井冈山航电枢纽水力发电机组EXC 9100励磁系统选型优化与应用

2021-07-07中建五局土木工程有限公司皮俊科杨珊华吴永鑫

电力设备管理 2021年6期

中建五局土木工程有限公司皮俊科杨珊华吴永鑫

井冈山航电枢纽位于赣江中游河段的江西省吉安市境内，其中发电机组由6台22.17MW灯泡贯流式水力发电机与3台50MVA的10.5kV/242kV升压变采用扩大单元接线方式组成。

发电机励磁系统的作用主要是：维持发电机或其他控制点的电压水平，控制并联机组无功功率分配，提高系统稳定性。发电机励磁系统主要分为自并励静止励磁、它励静止励磁、直流励磁机励磁、交流励磁机励磁、无刷励磁等励磁系统。本电站采用的是主流的自并励励磁系统，具有结构简单、响应快速的优点。励磁系统的选型与整定参数的设置对整个系统的静、动态稳定特性起着至关重要的作用，但设备厂家与设计院在选型与参数计算时所依据的模型均来自理论数据，与实际运行状况会有一定的偏差，如果不进行优化，运行过程中可能会对系统的稳定性有较大影响，严重时会影响整个地区电网的稳定运行，因此有必要对上述参数进行分析，并结合机组调试试验的实测数据进行分析计算与总结，确保项目的调试与试运行顺利完工与交付，也为今后类似项目积累经验。

1 EXC 9100励磁系统介绍

1.1 EXC 9100励磁系统介绍

EXC 9100型励磁系统主要由励磁调节器单元（调节柜)、功率单元（两个功率柜)、灭磁及过压保护单元(灭磁开关柜、灭磁电阻柜等)、起励单元、励磁变压器等组成。励磁调节器单元包括了A/B两调节通道、人机界面部分、对外接口（智能IIU）及通讯模块部分。励磁系统内部的励磁调节通道、人机界面、智能IIU、功率单元、灭磁及过压保护单元之间的数据交换通过现场CAN总线实现。励磁调节器A、B通道间完全对等冗余，互为备用。

本工程主要参数如下：浙江富春江水电设备有限公司产SFWG22.17-80/7600发电机，额定容量24.63MVA，额定功率22.17MW，额定功率因数cosφ0.9（滞后），定子额定电压10.5kV，定子额定电流1354.5A，额定频率50Hz，额定转速75r/min，额定励磁电压388V，额定励磁电流810A，定子线圈接线方式Y型接线，冷却方式为强压、强迫，二次冷却，强励顶值电倍数2，强励电压响应比1037/388，允许强励时间10sec，每相定子电阻（75℃）0.0331Ω，不饱和/饱和直轴同步电抗0.905/0.802，不饱和横轴同步电抗0.613。

1.2 EXC 9100励磁调节柜介绍

励磁调节器主要由A/B双通道主控制板、开入量板、开出量板、人机界面、智能IIU以及特殊功能通讯模块（可选配）等组成。

主控制板完成的主要功能：常规调节功能。包括AVR调节（自动方式和手动方式）、给定值预置、无功调差、恒无功/功率因数附加调节、软起励、通道跟踪、系统电压跟踪等；附加控制功能。包括国际标准的IEEE-PSS2A、电力系统电压调节器（PSVR）及鲁棒非线性PSS等；限制功能。包括发电机电压V/F限制、瞬时强励限制、反时限过励限制、五点拟合的欠励限制等；模拟量采集、计算功能。实现了32点向量同步交流采样技术，完成了同步采集控制、同步交流采样及算法实现、频率补偿、同步信号检测、脉冲形成以及CPU接口等功能；脉冲输出。FPGA接受ARM的调节运算结果，进行同步信号检测及频率补偿后形成并输出可控硅触发脉冲信号；其它辅助功能。包括故障逻辑判断、参数在线修改、防误操作（如防接点粘连措施）、电源管理、芯片间互检、通道间互检、12位D/A输出等。

模拟量板完成的主要功能：主要实现发电机机端PT电压、机端CT电流、励磁CT电流、同步信号、系统PT电压、白噪声等模拟量信号的转换；I/O接口板完成的主要功能：外部对励磁调节器的诸如起励、增减磁操作、逆变、并网等控制、操作、状态信号，及调节器向外输出的控制、状态信号；开入量板板完成的主要功能：外部对励磁调节器的诸如起励、增减磁操作、逆变、并网等控制、操作、状态信号，采用的是24V电压等级的开入量；开出量板板完成的主要功能：励磁调节器向外输出的诸如投入起励电源、逆变失败分灭磁开关、R631信号等控制、状态信号硬件组成；智能IIU板主要功能：可灵活实现励磁系统与电站监控系统的数据交换。

