国产励磁系统在大型抽水蓄能电站的应用及分析

2012-09-03王伟，董波

中国水能及电气化 2012年7期

王伟，董波

（1.浙江华电乌溪江水力发电厂，浙江衢州 324000；2.安徽响水涧抽水蓄能电站，安徽芜湖 2410838）

抽水蓄能机组与常规机组相比较，运行工况多，有发电、发电调相、抽水、抽水调相等数种工况。因此，在选用励磁装置时，必须考虑SFC启动、电气制动和背靠背起动（BTB）等对励磁系统的要求。长期以来，我国抽水蓄能电站均采用进口励磁设备，存在设备价格昂贵、订货周期长、备品备件价格高、供应不及时和保修期短等问题。而且，投产后发生故障或进行技术升级，均需国外资深工程师现场处理，又会产生服务费用高、服务不及时和延误发电工期等问题。

响水涧抽水蓄能电站位于安徽省芜湖市三山区峨桥镇境内，总装机容量1000MW，安装4台250MW可逆式水泵水轮机/发电电动机组。作为主机设备全国产化的大型抽水蓄能电站，响水涧抽水蓄能电站采用的自并励可控硅静止整流励磁系统，其励磁调节器是带集成顺控器的NES5100型发电机励磁调节器。该套励磁系统在响水涧电站的成功应用，打破了国外公司的技术垄断，降低了抽水蓄能电站的投资成本和维护成本。

1 国产励磁系统主回路设备

响水涧抽水蓄能电站为发电机-变压器单元接线，发电机出口设15.75kV开关。励磁系统参数见表1，励磁系统示意图见图1。

表1 励磁系统参数

1.1 励磁电源

图1 励磁系统示意图

励磁变压器连接在主变低压侧，中间不设隔离开关。交流电源通过电缆线被送至1号整流柜FLZ1内交流母线。3个可控硅整流桥并联在交流母线上，为转子提供励磁电源。在励磁变的低压侧装设一只励磁变低压开关。机组正常开机建压时，开关合闸；停机灭磁时，开关分闸。电制动投入前合闸，电制动退出后分闸。在励磁变保护动作时，该开关由保护出口跳闸，隔离故障设备,保障设备安全；在设备检修维护时将其断开作为停电隔离措施，保证人身安全。

1.2 可控硅整流装置

机组运行时，3个可控硅整流桥均投入运行，当一个可控硅整流桥发生故障时，监控系统将发出报警信号，剩余2个可控硅整流桥仍能满足机组包括强励在内的最大运行出力要求；当二个可控硅整流桥发生故障时，应立即限负荷运行，有备用机组的可以联系转移负荷、停机处理。不同可控硅整流桥相同桥臂上的可控硅发生故障的数量不超过1个时，机组仍能正常运行。

1.3 散热装置

每个整流柜底部都安装2台DDM10/8型抽气式冷却风机，3个整流柜内部联通，在3号整流柜上方有一公共排气口。励磁系统运行时，冷空气经滤网从整流柜底部进入，对可控硅进行冷却，热空气从3号整流柜上部排至柜外。为了减小风机运行噪音，在其内部装设了噪声吸收装置。风机运行遵循轮番启动原则，自动切换，互为备用，在确保备用风机具备正常运行功能的同时，也使两台风机具有相同的磨损度。

1.4 黑启动装置

励磁系统配置有发电机黑启动功能箱，由闭锁二极管、限流电阻和起励接触器及其控制回路组成，起励电源取自直流220V母线。当励磁系统起动时，起励接触器合上，接入直流电源,使发电机的端电压升高，当机组电压达到5%额定机端电压时，可控硅整流桥启动整流，使机组的励磁电流逐步升高，在直流母线上的励磁电流超过20%空载励磁电流时，起励接触器跳开。此后，机端电压将随励磁电流增加而增加。

