深圳西部電廠5、6號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備選型中考慮的幾個(gè)問題解析

1、深圳西部電廠5、6號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備選型中考慮的幾個(gè)問題作者：佚名 發(fā)表時(shí)間：2009-4-17閱讀：47摘要：文章介紹了在選用國(guó)產(chǎn) 300mw機(jī)組中采用進(jìn)口的靜態(tài)自并勵(lì)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)中主要設(shè)備進(jìn)行 分析，供同行參考。l采用靜態(tài)微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的原因在90年代初期開始建設(shè)深圳西部電廠1 t號(hào)300mw機(jī)組均采用哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的主機(jī)”他勵(lì)系統(tǒng)。見圖1所示。它由副勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流，其勵(lì)磁功率獨(dú)立于交流電網(wǎng)，不易受電力系統(tǒng)非正 常工況的影響，但主、副勵(lì)磁機(jī)增加了機(jī)軸長(zhǎng)度，不但使系統(tǒng)造價(jià)高，維護(hù)工作量大，而且影響機(jī)組 軸系的穩(wěn)定性。同時(shí)由于存在冰島流勵(lì)磁機(jī)這一時(shí)滯環(huán)節(jié)，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和電力系統(tǒng)穩(wěn)

2、定性 受到一定程度的影響。麗i西部電廠三at勵(lì)由褊酰原理幗圖另一方面，由哈爾濱電機(jī)廠引進(jìn)美國(guó)西屋公司技術(shù)自行生產(chǎn)的hwta型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在制造工藝上不盡如人意，主要表現(xiàn)在元器件老化，焊接工藝粗糙，抗干擾性差等方面。勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)為6次/年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)標(biāo)要求的 0, 25次/年。近年來，隨著大功率電力電子元件技術(shù)上的成熟以及電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平，提高，特別是主保護(hù) 的快速與可靠運(yùn)作、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)字化技術(shù)的普及等，使靜態(tài)微機(jī)型勵(lì)磁系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。有關(guān)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，同行中已有多篇文章對(duì)此進(jìn)行論述，普遍認(rèn)為在發(fā)電機(jī)出口 采用離相母線，機(jī)端發(fā)生直接三相短路的可能性不大，加上目

3、前系統(tǒng)均配以快速的繼電保護(hù)，采用靜態(tài)勵(lì)磁后對(duì)提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定(帶pss后)及靜態(tài)穩(wěn)定明顯優(yōu)于 主機(jī)”勵(lì)磁系統(tǒng)6。與中小機(jī)組不同，大型機(jī)組由于機(jī)端電壓穩(wěn)定，不推薦采用電流源加電壓源的自復(fù)勵(lì)系統(tǒng)，目前廣泛 采用的是只取機(jī)端電壓的自并勵(lì)系統(tǒng)。深圳西部電廠擴(kuò)建5、6號(hào)機(jī)組工程中對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的選擇前，公司先后組織技術(shù)人員至國(guó)內(nèi)各個(gè)電 廠進(jìn)行考察。上海石洞口二廠 2x600mw 汽輪發(fā)電機(jī)組于1992年初同時(shí)投入商業(yè)運(yùn)行，采用 abb unitrold型靜態(tài)數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)，運(yùn)行至今尚未發(fā)生大的異常。河北沙嶺子電廠二期2x300mw汽輪發(fā)電機(jī)組 1998年底投產(chǎn)，采用英國(guó) rolls-royc

4、e tmr型靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，至今亦未發(fā)生大的異 常。該廠正在擴(kuò)建的 7、8號(hào)(2x300mw)同樣采用r-r tmr靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。通過調(diào)查研究和分析，西部電廠在 5號(hào)、6號(hào)機(jī)組采用靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。經(jīng)過設(shè)備招標(biāo)，最終選用了 瑞士 abb生產(chǎn)的unitrol 5000型自并勵(lì)靜態(tài)數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)。系統(tǒng)圖見附圖所示。2勵(lì)磁系統(tǒng)主要部件的選擇在勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)談判中考慮如下主要問題。2. 1滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)滅磁開關(guān)有交流側(cè)滅磁開關(guān)和直流側(cè)滅磁開關(guān)供我方選擇，而abb推薦采用交流側(cè)滅磁，abb認(rèn)為ac側(cè)滅磁開關(guān)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：有利于調(diào)試和維護(hù)。有利于內(nèi)部短路時(shí)可靠地?cái)嚅_，保護(hù)了 可控硅整流橋。易于進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

