9E聯合循環汽輪發電機同期裝置的應用淺析

浙能金華燃機發電有限責任公司 趙 云

1 引言

燃氣聯合循環機組屬調峰機組，頻繁啟停，同期裝置的使用頻率遠遠高于火力發電廠，在此情況下，若能縮短同期并網時間，將大大提高機組的經濟效益，因此也對同期裝置提出了更高的要求。某廠9E聯合循環汽輪發電機同期裝置采用ABB公司的TAS01同期卡控制，該卡通過DCS控制DEH汽輪機數字電液控制及AVR勵磁系統進行調速調壓，執行并網。基于此，為更好地提升同期并網的性能，本文通過對TAS01同期卡工作原理及特性對同期過程中的問題進行了分析處理，提出了改進方法，取得了較好的效果，對機組運行的經濟性有著積極的意義。

2 TAS01同期卡模件介紹

2.1 TAS01同期卡功能

TAS01同期卡是一個控制模件，安裝在DCS控制柜中，集成了自動同期調整及發電機自動并網功能，該模件能夠接交流電源在0～150V或0～50V，輸入頻率在50Hz或60Hz的發電機電壓（TV1）和待并側電壓（TV2）。模件可自動通過AVR勵磁裝置及DEH數液系統調整發電機電壓及頻率，使兩側電壓、頻率、相位匹配，然后自動發合發電機開關指令[1]，待發電機合閘后同期裝置功能退出。圖1為系統控制示意圖。

圖1 同期并網模塊控制示意圖

2.2 TAS01同期卡工作原理

發電機一旦建立了初始電壓和頻率條件，令DCS同期投入，TAS01同期卡投入工作，當發電機與系統不同步時，該同期卡將檢測發電機和待并側的電壓和頻率是否滿足同期要求。若頻率和電壓均不滿足時，此時同期卡上的FREQ和VOLTS指示燈不亮。當啟用電壓調節，同期卡將向AVR電壓調節器脈沖輸出升高或降低電壓，直到發電機與系統電壓匹配，此時同期卡VOLTS指示紅燈亮。當啟用頻率控制，同期卡通過脈沖升高或降低向DEH輸出轉速控制，以調整轉速，直到發電機與待并側頻率相匹配，此時同期卡FREQ指示紅燈亮。如圖2所示。

圖2 TAS01同期卡面板說明

當電壓和頻率滿足要求后，TAS01同期卡顯示同期相位角差，開始計算發電機與系統相位角的差值，相位角差值從359°逐步降到0°，此時TAS01做好了合閘準備，當相位差角度至發電機斷路器合閘脈沖角時，同期卡CLOSE紅燈亮，向發電機出口斷路器發出合閘脈沖，同期卡面板相位角差將瞬間鎖定在開關合閘時角度，同時結束同期并網程序。圖3為模擬同步工作過程中應有的工作行為。

圖3 模擬同步表示意圖

TAS01同期卡發出發電機開關合閘脈沖指令后，將不會再發另外一個合閘指令，直至發電機開關合閘信號取消。合閘后的相角差應在0°左右，接近同步點，此時對發電機沖擊最小，更易拉入同步，否則需根據開關合閘時間等因素調整發電機合閘脈沖角。

3 TAS01同期卡并網時間長的問題

運行人員一直按操作票規范執行并網，但頻繁出現并網時間增長問題。通過對同期并網觀察，同期投入時同期卡上的FREQ指示燈亮，頻率匹配，但同期卡VOLTS指示燈不亮，電壓未到匹配值，同期卡向AVR發加電壓脈沖，電壓上升，當電壓匹配同期卡VOLTS指示燈亮，此時又出現同期卡上FREQ指示燈不亮，頻率不匹配，同期卡又向DEH調發頻脈沖，但轉數上升緩慢，直至FREQ指示燈和VOLTS指示燈都亮后，滿足同期匹配條并網件，此類情況在多次并網過程中出現，如此往復調整并網參數，使得并網時間出現了延長。回顧整個并網過程，操作方式未變，調頻、調壓也正常執行，但整個并網過程卻延長了，因此筆者對該問題進行了進一步梳理。

4 問題的檢查和處理

4.1 TAS01同期卡的參數檢查

TAS01有15個參數，必須由用戶設置才能正確操作。該廠的同期卡的參數設置見表1。

表1 TAS01卡同期裝置定值清單

參數說明如下：參數1。對電壓升降調節器的輸出脈沖的持續時間。參數2。電壓上下輸出脈沖之間的間隔時間。參數1和參數2決定了可以調整發電機電壓的速率。

參數3。檢測到電壓匹配時，發電機電壓與系統電壓差允許范圍。參數4。將檢測到電壓匹配的參數3的±死區。參數3和參數4確定發電機和系統電壓的電壓允許范圍。圖4說明了這兩個參數之間的關系。