1.5 过电压保护及灭磁装置

励磁系统直流侧设有1个直流过电压保护装置，该装置是由两个反向平行的可控硅及触发可控硅（BOD）和灭磁电阻（非线性电阻、线性电阻）组成。可控硅由触发模块控制，当转子电压超过触发模块的动作阀值时，相应的可控硅导通，接入灭磁电阻，将能量消耗在灭磁电阻上，起到保护的作用。

在两个反向平行的可控硅两端并联一个机械跨接器，停机灭磁时，磁场电流通过可控硅整流桥逆变，将转子所储能量返回系统，随之机械跨接器合上，接入灭磁电阻，消耗残余能量，在机械跨接器合上后0.1s磁场开关FCB在无负荷状态下断开，充分延长了磁场开关FCB的使用寿命。机械跨接器满足下列条件之一即分闸：在合上后延时30s或磁场开关FCB合闸之前。

2 国产励磁调节器的应用

2.1 励磁调节方式

响水涧电站的励磁调节器采用带集成顺控器的NES5100发电机励磁调节器，为双通道数字调节器，两个通道彼此独立，一主一备，两个通道的配置和功能完全一样。运行通道故障时首先切至备用通道，若此时故障仍存在，再切至备用通道的电流闭环调节模式（无扰动自动切换）。

每个通道均设有电压闭环调节方式和电流闭环调节方式。励磁电流闭环调节方式是常规励磁控制方式，主要在SFC启动、背靠背拖动、电气制动、黑启动、调节器的发电机电压测量故障（PT断线）或做试验时使用，以励磁电流作为调节变量，维持发电机励磁电流与电流参考值一致。励磁电流参考值由增磁命令（远方或就地）或减磁命令（远方或就地）进行增加或减小，而励磁电压闭环调节方式在大于90%额定转速的运行工况下使用。电压闭环调节模式和电流闭环调节模式的切换操作，可通过工控机“模式切换”功能界面进行切换。

调节器装置电源分两路引入：一路来自励磁交流母线，经整流后供给励磁调节器；另一路取自电站220V直流系统，作为后备电源。

2.2 调节器正常运行状态指示

1）脉冲电源板上24VP电源指示灯亮。

2）系统电源板上5V1、12VP、12VN、5V2、24V1、24V0电源指示灯亮。

3）CPU板“EX03”上“自动”、“主（从）套”、“运行”、“TXDL”灯亮，第二排4个黄灯闪烁，第三排2个黄灯闪烁，其它指示灯灭。正常运行时4个拨码开关均在下方位置。

4）模拟板“EX04”指示灯亮。盖板内5个电位器分别对应PT2电压UF2、发电机q轴电势Eq、A相转子电流Ila、B相转子电流Ilb、C相转子电流Ilc。正常运行时拨码开关在下方位置。

5）同步板“EX05”、“Y/Y2”指示灯亮。

表2 与国外励磁调节器功能的综合比较

6）开关量板1、开关量板2无异常指示。

7）脉冲放大板“EX08”上“投入”指示灯亮。正常运行时，拨码开关在上方位置。

8）液晶显示屏实时显示机组的机端电压、励磁电流、励磁状态、控制方式、有功功率、无功功率、频率等。

2.3 与国外励磁调节器功能的综合比较

通过与国外励磁调节器的综合比较，可以看出自身的优势和存在的问题。响水涧电站励磁调节器与国外励磁调节器比较情况见表2。

3 国产励磁系统存在的问题及对策分析

从2011年9月响水涧电站1号机整组启动调试开始，该励磁系统在机组调试及运行过程中，各元器件运行稳定，未发生因设备原因引起的故障或事故，保证了电站及电网系统安全、稳定运行。但在使用过程中，控制回路及保护功能方面尚存在有待改进之处。

3.1 励磁变低压开关合分过于频繁

3.1.1 问题分析

机组开机，转速达到95%Ne时，励磁变低压开关ECB第一次合闸，励磁装置启动工作，机端建压至额定后并网，机组停机，在机组开关GCB分闸后，ECB第一次分闸；当机组转速降至50%Ne时，ECB第二次合闸，励磁装置工作电制动投入；当机组转速下降至5%Ne，机械制动投入，电制动退出，ECB第二次分闸，见图2。在一个开停机过程中，励磁变低压开关将会分别完成合分闸动作2次。

