大朝山電廠勵磁系統改造后應用

余　浩

（國投云南大朝山水電有限公司，云南昆明650213）

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大朝山電廠勵磁系統改造后應用

余浩

（國投云南大朝山水電有限公司，云南昆明650213）

摘要：介紹了大朝山水電站勵磁系統改造后的概況，對新勵磁系統UNITROL 6000的硬件、起勵邏輯、無功疊加控制原理進行了闡述。介紹勵磁系統在應用過程中出現的問題及解決方案。

關鍵詞：勵磁系統；UNITROL 6000；起勵；無功疊加控制；大朝山水電站

1　概述

大朝山水電站共裝設6臺立軸水輪發電機組，單機額定功率為225 MW。1號、2號、3號、4號機由15.75 kV封閉母線經過GCB與主變連接，升壓后接入聯合單元GIB經500 kV干式電纜接至500 kV GIS。5號，6號機由15.75 kV封閉母線經主變連接。升壓后經220 kV干式電纜連接220 kV GIS。500 kV 為3/2接線方式，有兩回出線接至寶峰變。220 kV為雙母線接線方式，有四回出線。500 kV與220 kV由自耦聯絡變壓器聯絡。

發電機的額定參數：發電機型號：SF225-52/12800；額定功率Pn=225 MW；功率因素：cos椎n=0.9；額定機端電壓：Un=15.75 kV；額定機端電流：In=9 164 A；額定勵磁電壓：Ufn=365V；額定勵磁電流：Ifn=1570 A；額定陽極電壓：Uyn=780 V。

2　大朝山電廠勵磁系統簡介

大朝山水電站原運行的發電機勵磁系統調節器為瑞士ABB公司UNITROL 5000型調節器，勵磁功率柜為廣州電氣科學研究所FJL-3型功率柜，滅磁及過電壓保護裝置為中國科學院等離子體物理研究所下屬合肥科聚高技術有限責任公司產品。

UNITROL 5000型調節器為ABB公司早期產品，其控制器與模塊之間廣泛采用扁平電纜，抗干擾能力較差。勵磁調節器雖然為雙通道配置，但從近年來的故障分析結果看，調節器雙通道并沒有做到完全獨立，任意一通道故障，另一通道完好的情況下，依然可能會引起機組事故跳閘。勵磁系統投運時間已近10年，隨著運行年限的增加，裝置元器件老化問題日益突出，尤其是勵磁調節器，給機組的安全穩定運行帶來潛在隱患。為保證機組的安全穩定運行，大朝山電廠從2014年開始對勵磁系統進行更新改造，將勵磁調節器更換為ABB公司推出的最新一代產品UNITROL 6000型調節器。

圖1　勵磁系統示意圖

UNITROL 6000勵磁調節器的主要特點是控制器模板之間、通道之間都采用光纖數據傳輸，極大的提高了系統的抗干擾能力。各通道從輸入到輸出均能完全獨立工作。能夠遠方和現地給定。勵磁調節器由3個通道組成，包括兩個等同的按電壓或無功閉環調節的自動通道（AVR），按勵磁電流閉環調節的手動通道（FCR），3個通道具有100%冗余度。

發電機機端電壓Ug、機端電流Ig、以及重要IO信號接入雙通道調節柜內測量單元板CCM。并采用了AC800PEC高速可編程控制器，AC800PEC是系統的中央處理單元和通訊中心。其CPU采用帶64 位IEEE浮點運算單元的全功能400或600 MHz的RISC處理器，光接口路數多，互通性和模塊化配置方便，適用于各種電力電子控制。勵磁調節柜內還有3塊CIO板，在滅磁開關柜內裝設1塊CIO板，用于為調節通道提供模擬和數字的IO接口。3個功率柜內均裝設整流橋控制接口板CCI、門極驅動接口板GDI和整流橋信號接口板CSI。其中CCI是功率柜控制的核心，主要工作過程為接受調節柜發來的調節信號。結合CSI采集到功率柜內交流側電壓、電流和直流側電壓的信號，輸出脈沖發給GDI，最后通過脈沖觸發控制整流橋的導通。此外CCI板還能實現3個功率柜同步檢測、均流控制、故障監控功能。