5、。在ac側(cè)滅磁開關(guān)和dc側(cè)滅磁開關(guān)的比較上，我們作了如下分析：在圖2中，任一時(shí)刻，只有1 6,1 2, 32, 3 4, 5 4, 5 6中的任一路導(dǎo)通，在電路上，ac mk和dc mk的滅磁過程是一樣的。但從圖2中可看出，ac mk較dc mk多一個(gè)斷點(diǎn)，這樣，在同等條件下，交流側(cè)滅磁比直流側(cè)滅磁的 負(fù)擔(dān)輕，相應(yīng)的 ac mk的容量選擇可以比 dcmk小，此次滅磁開關(guān)的選擇上，在吸取同行電廠經(jīng)驗(yàn) 的同時(shí)（山東萊城電廠采用交流側(cè)滅磁，運(yùn)行情況反映良好），我們對(duì)廠家提出較高要求：采用 ac側(cè)滅磁，但容量按照dc側(cè)滅磁開關(guān)的容量，即3200a,額定電壓取1000v，額定分?jǐn)嗄芰?0ka。abb提

6、供的滅磁過程如下：正常停機(jī)時(shí)，首先采用逆變滅磁，此時(shí)跨接器和滅磁電阻不工作， 然后再跳ac mk。事故跳機(jī)時(shí)，首先跳 ac mk,接著閉鎖脈沖，最后接通跨接器crowbar ,通過sic非線性電阻來消耗磁場(chǎng)能量。ac mk跳開后，斷口間建立起弧壓，脈沖閉瑣后，可控硅不可能產(chǎn)生換流，原來導(dǎo)通的可控硅將 一直導(dǎo)通直至硅體隨反向電壓而截止，：假設(shè)原來導(dǎo)通的硅體為 12,這樣，在滅磁過程中勵(lì)磁變的二 次電壓uac 一直在起作用，當(dāng) uae沿正弦變化至負(fù)值時(shí)（極端情況下，uae經(jīng)過120°電角，約7ms 后開始變?yōu)樨?fù)值），此負(fù)的電壓值加上 acmk斷口間的弧壓構(gòu)成 sic的起始電壓uo根據(jù)si

7、c的vt 特性，負(fù)的eac是有利于加速滅磁的。另一方面，主要由 ac; mk的斷口弧壓來決定 u值，u值 越大滅磁時(shí)間越短，但是勵(lì)磁繞組允許的最大過電壓值制約了u值。綜合以上因素，我們采用了4斷口的acmk。對(duì)非線性電阻的選擇。對(duì) zno和sic進(jìn)行比較，sic有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)4:體積小安全可靠。滅磁電流過載時(shí)，sic將融化，而zno可能發(fā)生爆炸。閥片穩(wěn)定。圖3為sic和zno的v力特性。9 3國(guó)c和zn口的v-卷褲愫從圖3可以看出：對(duì)于兩個(gè)并聯(lián)的閥片，由于特性上的細(xì)微差異而導(dǎo)致的均流問題，采用 zno非 線性電阻要嚴(yán)重得多。從 abb提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)機(jī)端三相金屬性短路時(shí)，滅磁時(shí)間見表2,

8、可見，三種形式的滅耗費(fèi)電阻在滅磁時(shí)間上相差不多。丸電sic無時(shí)gk)物0,7l2'-l.s拄1天時(shí)用為段觸電壓懦，革融定電廄樂用的耐司*綜合以上因素，選用 sic非線性電阻，電阻容量不提具體要求，但要求滿足以下條件：與ac mk的弧壓相配合。滿足最惡劣工況下，即機(jī)端三相金屬性短路時(shí)，磁場(chǎng)能量的快速轉(zhuǎn)移。2. 2勵(lì)磁變壓器勵(lì)磁變壓器采用干式變壓器，就一些電氣指標(biāo)對(duì)廠家提出要求。(1)勵(lì)磁變的接線方式。abb推薦連接方式為dt接線，從干式變的結(jié)構(gòu)看，高壓側(cè)采用d型接線容易導(dǎo)致相間短路，相比之下，高壓側(cè)采用y形接線要安全，故選用了 y-d連接方式。(2)勵(lì)磁變絕緣水平。勵(lì)磁變壓器的額定短時(shí)工