1.3 EXC 9100智能功率柜介绍

智能化功率柜。每个智能化功率柜的主要部件包括六个可控硅组件（包括散热器）、六个带接点指示的快速熔断器、六个高耐压值的脉冲变压器、一套集中阻断式阻容保护装置或分散式阻容保护、一台或两台互为备用的的冷却风机、一个或两个风压节点用于风机启停监测、一块功率柜智能控制板、一块带按键的液晶显示屏、三个霍尔电流传感器、一个或二个测温电阻用于风温检测。

功率柜智能控制板。其核心控制芯片由ARM与CPLD组成。功率柜的控制信号从端子接入，经过光隔后送给ARM，输出信号经过继电器输出至相应端子上。调节柜送来的触发脉冲信号经过光隔后送至CPLD处理，首先将其转换为高频脉冲列，然后经放大后驱动脉冲变压器，触发可控硅导通。控制板能将各种状态和参数输出到液晶显示屏上显示，同时接收操作命令进行相应的处理。该板的功能是功率柜的智能检测和控制，可进行可控硅整流桥每个桥臂电流、风道温度、快速熔断器状态、阻容保护状态、风压接点的监测和智能均流、风机操作的控制以及功率柜电流显示、均流、风温校准等功能；同时将功率柜的信号通过CAN总线送到调节柜处理。

1.4 EXC 9100灭磁开关柜介绍

励磁系统正常停机时，调节器自动逆变灭磁，不需要跳开灭磁开关灭磁；事故停机，需要跳灭磁开关将磁场能量转移到灭磁电阻灭磁。当发电机处于滑极等非正常状态时，会在转子回路中产生很高的感应电压，此时转子回路中的A61模块检测到转子正向过电压超过定值时，就会马上触发V62可控硅，将灭磁电阻单元FR并入转子回路，通过灭磁电阻将产生的过电压能量消除；而转子回路的反向过电压信号则直接经过V61二极管接入灭磁电阻耗能，以保证发电机转子不会出现开路，从而保护转子绝缘不会被破坏。由于这种保护的存在，转子绕组会产生相反的磁场，用以抵消定子负序电流所产生的反转磁场，保护转子表面、转子护环不会被烧坏。

图1 EXC 9100逆变灭磁原理图

2 EXC 9100励磁系统关键元件参数核算与优化

励磁系统关键元件参数核算：励磁变容量与电压、可控硅元件的参数、整流桥参数、灭磁开关参数、灭磁电阻参数、起励装置参数、励磁变CT参数、快速熔断器参数，需要分别对所有参数进行计算与校验。

2.1 励磁变容量与电压

计算依据：满足发电机励磁绕组在1.1倍额定励磁电流下长期运行的要求，并留有足够裕度；发电机机端电压降到80%额定值时能提供2倍强励电流；整流桥为三相全控桥，最小控制角为10°。

变压器二次电压以U2N=(2×UfN+ΔUT)/ 1.35×0.8×(cosα-C×Im/In×XT)计算，式中UfN为额定励磁电压，取388V；ΔUT为可控硅总压降，一般取2V；C为倾斜系数，三相全控桥时取C=0.5；Im/In为强励时的二次电流与额定二次电流之比，取2；XT为变压器漏抗，取0.06；cosα为最小控制角系数，取0.985，带入式中得U2N=780V。

变压器容量计算：在考虑变压器的谐波损耗时，可取整流变压器的容量为发电机额定运行时励磁容量的1.2倍。则励磁变容量计算为：P=1.2√3×u2N×0.816IfN=1.2×1.732×780×810×0.816=1071.5k VA。实际选取励磁变压器的容量为1100kVA，有裕度满足要求。励磁变压器选取的容量为1100kVA，变比为10500V/780V。

2.2 可控硅元件的参数

可控硅反峰电压选择计算：反向重复峰值电压应大于或等于励磁变压器二次侧最大峰值电压的2.75倍，则Urp=2.75×√2×U2N=3.8885×780=30 33.03V，现实际选取的晶闸管重复峰值电压为Urp=4200V，满足要求并留有较大裕度。

