某核電廠應急柴油發電機相復勵勵磁電壓調節問題分析及處理

顧秋斌 翟常營 陳耀明 林鑫

福建福清核電有限公司 福建福州 350300

應急柴油發電機作為核電廠的重要后備電源，在應急條件下起著至關重要的作用。本文介紹的應急柴油發電機勵磁調節器使用了西門子公司生產的電磁迭加型可控相復勵無刷勵磁系統，該套勵磁調節器具有結構簡單，建壓速度快的特點，能夠保證應急柴油發電機在應急啟動時10s內完成建壓，滿足電廠應急電源的需求[1]。

1 問題描述

維持應急柴油發電機輸出電壓的穩定是保證柴油發電機供電質量的主要措施之一。作為核電廠內的事故應急電源，其電壓的穩定對下游核安全級設備的穩定運行也起著至關重要的作用，若電壓過高或過低，勢必會對負荷設備造成一定的影響。

該套勵磁調節器由帶相復勵變壓器及振蕩回路的勵磁調節回路和三相不可控整流橋附加IGBT直流斬波電路構成的調節器回路組成[2]。按照系統的設計要求，該套勵磁調節器在不投調節器時可以達到±5%的調節精度，投入調節器后可以達到±0.5%的調節精度。

在應急柴油發電機進行空載勵磁試驗過程中，發現發電機勵磁調節器試驗模式下無法準確控制柴油發電機電壓至額定值，并網時因電壓調節不當會出現無功進相的問題，不滿足設計的要求。

2 原因分析及處理過程

該問題的分析需從相復勵勵磁調節器結構及原理出發，分析其產生的根本原因。

2.1 相復勵勵磁調節器的工作原理

由圖1所示，柴油發電機的勵磁復勵回路主要由復勵變壓器、電抗器L321、電容器C32和半導體整流器橋VD等部分組成。相復勵變壓器是一臺三相三繞組的變壓器，它的每相有三個繞組，即電壓繞組N1，電流繞組N3，輸出繞組N2。其中N1和N3是變壓器的輸入繞組。

圖1 相復勵勵磁原理圖

當柴油機拖動發電機轉動逐漸升轉速的過程中，發電機轉子剩磁的會使定子產生一個殘余電壓，當殘余電壓經過振蕩電路的振蕩點（大約44Hz）左右時，電流向電壓繞組N1的空載部分電流會迅速增大，經過半導體整流橋變成直流電送至發電機勵磁繞組上，使轉子磁場增加，發電機的電壓也逐漸升高直至空載額定值。

當柴油發電機并網帶上負荷后，電壓繞組提供的勵磁電流基本恒定不變，相復勵變壓器的電流繞組N3會流過負載電流，相復勵變壓器的兩個輸入繞組均在輸出繞組N2上產生了電動勢，此時，隨著負載電流的變化，輸出繞組N2上的感應電動勢也隨著改變，負載電流增大，輸出的勵磁電流也隨之增大，以維持發電機端電壓保持恒定。

因振蕩器及CT變比的非線性特性，復勵回路的控制精度在±5%左右，不能得到較高控制精度，因此，在柴油發電機的勵磁控制系統中，還附加了一個IGBT直流斬波電路構成的調節器，用于提高調壓精度，當調節器中的DC LINK的電壓大于勵磁回路的電壓時，調節器則從勵磁回路吸收直流電流，反之，則會給勵磁回路提供部分電流，使發電機的出口電壓維持設定值[3]。

2.2 相復勵電壓調試過程及問題分析

（1）相復勵回路電壓調節及無功功率不足分析。相復勵回路包含兩個調節元件，一個是相復勵變壓器的輸出繞組N2抽頭（固定端2.1，調節端繞組匝數2.3＜2.4＜2.5＜2.6＜2.2）及電壓繞組的N1抽頭（固定端3.1，調節端繞組匝數3.3＜3.4＜3.5＜3.6＜3.2）。另外一個是電抗器的氣隙。

根據磁平衡的原理：

由上述磁平衡公式可見，當相復勵變壓器的輸出繞組N2匝數越少，輸出電壓越大，反之越小。當相復勵變壓器的電壓繞組N1匝數越大時，輸出電壓越大，反之越小。

為了防止柴油發電機帶負荷或并網時能夠提供足夠的無功功率，在調節電壓時一般先將相復勵勵磁變壓器的輸出繞組的N2抽頭可調節端調至最小2.1-2.3，然后通過調節電壓抽頭N3來調節發電機的輸出電壓。同時，相復勵回路的調節需將恒壓調節裝置退出運行。

