井岡山航電樞紐水力發電機組EXC 9100勵磁系統選型優化與應用

中建五局土木工程有限公司 皮俊科 楊珊華 吳永鑫

井岡山航電樞紐位于贛江中游河段的江西省吉安市境內，其中發電機組由6臺22.17MW燈泡貫流式水力發電機與3臺50MVA的10.5kV/242kV升壓變采用擴大單元接線方式組成。

發電機勵磁系統的作用主要是：維持發電機或其他控制點的電壓水平，控制并聯機組無功功率分配，提高系統穩定性。發電機勵磁系統主要分為自并勵靜止勵磁、它勵靜止勵磁、直流勵磁機勵磁、交流勵磁機勵磁、無刷勵磁等勵磁系統。本電站采用的是主流的自并勵勵磁系統，具有結構簡單、響應快速的優點。勵磁系統的選型與整定參數的設置對整個系統的靜、動態穩定特性起著至關重要的作用，但設備廠家與設計院在選型與參數計算時所依據的模型均來自理論數據，與實際運行狀況會有一定的偏差，如果不進行優化，運行過程中可能會對系統的穩定性有較大影響，嚴重時會影響整個地區電網的穩定運行，因此有必要對上述參數進行分析，并結合機組調試試驗的實測數據進行分析計算與總結，確保項目的調試與試運行順利完工與交付，也為今后類似項目積累經驗。

1 EXC 9100勵磁系統介紹

1.1 EXC 9100勵磁系統介紹

EXC 9100型勵磁系統主要由勵磁調節器單元（調節柜)、功率單元（兩個功率柜)、滅磁及過壓保護單元(滅磁開關柜、滅磁電阻柜等)、起勵單元、勵磁變壓器等組成。勵磁調節器單元包括了A/B兩調節通道、人機界面部分、對外接口（智能IIU）及通訊模塊部分。勵磁系統內部的勵磁調節通道、人機界面、智能IIU、功率單元、滅磁及過壓保護單元之間的數據交換通過現場CAN總線實現。勵磁調節器A、B通道間完全對等冗余，互為備用。

本工程主要參數如下：浙江富春江水電設備有限公司產SFWG22.17-80/7600發電機，額定容量24.63MVA，額定功率22.17MW，額定功率因數cosφ0.9（滯后），定子額定電壓10.5kV，定子額定電流1354.5A，額定頻率50Hz，額定轉速75r/min，額定勵磁電壓388V，額定勵磁電流810A，定子線圈接線方式Y型接線，冷卻方式為強壓、強迫，二次冷卻，強勵頂值電倍數2，強勵電壓響應比1037/388，允許強勵時間10sec，每相定子電阻（75℃）0.0331Ω，不飽和/飽和直軸同步電抗0.905/0.802，不飽和橫軸同步電抗0.613。

1.2 EXC 9100勵磁調節柜介紹

勵磁調節器主要由A/B雙通道主控制板、開入量板、開出量板、人機界面、智能IIU以及特殊功能通訊模塊（可選配）等組成。

主控制板完成的主要功能：常規調節功能。包括AVR調節（自動方式和手動方式）、給定值預置、無功調差、恒無功/功率因數附加調節、軟起勵、通道跟蹤、系統電壓跟蹤等；附加控制功能。包括國際標準的IEEE-PSS2A、電力系統電壓調節器（PSVR）及魯棒非線性PSS等；限制功能。包括發電機電壓V/F限制、瞬時強勵限制、反時限過勵限制、五點擬合的欠勵限制等；模擬量采集、計算功能。實現了32點向量同步交流采樣技術，完成了同步采集控制、同步交流采樣及算法實現、頻率補償、同步信號檢測、脈沖形成以及CPU接口等功能；脈沖輸出。FPGA接受ARM的調節運算結果，進行同步信號檢測及頻率補償后形成并輸出可控硅觸發脈沖信號；其它輔助功能。包括故障邏輯判斷、參數在線修改、防誤操作（如防接點粘連措施）、電源管理、芯片間互檢、通道間互檢、12位D/A輸出等。

模擬量板完成的主要功能：主要實現發電機機端PT電壓、機端CT電流、勵磁CT電流、同步信號、系統PT電壓、白噪聲等模擬量信號的轉換；I/O接口板完成的主要功能：外部對勵磁調節器的諸如起勵、增減磁操作、逆變、并網等控制、操作、狀態信號，及調節器向外輸出的控制、狀態信號；開入量板板完成的主要功能：外部對勵磁調節器的諸如起勵、增減磁操作、逆變、并網等控制、操作、狀態信號，采用的是24V電壓等級的開入量；開出量板板完成的主要功能：勵磁調節器向外輸出的諸如投入起勵電源、逆變失敗分滅磁開關、R631信號等控制、狀態信號硬件組成；智能IIU板主要功能：可靈活實現勵磁系統與電站監控系統的數據交換。