9、頻耐受電壓應(yīng)不低于主變壓器和高壓廠用變壓器發(fā)電機(jī)側(cè)的耐壓水平，取工頻耐壓55kv/lmin。按國(guó)標(biāo)，變壓器應(yīng)作雷電沖擊截波試驗(yàn)，雷電沖擊截波耐受電壓幅值一般比全波幅值高10 %左右3。取雷電沖擊耐壓水平為：125kv(全波)，140kv(截波)。(3)勵(lì)磁變的短時(shí)過電壓。短時(shí)過電壓應(yīng)按發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)時(shí)要求的最高電壓來考慮，即1.3x20kv/ lmin 及 1, 4x20kv / 5s。(4)勵(lì)磁變?nèi)萘康拇_定。表 3為發(fā)電機(jī)部分參數(shù)。勵(lì)磁變二次電壓的確定。按電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)dl/t650t998大型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)一般等于2(按發(fā)電機(jī)電壓為額定值時(shí)確定 )2。由圖4,

10、 uf=1.35xu abxcost, uf=2x 365=730v 貝u uab=730 /(1 . 35xcos1o )549 1v , uab取 550v 。«3笈電就部分,地電直空栽勵(lì)電珪(a)罰由1(v)幡于n電 j3gm(a)98j. 1納2m30.12532500勵(lì)磁變二次電流的5。圖4中if的理想波形為圖5中的包絡(luò)線，ia的理想波形為圖中的(1個(gè)周波)，故ia/if(有效值戶(2/3) (1/2) -0 816。勵(lì)磁變額定電流按，1.1倍額定勵(lì)磁電流取,ia=1 . 1 x0. 816 x 2642= 2371 , 46a 若忽略 eab 與 ia 的相位差，則 s=

11、3 (1/2)uab x la=1.732x550 x 237146 ° 2259kva n tai熱 叩1m»ee3i加營(yíng)h3三柏全雙膝值國(guó)總曜本次設(shè)備定貨要求勵(lì)磁變能滿足采用6kv廠用電做發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)時(shí)能達(dá)到1 . 3ue的要求。按此條件校核勵(lì)磁變?nèi)萘浚翰捎脧S用電時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流if=6 x550x1.35 x cos1o /(20 x 0.1253)1751a<2500必滿足要求。按2500a的試驗(yàn)電流來折算勵(lì)磁變二次測(cè)額定電壓uabuab=2500 x 20x 0.1253(6 x 1.35 x cos10° )=785v調(diào)整后勵(lì)磁變的容量：s=

12、3(1uab x la=1.732x785 x 2371.46 3230(kva)(5)勵(lì)磁變穩(wěn)定1。按系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下計(jì)算勵(lì)磁變低壓側(cè)三相短路電流為39ka,故取熱穩(wěn)定3s電流40ka ,動(dòng)穩(wěn)定電流i=1. x1.414x40，100ka ,根據(jù)后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，熱穩(wěn)定時(shí)間取以上看出，勵(lì)磁變二次側(cè)額定電壓采用785v后，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)為785 x 1.35 x cos10t365=2.86 ,說明考慮了空載試驗(yàn)的要求后，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)已經(jīng)不是確定勵(lì)磁變?nèi)萘康闹饕蛩?。另一方面，?dāng)機(jī)端電壓下降至80 %時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)能保證的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)為：2.86x80 %-2.3,系統(tǒng)的儲(chǔ)備系數(shù)大大提高了。當(dāng)然，強(qiáng)勵(lì)電壓倍

