烏東德水電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒來勇，張 杰

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010）

烏東德電站位于四川省金沙江干流上，總裝機(jī)容量10 200 MW，左右岸各6 臺(tái)850 MW 水輪發(fā)電機(jī)組。作為發(fā)電機(jī)主要附屬設(shè)備的勵(lì)磁系統(tǒng)，承擔(dān)提供發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流、維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、調(diào)節(jié)無功分配和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等重要任務(wù)，其可靠性直接影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，而其勵(lì)磁方式、調(diào)節(jié)性能和頂值電壓倍數(shù)又都關(guān)乎所接入的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，烏東德工程建設(shè)伊始，根據(jù)電站地下廠房特點(diǎn)，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等多維度對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式、頂值電壓倍數(shù)以及勵(lì)磁系統(tǒng)各主要設(shè)備的型式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究和比選，確定了勵(lì)磁系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。本文介紹設(shè)計(jì)中方案比選的一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，限于篇幅，本文對(duì)設(shè)備參數(shù)計(jì)算不作過多介紹。

1 勵(lì)磁方式及勵(lì)磁頂值倍數(shù)

1.1 勵(lì)磁方式

發(fā)電機(jī)有多種勵(lì)磁方式，包括他勵(lì)和自勵(lì)方式，自勵(lì)又分為自并勵(lì)和自復(fù)勵(lì)方式，其中自并勵(lì)方式由于其高起始響應(yīng)的顯著優(yōu)點(diǎn)，以及接線簡(jiǎn)單、無旋轉(zhuǎn)部件、占地面積小、維護(hù)工作量小、投資省等特點(diǎn)獲得廣泛應(yīng)用，積累了豐富的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

當(dāng)然，在某些勵(lì)磁特性上，如發(fā)電機(jī)近端三相短路下的強(qiáng)勵(lì)電壓特性、短路電流特性方面，自并勵(lì)勵(lì)磁方式也有不及其他勵(lì)磁方式之處，但對(duì)于機(jī)端采用離相封閉母線的發(fā)電機(jī)，自并勵(lì)方式與其他勵(lì)磁方式比較，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的作用并無多大區(qū)別，采取一定措施后對(duì)發(fā)電機(jī)后備保護(hù)動(dòng)作也無影響[1，2]。

自并勵(lì)又有兩種接線方式可選：①勵(lì)磁變接于發(fā)電機(jī)端，如圖1（a）所示。這種接線方式是最典型也是最常用的接法，只要發(fā)電機(jī)運(yùn)行，就有勵(lì)磁電源，可靠性高，在外部短路切除后，能迅速提供強(qiáng)勵(lì)電流，提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平，這種接線方式，需要外置起勵(lì)和電氣制動(dòng)電源。②勵(lì)磁變接于發(fā)電機(jī)斷路器系統(tǒng)側(cè)，如圖1（b）所示，是抽水蓄能機(jī)組典型接線方式[3]，同樣適用于常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)，如非洲最大的水電站安哥拉卡古路卡巴薩水電站就采用這種勵(lì)磁方式，但在國(guó)內(nèi)常規(guī)機(jī)組中鮮有應(yīng)用。這種接線方式，勵(lì)磁變壓器從系統(tǒng)側(cè)受電，除了需具備黑啟動(dòng)功能的機(jī)組，一般不需要設(shè)起勵(lì)裝置和電氣制動(dòng)勵(lì)磁裝置，缺點(diǎn)是若系統(tǒng)側(cè)事故，發(fā)電機(jī)斷路器跳閘后，系統(tǒng)電壓仍低，勵(lì)磁系統(tǒng)不能正常提供勵(lì)磁電流。

圖1 自并勵(lì)勵(lì)磁方式

烏東德電站為地下廠房，布置空間較為緊張，適合占地小的自并勵(lì)勵(lì)磁方式，如圖1（a）所示，勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端。

1.2 勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)

適當(dāng)高的頂值電壓倍數(shù)，并通過快速勵(lì)磁控制，可提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，但過高的頂值電壓倍數(shù)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的主回路及轉(zhuǎn)子的絕緣、磁場(chǎng)斷路器及整流元件的選型、以及工程造價(jià)均帶來不利影響。

