火電機組增加調(diào)相機功能之勵磁設(shè)計探討

摘要：首先對火電機組增加調(diào)相機功能的勵磁設(shè)計特點進行了分析，主要包含增加啟動勵磁、高強勵倍數(shù)、流程配合等特殊需求，隨后針對性探討和介紹了啟動勵磁設(shè)計、主勵磁設(shè)計、啟動流程設(shè)計的原則和要點，并形成一套可用于實際工程化應(yīng)用的設(shè)計方案，用于指導(dǎo)類似工程實施。

關(guān)鍵詞：火電機組增加調(diào)相機功能；啟動勵磁；高強勵倍數(shù)；啟動流程

中圖分類號：TM921.41" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）08-0004-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.002

0" " 引言

隨著雙碳政策的執(zhí)行和環(huán)保的需要，常規(guī)火電機組的生存空間不斷被壓縮，且隨著政策引導(dǎo)，居民采暖和工業(yè)用汽將逐步由600 MW及以上機組承擔(dān)，未來將會有一大批300 MW及以下供熱機組退出歷史舞臺，而300 MW以下的非供熱機組更是面臨即將被關(guān)停的困境。此外，隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的大力發(fā)展，光伏、風(fēng)電等清潔電力占比逐年增大，而相較于傳統(tǒng)火電，清潔電力對電網(wǎng)運行安全支撐效果較差，其占比快速提高導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)的電壓支撐能力不斷削弱，系統(tǒng)穩(wěn)定水平下降[1-2]。

如何讓傳統(tǒng)火電機組特別是容量相對較小的火電機組繼續(xù)生存，又能在新型電力系統(tǒng)的新格局下發(fā)揮作用，成為火電行業(yè)發(fā)展的焦點問題。于是，傳統(tǒng)火電機組增加調(diào)相機功能，將火電機組升級改造為具備發(fā)電機和調(diào)相機雙功能的方案應(yīng)運而生，它既可以在發(fā)電機模式下承擔(dān)區(qū)域應(yīng)急備用電源的任務(wù)，也可以在調(diào)相機模式下承擔(dān)區(qū)域電網(wǎng)無功支撐的功能[3-4]，從而充分發(fā)揮機組高負荷時期有功支撐和低負荷時期無功支撐綜合效能，不僅能大幅提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，也能解決新能源發(fā)展和保障電力可靠供應(yīng)之間的矛盾，是傳統(tǒng)火電可持續(xù)發(fā)展探索的新方向[5]。

勵磁系統(tǒng)作為電站運行的核心設(shè)備，是發(fā)電機正常運行、調(diào)相機啟動、調(diào)相機穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)功能發(fā)揮的關(guān)鍵。針對火電增加調(diào)相機功能的機組，勵磁系統(tǒng)設(shè)計需綜合考慮發(fā)電機運行、調(diào)相機啟動、調(diào)相機強勵、流程接口等需求，在功率設(shè)計、軟件設(shè)計、流程配合設(shè)計等方面均需特殊考慮，本文將針對火電增加調(diào)相機功能的機組特點，詳細介紹勵磁系統(tǒng)的設(shè)計原則和要點。

1" " 火電機組增加調(diào)相機功能之勵磁特點

1.1" " 啟動勵磁或啟動功能

在作為發(fā)電機使用時，機組原動力由汽輪機提供，汽輪機沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速后，機組由勵磁系統(tǒng)建壓后并網(wǎng)運行。在作為調(diào)相機使用時，調(diào)相機與汽輪機脫開，調(diào)相機在并網(wǎng)運行時不再發(fā)出有功，而是發(fā)出或吸收無功，從而起到調(diào)相的作用。而在并網(wǎng)前，調(diào)相機沒有原動力沖轉(zhuǎn)，為實現(xiàn)同期并網(wǎng)，減小并網(wǎng)時的沖擊，需通過SFC和勵磁系統(tǒng)共同作用，先將調(diào)相機拖動至1.05倍額定轉(zhuǎn)速，再惰走建壓并網(wǎng)，故在調(diào)相機啟動升速時，勵磁系統(tǒng)需要配置啟動勵磁或具備啟動功能，本文將介紹配置啟動勵磁的設(shè)計方案。