1.3 EXC 9100智能功率柜介紹

智能化功率柜。每個智能化功率柜的主要部件包括六個可控硅組件（包括散熱器）、六個帶接點指示的快速熔斷器、六個高耐壓值的脈沖變壓器、一套集中阻斷式阻容保護裝置或分散式阻容保護、一臺或兩臺互為備用的的冷卻風機、一個或兩個風壓節點用于風機啟停監測、一塊功率柜智能控制板、一塊帶按鍵的液晶顯示屏、三個霍爾電流傳感器、一個或二個測溫電阻用于風溫檢測。

功率柜智能控制板。其核心控制芯片由ARM與CPLD組成。功率柜的控制信號從端子接入，經過光隔后送給ARM，輸出信號經過繼電器輸出至相應端子上。調節柜送來的觸發脈沖信號經過光隔后送至CPLD處理，首先將其轉換為高頻脈沖列，然后經放大后驅動脈沖變壓器，觸發可控硅導通。控制板能將各種狀態和參數輸出到液晶顯示屏上顯示，同時接收操作命令進行相應的處理。該板的功能是功率柜的智能檢測和控制，可進行可控硅整流橋每個橋臂電流、風道溫度、快速熔斷器狀態、阻容保護狀態、風壓接點的監測和智能均流、風機操作的控制以及功率柜電流顯示、均流、風溫校準等功能；同時將功率柜的信號通過CAN總線送到調節柜處理。

1.4 EXC 9100滅磁開關柜介紹

勵磁系統正常停機時，調節器自動逆變滅磁，不需要跳開滅磁開關滅磁；事故停機，需要跳滅磁開關將磁場能量轉移到滅磁電阻滅磁。當發電機處于滑極等非正常狀態時，會在轉子回路中產生很高的感應電壓，此時轉子回路中的A61模塊檢測到轉子正向過電壓超過定值時，就會馬上觸發V62可控硅，將滅磁電阻單元FR并入轉子回路，通過滅磁電阻將產生的過電壓能量消除；而轉子回路的反向過電壓信號則直接經過V61二極管接入滅磁電阻耗能，以保證發電機轉子不會出現開路，從而保護轉子絕緣不會被破壞。由于這種保護的存在，轉子繞組會產生相反的磁場，用以抵消定子負序電流所產生的反轉磁場，保護轉子表面、轉子護環不會被燒壞。

圖1 EXC 9100逆變滅磁原理圖

2 EXC 9100勵磁系統關鍵元件參數核算與優化

勵磁系統關鍵元件參數核算：勵磁變容量與電壓、可控硅元件的參數、整流橋參數、滅磁開關參數、滅磁電阻參數、起勵裝置參數、勵磁變CT參數、快速熔斷器參數，需要分別對所有參數進行計算與校驗。

2.1 勵磁變容量與電壓

計算依據：滿足發電機勵磁繞組在1.1倍額定勵磁電流下長期運行的要求，并留有足夠裕度；發電機機端電壓降到80%額定值時能提供2倍強勵電流；整流橋為三相全控橋，最小控制角為10°。

變壓器二次電壓以U2N=(2×UfN+ΔUT)/ 1.35×0.8×(cosα-C×Im/In×XT)計算，式中UfN為額定勵磁電壓，取388V；ΔUT為可控硅總壓降，一般取2V；C為傾斜系數，三相全控橋時取C=0.5；Im/In為強勵時的二次電流與額定二次電流之比，取2；XT為變壓器漏抗，取0.06；cosα為最小控制角系數，取0.985，帶入式中得U2N=780V。

變壓器容量計算：在考慮變壓器的諧波損耗時，可取整流變壓器的容量為發電機額定運行時勵磁容量的1.2倍。則勵磁變容量計算為：P=1.2√3×u2N×0.816IfN=1.2×1.732×780×810×0.816=1071.5k VA。實際選取勵磁變壓器的容量為1100kVA，有裕度滿足要求。勵磁變壓器選取的容量為1100kVA，變比為10500V/780V。

2.2 可控硅元件的參數

可控硅反峰電壓選擇計算：反向重復峰值電壓應大于或等于勵磁變壓器二次側最大峰值電壓的2.75倍，則Urp=2.75×√2×U2N=3.8885×780=30 33.03V，現實際選取的晶閘管重復峰值電壓為Urp=4200V，滿足要求并留有較大裕度。

常溫下可控硅平均通態電流的選擇為:IP≥KSAKjiIdK4/K2KSK6，式中KSA為電流儲備系數取2；Kji為電路系數，對三相全控橋取0.367；K4為海拔高度系數，取1.1；K6為風速降低，溫度上升，取0.9；K2為風速系數，5m/s，取1.0；KS為環境溫度系數，40℃，取1.0；Id為額定勵磁電流，取810A，帶入式中得IP=726.7A。