烏東德電站單機(jī)容量大，對(duì)系統(tǒng)有著重要影響，因此按主變壓器高壓側(cè)發(fā)生三相短路期間保持短路電流暫態(tài)分量不衰減的原則來初選頂值電壓倍數(shù)很有必要。為頂值電壓系數(shù)，定義為：

式中：αmin、αo分別為強(qiáng)勵(lì)及空載時(shí)晶閘管的控制角。

由臨界外阻抗計(jì)算公式[4]可推導(dǎo)出頂值電壓系數(shù)Kα計(jì)算公式，并計(jì)算出主變高壓側(cè)三相短路電流暫態(tài)分量不衰減的Kα為：

式中：Xd為直軸電抗，烏東德左岸機(jī)組為0.83；XT為主變電抗，取0.17。

忽略各種壓降，強(qiáng)勵(lì)以及空載時(shí)，整流器輸出電壓分別為：

式中：UfN為額定勵(lì)磁電壓，541 V；Ufo為額定空載勵(lì)磁電壓，258 V；U2N為勵(lì)磁變副邊電壓。

由式（1）、（2）、（3）、（4）求得頂值電壓倍數(shù)KC為：

即維持主變高壓側(cè)三相短路電流暫態(tài)分量不衰減的頂值電壓倍數(shù)應(yīng)不小于2.2，有研究[5，6]表明，對(duì)于靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，當(dāng)頂值電壓倍數(shù)大于1.6 后，會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性不再隨頂值電壓倍數(shù)的提高而改善。為進(jìn)一步確定該參數(shù)，研究了部分單機(jī)容量相近的發(fā)電機(jī)頂值電壓倍數(shù)，見表1，除三峽電站取電力系統(tǒng)要求的2.5 倍外，其它電站均采用2.0 倍。

表1 部分大型水電站頂值電壓倍數(shù)

綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，確定烏東德勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)為2.0，既滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求，也滿足國(guó)內(nèi)相關(guān)勵(lì)磁標(biāo)準(zhǔn)不小于2 倍的要求。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)主要設(shè)備

2.1 勵(lì)磁變壓器

2.1.1 型式及接線組別

烏東德勵(lì)磁變壓器布置在地下廠房母線洞內(nèi)，考慮運(yùn)輸、布置及接線方便等因素，采用3 個(gè)單相變壓器，接成Y/Δ-11 組別，高壓側(cè)采用Y 接線，與離相封閉母線連接，低壓側(cè)采用Δ 接線，Δ 接線電流為Y 接的1/，減小了繞組導(dǎo)體截面，也消除3 的倍數(shù)次諧波影響。絕緣采用環(huán)氧澆注結(jié)構(gòu)，具有防潮、防腐、抗?jié)駸?、阻燃和自熄特性，以及局部放電值低、抗短路能力及耐雷電沖擊能力強(qiáng)、損耗及噪聲低、可靠性高和壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 容量、絕緣等級(jí)及溫升

勵(lì)磁變副邊電壓按機(jī)端電壓下降至80%額定電壓仍保證2 倍頂值電壓倍數(shù)考慮，副邊電流按滿足1.1 倍額定勵(lì)磁電流計(jì)算，在考慮諧波損耗后，容量預(yù)留10%～15%左右裕度，最終左岸、右岸機(jī)組勵(lì)磁變?nèi)萘糠謩e為3×2 500 kVA 和3×2 300 kVA。絕緣耐熱等級(jí)采用F 級(jí)，允許溫升按B 級(jí)絕緣耐熱等級(jí)考核取80 K。

2.2 功率整流器

2.2.1 接線型式

烏東德電站采用三相晶閘管全控橋式接線，晶閘管并聯(lián)橋數(shù)量，按可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性原則選擇，采用4 個(gè)功率整流橋并聯(lián)，每臂1 個(gè)元件，一橋故障滿足包括強(qiáng)勵(lì)在內(nèi)的所有功能，二橋故障滿足最大連續(xù)勵(lì)磁電流要求。