3　勵磁系統的起勵方式

3.1起勵控制

大朝山電廠1號、2號、3號、4號機勵磁變接在GCB主變側，勵磁變直接從系統受電。采用他勵方式建壓，起勵時間較短。但用這種接線方式，當系統發生事故發電機跳GCB開關后，勵磁系統不能主動恢復正常；而且在系統電壓很低的時候，也有可能導致失磁。在他勵方式下當接受到起勵命令時，將閉鎖起勵全導通控制角開放命令。由勵磁調節器通過預設的軟起勵程序按可調整的斜坡函數逐漸將電壓平滑地上升至額定電壓，以防止起勵過程中機端電壓超調。達到額定電壓后起勵退出，勵磁系統進入AVR控制，并投入自動跟蹤。

大朝山電廠5號，6號機勵磁變在發電機出口，勵磁變從機組側受電，采用自并勵方式建壓。起勵過程對機組殘壓有一定的要求。當水輪發電機達到95%額定轉速，程序判斷進入機組空轉態。勵磁功率柜內陽極電壓Uy＜1.5 % Uyn時，投入殘壓起勵。連續觸發可控硅整流橋，全導通控制角開始建壓。當陽極電壓Uy＞30 % Uyn時延時100 ms退出全導通控制角起勵過程。進入軟起勵過程。達到額定電壓后起勵退出，勵磁系統進入AVR控制。并投入自動跟蹤。如果控制角全導通開放10 s后Uy＜30 % Uyn，則發起勵失敗信號，退出起勵過程，跳開滅磁開關FCB。正常情況下大朝山電廠C級檢修完成后，殘壓為1.4 %的額定機端電壓220.5 V。經過勵磁變后陽極電壓約為10.92 V。在相位和寬度上均能保證觸發移相正常，并大于晶閘管正相導通電壓。

3.2勵磁系統的控制方式

勵磁系統的主備兩個通道都配有自動電壓調節器（AVR）和勵磁電流調節器（FCR）。AVR運行時，引入機端電壓進行調節；FCR運行時，引入勵磁電流進行調節。

大朝山電廠疊加控制選擇無功疊加控制方式，程序中并沒有開放功率因素疊加控制方式。勵磁系統無功遠方控制由監控系統AVC成組完成，AVC自動分配給每臺機組無功功率設定值。勵磁系統通過Modbus與監控系統進行串行通訊。勵磁系統經過Modbus通信寄存器與監控系統傳輸參考值、實際值、控制字、狀態字。

勵磁無功控制過程：

（1）勵磁系統建壓成功后，進入AVR調節。準備并網前，由監控系統同期裝置通過外部給定進行增磁、減磁調節，使電壓滿足同期并網條件。

（2）機組并網后，還是處于AVR調節，但是處于總線控制方式FLDB_REQ，在總線控制方式下，勵磁系統只接收監控系統下發DO信號，并不接收監控下發無功設定值。

（3）勵磁系統總線控制后，監控下發“設定值確認位”（即運行操作人員在監控上設定無功值后，確定按鈕）。勵磁系統接收到“設定值確認位”為1后，確認當前實際設定值和監控設定值相等，避免設定值重復下發。延時100 ms避開通道、無功疊加控制狀態切換的瞬間，保持0.1 s后再次確認當前實際設定值和監控設定值相等，才判斷設定值有效命令FLDB_REQ_OK。此時勵磁系統進入無功疊加控制方式，才將監控無功設定值送入勵磁系統相應設定單元。

（4）進入無功疊加控制后，勵磁調節器允許接收監控無功設定值。無功設定值和當前實際值的偏差通過一個積分器疊加到自動電壓調節器的控制信號上。無功控制只是起到對電壓控制校正的作用，其主導作用的控制量仍然是電壓偏差信號。

