火力發(fā)電廠發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障及對策研究

吳妮娜

（國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 杭州 315800）

0 引言

火力發(fā)電機最重要的組件是勵磁系統(tǒng)，其不僅影響電能生產(chǎn)的穩(wěn)定性，也影響企業(yè)的健康成長［1-2］。本研究對火力發(fā)電廠發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的常見故障進行剖析，為我國火力發(fā)電廠發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的維修及維護提供參考。

1 勵磁控制系統(tǒng)

1.1 主要功能

在火力發(fā)電過程中，勵磁系統(tǒng)發(fā)揮著控制電壓、提高電力設(shè)備安全性及增強電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等作用［3］，其最重要的組成部分是勵磁功率單元及勵磁調(diào)節(jié)器。其中，勵磁功率單元是將勵磁電流輸送給發(fā)電機轉(zhuǎn)子，勵磁調(diào)節(jié)器則控制勵磁功率單元的輸出［4］。輸出功率一方面要結(jié)合實際的輸入信號，另一方面則基于具體的調(diào)節(jié)算法［5］。此外，勵磁系統(tǒng)還負責部分接口電路模塊的信號輸入及輸出。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

勵磁系統(tǒng)由勵磁變壓器、勵磁調(diào)節(jié)器、可控硅整流器和起勵滅磁單元組成［6］。勵磁電流調(diào)節(jié)、同步發(fā)電機端電壓等功能均由可控硅整流器來實現(xiàn)［7］。本研究以舟電4號機勵磁系統(tǒng)為例，介紹自并勵勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（見圖1）。

2 調(diào)節(jié)和控制算法

2.1 PID調(diào)節(jié)及算法

PID調(diào)節(jié)器雖能通過減少比例來對系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)加以控制，但在一定程度上會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，火力發(fā)電廠采用微分調(diào)節(jié)的方式，通過放大調(diào)節(jié)的倍數(shù)比例，讓系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提升。PID調(diào)節(jié)的具體值見式（1）。

式中：E（t）=Ug-UC，Ug、U C為電壓給定值和電壓測量值；Y（t）與Kp分別為控制輸出與比例系數(shù)；與消除靜態(tài)誤差相關(guān)的e（t）及Ki分別為機端的電壓偏差信號及積分常數(shù)；Kd為改善系統(tǒng)靜態(tài)誤差相關(guān)的微分常數(shù)；d為具體輸出量。

2.2 PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

發(fā)電機閉環(huán)勵磁調(diào)節(jié)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時，發(fā)電機端的電壓反饋量顯示為負。一旦發(fā)生轉(zhuǎn)子功率角振動，轉(zhuǎn)子功率角的電流相位便會領(lǐng)先勵磁系統(tǒng)所提供的勵磁電流，而當該頻率達到限界時，將導致滯后角度超出180°。此時，系統(tǒng)將因轉(zhuǎn)子功率振蕩而產(chǎn)生“負阻尼”，而原本的反饋由負反饋轉(zhuǎn)變?yōu)檎答仭?/p>

圖2為PSS電路通用框圖，隔直電路中n=1或2。放大單元的輸入值可改善加速功率偏差（ΔPa）、頻率偏差（Δf）、轉(zhuǎn)速偏差（Δω）、電功率偏差（ΔPe）中的一個信號或幾個信號。V為速度，Tω為隔值環(huán)節(jié)時間常數(shù)，K為放大倍數(shù)，T1-T4為超前滯后環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，R1、R2為半徑常數(shù)。

