發電機勵磁系統不均流現象分析

毛立森,何靖

(國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京 210061)

0 引言

隨著電力系統的飛速發展以及單機容量的增加,大型同步發電機所需的勵磁功率亦有了明顯的上升。目前,勵磁系統的功率整流裝置通常采用多路并連結構,這就要求多柜并聯運行的大功率整流柜間應具有良好的均流系數,以便設備的容量得到充分和合理的應用。為此,在相關行業標準中,對功率整流裝置的均流系數做了不小于 0.85的規定。

1 問題的提出

河北國華滄東黃驊電廠(以下簡稱黃驊電廠)#3機組是 1臺 660MW的汽輪發電機組,勵磁方式為自并勵,額定勵磁電流為 4563A。勵磁系統配置5臺整流裝置,單臺額定電流為 3 000A。在機組試運行過程中,機組帶有功功率 610MW,無功功率 71 MV·A時,勵磁系統功率柜輸出電流分別是 890,690,590,500,500A,存在著勵磁系統各功率裝置輸出電流不平衡的現象。

2 問題分析

對于自并勵勵磁系統,其回路可用圖 1所示電路圖等效。在圖 1中:電壓源 US1i表示第 i個可控硅整流柜輸出電壓的大小;US2i表示第 i個可控硅整流柜可控硅的平均通態壓降;Ri表示勵磁系統中第 i個可控硅整流柜的交直流回路的等效電阻;Li表示勵磁系統中第 i個可控硅整流柜的交直流回路的等效電感(包括自感和互感);R表示發電機轉子回路電阻;L表示發電機轉子回路電感。

2.1 影響均流系數的因素

圖1 自并勵勵磁回路等效電路

(1)可控硅觸發的一致性的影響。由于 n個可控硅整流橋公用一個勵磁變壓器,所以,它們的交流側輸入電壓是相等的。據以上分析可知,在忽略可控硅通態壓降差異的基礎上,如果每個可控硅整流橋交、直流回路的等效電阻和電感都相等,則可控硅觸發的一致性直接決定了電壓源并聯支路電壓的大小,從而決定了可控硅整流柜之間均流的好壞。

(2)可控硅平均通態壓降的影響。當可控硅觸發的一致性很好時,如果每個可控硅整流橋交直流回路的等效電阻和電感也相等,則可控硅平均通態壓降將直接影響到可控硅整流柜的均流。

(3)交直流回路電阻和電感的影響。當可控硅的平均通態壓降相等,且可控硅觸發的一致性很好時,交直流回路等效阻抗的差異將成為可控硅整流柜均流的主要障礙。

2.2 黃驊電廠勵磁系統配置情況

(1)采用國內比較先進的 NES5100勵磁調節器,對可控硅觸發方式采用強觸發方式,保證了各可控硅觸發的一致性。

(2)整流裝置可控硅采用原裝進口 ABB可控硅,并對可控硅進行了合理的選擇,最大限度地保證了各可控硅平均通態壓降的一致性。

黃驊電廠勵磁變壓器電源從一側進線的進線方式如圖 2所示。

由于#1和#2柜之間連接銅排上流過的電流近似為 1個功率柜輸出電流的 4倍,#2和#3柜之間連接銅排上流過的電流近似為 1個功率柜輸出電流的 3倍,#3和#4柜之間連接銅排上流過的電流近似為 1個功率柜輸出電流的 2倍,所以,對應段銅排的壓降與流過的電流近似成正比,進而造成#1柜與#2柜的電流相差最大,#2柜與#3柜以及#3柜與#4柜、#4柜與#5的電流差異逐漸縮小,這與黃驊電廠#3機組勵磁系統各整流柜輸出是相吻合的。

圖2 勵磁柜體目前布置

因此,采用合理的布局,盡量減小可控硅整流柜交、直流回路阻抗的差異是提高均流系數的有效手段。如把黃驊電廠交流進線位置布置在 5臺功率裝置的中間位置,功率裝置輸出均流系數會有明顯的提高。勵磁柜體布置如圖 3所示。

3 試驗

3.1 試驗方式 1(左邊進線)

試驗用可控硅整流裝置按照圖 4所示方式布置(其中,#6柜為進線位置,該柜退出運行)。

整流電源輸入電壓為 15V,試驗時把整流輸出端正負短接,在勵磁調節器置“定角度方式”下進行升流試驗。試驗裝置總電流按照黃驊電廠#3機組額定勵磁電流(4563A)由30%逐漸增加到 110%進行輸出,記錄勵磁電流在 30%(1 368.9 A),50%(2281.5A),70%(3194A),100%(4563 A),110%(5020A)額定勵磁電流下各柜輸出情況,試驗記錄見表 1。

3.2 試驗方式 2(右邊進線)

試驗用可控硅整流裝置按照圖 5所示方式布置(其中,#1柜為進線位置,該柜退出運行)。

按照以上試驗要求進行試驗,試驗記錄見表 2。

表1 左邊進線試驗記錄

圖5 右側進線

表2 右邊進線試驗記錄

3.3 試驗方式 3(中間進線)

試驗用可控硅整流裝置按照圖 6所示方式布置(其中,#4柜為進線位置,該柜退出運行)。

按照以上試驗要求進行試驗,試驗記錄見表 3。

3.4 數據分析

(1)由3.1試驗方式及試驗數據可知,在該進線方式下,均流系數為 0.69,高電流輸出的均流系數為 0.81;均流系數隨著總電流的增加而上升。

(2)由3.2試驗方式及試驗數據可知,在該進線方式下,均流系數為 0.56～0.68;均流系數隨著總電流的增加而上升。

(3)由3.3試驗方式及試驗數據可知,在該進線方式下,勵磁系統均流系數為 0.87～0.95;均流系數隨著總電流的增加而上升。

圖6 中間進線

表3 中間進線試驗記錄

(4)由3.1中的試驗數據可知,并聯整流柜的電流分布情況與交流進線位置(即交流阻抗)有重要關系,越是靠近交流進線位置,整流柜輸出電流越大;反之,越是遠離交流進線位置,整流柜輸出電流越小。該因素直接決定電流分布的情況和均流系數的高低。

(5)在同一種進線方式下,均流系數會隨著系統輸出總電流的增加而上升。

(6)在同一種進線方式下,均流系數會隨著并聯運行功率柜數目的減少而上升。

4 結論

(1)勵磁系統交流進線位置的不同,對整流裝置的均流系數有很大的影響,在中間進線方式下,勵磁系統均流系數最高,側進線方式均流系數較低。

(2)并聯整流裝置的電流分布情況與交流進線位置(即交流阻抗)有重要關系,越是靠近交流進線位置,整流柜輸出電流越大;反之,越是遠離交流進線位置,整流柜輸出電流越小。

根據以上試驗結論可知,影響黃驊電廠勵磁系統均流系數的主要原因為交流輸入阻抗的差異。

在勵磁系統設計過程中,針對常規均流措施,應當考慮調整交流進線和直流出線的位置,盡最大可能消除交流輸入阻抗的差異對勵磁系統均流效果帶來的影響。另外,在設計晶閘管整流柜選擇晶閘管規格時,在不影響柜出力的情況下,優先選擇通態電流較小的晶閘管,使晶閘管參數在均流影響中占優先地位,以保證晶閘管的均流效果。

[1]DL/T 583—2006,大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件[S].

[2]DL/T 650—1998,大型汽輪發電機自并勵靜止勵磁系統技術條件[S].

[3]李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M].北京:中國電力出版社,2009.