9E燃气轮机国产励磁调节器系统改造

彭 丹

(深圳钰湖电力有限公司, 广东深圳 518111)

Alstom公司为9E燃气轮机配套设计的MICROREC K4.1型自动励磁调节器是发电机的重要控制设备，随着励磁系统相关标准的不断提高，该类励磁调节器存在诸多安全隐患，如调节器单通道设计，控制/功率单元与发电机保护单元混合布置，调节器保护/信号输出继电器布置分散、接线复杂，缺乏独立的人机界面等。此外，该类励磁调节装置备件昂贵，设备售后维护及技术培训手续繁琐，随着机组运行年限的增加，备件与维护费用逐年增加。

经调查研究，燃气轮发电机组核心技术均为国外掌握，进口燃气轮机生产大厂如GE、三菱、西门子等控制系统均选择自产配套励磁设备，并且在通信、软件、逻辑等各方面形成技术壁垒，给机组的后期维护增加了很多困难。而国产励磁调节器技术成熟、产品质量过硬、性价比高，国内和GE公司合作生产的9E机组早已全部采用国内自己生产的双冗余发电机励磁调节系统，进口的9E机组中，也有武汉汉能电厂、镇海9E电厂等采用国产设备替代GE公司的EX2000和EX2100励磁调节系统。

9E燃气轮机组控制系统采用Mark Ⅵ控制系统，使用一键启停控制方式，与MICROREC K4.1型励磁控制装置存在多系统交错控制的问题。系统技术改造方式主要有两种：一是硬接线控制连接，使用控制电缆配置实现，要求设备有足够的输入、输出端子；二是通信系统连接，使用统一的通信系统，要求控制系统通信协议一致。通过调查研究，决定采用硬接线控制的方式实现新旧系统的切换。技术难点在于如何全面掌握Mark Ⅵ控制系统与励磁调节器通信交互控制逻辑，清查DI/DO点；另外，如何在控制系统上对相关信号加以区分是改造的另一难点。笔者着重研究了9E燃气轮机Mark Ⅵ控制系统与MICROREC K4.1型励磁调节器的交互控制策略，解决了国产励磁调节器代替进口MICROREC K4.1型励磁调节器的技术难点[1]。

1 技术改造

1.1 对改造前励磁调节器的研究

9E燃气轮机MICROREC K4.1型励磁调节器与燃气轮机Mark Ⅵ控制系统间采用通信系统连接，其控制指令不仅包括常规的励磁开/停机、增/减磁、保护跳闸指令等信号，还包括断路器分/合、发电机保护动作等反馈信号和发电机电流、电压、功率等模拟量参数信号。因为原励磁调节器生产厂家不能提供Mark Ⅵ控制系统信号的含义和功能，必须通过研究原励磁调节器控制策略及接线图纸，才能设计出能替代原励磁调节器的控制方案。通过分析研究控制策略，找出所有在Mark Ⅵ控制系统中通过通信协议方式传递的励磁调节器控制指令及反馈信号，并确定其作用及控制逻辑，获得改造需保留的逻辑程序[2-4]。

1.2 改造的主要技术工作

改造后国产RCS-9410A型微机励磁系统见图1。

图1 改造后国产RCS-9410A型励磁系统图

国产励磁系统包括两套RCS-9410A型励磁调节器，两套可控硅整流装置，采用原发电机电压互感器压变作为调节器第1组TV(电压互感器)值，在发电机出线柜新装一组TV，并将压变引入调节器作为第2组TV值，在Mark Ⅵ控制系统新增励磁电压、励磁电流模拟量信号。由于原励磁系统与Mark Ⅵ控制系统存在特定的通信方式，与传统开关量信号、模拟量数据存在差异，改造过程中必须通过试验验证以下3个问题：

