GE 9E燃机无刷励磁系统的国产化改造

，

(国电南京自动化股份有限公司，南京 210032)

1 问题的提出

华电上海奉贤燃机发电有限公司(以下简称奉贤发电公司)一期为4×180 MW双燃料9E级一拖一多轴布置燃气-蒸汽联合循环机组。机岛设备采用GE公司的PG9171E型燃气轮机(以下简称燃机)，燃机发电机采用闭式空冷，额定出力136 MW。燃机发电机励磁方式为两机一变无刷励磁，励磁变压器(以下简称励磁变)电源取自厂用电源母线，变比400/280，励磁机额定励磁电压100 V，额定励磁电流12.6 A。相关一次设备接线图如图1所示。

原励磁系统采用奥地利ELIN公司生产的THYNE4型单通道励磁调节器，配置为单控制器单整流桥，不满足《汽轮发电机运行规程》(国电发〔1999〕579号文)“发电机应配备双自动通道励磁

图1 励磁系统一次设备接线Fig.1 Excitation system primary equipment wiring

调节器”要求。本次改造计划将原有单控制器改为双控制器，双控制器自动通道采用一主一热备运行方式；单整流桥改为双整流桥并联互为热备用方式运行； 要配合机岛控制系统(Mark VI)实现机组的一键启停。

本文以奉贤发电公司一期#11，#21 9E燃机无刷励磁系统为例，介绍了PSVR 100发电机励磁系统在GE 9E燃机无刷励磁系统上的国产化改造应用情况。

2 主要技术工作

与常规的励磁系统比较，9E燃机无刷励磁系统的特殊之处在于该型励磁系统需要与机岛控制系统(Mark VI)交互配合，实现机组的一键启停，也是该型励磁系统改造的技术难点。

经过前期的技术研究、图纸分析和现场实际确认，确定了改造后的励磁系统与MARK VI系统之间交互的关键信号量(见表1)，确保改造后励磁系统与MARK VI系统之间的功能匹配一致。

表1 励磁系统与MARK VI通信信号Tab.1 Excitation system and MARK VI signal

通过对该燃机启停过程及交互信号的梳理分析、实际操作、试验确认，最终确定燃机的启停动过程。

2.1 启动过程

燃机在启动时，Mark VI根据机组的启动进度情况对励磁系统发出相应的指令。在发电机到达95%额定转速时，合励磁系统电源开关，同时令励磁系统投入运行；在发电机达到98%额定转速时,令励磁系统开始投入建压，将机端电压快速建至95%额定电压。

励磁系统在建压完成后对Mark VI系统反馈建压完成信号，允许同期，进入下一步同期流程。

由MARK VI系统根据发电机电压信号和母线电压信号进行同期判断，当转速、电压满足并网条件后出口操作同期并网。

相关启动流程如图2所示。

图2 启动流程Fig.2 Start-up process

2.2 停机过程

燃机在停机时，首先由运行人员将Mark VI系统投入恒功率因数(PF)控制模式，手动操作降低有功负荷给定值，准备机组解列；由于机组处于PF控制模式下，在减有功负荷的同时Mark VI系统也会控制励磁系统减无功负荷。

有功负荷低于一定门槛值后，由运行人员将Mark VI投入恒无功模式，将无功负荷给定值设为零，控制励磁系统减无功负荷到零，由励磁装置判断有功负荷、无功负荷均低于门槛值且有MARK VI系统发来的停机指令(L94X1)后动作出口解列。

这一点区别于常规机组励磁系统只接收无功负荷减载命令减无功负荷，励磁装置作为停机过程中解列指令的发出者，既要动作准确，还要防止误动。

发电机解列后一段时间，励磁系统根据MARK VI系统停机指令(L94X1)继续自动完成下列操作：逆变停机，将机端电压减小到零；分励磁电源开关，励磁调节装置退出运行，最终完成燃机发电机组的停机流程。相关停机流程如图3所示。

3 改造方案及试验

3.1 改造方案

针对该型机组的特点和现场实际情况，改造方案为：PSVR 100发电机励磁调节柜1面(即燃机励磁控制盘)，柜内布置满足该燃机启停控制要求的双套发电机励磁调节装置，一主一热备；双套三相全控整流桥并列运行；增加1套就地励磁人机界面(HMI)监控系统以及与MARK VI系统配合所需的全套接口回路(包括1套发电机测控变送器、同期控制回路、保护出口回路等)。

图3 停机流程Fig.3 Shutdown process

根据该型燃机无刷励磁系统的特点，基于成熟的启停控制策略和交互式设计理念，对PSVR 100励磁系统功能进行优化和拓展，并进行静态及动态启停过程模拟，实现与原Mark VI设备快速交互控制、一键启停等功能。

