某核电厂应急柴油发电机相复励励磁电压调节问题分析及处理

顾秋斌 翟常营 陈耀明 林鑫

福建福清核电有限公司 福建福州 350300

应急柴油发电机作为核电厂的重要后备电源，在应急条件下起着至关重要的作用。本文介绍的应急柴油发电机励磁调节器使用了西门子公司生产的电磁迭加型可控相复励无刷励磁系统，该套励磁调节器具有结构简单，建压速度快的特点，能够保证应急柴油发电机在应急启动时10s内完成建压，满足电厂应急电源的需求[1]。

1 问题描述

维持应急柴油发电机输出电压的稳定是保证柴油发电机供电质量的主要措施之一。作为核电厂内的事故应急电源，其电压的稳定对下游核安全级设备的稳定运行也起着至关重要的作用，若电压过高或过低，势必会对负荷设备造成一定的影响。

该套励磁调节器由带相复励变压器及振荡回路的励磁调节回路和三相不可控整流桥附加IGBT直流斩波电路构成的调节器回路组成[2]。按照系统的设计要求，该套励磁调节器在不投调节器时可以达到±5%的调节精度，投入调节器后可以达到±0.5%的调节精度。

在应急柴油发电机进行空载励磁试验过程中，发现发电机励磁调节器试验模式下无法准确控制柴油发电机电压至额定值，并网时因电压调节不当会出现无功进相的问题，不满足设计的要求。

2 原因分析及处理过程

该问题的分析需从相复励励磁调节器结构及原理出发，分析其产生的根本原因。

2.1 相复励励磁调节器的工作原理

由图1所示，柴油发电机的励磁复励回路主要由复励变压器、电抗器L321、电容器C32和半导体整流器桥VD等部分组成。相复励变压器是一台三相三绕组的变压器，它的每相有三个绕组，即电压绕组N1，电流绕组N3，输出绕组N2。其中N1和N3是变压器的输入绕组。

图1 相复励励磁原理图

当柴油机拖动发电机转动逐渐升转速的过程中，发电机转子剩磁的会使定子产生一个残余电压，当残余电压经过振荡电路的振荡点（大约44Hz）左右时，电流向电压绕组N1的空载部分电流会迅速增大，经过半导体整流桥变成直流电送至发电机励磁绕组上，使转子磁场增加，发电机的电压也逐渐升高直至空载额定值。

当柴油发电机并网带上负荷后，电压绕组提供的励磁电流基本恒定不变，相复励变压器的电流绕组N3会流过负载电流，相复励变压器的两个输入绕组均在输出绕组N2上产生了电动势，此时，随着负载电流的变化，输出绕组N2上的感应电动势也随着改变，负载电流增大，输出的励磁电流也随之增大，以维持发电机端电压保持恒定。

因振荡器及CT变比的非线性特性，复励回路的控制精度在±5%左右，不能得到较高控制精度，因此，在柴油发电机的励磁控制系统中，还附加了一个IGBT直流斩波电路构成的调节器，用于提高调压精度，当调节器中的DC LINK的电压大于励磁回路的电压时，调节器则从励磁回路吸收直流电流，反之，则会给励磁回路提供部分电流，使发电机的出口电压维持设定值[3]。

2.2 相复励电压调试过程及问题分析

（1）相复励回路电压调节及无功功率不足分析。相复励回路包含两个调节元件，一个是相复励变压器的输出绕组N2抽头（固定端2.1，调节端绕组匝数2.3＜2.4＜2.5＜2.6＜2.2）及电压绕组的N1抽头（固定端3.1，调节端绕组匝数3.3＜3.4＜3.5＜3.6＜3.2）。另外一个是电抗器的气隙。

