天一电厂励磁系统改造

2022-04-18张延龙

水电站机电技术 2022年4期

张延龙

（广东省能源集团天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州兴义 562400）

1 前言

天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂（以下简称天一电厂）位于广西隆林县与贵州安龙县交界的红水河流域南盘江干流上，属南方电网总调直调电厂，在系统中主要承担调峰调频任务，总装机容量4×300 MW[1]。天一电厂发电机型号为SF300-44/12440，发电机励磁系统参数如表1所示。

表1 发电机励磁系统参数

励磁系统不仅具有维持发电机机端电压、分配无功功率的功能，还具备维持电力系统静态稳定和暂态稳定的功能，是发电机组的重要组成部分，影响着发电过程的安全性和稳定性。因此，对设备老化、性能降低的励磁系统进行改造是保障发电机组安全运行的必要手段。

2 改造原因

天一电厂励磁系统于2007年开始进行第2次改造升级，采用南瑞电控第3代励磁产品NES5100励磁系统，每台机励磁系统基础配置为1面励磁调节器柜，3面可控硅整流装置柜，1面灭磁开关柜，1面灭磁电阻柜以及1面电制动操作柜。2008年全厂4台机组励磁系统完成改造，至2020年已运行超过12年，由于运行时间较长，出现了如下问题。

（1）原励磁系统厂家南瑞电控已于2014年停止生产NES5100励磁装置，部分电子元器件电气性能老化，配套的备品备件供应也日趋紧张；

（2）励磁工控机运行年限过长导致工控机故障率高，常有死屏、黑屏、反应迟缓等情况发生；

（3）可控硅整流柜采用双电源双风机散热，起励后必须启动风机进行散热，噪声较大，易吸入灰尘。经过长年运行，风机引风管常有偏离原有位置的情况，造成因采风量不足而误报“风机故障信号”，可靠性降低，此外经常出现风机损坏的情况、维护困难。

此外，为打好天一电厂建设远控中心、智能化电厂的基础，提升励磁系统性能，保障机组安全稳定运行，故需要对天一电厂励磁系统进行改造。

3 励磁改造情况

3.1 基本情况

天一电厂励磁系统采用自并励静止励磁方式，将励磁变压器连接在同步发电机的出口端，是静态自励励磁系统的典型接线方式，具有结构简单、可靠性高、维护量小等优点。本次改造不改变励磁方式，改造范围包括发电机励磁调节器、可控硅整流装置、灭磁及转子过电压保护装置，优化了电制动流程，保留原励磁变压器、制动变压器及刹车开关。改造后天一电厂励磁系统原理图如图1所示。

图1 励磁系统原理图

如图1所示，发电机励磁电源取自发电机出口端，经过励磁变压器降压、全控整流桥功率单元整流后给发电机励磁，励磁调节器根据输入信号和调节准则控制可控硅的控制角来调节发电机的励磁电流。发电机起励措施采用残压起励和他励起励2种方式。通常情况下，采用残压起励，利用机组剩磁产生的残压供给初始励磁。当机组长时间停机，残压不足时采用他励方式进行起励，为提高他励电源的可靠性，配置了交直流双路电源。发电机正常停机时采用逆变灭磁，事故时机组跳灭磁开关，采用灭磁性能较高的SiC电阻进行移能灭磁。

原励磁系统与励磁变压器、制动变压器及转子回路的连接形式与位置决定了本次改造的交直流回路的接口形式和位置不能改变。此外由于厂房励磁室场地的限制，新励磁系统的机柜尺寸与布局与原有系统尽量保持了一致，这样既能减小主回路接口的改造工作量，还能利用部分原有控制电缆，降低了改造成本。

改造后的励磁系统同样配置7面柜体，分别为1面EXC9200励磁调节器柜、1面电气制动柜、3面智能化功率整流柜、1面智能化灭磁开关柜、1面灭磁电阻柜。柜面布置图如图2所示。

图2 励磁系统柜面布置图

3.2 励磁调节器

本次改造的励磁系统采用了广州擎天实业有限公司的EXC9200型励磁系统，其中EXC9200励磁调节器的核心控制单元采用高性能CPU为主处理器，大容量FPGA芯片为协处理器，组成了多CPU的高速实时采样和处理系统。该励磁调节器由2个完全独立的调节通道组成，具备自动方式和手动方式，采用的调节规律为PID+PSS[2]。2种调节方式的介绍如下所述。

自动方式为恒机端电压调节(AVR)，反馈量为发电机端电压。自动方式为主要运行方式，有利于提高电力系统的运行稳定性。在自动方式下，附加了PSS环节，可有效抑制电力系统的有功低频振荡，采用了两级超前／滞后校正环节，使励磁系统有良好的动态性能，其数学模型如图3所示。

图3 自动控制方式数学模型

手动方式为恒励磁电流调节(FCR)，反馈量为励磁电流。手动方式只有一级超前／滞后校正环节，没有叠加控制，仅作为辅助运行方式，用于设备的投运或维护过程中的发电机短路试验，或者是作为在自动方式故障时（如PT故障）的辅助/过渡控制方式。为了避免在手动方式下发电机突然甩负荷引起机端过电压，手动方式具有自动返回空载的功能。在发电机断路器跳闸的情况下，位置信号传送给调节器，则立即把电流给定值置为空载励磁电流值。手动方式的数学模型由下图4所示。