13、數(shù)的提高的同時(shí)必須限制強(qiáng)勵(lì)電流，使之轉(zhuǎn)子繞組容許的過負(fù)載能力之內(nèi)。2 3 功率整流裝置整流裝置主要考慮冗余、硅元件性能、均流及浪涌吸收等問題，現(xiàn)分述如下。2 3 1 冗余問題我們要求可控硅整流橋并聯(lián)支路數(shù)為3 路，當(dāng)一個(gè)支路退出運(yùn)行時(shí)，能滿足 1 1 倍額定勵(lì)磁電流連續(xù)運(yùn)行和強(qiáng)勵(lì)的要求，即所謂3-1 備用方式。在整流柜冷風(fēng)扇方面，要求有100 備用冷卻風(fēng)機(jī)，采用 2+2 備用方式， 在風(fēng)壓或風(fēng)量不足或溫度高時(shí)備用風(fēng)扇能自動(dòng)投入， 兩套風(fēng)機(jī)接在不同的電源上2 。2 3 2 硅元件性能及均流由于大功率電力電子元件技術(shù)上的成熟，可控硅元件不采用串聯(lián)設(shè)計(jì)，每一臂上的可控硅不采用并聯(lián)設(shè)計(jì)。單個(gè)可控硅額定

14、容量為； 2140a ，反向耐受電壓為 2900v 。根據(jù)國(guó)標(biāo)，每個(gè)并聯(lián)支路的均流系數(shù)不小于0 85 2 。 abb 通過控制每個(gè)硅體上的導(dǎo)通角來達(dá)到均流。對(duì)電流比均值大的硅體，采用細(xì)微的增大該硅體的導(dǎo)通角來降低電流，采用這種方法可使均流系數(shù)大于 0 97 。這是uni-trol 5000 的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，整流裝置的每個(gè)功率元件要求都設(shè)有快速熔斷器保護(hù)，以便及時(shí)切除短路故障電流，并發(fā)出熔斷信號(hào)。2.3 3 浪涌吸收裝置浪涌吸收裝置主要用于抑制整流橋的換相過電壓及電網(wǎng)反射至勵(lì)磁變二次側(cè)的過電壓（雷電沖擊過電壓巳被勵(lì)磁變高低壓繞組間的靜電屏蔽層屏蔽）。 abb 采取如下措施：由一個(gè)三相

15、二極管整流橋和一個(gè)連接在其dc 側(cè)的 rc 電路組成，通過 rc 電路中的放電電阻r 吸收過電壓，此外二極管橋本身加熔絲保護(hù)。2 4 微機(jī)型自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器avr從以下方面考慮avr 。2 4 1 硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)在技術(shù)談判中不做具體要求，而主要在設(shè)備招標(biāo)中考慮。 在附圖中， avr 采用分散控制，其測(cè)量單元（mub） 和整流交互界面 （converter interface ，簡(jiǎn)稱 cin） 采用 intel dsp ， cin 承擔(dān)觸發(fā) 脈沖和控制信號(hào)的隔離、 均流及監(jiān)視可控硅等工作。 控制單元cob采用16位80186, 32mhz主頻,以及一塊asic （applica-tion spe

16、cific ic） 負(fù)責(zé)交換儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、 控制脈沖發(fā)生、a/d與d/a轉(zhuǎn)換、以 及通過arcnet總線與其他模塊的通訊4。采用了這種結(jié)構(gòu)，u-nitrol 5000將控制功能分散， 減輕了主控單元的負(fù)擔(dān)。2.4.2冗余問題：采用雙通道冗余，各通道 （avr+fcr）自動(dòng)跟蹤實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。每個(gè)通道功能齊 全，都具有獨(dú)立工作的能力。同時(shí)還設(shè)有獨(dú)立的手動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)單元 <bfcr）,手動(dòng)跟蹤自動(dòng)，切換無 擾動(dòng)。另一方面，采用二路相互獨(dú)立的avr工作電源。2. 4. 3控制和保護(hù)功能在保護(hù)配置方面，由于勵(lì)磁系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，保護(hù)功能中應(yīng)考慮到勵(lì)磁變低壓側(cè)單相接地保護(hù)。 在發(fā)變組保護(hù)中，勵(lì)磁系統(tǒng)配置

