大藤峽水力發(fā)電廠勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

覃 悅，羅紅云

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 537556）

1 引言

大藤峽水利樞紐位于廣西貴港桂平市，是南盤江紅水河水電基地綜合利用規(guī)劃10級(jí)梯級(jí)電站中的最后一級(jí)。大藤峽水利樞紐以防洪為主，兼顧灌溉航運(yùn)和給珠江三角洲地區(qū)供水提供保障的作用。電站共8臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量200 MW，總裝機(jī)容量為1 600 MW。大藤峽水利樞紐水輪機(jī)為軸流轉(zhuǎn)槳式，截至2020年7月，是國(guó)內(nèi)最大裝機(jī)容量的軸流轉(zhuǎn)槳式的水電站。首臺(tái)機(jī)組于2020年發(fā)電投產(chǎn)，目前大藤峽水利樞紐的勵(lì)磁系統(tǒng)采用廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司的EXC9200型號(hào)的勵(lì)磁系統(tǒng)，設(shè)備已完成了裝置的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試以及72 h試運(yùn)行，正式進(jìn)入了生產(chǎn)階段。

2 大藤峽水利樞紐勵(lì)磁系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

大藤峽水利樞紐勵(lì)磁系統(tǒng)是由廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，勵(lì)磁裝置一共8個(gè)柜子，分別為1個(gè)調(diào)節(jié)柜、1個(gè)進(jìn)線切換柜、4個(gè)功率柜、1個(gè)滅磁開關(guān)柜和1個(gè)SiC滅磁電阻柜。

大藤峽水利樞紐勵(lì)磁系統(tǒng)為自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，從機(jī)端接收電能通過勵(lì)磁變壓器將電壓由15.75 kV降壓至0.89 kV，然后電能通過進(jìn)線切換柜中ABB的進(jìn)線開關(guān)進(jìn)入交流母排，再經(jīng)由4個(gè)功率柜三相全控整流橋整流后送入勵(lì)磁直流母排，先后經(jīng)過滅磁開關(guān)、勵(lì)磁直流電纜、勵(lì)磁滑環(huán)、勵(lì)磁穿軸引線至轉(zhuǎn)子磁極。

2.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器分為半空橋勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、單微機(jī)全控橋勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、雙微機(jī)全控橋勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。單微機(jī)全控橋勵(lì)磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高,但若其中一個(gè)觸發(fā)脈沖故障很容易燒毀可控硅,半空橋調(diào)節(jié)器由于有續(xù)流二極管不存在這種現(xiàn)象，卻容易引起可控硅失控。雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，既解決觸發(fā)脈沖問題，又不存在失控,是最好的選擇。1985年南京自動(dòng)化研究所首先研制成功的微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,型號(hào)為WLF-I型,它結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、價(jià)格昂貴,適用于10萬kW以上的大型機(jī)組。廣科生產(chǎn)的上一代勵(lì)磁系統(tǒng)EXC9000的升級(jí)版(型號(hào)為EXC9100)全數(shù)字式靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng),由兩個(gè)微機(jī)通道(含2個(gè)手動(dòng)通道和2個(gè)自動(dòng)通道)組成，這兩個(gè)通道(A、B通道)在測(cè)量回路(機(jī)端電壓互感器)和脈沖觸發(fā)回路方面各自獨(dú)立。該勵(lì)磁系統(tǒng)采用雙CPU協(xié)同工作，具有運(yùn)算速度快、功耗低、分工合理的優(yōu)點(diǎn)，并能在全封閉的環(huán)境下工作,因發(fā)熱量小，無需用風(fēng)扇散熱，并且抗沖擊、抗振動(dòng)能力強(qiáng)[1]。

大藤峽水利樞紐EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是3通道并聯(lián)運(yùn)行的冗余設(shè)計(jì)，相比EXC9000的C通道為模擬通道而言[2]，EXC9200的A通道、B通道和C通道均為數(shù)字通道，也可以說是自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)的微機(jī)通道，相比于上一代的EXC9000勵(lì)磁系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，其中核心控制器為32位處理器，將機(jī)端電壓、機(jī)端電流、勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流采集至控制板，再由處理器進(jìn)行處理。A、B通道調(diào)節(jié)方式互為主、備，正常情況下A通道作為主通道(含手動(dòng)和自動(dòng)單元),B、C通道(含手動(dòng)和自動(dòng)單元)作為備用通道。主、備調(diào)節(jié)通道各配有一套獨(dú)立的智能型的故障檢測(cè)系統(tǒng),當(dāng)B通道檢測(cè)到A通道輸入回路或輸出回路故障時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉A通道,B通道改為主通道并報(bào)警,只有在B通道檢測(cè)到A通道故障消除后才恢復(fù)A通道為主通道。其中A通道采集的信號(hào)由單獨(dú)的機(jī)端電壓互感器、機(jī)端電流互感器、勵(lì)磁變副邊電流互感器和勵(lì)磁變副邊電壓互感器提供，B通道和C通道的數(shù)據(jù)采集則是通過共用機(jī)端和勵(lì)磁變副邊的電壓互感器和電流互感器提供。