(1) 励磁调节器的控制指令、状态反馈信号对Mark Ⅵ控制系统的影响。

(2) 励磁调节器的调节信号对Mark Ⅵ控制系统同期并网逻辑的影响。

(3) Mark Ⅵ控制系统发出的控制指令对新励磁调节器的作用。

经过一系列试验确定了改造后的励磁系统与Mark Ⅵ控制系统交互控制相关的控制、反馈信号，并能够满足与Mark Ⅵ控制系统的配合要求。表1为新励磁调节器与Mark Ⅵ控制系统的连接信号[5]。

表1 新励磁调节器与Mark Ⅵ控制系统连接信号表

表1(续)

改造完成后，进行了励磁调节器的静、动态试验。静态试验包括：手动/自动起励升压、主从通道切换、空载电压环/电流环切换、阶跃响应、TV断线、最大励磁限制、逆变灭磁、空载分灭磁开关、伏赫兹限制等试验。动态试验包括：并网带负荷试验、负荷阶跃试验、无功功率低励限制等。试验结果表明：该励磁调节器各项功能均达到设计要求，满足9E燃气轮机发电运行需要。

2 改造后励磁系统的功能及特点

2.1 励磁调节单元

新励磁调节器特点如下：

(1) RCS-9410A数字励磁调节装置以超级哈弗结构总线(SHARC)的DSP(数字信号处理器)作为计算控制的核心，实现励磁控制的所有功能；以ARM(微处理器)为通信中心，实现多种方式对外通信；采用双通道冗余结构，独立双通道采用并联互为在线备用的方式，不共用TV与电源。

(2) 两套励磁调节器采用相互独立的电源供电，充分保证励磁调节器工作电源的可靠性。

(3) 励磁调节装置具有不间断检测自身各重要环节的状况，对异常或发生错误的环节进行容错处理的功能，可根据相应情况，闭锁异常或错误的通道。

(4) 调节器配置有1种控制方式(PID+PSS方式)；6种运行方式(恒机端电压闭环方式、恒转子电流闭环方式、恒功率因数运行、恒无功功率运行、开环运行(试验)、系统电压跟踪)；3种投励升压方式(手动零起升压、自动初值起励、升自动软起励升压)；7种励磁限制(负载最小励磁电流限制、欠励限制、负载最大励磁电流限制、过励限制、V/F限制、空载最大励磁电流限制、磁场过电流反时限制)；5种保护(低励保护、过励保护、伏赫兹过磁通保护、TV断线保护、空载过电压保护)。

(5) 调节装置配置有录波功能，每组波形记录所有模拟量和所有开关量在20 s内的数值及变位信息，最大可储存8组波形，停电不丢失[6]。

2.2 功率整流单元

功率整流单元采用进口可控硅元件，可控硅组成三相全控整流桥，两桥并联输出，均流系数可达0.9以上，单桥投运时能确保机组安全运行，在强励工况下允许2倍额定电流运行10 s。整流桥两侧均设置有过流、过压保护，每个整流桥均设有开关，使发电机组运行的安全性和可靠性有较大的提高[6]。

3 改造后运行情况和效益

通过实际运行情况的验证，改造后的RCS-9410A型励磁调节器运行可靠，调节特性良好，与燃气轮机Mark Ⅵ控制系统配合良好，彻底解决了原励磁系统单通道运行、元件老化、备件昂贵、维护困难等不利因素，大幅度降低了设备日常维护费用。原励磁系统若升级为GE公司或ABB公司的进口励磁系统，费用至少100万元，而该项目国产化总投资仅35万元；原系统每年维护费用约8万元，国产化系统每年备件、维护费用不超过3万元，且机组运行可靠。

4 结语

本次技术改造项目根据9E燃气轮机MICROREC K4.1型励磁调节器与Mark Ⅵ控制系统交错控制的特点，成功将国产RCS-9410A型数字励磁调节系统应用于9E燃气轮机，并完成励磁调节器各项功能试验，改造后的励磁系统结构简单、功能完善、操作简单、调试方便，整体性能符合国家及行业标准，不仅满足了机组安全稳定运行的各项技术要求，还兼顾了技术改造的经济性，为进一步提高发电机组及电网的安全稳定运行提供了可靠保障。