù)勵回路的調(diào)節(jié)需將恒壓調(diào)節(jié)裝置退出運行。

當(dāng)發(fā)電機的空載電壓偏低時，可以通過調(diào)節(jié)電抗器L321的氣隙來調(diào)節(jié)空載輸出電壓[4]。增大電抗器L321的氣隙，空載輸出電壓增大，減小電抗器的輸出電壓，空載輸出電壓減小。

在柴油發(fā)電機帶上負載后或并網(wǎng)后帶上負載，若輸出線圈N2的匝數(shù)位置不合理，就會造成勵磁電流的電流分量不足以補償電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)和漏抗的壓降，使發(fā)電機的無功發(fā)不足，此為導(dǎo)致無功進行的原因之一。

（2）調(diào)節(jié)器回路投入后電壓調(diào)節(jié)不精確問題分析。因為相復(fù)勵控制回路的控制精度僅在±5%之間，當(dāng)柴油發(fā)電機空載運行時，發(fā)電機出口電壓很難穩(wěn)定至額定電壓6.6kV運行，若此時電抗器L321飽和，隨著負載的增加，發(fā)電機的出口電壓會隨之降低而得不到足夠的補償。

自動恒壓裝置回路投入后，發(fā)電機的空載穩(wěn)態(tài)電壓維持在6.88kV，如圖2。

圖2 柴油發(fā)電機空載波形-帶恒壓調(diào)節(jié)裝置（程序修改前）

通過圖2可以看出，自動恒壓裝置無法將柴油發(fā)電機的出口電壓精確的調(diào)節(jié)至額定電壓6.6kV。此時，通過在儀控柜緩慢旋動增磁旋鈕，發(fā)電機的出口電壓緩慢增加；旋動減磁旋鈕，發(fā)電機的出口電壓緩慢降低；

一般的PID閉環(huán)控制圖如圖3所示

圖3 PID閉環(huán)控制圖

當(dāng)給定值值為6.6kV時，發(fā)電機的輸出電壓也為6.6kV。經(jīng)過查看調(diào)節(jié)器的邏輯程序，發(fā)現(xiàn)PID控制器的給定值輸入隨著柴油發(fā)電機機端電壓的變化而變化。相復(fù)勵回路的閉環(huán)控制將發(fā)電機輸出電壓穩(wěn)定值6.8kV，當(dāng)恒壓調(diào)節(jié)器投入后，其給定值也為6.8kV左右，并隨著機端電壓變化。由此可以判斷，恒壓調(diào)節(jié)器失去了應(yīng)有的控制作用。

（3）恒壓調(diào)節(jié)器電壓控制程序修改方案。恒壓調(diào)節(jié)器的電壓給定值自柴油發(fā)電機起機調(diào)節(jié)器裝置投入運行后會隨著機端電壓的變化而變化，則無法維持6.6kV的額定值。

根據(jù)西門子公司設(shè)計的調(diào)節(jié)器的現(xiàn)有輸入點，可以采用如下方案：

圖4 程序修改方案邏輯圖

RS觸發(fā)器S主導(dǎo)真值表 NSW選擇器真值表二進制命令 輸出狀態(tài)QN S R — —00QN保持不變01 11001 10I O0X11 X2—— — ——— — ——— — —

利用儀控柜發(fā)出的手動電壓調(diào)節(jié)升高信號higher、電壓降低信號lower、起勵動作信號field flashing is active、投入調(diào)節(jié)器信號release regulator組態(tài)成電壓給定值選擇命令邏輯。如圖4

在柴油機試驗?zāi)Ｊ絾訒r，起勵動作信號field flashing is active和投入調(diào)節(jié)器信號release regulator變化為1，RSS觸發(fā)器復(fù)位，QN輸出為1，NSW選擇器輸出給定值6.6kV，此時若手動調(diào)節(jié)增磁higher或減磁lower旋鈕，或選擇同期小車并網(wǎng)（并網(wǎng)時同期小車會調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓），此時RSS觸發(fā)器置位，QN輸出為0，NSW選擇器輸出給定值為柴油發(fā)電機機端電壓，跟隨機端電壓變化。當(dāng)柴油發(fā)電機由應(yīng)急模式（僅相復(fù)勵閉環(huán)回路起作用）供電退出時，調(diào)節(jié)器自動投入，此時柴油發(fā)電機電壓會在恒壓裝置的控制下調(diào)節(jié)回6.6kV后延時停柴油發(fā)電機。

（4）修改方案驗證結(jié)果。在程序修改下裝至調(diào)節(jié)器后，啟動柴油發(fā)電機并進行驗證，空載波形電壓穩(wěn)定在了6.6kV。驗證波形如圖5：

圖5 柴油發(fā)電機空載波形-帶恒壓調(diào)節(jié)裝置（程序修改后）

3 結(jié)語

通過分析相復(fù)勵勵磁的電壓調(diào)節(jié)原理，得出合理調(diào)整相復(fù)勵變壓器的輸出繞組抽頭對柴油發(fā)電機的無功輸出起到一定的改善作用。通過恒壓調(diào)節(jié)器軟件的修改，解決了柴油發(fā)電機試驗?zāi)Ｊ较螺敵鲭妷翰缓愣ǖ膯栴}，使得輸出電壓的控制精度滿足設(shè)計要求。