1.2" " 高強勵倍數(shù)

調(diào)相機可根據(jù)系統(tǒng)需求提供或吸收無功功率，滿足系統(tǒng)暫態(tài)的無功需求，同時兼顧穩(wěn)態(tài)需求，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時自動快速調(diào)節(jié)無功功率，它既可以有效解決電源端暫態(tài)過電壓問題，也可以實現(xiàn)系統(tǒng)電壓和直流功率的迅速恢復(fù)，提升電力系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。為滿足上述暫態(tài)需求能力，參照國網(wǎng)調(diào)相機相關(guān)要求[6]，勵磁系統(tǒng)強勵電壓倍數(shù)不小于3.5（對應(yīng)調(diào)相機端電壓0.8Ue時），強勵電流倍數(shù)不小于2.5，允許強勵時間不低于15 s。該標準遠高于常規(guī)勵磁系統(tǒng)設(shè)計，故在火電機組增加調(diào)相機功能的工程中，勵磁變壓器、功率單元晶閘管選型設(shè)計將相應(yīng)提高和改造。

1.3" " 流程配合

作為調(diào)相機運行時，勵磁系統(tǒng)需要與DCS、SFC等系統(tǒng)進行配合交互，且一般調(diào)相機啟停過程均采用自動順控，故勵磁系統(tǒng)需要設(shè)計相對應(yīng)的信號交互接口和匹配DCS、SFC、保護等其他系統(tǒng)的邏輯流程，方能確保機組的順利啟停。

2" " 設(shè)計原則與要點

2.1" " 典型機組參數(shù)

本文以350 MW機組為例，介紹勵磁系統(tǒng)的設(shè)計原則與要點，機組典型參數(shù)如表1所示。

原發(fā)電機的老勵磁變及勵磁系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

由以上參數(shù)可見，發(fā)電機和調(diào)相機的容量、定子電流、勵磁電流等參數(shù)基準不一致，強勵倍數(shù)不一致，故勵磁設(shè)計時軟硬件均需特殊處理。

2.2" " 啟動勵磁設(shè)計

本文將介紹配置單獨啟動勵磁的方案，即調(diào)相機在啟動階段采用啟動勵磁工作，啟動升速結(jié)束后切換至主勵磁工作，啟動勵磁和主勵磁采用不同的勵磁變和功率橋。啟動勵磁的選型設(shè)計需嚴格按照SFC啟動設(shè)備的要求來進行。

2.2.1" " 啟動勵磁變設(shè)計選型

調(diào)相機在啟動過程中由SFC提供定子電流，由啟動勵磁提供勵磁電流，勵磁電流的大小由SFC運算決定，SFC啟動升速曲線如圖1所示。

啟動勵磁變副邊電流的計算式如式（1）所示：

式中：I2為啟動變壓器二次側(cè)電流；Ifq為調(diào)相機SFC啟動時所需的勵磁電流。

由圖1可見，在調(diào)相機啟動過程中需要的最大勵磁電流為600 A，則啟動勵磁變副邊電流為：

故勵磁變設(shè)計選型應(yīng)要求副邊電流大于539 A。

調(diào)相機啟動過程中，勵磁電壓由勵磁變提供，勵磁電壓與勵磁變二次側(cè)電壓的計算式如式（2）所示：

式中：U2為勵磁變壓器二次側(cè)空載額定線電壓；αmin為勵磁最小觸發(fā)角，啟動過程最小為10°；Ifq為啟動勵磁電流；Ufq為啟動勵磁電壓；∑ΔU為電壓降之和，包括導(dǎo)通兩臂的硅元件正向壓降，匯流導(dǎo)線電阻壓降及轉(zhuǎn)子滑環(huán)與碳刷間的壓降，計算中啟動工況取2 V；Xr為變壓器電抗，其計算式見式（3）：