2.2 通信設(shè)計(jì)

大藤峽水利樞紐勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)柜內(nèi)部采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（圖1），并通過CAN總線將調(diào)節(jié)柜與功率柜的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，其中在調(diào)節(jié)柜內(nèi)有兩塊勵(lì)磁電流采集板，為冗余設(shè)置。實(shí)際上，一塊勵(lì)磁電流采集板就能實(shí)現(xiàn)3通道的數(shù)據(jù)傳輸，但在安裝上則是兩塊勵(lì)磁電流采集板一塊給A通道提供勵(lì)磁變副邊的勵(lì)磁電流信號(hào)，另一塊給B和C通道提供勵(lì)磁變副邊的勵(lì)磁電流，同時(shí)通過調(diào)節(jié)柜內(nèi)的勵(lì)磁電流采集板進(jìn)行電流輸送，輸送至各個(gè)功率柜智能板，實(shí)現(xiàn)功率柜各橋臂的智能均流，均流系數(shù)能達(dá)到97%。在調(diào)節(jié)柜上還有一塊脈沖板，通過接收調(diào)節(jié)器同步變壓器送過來的同步電壓，經(jīng)過調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，將可控硅的導(dǎo)通信號(hào)傳輸至脈沖板，由脈沖板將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳輸至功率柜內(nèi)的脈沖板，再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸送至脈沖變，由脈沖變的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)了三相全控整流橋的導(dǎo)通，其中的光纖傳輸更是增加了傳輸信號(hào)的穩(wěn)定性，避免了不必要的損耗及外界的干擾。

對(duì)外接口中，調(diào)節(jié)柜采用的是IIU板，通過CAN總線接收勵(lì)磁系統(tǒng)信息，包括故障信息和狀態(tài)信息等，并通過繼電器接點(diǎn)輸出至電站監(jiān)控系統(tǒng)，通過RS485串行通信口與電站監(jiān)控系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)信息的互通（圖1）。

圖1 調(diào)節(jié)柜通信方案

2.3 整流柜的設(shè)計(jì)

大藤峽水利樞紐整流裝置共有4個(gè)整流柜，均采用三相全控可控硅整流橋進(jìn)行整流輸出，柜子并聯(lián)在一起，通過脈沖板對(duì)可控硅進(jìn)行導(dǎo)通控制。柜子為（n-1）冗余模式，當(dāng)有1臺(tái)功率柜退出運(yùn)行時(shí)，剩下的3臺(tái)功率柜仍能滿足強(qiáng)勵(lì)的需求，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行；當(dāng)2臺(tái)功率柜退出運(yùn)行時(shí)，剩下的2臺(tái)能滿足勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行，但限制強(qiáng)勵(lì)功能。

在功率柜的交流回路和直流回路中，均設(shè)計(jì)了刀閘，所以在每個(gè)功率柜里有2把刀閘，可用以隔離功率柜。同時(shí)在交流回路中，每個(gè)可控硅均配有1個(gè)熔斷器配合使用，并設(shè)計(jì)了一個(gè)防止直流回路過電壓的阻容保護(hù)回路，用以將操作過電壓、雷擊過電壓、換向過電壓中的高電壓進(jìn)行削峰吸收[3]，給勵(lì)磁系統(tǒng)提供了有效的保護(hù)。

在功率柜的頂端設(shè)計(jì)了冗余的兩組風(fēng)機(jī)，兩組風(fēng)機(jī)位置為一上一下疊裝。在每次開停時(shí)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)主備用功能的輪換交替，在風(fēng)機(jī)的頂部還有風(fēng)量的傳感器，當(dāng)1組風(fēng)機(jī)停用時(shí)，風(fēng)機(jī)上部擋板下落，觸動(dòng)傳感器，使接觸器動(dòng)作而切換風(fēng)機(jī)，其中我廠的2組風(fēng)機(jī)無制動(dòng)功能，1組風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，另1組風(fēng)機(jī)也會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)，不過方向相同，并不會(huì)影響冷卻質(zhì)量，卻也可以對(duì)功率柜風(fēng)機(jī)制動(dòng)進(jìn)行一定的改良。同時(shí)，出廠的動(dòng)作設(shè)計(jì)并沒有2組風(fēng)機(jī)同時(shí)動(dòng)作的設(shè)計(jì)，但根據(jù)其他電廠的設(shè)計(jì)，為避免低壓?jiǎn)?dòng)風(fēng)機(jī)而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)燒壞，可以在零起升壓或他勵(lì)方式開機(jī)時(shí)強(qiáng)行啟動(dòng)另1組風(fēng)機(jī)，防止風(fēng)機(jī)燒壞。