响水涧电站1号机现在每天的负荷计划是1发1抽，励磁变低压开关每天要合分4次；在电网负荷紧张的时候，抽水蓄能机组为了满足电网调峰填谷的要求，需要完成2发2抽计划，励磁变低压开关在一天之内要合分8次，频繁的动作将会影响开关本体的使用寿命。

3.1.2 对策分析

响水涧电站的励磁系统采用三相全控整流桥将交流电源转换为直流电源，当需要灭磁的时候，全控桥的控制角后退至最小逆变角，全控桥从“整流”状态过渡到“逆变”状态，在逆变状态下，转子绕组中储存的能量逐渐被反送回交流电源侧。由于励磁绕组是无源的，随着储藏能量的衰减和逆变电流的减小，逆变过程将随之结束。磁场开关FCB在逆变结束后自动断开，实现转子绕组与交流进线电源的可靠隔离。

基于上述对励磁系统目前运行情况的分析，对控制回路进行改造是解决该问题最快捷有效的方式。改造的基本思路是：在励磁调节器控制回路中，取消正常停机时励磁变低压开关的合分控制逻辑，只在保护动作或励磁装置出现逆变故障时，才断开励磁变低压开关。

图2 励磁系统停机动作流程图

经过这样改造，在正常开停机过程中，励磁变低压开关ECB不动作，只合分磁场开关FCB，从而极大地减少励磁变低压开关的合分次数，延长开关的使用寿命。

3.2 励磁变保护设置不当

3.2.1 问题分析

励磁变压器设置了门控跳闸逻辑，即励磁变带电且柜门打开时出口跳相邻开关的保护。该保护功能主要靠检测主变低压侧PT及励磁变柜门位置反馈来实现。

图3 主变高压侧示意图

响水涧电站为发电机-主变压器单元接线形式。主变低压侧在发电机出口处设15.75kV开关，见图1；主变高压侧没有设置开关，见图3。

当主变低压侧PT带电时，若检测到励磁变柜门位置反馈在“开”位置，则立即出口跳相邻开关。对可能发生的最严重情况进行假定分析，假定此时1、2号机均带额定负荷并网运行，响繁线5051开关及500kV分段开关在合环运行。1号机励磁变柜门位置反馈发出“开”信号（实际柜门在关闭状态），导致该保护动作，出现的后果是：

1）跳1号机开关GCB1，1号机甩额定负荷；

2）跳2号机开关GCB2，2号机甩额定负荷；

3）跳500kV分段开关5012开关；

4）跳响繁线5051开关；

5）由1号主变供电的10k V厂用电Ⅰ段将被迫倒换至10kV厂用电Ⅱ（或Ⅲ）段供电。

由此可见，该保护误动作将会给电站及电网带来极大的冲击，影响电站及电网的安全、稳定运行。在实际运行中，导致柜门位置反馈接点误动的因素很多，除了柜门位置反馈装置本身可能发生故障以外，发电机组在运行时产生的振动也有可能该导致位置反馈误动作。

3.2.2 对策分析

门控跳闸逻辑一般在进口励磁设备中配备，并不符合国内电厂运行维护的习惯和作业操作，易误动作。设置该保护的主要目的，是为了防止在带电情况下，人员误开励磁变柜门导致触电事故。可对该保护进行下列改造：

1）对励磁变柜门加装五防闭锁装置，通过五防装置的闭锁实现安全防护功能；

2）取消该保护的跳闸功能，改为发报警信号。在保护误动作时，保护装置发报警信号，不跳闸，提醒运行维护人员进行检查。

经过这样改造，除了能有效防止人员误开励磁变柜门之外，还能极大地减小保护误动作对电站及电网带来冲击的可能性。