式中：Uk為變壓器阻抗電壓，取4%。

根據(jù)SFC啟動的要求，啟動期間勵磁電壓需滿足1.8倍額定空載勵磁電壓，即取Ufq=1.8Uf0，綜上，得出U2應(yīng)滿足式（4）：

由此得出勵磁變壓器二次側(cè)空載額定線電壓應(yīng)大于145 V。

綜上，啟動勵磁變二次側(cè)電流應(yīng)大于539 A，電壓應(yīng)大于145 V，再考慮裕度，變壓器選型為容量200 kVA，變比400/160 V，額定二次電流722 A，阻抗4%。

2.2.2" " 啟動勵磁其他設(shè)計注意事項

啟動勵磁僅在調(diào)相機啟動過程使用，啟動完成后即退出運行，勵磁變選型完成后，啟動勵磁其他元器件選型按照常規(guī)勵磁選型設(shè)計即可[7]。

啟動勵磁在工作期間需要與SFC之間進行4～20 mA的信號交互，具體為啟動勵磁接收SFC發(fā)來的4～20 mA勵磁電流參考值指令，同時將啟動勵磁實際工作的勵磁電流值通過4～20 mA反饋至SFC，故在設(shè)計啟動勵磁時，需預(yù)留至少2組4～20 mA信號通道。

由于是火電機組增加調(diào)相機功能，故現(xiàn)場需要新增啟動電源柜1面、啟動功率柜1面，設(shè)計階段需考慮新增屏柜的土建位置和走線空間。

2.3" " 主勵磁主要元器件設(shè)計

火電機組增加調(diào)相機功能，發(fā)電機和調(diào)相機共用同一套主勵磁系統(tǒng)，故主勵磁系統(tǒng)的設(shè)計需兼顧發(fā)電工況和調(diào)相工況的需求，核心元器件的選擇需按照發(fā)電機和調(diào)相機中較高者核算。

2.3.1" " 主勵磁變設(shè)計選型

主勵磁變副邊電流的計算式如式（5）所示：

式中：I2為主勵磁變壓器二次側(cè)電流；Ifn為發(fā)電機或調(diào)相機勵磁電流。

由表1可知，發(fā)電機額定勵磁電流大于調(diào)相機額定勵磁電流，故取4 467 A。由式（5）可得出I2為：

故主勵磁變壓器二次側(cè)電流應(yīng)大于4 012 A。

勵磁電壓與主勵磁變二次側(cè)電壓的計算式如式（6）所示：

式中：k1為勵磁電壓強勵倍數(shù)；k2為勵磁變二次側(cè)電壓跌落倍數(shù)；k3為勵磁電流強勵倍數(shù)；Ufn為額定勵磁電壓；U2為勵磁變壓器二次側(cè)空載額定線電壓；Uk為變壓器阻抗電壓，取8%；∑ΔU為電壓降之和，包括導(dǎo)通兩臂的硅元件正向壓降、匯流導(dǎo)線電阻壓降及轉(zhuǎn)子滑環(huán)與碳刷間的壓降；αmin為勵磁最小觸發(fā)角；Ifn為額定勵磁電流；I2為勵磁變壓器二次側(cè)電流。

由式（6）可得出U2應(yīng)滿足式（7）：

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，作為調(diào)相機運行，當(dāng)機端電壓跌落至0.8倍時，要求勵磁系統(tǒng)電壓強勵倍數(shù)不低于3.5倍，勵磁電流強勵倍數(shù)不低于2.5倍，以此為最高標準進行設(shè)計，即k1取3.5，k2取0.8，k3取2.5，αmin取勵磁控制最小角度10°，∑ΔU取強勵工況10 V，Uk取8%，由式（7）可得出U2為：

綜上，主勵磁變二次側(cè)電流應(yīng)大于4 012 A，電壓應(yīng)大于1 228 V，再考慮裕度，變壓器選型為容量8 750 kVA，變比22/1.25 kV，額定二次電流4 042 A，阻抗8%。

而原發(fā)電機的老勵磁變?nèi)萘繛? 950 kVA、低壓側(cè)電壓0.65 kV，均遠不能滿足新增調(diào)相機的運行需求，故主勵磁變需進行整體更換。