图4 手动控制方式数学模型

励磁调节器配置的2个调节通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立，调节通道以主从方式工作，通过对同步信号、机端电压信号的多方位采样和检测来确定通道的运行优先级，通道间对等冗余、互为主备用，备用通道在脉冲输出级跟踪运行通道，保证通道间平稳、无扰动切换。该调节器功能完备，可完成机组手/自动建压、零起升压、增减无功负荷及解列后逆变停机等常规操作，还配备有PSS、强励限制、欠励限制、过励反时限限制、V/Hz限制和过励保护、低频保护等限制保护功能，同时具备实时故障诊断和容错、智能调节及辅助分析、信息网络化等功能。

3.3 励磁系统功率单元

本次改造的励磁系统功率单元由可控硅整流装置、快速熔断器、脉冲变压器、阻容保护装置、霍尔电流传感器、热管散热器、冷却风机及其控制回路、智能检测单元及智能控制板等设备组成，配置了PT100测温电阻和红外测温传感器双路温度测量回路。

可控硅整流装置选用ABB公司生产的5STP28L4200型原装进口可控硅元件，每个元件均有快速熔断器保护，并配置红外测温传感器对每个可控硅的温度进行监视。可控硅整流装置配置3个可控硅整流桥并联输出，每个整流桥分别单独布置于单柜之中，单柜最高输出可达3 000 A。退出一个整流柜后，能够满足励磁在各种工况下（包含强励）长期运行。在退出2个整流桥后，能在1.1倍额定励磁电流工况下长期运行。

关于功率整流柜的冷却方式，为了改善传统风冷散热带来的噪声大、灰尘多以及维护不便等问题，本次改造选择了以环路并行式热管散热为主，风机散热冷却为辅的冷却方式。其中，环路并行式热管由蒸发器、补偿器、冷凝器组成，利用介质的蒸发和冷凝来传递热量，是一种高效的两相流体回路传热装置。环路并行式热管散热具备以下优点：

（1）气液携带阻力小、传热效率高；

（2）等温性能好，可远距离传热，并能改变热量传递的方向；

（3）启动快速灵活、无需外加动力；

（4）管路形状不受限制，可依据实际需求灵活设计。

风机散热冷却作为辅助冷却手段，沿用了原有的双电源双风机设计，风机选用德国施乐百品牌原装进口产品，每套风机均能提供单柜所需要的全部冷风。

根据GB/T 7409.3-2007“同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求”规程第5.19条的规定，功率整流装置的均流系数应≥0.85。为了实现对均流系数的要求，采用了广州擎天研发的动态均流技术，该技术以元件通态平均电流为调节目标，通过对同相桥臂元件触发脉冲时间进行自动调节，从而实现均流的目的[3]。通过改造后实际验证得到，当机组在空载额定励磁电流下运行时，投入自动均流时，每套设备的均流系数均高于0.97，当自动均流全退出时，设备的均流系数在0.86～0.89之间，实践证明动态均流技术有效可靠。

本次改造为了防止可控硅整流元件过电压击穿，配置了功率柜交流侧过电压保护和硅元件换相过电压保护，采用了集中式阻容吸收回路。该回路具有体积小，安装方便，保护可靠，吸收效果好等优点。二极管整流部分主要吸收交流侧过电压，与转子正负极连接阻容主要用于吸收换相过电压，具体线路如图5所示。

图5 集中式阻容吸收回路原理图

3.4 灭磁及过压保护单元

本次改造，天一电厂灭磁系统采用美国GE公司生产的快速直流断路器作为磁场断路器（即灭磁开关FMK），型号为Gerapid2607，英国M&I公司生产的Metrosil Varistor系列SiC电阻作为灭磁电阻,灭磁容量为6.6 MJ。过压保护设备包括SiC电阻、电流互感器，由2个反向可控硅、1个正向可控硅以及可控硅触发器BOD板组成的过压保护跨接器。灭磁及转子过电压保护原理图如图6所示。

图6 灭磁及转子过电压保护原理图

发电机正常停机时采用逆变电气灭磁，通过整流桥逆变将转子中储存的能量回馈至电源侧。在事故情况下，为了满足独立性和强制性要求，采用磁场断路器动作的方式进行机械灭磁[4]，导通可控硅将SiC非线性电阻接入转子回路，将转子中储存的能量快速转移至灭磁电阻中[5]。

当出现正向过电压时，触发器BOD板触发正向可控硅V1导通，SiC灭磁电阻R接入，灭磁柜智能板检测到电流互感器CT的电流信号发出“过压保护动作”信号。SiC灭磁电阻吸收过电压能量，限制转子过电压，当转子回路的瞬时过电压消失后，BOD板控制可控硅V1阻断，避免可控硅整流桥持续对灭磁电阻供电。同理，当出现反向过电压时，BOD板触发反向可控硅V2导通，接入灭磁电阻吸收能量，保证发电机转子始终不出现开路，可靠地保护转子绝缘不遭受破坏[5]。

本设计采用的Gerapid2607磁场断路器，结构紧凑，灭弧能力强，可靠性高，SiC灭磁电阻性能稳定，可保证长期运行。采用的可控硅跨接器系统也具有较多优点，以跨接器代替灭磁开关的灭磁接点，可实现无触点磁场能量释放，消除灭磁接点机械机构松动、卡塞等事故隐患，显著减少维护工作量。此外BOD器件用于可控硅跨接器触发，可以精确地整定过电压保护动作值，无须特别维护。可控硅V2、V3冗余配置，分别由两路独立的触发回路控制，提供两路跨接通道，提高了灭磁可靠性。