该燃机无刷励磁系统为常规二机一变励磁系统，由于励磁机时间常数较大，PSVR 100励磁系统使用如图4所示的传递函数，采用了转子电压负反馈，以减少励磁机的时间常数，将常规励磁系统改造成为接近快速励磁系统水平，提高了发电机及电力系统的暂态稳定性。

图4 调节器传递函数Fig.4 Regulator transfer function

PSRV 100励磁系统配有专用的HMI，其配置如图5所示。该人机界面能够就地显示双套励磁装置的状态和信息；可方便进行定值修改、试验操作、录波查询等功能；界面友好，易操作，可提高现场调试效率，方便运行人员维护[1]。

图5 HMI配置Fig.5 HMI configuration

3.2 相关试验

改造完成后对新的励磁系统进行了静态模拟及动态试验。静态试验包括励磁屏柜内开入开出传动、模拟量通道校验、保护校验、小电流试验、逻辑功能联调等。动态试验分为空载试验及负载试验，空载动态试验包括零起升压、阶跃、逆变、通道切换、自动手动切换及各种保护限制功能及灭磁试验等，负载动态试验包括并网带负荷、通道切换、低励进相、调差等试验。选取部分静态、动态试验如下。

该型机组励磁方式为两机一变励磁，可以利用励磁变作为小电流试验所需电源，在确保设备和人员安全的情况下还可直接利用励磁绕组作为负载进行小电流试验。该试验方式可验证励磁系统主回路的正确性，并可直接验证手动环(恒电流模式PID)的调节性能。

逻辑功能联调作为静态试验的最后一个环节，模拟燃机启停过程中对励磁系统的配合情况进行校验。由于MARK VI系统所需的发电机电压、电流、有功功率、无功功率等相关电气量(DC 4～20 mA)来自于励磁屏柜内测控变送器，因此利用继电保护测试仪对励磁屏柜相关端子外加模拟量，模拟出发电机建压，带有功功率、无功功率等工况。该试验还需分散控制系统(DCS)热控专业人员配合将MARK VI系统内的一些DI，DO量根据需要进行强制，配合继电保护测试仪，验证励磁系统在燃机启停过程中的逻辑功能是否正确。

相关空载试验波形如图6所示。 图6a为自动建压试验波形，设定目标值95%额定机端电压，步长每秒10%，建压过程中超调量为0.253%；图6b为阶跃响应(±5%)试验波形，设定100%额定机端电压下给定阶跃量5%，试验按先下阶跃再上阶跃方式，计算出上阶跃上升时间0.52 s，调节时间2.40 s，阶跃过程中超调量为7.533%，无振荡，试验结果均满足标准要求[2]。

图6 空载试验波形Fig.6 No-load test waveform

电力系统稳定器(PSS)采用PSS2B的模型，如图7所示，将经过扫频试验后确定的PSS参数固化到装置，分别进行PSS功能投/退试验。图8为PSS功能投退情况下阶跃有功功率录波，根据试验波形可看出，PSS投入后发电机的有功功率振荡得到了明显抑制，增加了励磁系统运行稳定性，波形振荡频率变化符合要求，阻尼比有较大提高， PSS作用正确[3]。

图7 PSS2B模型Fig.7 PSS2B model

图8 PSS功能投退情况下阶跃有功功率录波Fig.8 Step active power recording with/without PSS

上述静态试验和动态试验结果表明，国产化PSVR 100发电机励磁系统能够满足该9E 燃机及类似机组的运行及启停要求，调节控制性能优良，相关保护逻辑功能动作准确。

4 结论

PSVR100发电机励磁系统成功地实现了在奉贤发电公司9E燃机#11，#21机组的国产化改造。近1年来，PSVR100励磁系统各项控制性能良好，通过各种运行工况的考验，运行平稳，与MARKVI系统交互配合良好，运行稳定、可靠，机组启停正常，获得了用户的认可和好评。与改造前相比，大大提高了机组的可靠性，缩短了维护响应时间，降低了励磁设备的运行维护费用。

9E燃机无刷励磁系统的成功国产化改造表明，PSVR 100励磁系统各项性能优越，运行稳定，保护和控制性能符合国家及行业励磁标准，满足燃机安全、稳定运行的各项技术要求，打破了进口设备的技术垄断，实现了9E燃机无刷励磁系统以及该类电力控制设备的国产化，为国内很多相同或类似机组提供了更多、更好的选择，经济和社会效益显著。