无刷励磁系统改造的方案设计及应用

2014-06-25王海军霍乾涛史玉华

电气传动自动化 2014年6期

王海军，霍乾涛，史玉华

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京210061）

1 概述

励磁系统作为发电机重要辅机之一，是建立并维持机组机端电压稳定的核心控制系统，是保障电网稳定运行的重要要素，也是公认的提高电网输送能力最经济、最优先采用的手段之一。

由于受到电力电子技术发展水平和发电机转子电刷绝缘水平的限制，同步发电机励磁系统形式多样。现阶段我国国内采用的励磁系统有自复励励磁、直流励磁机励磁、交流励磁机励磁、无刷励磁机及自并励励磁机等励磁形式。由于自并励励磁系统无旋转部件故也称为静止励磁系统，且其系统响应快，后期运行和维护成本较低，因此为当前新建大型机组电厂所采用的主流励磁系统形式。

2 问题的提出

某330MW 电厂建造于80年代，在初期进行设计时，电厂部分发电机机组的励磁系统采用无刷励磁形式并一直在沿用，但由于机组大轴较长，使得机组运行过程中出现稳定性能问题，同时无刷励磁系统内部的旋转整流器维护检测复杂，给机组的正常运行带来诸多问题，这在很大程度上影响了机组的安全稳定运行。同时由于机组励磁系统运行时间较长，设备老化、功能不完善，需要进行励磁系统升级，满足机组稳定要求，同时达到电力系统稳定和设备的更型。

3 改造方案分析及对比

为了解决上述问题，需要对励磁系统或励磁方式进行改造，以提高励磁系统的性能和机组稳定要求。为此根据机组现有励磁方式进行改造方案的分析及评价。

方案1，保持现有的无刷励磁方式。由于机组运行过程中，机组检测系统报稳定问题，因此其需要对大轴进行返厂维修或重新生产，同时对现有励磁系统升级。该方案保留原励磁方式，符合电厂运行人员的习惯，但不能解决大轴长而引起的其他问题，同时由于旋转励磁系统的存在，其响应较慢，达不到快速励磁的目的，影响系统强励能力，而且旋转励磁的后期维护量大，费用也高。

方案2，将励磁系统改造为静止自并励励磁系统。自并励主要由励磁变压器、励磁调节器、励磁整流装置、灭磁及过电压保护装置等组成。其特点为：①可改善轴系稳定性，由于取消了旋转励磁部件，使得发电机大轴缩短，降低了原动机动平衡和发电机的轴系振荡问题；②能提高电力系统运行水平，由于励磁系统响应速度快，再加入电力系统稳定器（PSS）后，可大大提高电力系统运行水平；③后期维护工作量小。

综合考虑发电机大轴生产周期及系统稳定性等问题后，最终选取方案2 对发电机励磁系统进行升级改造。

4 装置及关键器件的选型

4.1 装置选型依据

装置的选择需要按照现行的国家标准和行业规范，我国大型火力发电机组静止自并励励磁系统设计的主要相关标准有：《GB／T7409.3－2007 同步电机励磁系统大中型同步发电机励磁系统技术要求》（以下简称GB／T7409.3）、《DL／T843－2010大型汽轮发电机励磁系统技术条件》（以下简称DL／T843）、《DLT 294.1－2011 发电机灭磁及转子过电压保护装置技术条件第1 部分：磁场断路器》（以下简称DL／T－294.1）及《DLT 294.2－2011 发电机灭磁及转子过电压保护装置技术条件第2 部分：非线性电阻》（以下简称DL／T－294.2）等。根据以上标准，励磁系统各部件的设计及选型如下。

4.2 励磁变压器设计

励磁变压器是交流励磁电源的提供装置，其主要电气参数为二次电压和额定容量，由于二次电压影响系统强励、系统其他关键器件的参数，因此二次电压的合理选取非常重要。根据DL／T843 要求，“自并励静止励磁系统顶值电压倍数在发电机额定电压时不低于2.25 倍”，且“励磁系统允许顶值电流时间不低于10s”，因此励磁变二次电压为：