常温下可控硅平均通态电流的选择为:IP≥KSAKjiIdK4/K2KSK6，式中KSA为电流储备系数取2；Kji为电路系数，对三相全控桥取0.367；K4为海拔高度系数，取1.1；K6为风速降低，温度上升，取0.9；K2为风速系数，5m/s，取1.0；KS为环境温度系数，40℃，取1.0；Id为额定励磁电流，取810A，带入式中得IP=726.7A。

并联支路数nb≥IP/K7In。K7取1，In=1150A,计算Nb=0.63，即单桥就能满足所有工况运行包括强励，实际选取并联支路数为2。

可控硅选取为5STP12F4200 1150A/4200V。

2.3 整流桥参数

本工程配置两套整流桥，考虑到额定励磁电压为388V，额定励磁电流为810A。选择可控硅快熔型号为RS4-1000V/1000A-PLm104NK。

自动调节特性参数。自动方式运行，三相调压器输出电压保持恒定。进行增磁操作，当电压给定Ugd大于机端电压Ug时控制信号Uk减小，输出电压增大；进行减磁操作，当Ugd小于Ug时控制信号Uk增大，输出电压减小。増减调节输出电压变化连续，无突变现象（表1）；移相特性参数。B通道恒控制角模式，各整流桥触发角度下的移相特性见表2。

表1 自动调节特性参数表

表2 移相特性参数表

2.4 灭磁开关参数

额定电压的核算。磁场断路器额定电压应大于磁场断路器长期工作电压的最大值，按2倍额定励磁电压考虑：Un＞2×Ufn=2×388=776V，实际选取的灭磁开关额定工作电压为1000V，满足使用要求；额定电流的核算。磁场断路器的额定电流应不小于发电机长期工作时励磁电流的1.2倍：In＞1.2×810=972A；分断能力的核算。电机故障发生转子滑环侧短路时所产生的磁场绕组短路电流，按以下公式计算：IS=S/0.816×√3U2N×UK%，计算得分断能力为16.6kA，实选灭磁开关额定短路耐受电流为42kA，满足要求。

灭磁开关弧压验算。非线性灭磁电阻残压值的选择UR=1100V，机组发电机强励期间发生机端三相短路灭磁时磁场断路器弧压验算：此时电源电压为0，励磁电流为3倍额定励磁电流需要的磁场断路器弧压为Uarcmin=0+UR=1100V，机组发电机空载过压保护动作灭磁时磁场断路器弧压验算Uarcmin=1100-1.3×1.414×780=-333.8V。

综上，磁场断路器的弧压需要大于1100V，而E1B/EMS1250A/1000V开关的理论弧压可达2880V，满足实际运行要求。实际选取的灭磁开关型号为E1B/EMS1250A/1000V，额定电流为1250A、3串10并，满足要求。

2.5 灭磁电阻参数

磁场绕组电感Lf=T'do×Rf75℃，式中Rf75℃=0.4069Ω，T'do=2.872S则Lf=0.4069×2.872=1.169H。电机额定空载励磁电流时磁场储能Wf0=0.5×Lf×If02=0.5×1.169×4402=0.113MJ（Ifo为空载励磁电流）。发电机磁场最大储能Wfmax=1/2 Lf×If0×Ifk=0.5×1.169×440×810×2=0.417MJ（Ifk为强励励磁电流）。发电机灭磁时灭磁电阻耗能和灭磁电阻设计能容量WRfk，根据我国计算机程序计算和制造厂估算经验，灭磁电阻在发电机空载灭磁时耗能占磁场储能的比率系数为0.7。（考虑定子漏抗及磁场饱和电枢反应、转子绕组本身电阻的耗能、阻尼绕组耗能）。考虑20%备退裕度，则WRfk=0.417×0.7×1.2=0.35MJ，配置的非线性灭磁电阻的总能容氧化锌非线性电阻配置为0.6MJ。

2.6 其他参数

电压保护参数2.5×√2×U2L＜动作值＜10×√2×UfN×0.7，即2757.3V＜动作值＜3840.4V，实际选取的过电压动作值为2800V；起励装置参数。选用220V直流电源作为起励电源，将BOD板的001～006断开；励磁变CT参数。考虑到励磁变压器选取的容量为1100kVA，变比为10500V/780V，额定励磁电流810A，最大短路电流约28834A，高压侧选择LZZBJ9-10150/110P30/10P30/0.2530VA，低压侧选择1000/1A；快速熔断器参数。考虑到额定励磁电流为810A，选择熔断器电流I=810×1.25=1000A。故快速熔断器选取为RS4-1000V/1000A-P1m104NK。