根据磁平衡的原理：

由上述磁平衡公式可见，当相复励变压器的输出绕组N2匝数越少，输出电压越大，反之越小。当相复励变压器的电压绕组N1匝数越大时，输出电压越大，反之越小。

为了防止柴油发电机带负荷或并网时能够提供足够的无功功率，在调节电压时一般先将相复励励磁变压器的输出绕组的N2抽头可调节端调至最小2.1-2.3，然后通过调节电压抽头N3来调节发电机的输出电压。同时，相复励回路的调节需将恒压调节装置退出运行。

当发电机的空载电压偏低时，可以通过调节电抗器L321的气隙来调节空载输出电压[4]。增大电抗器L321的气隙，空载输出电压增大，减小电抗器的输出电压，空载输出电压减小。

在柴油发电机带上负载后或并网后带上负载，若输出线圈N2的匝数位置不合理，就会造成励磁电流的电流分量不足以补偿电枢反应的去磁效应和漏抗的压降，使发电机的无功发不足，此为导致无功进行的原因之一。

（2）调节器回路投入后电压调节不精确问题分析。因为相复励控制回路的控制精度仅在±5%之间，当柴油发电机空载运行时，发电机出口电压很难稳定至额定电压6.6kV运行，若此时电抗器L321饱和，随着负载的增加，发电机的出口电压会随之降低而得不到足够的补偿。

自动恒压装置回路投入后，发电机的空载稳态电压维持在6.88kV，如图2。

图2 柴油发电机空载波形-带恒压调节装置（程序修改前）

通过图2可以看出，自动恒压装置无法将柴油发电机的出口电压精确的调节至额定电压6.6kV。此时，通过在仪控柜缓慢旋动增磁旋钮，发电机的出口电压缓慢增加；旋动减磁旋钮，发电机的出口电压缓慢降低；

一般的PID闭环控制图如图3所示

图3 PID闭环控制图

当给定值值为6.6kV时，发电机的输出电压也为6.6kV。经过查看调节器的逻辑程序，发现PID控制器的给定值输入随着柴油发电机机端电压的变化而变化。相复励回路的闭环控制将发电机输出电压稳定值6.8kV，当恒压调节器投入后，其给定值也为6.8kV左右，并随着机端电压变化。由此可以判断，恒压调节器失去了应有的控制作用。

（3）恒压调节器电压控制程序修改方案。恒压调节器的电压给定值自柴油发电机起机调节器装置投入运行后会随着机端电压的变化而变化，则无法维持6.6kV的额定值。

根据西门子公司设计的调节器的现有输入点，可以采用如下方案：

图4 程序修改方案逻辑图

RS触发器S主导真值表 NSW选择器真值表二进制命令 输出状态QN S R — —00QN保持不变01 11001 10I O0X11 X2—— — ——— — ——— — —

利用仪控柜发出的手动电压调节升高信号higher、电压降低信号lower、起励动作信号field flashing is active、投入调节器信号release regulator组态成电压给定值选择命令逻辑。如图4

在柴油机试验模式启动时，起励动作信号field flashing is active和投入调节器信号release regulator变化为1，RSS触发器复位，QN输出为1，NSW选择器输出给定值6.6kV，此时若手动调节增磁higher或减磁lower旋钮，或选择同期小车并网（并网时同期小车会调节发电机电压），此时RSS触发器置位，QN输出为0，NSW选择器输出给定值为柴油发电机机端电压，跟随机端电压变化。当柴油发电机由应急模式（仅相复励闭环回路起作用）供电退出时，调节器自动投入，此时柴油发电机电压会在恒压装置的控制下调节回6.6kV后延时停柴油发电机。

（4）修改方案验证结果。在程序修改下装至调节器后，启动柴油发电机并进行验证，空载波形电压稳定在了6.6kV。验证波形如图5：

图5 柴油发电机空载波形-带恒压调节装置（程序修改后）

3 结语

通过分析相复励励磁的电压调节原理，得出合理调整相复励变压器的输出绕组抽头对柴油发电机的无功输出起到一定的改善作用。通过恒压调节器软件的修改，解决了柴油发电机试验模式下输出电压不恒定的问题，使得输出电压的控制精度满足设计要求。