并聯支路數nb≥IP/K7In。K7取1，In=1150A,計算Nb=0.63，即單橋就能滿足所有工況運行包括強勵，實際選取并聯支路數為2。

可控硅選取為5STP12F4200 1150A/4200V。

2.3 整流橋參數

本工程配置兩套整流橋，考慮到額定勵磁電壓為388V，額定勵磁電流為810A。選擇可控硅快熔型號為RS4-1000V/1000A-PLm104NK。

自動調節特性參數。自動方式運行，三相調壓器輸出電壓保持恒定。進行增磁操作，當電壓給定Ugd大于機端電壓Ug時控制信號Uk減小，輸出電壓增大；進行減磁操作，當Ugd小于Ug時控制信號Uk增大，輸出電壓減小。増減調節輸出電壓變化連續，無突變現象（表1）；移相特性參數。B通道恒控制角模式，各整流橋觸發角度下的移相特性見表2。

表1 自動調節特性參數表

表2 移相特性參數表

2.4 滅磁開關參數

額定電壓的核算。磁場斷路器額定電壓應大于磁場斷路器長期工作電壓的最大值，按2倍額定勵磁電壓考慮：Un＞2×Ufn=2×388=776V，實際選取的滅磁開關額定工作電壓為1000V，滿足使用要求；額定電流的核算。磁場斷路器的額定電流應不小于發電機長期工作時勵磁電流的1.2倍：In＞1.2×810=972A；分斷能力的核算。電機故障發生轉子滑環側短路時所產生的磁場繞組短路電流，按以下公式計算：IS=S/0.816×√3U2N×UK%，計算得分斷能力為16.6kA，實選滅磁開關額定短路耐受電流為42kA，滿足要求。

滅磁開關弧壓驗算。非線性滅磁電阻殘壓值的選擇UR=1100V，機組發電機強勵期間發生機端三相短路滅磁時磁場斷路器弧壓驗算：此時電源電壓為0，勵磁電流為3倍額定勵磁電流需要的磁場斷路器弧壓為Uarcmin=0+UR=1100V，機組發電機空載過壓保護動作滅磁時磁場斷路器弧壓驗算Uarcmin=1100-1.3×1.414×780=-333.8V。

綜上，磁場斷路器的弧壓需要大于1100V，而E1B/EMS1250A/1000V開關的理論弧壓可達2880V，滿足實際運行要求。實際選取的滅磁開關型號為E1B/EMS1250A/1000V，額定電流為1250A、3串10并，滿足要求。

2.5 滅磁電阻參數

磁場繞組電感Lf=T'do×Rf75℃，式中Rf75℃=0.4069Ω，T'do=2.872S則Lf=0.4069×2.872=1.169H。電機額定空載勵磁電流時磁場儲能Wf0=0.5×Lf×If02=0.5×1.169×4402=0.113MJ（Ifo為空載勵磁電流）。發電機磁場最大儲能Wfmax=1/2 Lf×If0×Ifk=0.5×1.169×440×810×2=0.417MJ（Ifk為強勵勵磁電流）。發電機滅磁時滅磁電阻耗能和滅磁電阻設計能容量WRfk，根據我國計算機程序計算和制造廠估算經驗，滅磁電阻在發電機空載滅磁時耗能占磁場儲能的比率系數為0.7。（考慮定子漏抗及磁場飽和電樞反應、轉子繞組本身電阻的耗能、阻尼繞組耗能）。考慮20%備退裕度，則WRfk=0.417×0.7×1.2=0.35MJ，配置的非線性滅磁電阻的總能容氧化鋅非線性電阻配置為0.6MJ。

2.6 其他參數

電壓保護參數2.5×√2×U2L＜動作值＜10×√2×UfN×0.7，即2757.3V＜動作值＜3840.4V，實際選取的過電壓動作值為2800V；起勵裝置參數。選用220V直流電源作為起勵電源，將BOD板的001～006斷開；勵磁變CT參數。考慮到勵磁變壓器選取的容量為1100kVA，變比為10500V/780V，額定勵磁電流810A，最大短路電流約28834A，高壓側選擇LZZBJ9-10150/110P30/10P30/0.2530VA，低壓側選擇1000/1A；快速熔斷器參數。考慮到額定勵磁電流為810A，選擇熔斷器電流I=810×1.25=1000A。故快速熔斷器選取為RS4-1000V/1000A-P1m104NK。

3 結語

本文經過勵磁變容量與電壓、可控硅元件的參數、整流橋參數、滅磁開關參數、滅磁電阻參數、起勵裝置參數、勵磁變CT參數、快速熔斷器參數等勵磁系統關鍵元件參數核算及對調試試驗時的實測數據進行分析計算，將相關設備參數選型進行了優化，給同類型機組提供了借鑒。