17、了勵(lì)磁變差動(dòng)，勵(lì)磁變高壓側(cè)過流，勵(lì)磁變低壓側(cè)過流。由于勵(lì)磁變 正常運(yùn)行時(shí)電流小，發(fā)變組大差動(dòng)未差入此分支，大差的保護(hù)范圍也未能延伸至勵(lì)磁變低壓側(cè)。而勵(lì) 磁變差動(dòng)顯得非常重要，因此要求在ct位置的布置上應(yīng)使得保護(hù)范圍盡量大。原先，勵(lì)磁變低壓側(cè)差動(dòng)保護(hù)用的ct擬布置在勵(lì)磁屏進(jìn)線柜內(nèi)，但由于安裝空間不夠而改在勵(lì)磁屏進(jìn)線柜入口處（勵(lì)磁變與勵(lì)磁屏的連接采用封閉母線 ）。采用acmk后，加上發(fā)變組主保護(hù)中的失磁聯(lián)跳保護(hù)，它將與勵(lì)磁 變低壓過流保護(hù)共同對(duì)勵(lì)磁變低壓側(cè)進(jìn)行保護(hù)。快速的勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)配以 pss或多變量控制裝置，以利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求6。 pss的主要作用如下：改善同步發(fā)電機(jī)的阻尼特性，以抑制系

18、統(tǒng)的低頻振蕩。提高靜穩(wěn)定的功率極限。有了pss, avr可以取較大的放大倍數(shù)，提高了機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)精度。理論上，靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)配以pss后可以維持機(jī)端電壓不變，大大提高了靜穩(wěn)邊界。提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的時(shí)間常數(shù)較大，pss對(duì)于第一擺幅的影響不明顯，它主要對(duì)于后續(xù)振蕩有抑制作用。抑制系統(tǒng)次同步振蕩（sso） o這方面，線性最優(yōu)勵(lì)磁控制做得更好。pss由于調(diào)試繁瑣，在與系統(tǒng)聯(lián)系較強(qiáng)的機(jī)組中常常未引起足夠的重視，甚至即使avr中有pss,也未將其投入，西部電廠1號(hào)一 4號(hào)機(jī)組的pss均未投入使用。雖然pss在抑制低頻振蕩的同時(shí)可 能激發(fā)sso，但是采取適當(dāng)?shù)拇胧┦强梢员苊獾模缭谝?/p>

19、3為信號(hào)的pss中，通過濾波器將軸的扭振頻率濾除?？傊?，只要設(shè)計(jì)合理，pss的應(yīng)用是利大于弊的。unitrol 5000的pss采用pe和4 3為輸入信號(hào)，其控制算法基于ieee std . 421 "ype 2a 。此外，unitrol 5000中還有apss（自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）供用戶選擇，apss采用自校正自適應(yīng)控制器,其控制器的參數(shù)可通過內(nèi)部的識(shí)別器進(jìn)行在線求解，以期獲得理想的阻尼特性，有關(guān)apss更詳細(xì)的介紹，請(qǐng)參考abb的有關(guān)資料?；趩螜C(jī)-無窮大系統(tǒng)模型來分析勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響有其局限性，實(shí)際上，電力系統(tǒng)是一個(gè)大系統(tǒng)，具有高維數(shù)、多目標(biāo)、關(guān)聯(lián)性和分散性的特點(diǎn)，光靠單臺(tái)勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)化難以改善整個(gè)電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定品質(zhì)?？紤]到前期機(jī)組的實(shí)際情況及國(guó)內(nèi)機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，我們采用pss此次配置的保護(hù)和控制功能如下：保護(hù)：磁場(chǎng)過流（瞬時(shí)/反時(shí)限）v/hz保護(hù)失勵(lì)保護(hù)轉(zhuǎn)于溫度保護(hù)可控硅及導(dǎo)通監(jiān)視、快熔、冷卻風(fēng)扇故障保護(hù)pt斷線保護(hù)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)勵(lì)畸變低壓側(cè)接地保護(hù)勵(lì)率變低壓側(cè)過流保護(hù)勵(lì)磁變溫度保護(hù)調(diào)節(jié)功能：機(jī)端電壓調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流調(diào)節(jié)恒無功調(diào)節(jié)恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)pss無功補(bǔ)償限制：最大/電小勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)子過熱欠勵(lì)限制