若使用PID調(diào)節(jié)器進行控制，并輔以發(fā)電機的電壓偏差信號進行調(diào)節(jié)勵磁，可改善發(fā)電機的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性。當發(fā)電機動態(tài)及靜態(tài)勵磁足夠穩(wěn)定時，勵磁系統(tǒng)將提供超前相位輸入，從而對勵磁電流的滯后相位進行補償，最終達到解決負轉(zhuǎn)矩的效果。此外，因為PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制電壓的形式是持續(xù)不斷地對電壓偏差進行調(diào)節(jié)，故系統(tǒng)并不能自主識別阻尼轉(zhuǎn)矩當前值是正或負，導致電壓調(diào)節(jié)無法估計阻尼轉(zhuǎn)矩為正值時的相位需求。對此，火力發(fā)電站在自動電壓調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上采用PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，選擇轉(zhuǎn)速、功率及頻率偏差中的一種或兩種信號作為附加控制。

圖1 舟電4號機自并勵磁系統(tǒng)圖

舟電4號機勵磁系統(tǒng)采用南瑞科技生產(chǎn)的NES6100勵磁調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器提供雙輸入型PSS2B模型及多頻段控制型PSS4B模型（IEEE Std.421）。

圖2 PSS電路的通用框圖

3 勵磁調(diào)節(jié)器

3.1 軟件系統(tǒng)

人機界面與監(jiān)控程序是勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的重要組成部分。其中，基于人機界面交互可對各項試驗數(shù)據(jù)及參數(shù)進行修改，監(jiān)控負責調(diào)控整個發(fā)電勵磁系統(tǒng)。如圖3所示。

3.1.1 系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化是調(diào)節(jié)器在運行前對基礎(chǔ)系統(tǒng)程序進行配置，將計算機及接口模塊還原為初始狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)置的具體值進行調(diào)節(jié)，當調(diào)節(jié)后的程序符合起勵要求時，系統(tǒng)便會進行控制狀態(tài)。

3.1.2 開中斷。調(diào)節(jié)器在滿足開機條件后會自動進入調(diào)節(jié)與控制狀態(tài)。此時，調(diào)節(jié)器將新增程序中斷功能。此外，在調(diào)用中斷程序執(zhí)行中斷指令時，只用執(zhí)行中斷主程序即可。當中斷程序執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)將再度返回主程序。

3.1.3 故障檢測設(shè)置。檢測程序不僅會檢測勵磁系統(tǒng)是否存在故障，也會判別出許多故障類型，如TV是否存在斷線、電源電壓是否穩(wěn)定以及硬件檢測信號是否正常等。

3.1.4 終端顯示和微機接口命令。借助終端顯示器可隨時獲取發(fā)電機與調(diào)節(jié)器的運行狀況，通過微機的接口命令能實時寫出參數(shù)，并開展動態(tài)試驗。此外，在調(diào)解程序運行期間，主程序?qū)⒀h(huán)執(zhí)行接口命令，此時定時器也會產(chǎn)生中斷信號，并中斷當前正在執(zhí)行的程序，之后是否繼續(xù)執(zhí)行負載程序主要是由開關(guān)狀態(tài)而定。

3.1.5 控制調(diào)節(jié)程序?？刂普{(diào)節(jié)程序主要用于對判別程度加以限制，并對電壓調(diào)解程序進行檢查，檢查的內(nèi)容包括發(fā)電機端電壓、PID計算、計算調(diào)差等。

3.2 限制流程

圖3 主程序示意圖

勵磁調(diào)節(jié)器搭載的各類限制器是為了限制勵磁系統(tǒng)運行時的各項數(shù)值，使其保持在合理的范圍，以免對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。如發(fā)電機空載V/F限制、滯相無功限制、無功限制及反時限強勵定值限制等。

3.2.1 低勵限制器。低勵限制用于限制同步發(fā)電機進相運行時的無功功率，防止深度進相造成發(fā)電機不穩(wěn)定運行。低勵限制曲線由有功功率和對應(yīng)的無功功率限制值組成，曲線形狀與發(fā)電機的定子電壓值有關(guān)，當發(fā)電機電壓變化時，限制曲線也隨之發(fā)生偏移。

3.2.2 過勵限制器。過勵限制器是在保證勵磁繞組不過熱的前提下，充分利用勵磁繞組短時過載的能力，盡可能在系統(tǒng)需要時提供無功功率，支持系統(tǒng)電壓恢復，即保證強勵能力。