2.2.2 冷卻方式

功率整流器屬大功率設(shè)備，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量熱量，目前主要冷卻方式有以下2 種：（1）熱管自然冷卻，特點(diǎn)：①熱阻低、熱響應(yīng)速度快、熱傳導(dǎo)性能好；②熱管等溫性能好；③體積小，重量輕；④額定運(yùn)行無需風(fēng)機(jī)，無噪聲，無灰塵，節(jié)能低碳，日常維護(hù)量少。（2）強(qiáng)迫風(fēng)冷，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，適用于功率整流柜布置在開敞的主廠房、利用主廠房作為整流柜熱風(fēng)排放空間的發(fā)電機(jī)，但灰塵易進(jìn)入柜內(nèi)附在元器件表面，需頻繁更換風(fēng)機(jī)濾網(wǎng)，維護(hù)工作量很大。

烏東德整流柜采用熱管自然冷卻加備用風(fēng)機(jī)方式，在額定勵(lì)磁電流下無風(fēng)機(jī)運(yùn)行，在退柜或晶閘管外殼溫度大于80℃時(shí)啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)，減小了柜內(nèi)灰塵匯聚，降低了功率柜故障率，實(shí)際運(yùn)行冷卻效果良好，最高管芯溫度95.8 ℃[7]，低于允許的最高運(yùn)行溫度125℃。

2.3 滅磁及過電壓保護(hù)

2.3.1 滅磁

一般機(jī)組正常停機(jī)采用逆變滅磁，事故滅磁有交流滅磁、直流滅磁和交直流冗余滅磁三種方式。大型機(jī)組多采用交直流冗余滅磁方案[8]，烏東德就采用這種滅磁方式，如圖2 所示，直流磁場(chǎng)斷路器S101 可獨(dú)立承擔(dān)發(fā)電機(jī)各種滅磁工況滅磁，交流磁場(chǎng)斷路器S102 作為直流磁場(chǎng)斷路器的輔助滅磁和后備運(yùn)行方式，按滿足空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁工況選擇，機(jī)組事故時(shí)，觸發(fā)直流磁場(chǎng)斷路器跳閘滅磁，同時(shí)逆變，約70～100 ms 后，封閉整流器晶閘管觸發(fā)脈沖，同時(shí)啟動(dòng)交流磁場(chǎng)斷路器跳閘，利用整流器陽極電壓的負(fù)半周輔助建壓實(shí)現(xiàn)交流磁場(chǎng)斷路器跳閘滅磁。

圖2 烏東德電站滅磁及過電壓保護(hù)方案

直流磁場(chǎng)斷路器選用法國(guó)LENOIR 公司的CEX06 5000 4.2 開關(guān)，CEX 開關(guān)是一種具有雙斷口并帶常閉放電觸頭的真正意義上的磁場(chǎng)斷路器，最大分?jǐn)嚯妷? 000 V，從其型式試驗(yàn)報(bào)告看，在施加3 000 V 電壓試驗(yàn)中實(shí)際弧壓達(dá)5 100 V，遠(yuǎn)高于其保證的最大分?jǐn)嚯妷? 000 V，能滿足任何滅磁工況獨(dú)立滅磁的要求。交流磁場(chǎng)斷路器采用德國(guó)SIEMENS 真空斷路器，額定電流4 000 A，額定電壓12 kV。

滅磁電阻采用SiC 非線性電阻，優(yōu)點(diǎn)是：①單片容量大（每片可達(dá)50 kJ）；②自然均能性優(yōu)良，易于并聯(lián)；③在遭受能量沖擊后的失效類型是軟化，無短路危險(xiǎn)，而ZnO 呈短路態(tài)，需配置熔斷器保護(hù)；④無明顯轉(zhuǎn)折電壓，易導(dǎo)通，換流容易。缺點(diǎn)是滅磁時(shí)間比ZnO 電阻稍長(zhǎng)。工作能容量按機(jī)端三相短路和空載誤強(qiáng)勵(lì)這兩種最惡劣滅磁工況的耗能來選取，耗能不超過工作能容量80%，最終左、右電站統(tǒng)一為18 MJ。

2.3.2 過電壓保護(hù)

為防止各種過電壓，整流器交、直流側(cè)均應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù)裝置，烏東德電站交直流過電壓保護(hù)如圖3 所示，直流側(cè)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)采用跨接器加非線性電阻RFS 構(gòu)成，轉(zhuǎn)子過電壓與滅磁共用同一組非線性電阻。