當發電機的空載電壓偏低時，可以通過調節電抗器L321的氣隙來調節空載輸出電壓[4]。增大電抗器L321的氣隙，空載輸出電壓增大，減小電抗器的輸出電壓，空載輸出電壓減小。

在柴油發電機帶上負載后或并網后帶上負載，若輸出線圈N2的匝數位置不合理，就會造成勵磁電流的電流分量不足以補償電樞反應的去磁效應和漏抗的壓降，使發電機的無功發不足，此為導致無功進行的原因之一。

（2）調節器回路投入后電壓調節不精確問題分析。因為相復勵控制回路的控制精度僅在±5%之間，當柴油發電機空載運行時，發電機出口電壓很難穩定至額定電壓6.6kV運行，若此時電抗器L321飽和，隨著負載的增加，發電機的出口電壓會隨之降低而得不到足夠的補償。

自動恒壓裝置回路投入后，發電機的空載穩態電壓維持在6.88kV，如圖2。

圖2 柴油發電機空載波形-帶恒壓調節裝置（程序修改前）

通過圖2可以看出，自動恒壓裝置無法將柴油發電機的出口電壓精確的調節至額定電壓6.6kV。此時，通過在儀控柜緩慢旋動增磁旋鈕，發電機的出口電壓緩慢增加；旋動減磁旋鈕，發電機的出口電壓緩慢降低；

一般的PID閉環控制圖如圖3所示

圖3 PID閉環控制圖

當給定值值為6.6kV時，發電機的輸出電壓也為6.6kV。經過查看調節器的邏輯程序，發現PID控制器的給定值輸入隨著柴油發電機機端電壓的變化而變化。相復勵回路的閉環控制將發電機輸出電壓穩定值6.8kV，當恒壓調節器投入后，其給定值也為6.8kV左右，并隨著機端電壓變化。由此可以判斷，恒壓調節器失去了應有的控制作用。

（3）恒壓調節器電壓控制程序修改方案。恒壓調節器的電壓給定值自柴油發電機起機調節器裝置投入運行后會隨著機端電壓的變化而變化，則無法維持6.6kV的額定值。

根據西門子公司設計的調節器的現有輸入點，可以采用如下方案：

圖4 程序修改方案邏輯圖

RS觸發器S主導真值表 NSW選擇器真值表二進制命令 輸出狀態QN S R — —00QN保持不變01 11001 10I O0X11 X2—— — ——— — ——— — —

利用儀控柜發出的手動電壓調節升高信號higher、電壓降低信號lower、起勵動作信號field flashing is active、投入調節器信號release regulator組態成電壓給定值選擇命令邏輯。如圖4

在柴油機試驗模式啟動時，起勵動作信號field flashing is active和投入調節器信號release regulator變化為1，RSS觸發器復位，QN輸出為1，NSW選擇器輸出給定值6.6kV，此時若手動調節增磁higher或減磁lower旋鈕，或選擇同期小車并網（并網時同期小車會調節發電機電壓），此時RSS觸發器置位，QN輸出為0，NSW選擇器輸出給定值為柴油發電機機端電壓，跟隨機端電壓變化。當柴油發電機由應急模式（僅相復勵閉環回路起作用）供電退出時，調節器自動投入，此時柴油發電機電壓會在恒壓裝置的控制下調節回6.6kV后延時停柴油發電機。

（4）修改方案驗證結果。在程序修改下裝至調節器后，啟動柴油發電機并進行驗證，空載波形電壓穩定在了6.6kV。驗證波形如圖5：

圖5 柴油發電機空載波形-帶恒壓調節裝置（程序修改后）

3 結語

通過分析相復勵勵磁的電壓調節原理，得出合理調整相復勵變壓器的輸出繞組抽頭對柴油發電機的無功輸出起到一定的改善作用。通過恒壓調節器軟件的修改，解決了柴油發電機試驗模式下輸出電壓不恒定的問題，使得輸出電壓的控制精度滿足設計要求。