2.3.2" " 功率單元晶閘管設(shè)計選型

主勵磁變選型確定后，施加到可控硅整流橋晶閘管兩端的最大電壓值由式（8）計算：

由于主勵磁變低壓側(cè)電壓為1.25 kV，由式（8）得到晶閘管兩端最大電壓為：

由此，晶閘管選型時，可重復(fù)加于可控硅元件的最大正向、反向峰值電壓值應(yīng)大于4 860 V，根據(jù)晶閘管選型等級，可選取DYNEX公司的DCR3990A52型可控硅，其可重復(fù)加于可控硅元件的最大正向、反向峰值電壓值可達5 200 V，額定正向平均電流為3 990 A。

另由表1可見，發(fā)電機的額定勵磁電流4 467 A大于調(diào)相機的額定勵磁電流4 289 A，按照高值設(shè)計的原則，額定勵磁電流Ifn取4 467 A。發(fā)電機強勵倍數(shù)為2倍，即強勵電流為2×4 467=8 934 A，而調(diào)相機強勵倍數(shù)為2.5倍，即強勵電流為2.5×4 289≈10 723 A，故按照高值設(shè)計的原則，強勵電流Iqn取10 723 A。

根據(jù)總體容量及勵磁系統(tǒng)N-1原則[8-9]，功率單元配置可控硅整流柜3面，每個整流柜配置3相全控橋1套，當(dāng)勵磁系統(tǒng)退出1橋運行時，要求滿足機組的所有工況運行，按照最高標準：

退1橋，剩2橋并列運行時，單橋長期輸出電流必須滿足（K2為均流系數(shù)，取0.95）：

退1橋，剩2橋并列運行時，單橋強勵短時（15 s）輸出電流必須滿足：

采用DCR3990A52型可控硅的功率橋，配置RSV210-400散熱器和洛森DKHR560風(fēng)機，單橋長期輸出電流可達3 000 A，單橋短時強勵輸出電流可達6 000 A，滿足最高運行需求。而原發(fā)電機的老勵磁系統(tǒng)可承受的陽極電壓為880 V，可控硅可承受反向阻斷電壓為4 300 V，均不能滿足新增調(diào)相機的運行需求，故勵磁系統(tǒng)需整體更換。

2.4" " 配合流程設(shè)計

當(dāng)作為調(diào)相機運行時，機組的啟動過程普遍采用一鍵順控模式，在啟動過程中勵磁系統(tǒng)需要與DCS系統(tǒng)、SFC系統(tǒng)進行信號交互，主要過程為：

（1）啟動勵磁配合SFC對機組進行拖動升速。

（2）升速至1.05倍額定轉(zhuǎn)速后，SFC退出運行。

（3）啟動勵磁退出，主勵磁投入并建壓。

（4）同期裝置快速捕捉同期點，發(fā)電機并網(wǎng)。

（5）并網(wǎng)后，由勵磁系統(tǒng)工作維持機組運行。

典型的啟機并網(wǎng)流程設(shè)計如圖2所示。

從啟機并網(wǎng)流程圖可見，勵磁系統(tǒng)在設(shè)計時需考慮預(yù)留與DCS、SFC的接口通道，并定義對應(yīng)功能，軟件設(shè)計上需與啟機流程相符。同時，DCS需進行擴容改造并設(shè)計總控流程，以匹配新增調(diào)相機的啟動需求。

3" " 結(jié)語

在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，火電機組增加調(diào)相機功能將是傳統(tǒng)火電發(fā)展的重要方向，其勵磁系統(tǒng)的啟動勵磁、高強勵倍數(shù)主勵磁、啟動流程接口等方面是難點和關(guān)鍵，本文介紹了對應(yīng)的設(shè)計原則和要點，以期對類似機組的工程設(shè)計和實際應(yīng)用有一定的參考和借鑒作用。

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收稿日期：2022-12-28

作者簡介：蘇家財（1986—），男，重慶人，工程師，研究方向：發(fā)電廠控制保護、特高壓直流輸電、柔性交直流輸電。