圖3 阻容保護(hù)裝置原理圖

交流側(cè)過電壓保護(hù)有整流式阻容保護(hù)、三角形阻容保護(hù)和星型阻容保護(hù)等。整流式阻容保護(hù)如圖3（a）所示，需設(shè)整流器，整流器輸出電壓高（為1.35U2N），即使沒有尖峰過電壓，正常運(yùn)行時(shí)電阻也消耗功率，發(fā)熱最多。三角形阻容保護(hù)如圖3（b），它器件少，電容小，電阻發(fā)熱量較小，過電壓吸收效果最好。星型阻容保護(hù)如圖3（c），器件少，電容較小，電阻發(fā)熱量最少，過電壓吸收效果較好。不管哪種集中式阻容保護(hù)裝置，均不宜裝設(shè)在整流柜內(nèi)，應(yīng)單獨(dú)組柜，并配置冷卻風(fēng)機(jī)。有研究[9]表明，三角形聯(lián)結(jié)的過電壓抑制效果好，電容容量小，電阻耗能也較小，烏東德交流過電壓保護(hù)采用該方案。

2.4 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.4.1 勵(lì)磁控制方式

動(dòng)、靜態(tài)特性優(yōu)良的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定、增加功率輸送極限極為經(jīng)濟(jì)及有效的措施。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器基于電壓偏差的PID 調(diào)節(jié)方式，對(duì)于調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時(shí)間等靜態(tài)及動(dòng)態(tài)品質(zhì)有很好的作用，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）作為附加勵(lì)磁控制，以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、頻率或這些變量的組合作為輸人信號(hào)，經(jīng)校正環(huán)節(jié)后，補(bǔ)償勵(lì)磁系統(tǒng)本身引起的相位滯后，提供正阻尼，抑制低頻振蕩，烏東德采用PID+PSS 勵(lì)磁控制方式，可根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求選擇PSS2B 或PSS4B 模型，在系統(tǒng)振蕩頻率0.1Hz～2Hz 范圍內(nèi)提供正阻尼，改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性。

2.4.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

烏東德配置冗余的雙通道數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，每個(gè)通道包括完整的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)（AVR）、勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)（FCR）以及各種限制功能，雙通道采用熱備用運(yùn)行方式，工作通道故障時(shí)備用通道自動(dòng)投入運(yùn)行，并閉鎖故障通道。

2.5 電氣制動(dòng)

烏東德正常停機(jī)采用電氣制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)的混合制動(dòng)方式，電氣制動(dòng)勵(lì)磁電源，有下面2 種方案：①柔性電氣制動(dòng)方案，電氣制動(dòng)勵(lì)磁電源由380 V廠用電經(jīng)制動(dòng)變壓器BT、主整流器SCR 供給，見圖4（a），該方案節(jié)省一套制動(dòng)整流器，但接線及操作略為復(fù)雜，在許多大型、特大型電站有成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。②獨(dú)立整流器電氣制動(dòng)方案，電氣制動(dòng)勵(lì)磁電源由380V 廠用電經(jīng)制動(dòng)變壓器BT、制動(dòng)整流器SCR2供給，見圖4（b），接線及操作簡(jiǎn)單、可靠性高，但造價(jià)較高。烏東德電站采用柔性電氣制動(dòng)。

圖4 電氣制動(dòng)方案

3 結(jié)語

從2020 年烏東德電站首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，勵(lì)磁系統(tǒng)已安全運(yùn)行3 年多，它具有以下特點(diǎn)：

（1）合適的頂值電壓倍數(shù)，在技術(shù)上滿足要求的基礎(chǔ)上，不一味要求過高的頂值電壓倍數(shù)。

（2）根據(jù)烏東德電站廠房特點(diǎn)以及勵(lì)磁盤柜的布置情況，采用熱管自然冷卻方式散熱，非常適合機(jī)組分批投運(yùn)且投運(yùn)周期長(zhǎng)的烏東德電站建設(shè)模式，減少建設(shè)期廠房灰塵進(jìn)入柜內(nèi)。

（3）設(shè)置了單獨(dú)的交流過電壓保護(hù)柜，將發(fā)熱量大的交流阻容吸收裝置單獨(dú)組柜。

（4）磁場(chǎng)斷路器跳閘前采取逆變、封脈沖等輔助滅磁措施，減輕直流磁場(chǎng)斷路器的分?jǐn)嘭?fù)擔(dān)。