在功率柜的顯示面板上，還能監(jiān)測(cè)每支橋臂的電流以及風(fēng)道的溫度，并能在功能面板里實(shí)現(xiàn)對(duì)功能投入情況和故障的查詢以及功率柜溫度和電流的校準(zhǔn)。我廠的功率柜智能板采用的是廣州擎天生產(chǎn)的K板，未能實(shí)現(xiàn)橋臂間的均流，僅實(shí)現(xiàn)了功率柜之間的柜內(nèi)總電流的均流，而目前廣州擎天還有一款I(lǐng)EC的智能板，可以實(shí)現(xiàn)功率柜內(nèi)6個(gè)整流橋臂的電流均流，但I(xiàn)EC板塊也有缺點(diǎn)，就是在電流調(diào)節(jié)的時(shí)候，產(chǎn)生的滯后會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的導(dǎo)通角比定值要小。

以下是晶閘管的選型計(jì)算：

（1）在選型時(shí)，對(duì)可控硅峰值電壓的選擇，采用的是在機(jī)組額定功率運(yùn)行溫度下，可控硅在阻斷時(shí)的耐壓值，通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

UW——可控硅耐受電壓；

UTresk——?jiǎng)?lì)磁變二次電壓，我廠為890 V。

現(xiàn)實(shí)際選取的晶閘管重復(fù)峰值電壓為Urp=4 200 V，設(shè)計(jì)滿足要求。

（2）常溫下可控硅平均通態(tài)電流的選擇

式中：

KSA——電流儲(chǔ)備系數(shù)，取2；

Kji——電路系數(shù)，對(duì)三相全控橋取0.367；

K4——海拔高度系數(shù)，取1.1；

K6——風(fēng)速降低，溫度上升，取0.9；

K2——風(fēng)速系數(shù)，5 m/s取1.0；

KS——環(huán)境溫度系數(shù)，40 ℃取1.0；

Id——額定勵(lì)磁電流，取2 147 A；

Ip>(2×0.367×2 147×1.1)/0.9=1 926 A。

實(shí)際選取的晶閘管元件70 ℃時(shí)通態(tài)平均電流In=2 046 A，則并聯(lián)數(shù)

式中：K7為均流系數(shù)，若按最嚴(yán)重情況取0.85，計(jì)算nb=1.11，即三橋就能滿足所有工況運(yùn)行，包括強(qiáng)勵(lì)，實(shí)際選取并聯(lián)支路數(shù)為4，留有很大裕量。

2.4 滅磁回路設(shè)計(jì)

大藤峽水利樞紐勵(lì)磁系統(tǒng)的滅磁開關(guān)采用的是德國(guó)GE的直流快速單級(jí)斷路器，移能滅磁回路采用的是非線性電阻SiC。

EXC9200滅磁回路在可控硅跨接器及其觸發(fā)板，即BOD板（圖2中的AP62）檢測(cè)到回路在正向過電壓時(shí)，觸發(fā)可控硅V1，導(dǎo)通滅磁電阻并入轉(zhuǎn)子回路，將過電壓能量消除；檢測(cè)到反向過電壓時(shí)，觸發(fā)V2或V3中的一個(gè)可控硅，接通轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行耗能，保護(hù)轉(zhuǎn)子回路。

圖2 滅磁回路

滅磁柜實(shí)現(xiàn)了智能化設(shè)計(jì)，滅磁柜的操作、控制、狀態(tài)監(jiān)視、信息傳遞和信息顯示等功能均能在液晶屏面上進(jìn)行操控和觀測(cè)，并且還能通過計(jì)算轉(zhuǎn)子繞組電阻實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組溫度的柜面顯示。

2.5 電氣制動(dòng)

針對(duì)機(jī)械制動(dòng)中出現(xiàn)制動(dòng)瓦磨損產(chǎn)生固體顆粒，污染發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子表面以及慣性大、停機(jī)慢的問題，我廠采用電制動(dòng)搭配機(jī)械制動(dòng)的停機(jī)方式，結(jié)合電制動(dòng)力矩大，無污染的優(yōu)點(diǎn)，使我廠停機(jī)速度加快，減少了停機(jī)過程產(chǎn)生的污染顆粒，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行提供了多一分保障。