式中：αmin为励磁系统强励时晶闸管触发角，一般选取10 度；Ufn为发电机在额定工况下的励磁电压。

根据DL／T843 的要求，励磁系统在保证当发电机励磁电流、电压为其额定负载下励磁电流、电压的1.1 倍时，能长期连续运行，即：

再考虑电路压降损耗和发电机滑环损失，最终选取励磁变压器容量为5300kVA，二次电压为890V。

4.3 励磁整流柜

根据DL／T843 的要求：“功率整流装置的一个桥（或者一个支路）退出运行时应能满足输出顶值电流和1.1 倍发电机额定磁场电流连续运行要求，并要求在发电机机端短路时产生的磁场过电流不损坏功率整流装置。”由于强励只考虑10s，因此励磁系统主要考虑1.1 倍额定工况运行。

由于发电机机组额定磁场电流为3460A，再考虑到装置的裕量及均流系数，最终选取单柜额定出力为3000A 的4 柜并联运行模式。满足DL／T843的要求，同时可以满足发电机组在任何工况下的运行需求。

4.4 灭磁装置的选择

灭磁装置的设计主要为灭磁方式及其关键器件。关键器件为磁场断路器、灭磁电阻，而为了满足现场灭磁的速度，采用非线性灭磁方式。

磁场断路器选择主要考虑额定电流、额定电压、灭磁弧压、分断能力等，这些参数需要满足DL／T843 和DL／T－294.1 标准要求。考虑发电机机组额定励磁电压为494.8V、额定励磁电流为3460A，依据上述两个标准初步选定磁场断路器为HPB45M－82S。

根据DL／T－294.1 可知需要的磁场断路器弧压为：

其中：Ukmax为磁场断路器弧压；Ummax为灭磁电阻控制电压；Uzmax为整流器输出的最大电压。

由于励磁电压为494.8V，考虑到器件的安全性能，设计的灭磁系统控制电压为1800V，而整流器输出的最大电压为发生空载误强励时的工况，即发电机机端达到1.3 倍延时0.5s 跳灭磁开关时的电压，此时励磁变副边电压约为1.4 倍额定，因此整流器输出的最高电压为1761.8V，磁场断路器的弧压需要大于3561V，而HPB45M－82S 的弧压为3800V，满足灭磁的需求。

非线性灭磁电阻的主要参数为灭磁控制电压和灭磁容量。灭磁容量与发电机工况有关，为了使设计的灭磁电阻能够满足各种工况的灭磁需求，利用计算机求解同步发电机PARK 方程的方式来求解灭磁容量，仿真工况为空载误强励和发电机机端短路，如图1所示。

图1 空载误强励工况

由以上仿真可知，需要的最大灭磁容量为3.1734MJ，根据DL／T843 的要求，考虑到20%退出仍满足灭磁的需要，最终选取发电机灭磁容量为4MJ。如图2所示为负载时发电机内部短路跳灭磁开关工况。

图2 负载时发电机内部短路跳灭磁开关工况

4.5 励磁调节器

根据电机学原理可知，发电机机端电压大小与转子励磁电流或励磁电压有一定的关系，因此通过控制励磁电流或励磁电压就可实现发电机机端电压的调整。由于现代化励磁设备的励磁整流装置一般由可控硅三相全控整流桥来承担，因此只要控制可控硅的触发角，就可以控制励磁电流或励磁电压的大小。励磁调节器就是通过检测来自机端电压互感器（PT）的电压信号与目标设定值进行对比，依据反馈控制原理计算出可控硅的触发角来实现励磁电压的控制，从而控制发电机机端电压。

正是由于励磁调节器的重要性，作为发电机控制核心之一的励磁系统其模型必须满足GB／T7409.3和DL／T843 的要求。因此调节器应具有强励限制、过励限制、欠励限制、转子过电流限制、PT 断线检测等功能。同时为了更好地支持电力系统的稳定，励磁调节器需要具备PSS 功能以提高电力稳定和电力输送能力，为了限制“反调”，PSS 的模型一般选用PSS2B 模型。

根据《Q／GDW 142－2006 国家电网公司企业标准同步发电机励磁系统建模导则》，PSS2B 模型如图3所示。

为了试验方便，调节器应满足人机接口界面友好，方便数据信息查看等功能。考虑到调节器所处环境励磁电流很大，其形成的电磁环境容易干扰附近电子器件的工作，因此所选励磁调节器必须需具备屏蔽和抗干扰功能。