4　勵磁系統的改進

機組檢修結束需要進行零起升壓試驗，試驗過程需要合上GCB升壓檢查電氣設備的絕緣。但機組實際是在未并網狀態下進行試驗。起勵后勵磁系統會誤判GCB在合位，按照并網時的狀態進行工作。這樣可能會導致如下后果：

（1）在起勵命令發出后，勵磁系統按給定8%額定勵磁電流進行起勵建壓（注：勵磁系統在手動控制狀態下是以勵磁電流的給定進行調節，按照經驗零起升壓試驗時按8 %的額定勵磁電流設定，起勵后機端電壓約為3.5 kV）。此時勵磁系統可以起勵，但是在升壓過程中，當機端電壓或陽極電壓小于對應額定電壓的50 %后，則會報“OnlineFault”等故障信號，此信號將觸發勵磁系統跳閘，FCB事故跳閘。勵磁系統這樣設計是為了防止并網狀態時機端電壓過低損壞機組而設計的一種保護。

（2）勵磁系統起勵成功后，此時若出現異常需要滅磁時，勵磁系統誤判機組在并網狀態，將無法滅磁。勵磁系統此種設計的目的是為了防止發電機在并網狀態下勵磁系統誤發滅磁命令造成發電機失磁。

（3）為了避免此類情況，改造勵磁系統為方便勵磁系統配合機組進行各項試驗，故在調節柜內設計一塊“GCB位置接點壓板”，投入該壓板時，無論機組出口斷路器GCB在什么位置，勵磁系統判斷GCB在“分閘”位置。該壓板機組正常運行時應在“退出”位置。

5　改造后勵磁系統出現的問題

2015年12月23日3號機組C級檢修結束后進行零起升壓試驗。發出投勵命令后勵磁系統開始起勵，但是機端電壓始終無法建立。3個功率柜顯示可控硅導通角開至88°，勵磁電流為1 A。持續10 s后程序發“起勵超時”，“整流橋故障”信號。起勵失敗跳開滅磁開關。測量勵磁陽極電壓為10.24 V，滿足殘壓起勵所需電壓。

后經過檢查發現是由于機組檢修期間勵磁至轉子正負極電纜調換所致。對于大型發電機來說，為了減少勵磁碳刷的磨損，一般要求檢修時勵磁電纜正負極對調一次。對調后，轉子磁場方向發生180°變化，根據右手定則，定子電勢方向也隨之發生180°變化。也就是說，對比之前相同狀況，相同時刻，電壓方向完全相反。因電壓為交變，正過零和負過零只是方便在同一時刻進行波形比較，不影響發電機輸出電壓。但對于零起升壓試驗來說，極性對調之前，轉子磁極仍有剩磁，對調后，新的磁場方向與之前的剩磁方向相反，因此第一次起勵時首先需要抵消以前的剩磁，然后建立一個方向相反的磁場。出現此情況后，以后機組檢修調換勵磁電纜極性后，首次自并勵零起升壓時應投入外部直流起勵電源（由于擔心直流起勵影響到直流系統負荷，該回路長期未投入使用）。建立一個相反的磁場后起勵就可以成功。

6　結束語

大朝山電站改造后投運的UNITROL 6000勵磁系統作為全新的換代產品，控制平臺全面升級為PEC平臺。通訊也由原來的ARcnet總線升級為以太網光纖通訊，人機界面功能更為強大。其起勵方式靈活，控制方式合理，并具備軟起勵控制，使其能滿足機組不同工況下的起勵建壓。其無功疊加控制與監控系統進行了有機的配合。可靠地實現了全廠機組無功成組調節及母線電壓實時控制，提高了機組運行的穩定性。為大朝山電廠“無人值守，少人值守”奠定基礎。

參考文獻：

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[2]王君亮.同步發電機勵磁系統原理與運行維護[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3]師存良.UNITROL 5000勵磁系統在大朝山電廠的應用[J].水電站機電技術，2005,28（4）：117-119.

作者簡介：余浩（1982-），男，助理工程師，從事自動化控制、勵磁維護工作。

收稿日期：2016-01-02

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.010

中圖分類號：TM761+.11

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）04-0030-03