我廠電制動(dòng)電源取自10 kV廠用電，經(jīng)過電制動(dòng)變，降壓后接至勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)線切換柜，電制動(dòng)進(jìn)線開關(guān)與勵(lì)磁變副邊的進(jìn)線開關(guān)一起安置在進(jìn)線切換柜內(nèi)，采用的是ABB的斷路器。同時(shí)電制動(dòng)和勵(lì)磁系統(tǒng)共用功率柜的可控硅整流回路，沒有增設(shè)單獨(dú)的整流柜，增加了設(shè)備空間利用的合理性。

圖3 我廠電制動(dòng)自并勵(lì)接線方式

當(dāng)我廠機(jī)組接到機(jī)組停機(jī)令時(shí)，檢查發(fā)電機(jī)出口斷路器在分、導(dǎo)葉全關(guān)、機(jī)組無事故和轉(zhuǎn)速下降到60%額定轉(zhuǎn)速后，投入電制動(dòng)功能，分勵(lì)磁變副邊開關(guān)QL1，合短路開關(guān)REC，合電制動(dòng)交流進(jìn)線開關(guān)QL2，控制勵(lì)磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)入電制動(dòng)模式，使得勵(lì)磁系統(tǒng)向轉(zhuǎn)子繞組輸出設(shè)定的勵(lì)磁電流值，形成制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)。我廠目前采用的是混合制動(dòng)的停機(jī)方式，在轉(zhuǎn)速達(dá)到10%額定轉(zhuǎn)速的時(shí)候投機(jī)械制動(dòng)，我廠在僅采用機(jī)械制動(dòng)停機(jī)時(shí)，停機(jī)時(shí)間在4 min左右，在合理的時(shí)間范圍內(nèi)。

3 調(diào)節(jié)器功能設(shè)計(jì)

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器外部有兩個(gè)電壓采集點(diǎn)，1個(gè)是從發(fā)電機(jī)機(jī)端PT處采集機(jī)端電壓，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器3個(gè)通道的機(jī)端電壓數(shù)值分別來自2個(gè)機(jī)端PT，其中A通道單獨(dú)使用1個(gè)PT提供的電壓數(shù)據(jù)，B通道和C通道共用另1個(gè)PT提供的電壓數(shù)據(jù)；還有1個(gè)電壓采集點(diǎn)則是在主變低壓側(cè)，該P(yáng)T的電壓信號(hào)提供給調(diào)節(jié)器3個(gè)通道一起使用，主要作用則是提供同期合閘的電壓數(shù)據(jù)，也就是可以通過勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同期并網(wǎng)的功能。

其中，EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)的輔助控制功能還有：①限制勵(lì)磁電流頂值和強(qiáng)勵(lì)反時(shí)限限制器；②欠勵(lì)限制；③V/F限制；④過無功限制；⑤定子電流限制；⑥電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）。其中，PSS采用非線性魯棒NR-PSS，顯著改善了輸電通道的功率傳輸極限，能更大限度地利用機(jī)組的裝機(jī)容量，同時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器可支持PSS4B與PSS2B兩種穩(wěn)定器，相比PSS2B來說，PSS4B為三級(jí)補(bǔ)償裝置，在低頻振蕩時(shí)的阻尼效果比PSS2B更穩(wěn)定有效。

4 初期應(yīng)用

電廠投產(chǎn)以來，勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)正常，通道跟蹤正常，調(diào)節(jié)柜內(nèi)的總電流實(shí)現(xiàn)了均流，差值滿足設(shè)計(jì)要求（均流系數(shù)97%）。電制動(dòng)功能運(yùn)行正常，機(jī)組在轉(zhuǎn)速達(dá)到60%時(shí)投入電制動(dòng)，機(jī)械制動(dòng)模式下25%轉(zhuǎn)速投入機(jī)械制動(dòng)，設(shè)備按停機(jī)流程正常動(dòng)作。在運(yùn)行時(shí)切掉PT投入把手，勵(lì)磁系統(tǒng)電壓信號(hào)消失，自動(dòng)切到電流調(diào)節(jié)模式，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的平穩(wěn)調(diào)節(jié)。

5 結(jié)束語

大藤峽水利樞紐EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)已經(jīng)完成出廠驗(yàn)收，并進(jìn)入了商業(yè)運(yùn)行模式，在運(yùn)行階段中，勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常。大藤峽水利樞紐勵(lì)磁系統(tǒng)選用的是國(guó)內(nèi)的知名企業(yè)產(chǎn)品，是結(jié)合了國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)量身打造的優(yōu)質(zhì)勵(lì)磁系統(tǒng)，為國(guó)內(nèi)外電站的勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。