3.2.3 勵磁電流限制器。勵磁電流限制器包括最大勵磁電流瞬時限制和負載最小勵磁電流限制。最大勵磁電流瞬時限制可設(shè)定三段勵磁電流限制值。當勵磁電流超過設(shè)定的限制值并持續(xù)到動作時間后，最大勵磁電流瞬時限制動作會把勵磁電流降至安全的數(shù)值。負載最小勵磁電流限制可避免機組深度進相導致失磁。該限制器為瞬時動作，要設(shè)定的參數(shù)為負載最小勵磁電流限制值。發(fā)電機進相運行時，勵磁電流將被限制在給定勵磁電流限制值以上。

3.2.4 V/Hz限制。發(fā)電機空載端電壓與所連磁通成正比，為避免發(fā)電機組和勵磁變壓器鐵芯發(fā)生過磁通飽和的現(xiàn)象，勵磁調(diào)節(jié)器設(shè)有V/Hz限制器。如果發(fā)電機機端電壓超過某一頻率的電壓限制值，在設(shè)定動作時間后，限制器將發(fā)出V/Hz限制動作信號，降低機端電壓給定值至當前頻率下的電壓限制值，同時發(fā)出增磁禁止信號。

3.3 自檢、自診斷功能

電機勵磁系統(tǒng)所具有的自檢與自診斷功能是在系統(tǒng)出現(xiàn)電源電壓低、電源消失及超出上下限等故障時發(fā)出故障信號，并進行備用通道切換。舟電4號機組勵磁系統(tǒng)NES6100具有功率柜同步電壓相序及相位檢測、發(fā)電機機端電壓相序及相位檢測等功能。

4 火電廠勵磁系統(tǒng)故障及應(yīng)對方式

為保證火電機組穩(wěn)定運行，當勵磁系統(tǒng)發(fā)生故障時，必須采取措施解除故障，否則將對電網(wǎng)運行和設(shè)備安全造成重大影響［10］。

4.1 發(fā)電機無法起壓故障處理措施

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)發(fā)生故障極有可能導致發(fā)電機無法起壓，從而對發(fā)電機的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響［11］。對此，維護人員先對勵磁線路的連線情況進行檢查，在確認勵磁線路連線正確的前提下，方可進行回路恢復。待回路恢復后，維護人員還要進行運行測試，確保發(fā)電機運行穩(wěn)定。

4.2 發(fā)電機失磁故障處理措施

發(fā)電機失磁故障會降低電網(wǎng)電壓，從而對供電質(zhì)量產(chǎn)生影響［12］。對此，為避免威脅用戶的用電安全，要及時處理失磁故障，并對故障設(shè)備進行停機處理，再將故障設(shè)備脫離出發(fā)電機組進行維護檢修，避免對其他機組的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。

4.3 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩點接地故障處理措施

汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子兩點接地故障具有較大的危害性。可采用以下兩種改善方式。一是加強日常的機組巡檢及維護，避免兩點接地故障發(fā)生。二是在發(fā)電機勵磁回路中安裝絕緣檢測裝置，確保在最短時間內(nèi)處理好發(fā)電機接地現(xiàn)象，避免危害范圍進一步擴大。此外，為保障發(fā)電器設(shè)備的安全運行，并提升其作業(yè)的穩(wěn)定性，要定期對發(fā)電機的轉(zhuǎn)子接地現(xiàn)狀進行評估。

5 結(jié)語

綜上所述，火力發(fā)電廠的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)不僅關(guān)乎電能生產(chǎn)的穩(wěn)定性，也將決定企業(yè)能否健康成長。因此，火力發(fā)電廠必須對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的維修及維護給予高度重視，采取合理的檢修處理措施來降低磁力系統(tǒng)的故障概率，以此方能維護企業(yè)的健康成長，繼而為我國社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展做出貢獻。