圖4 電壓允許范圍

參數5。汽輪機轉速提高/降低輸出脈沖持續時間。參數6描述轉速上下輸出脈沖之間的間隔時間。

參數7。對于要檢測到的頻率匹配條件，發電機頻率必須超過系統頻率的值。參數8描述參數7的±死區，參數7的±頻率匹配。參數7和參數8確定如何確定頻率的頻率允許范圍。圖5說明了這兩個參數之間的關系。

圖5 頻率允許范圍

參數9。斷路器合閘輸出脈沖持續時間（脈沖寬度）。參數10。斷路器關閉響應時間（從斷路器關閉輸出脈沖開始到實際斷路器關閉的時間）。參數11。最大允許的斷路器閉合角度，此參數用作對其他參數的檢查，使用以下公式。如果計算出的最大斷路器閉合角度超過參數11指定得值，則當按下CAL按鈕并保留舊值時，將顯示錯誤代碼E020。再次按CAL按鈕將重新啟動參數1處的配置序列。（參數10）x（參數7+參數8）x360°＜參數11范圍。

參數12。工作頻率范圍：50Hz。參數13。頻率偏差允許低限值。參數14。頻率偏差允許高限值。參數12、13、14建立TAS01將在工作的頻帶，這被用作頻率輸入信號的完整性檢查。如果頻率不在此波段內，則該模塊假設頻率信號有問題，并且將不會同步該單元。允許的頻帶從（參數12-參數13）=49Hz到（參數12+參數14）=51Hz。

該廠的待并側和發電機側的電壓等級為10kV左右，通過表1舉例說明參數的匹配情況，若系統側電壓為10kV，同期裝置允許電壓的匹配計算：10×1%=0.1kV，則發電機側電壓需＞10.1kV，電壓死區0.15kV，則其電壓允許范圍在10.05～10.25kV，這里需根據待并側電壓值確定發電機側電壓匹配值。同期裝置允許頻率匹配參數計算，為防止出現發電機逆功率，同期卡要求并網時發電機頻率必須超過系統頻率值，若系統頻率為50Hz則參數計算如下：0.12Hz×60r/min=7.2r/min，則發電機側頻率需＞3007.2r/min=50.12Hz，頻率死區0.1Hz，則其頻率允許范圍在50.02～50.22Hz，即3001.2r/min～3013.2r/min，大于系統側頻率50Hz。通過參數檢查發現該廠參數定值均符合準同期并網要求，并網參數未發生變化，且在并網過程中也按此參數并網。

4.2 TAS01同期卡在并網過程中電壓、頻率不匹配情況檢查

4.2.1 電壓不匹配檢查

回顧同期卡的動作情況，在同期投入并網時發現，FREQ指示燈亮，頻率已匹配，同期卡VOLTS指示燈不亮，電壓卻未匹配，通過同對電壓觀察發現，此時系統側電壓10.1kV，而待并側電壓只有9.9kV，故兩側電壓不能匹配，但發電機側電壓在緩慢上升，這說明同期卡在給AVR發升脈沖指令，因加壓需用一個過程，故此時電壓第一時間未能完成匹配。通過分析，主要原因是該廠AVR勵磁系統投勵后的給定值是9.9kV，此時投入同期后，低于系統側電壓，故需通過脈沖調整電壓至匹配值，影響了同期時間。

4.2.2 頻率不匹配檢查

該廠并網同期時DCS汽機選擇轉數設置為3000r/min定速，在沖至3000r/min前，運行的沖轉操作一般從0r/min開始逐步先沖至2950r/min，再由2950r/min沖至3000r/min，此時的沖轉速率也由原來的400r/min調整到50r/min，由于閥門線性等問題，該廠沖至3000r/min的轉數第一波均會超調，轉數會沖高至3009r/min左右。然后有一個回調，回至3000r/min，當此時投入同期，由于3000r/min低于3007.2r/min，同期卡頻率將無法匹配，同期卡需發升轉數脈沖指令，由于DEH此時轉數速率設置50r/min，為防止轉數超調，加上機組調閥特性有了一定的改變等原因，上升速率緩慢，故轉數到3007.2r/min匹配轉數時間也將變長，對同期并網時間必定產生影響。

4.3 同期卡并網時間長問題的優化及措施

4.3.1 針對同期卡頻率匹配優化

由于機組頻繁啟停，機組運行時間近17年，調閥特性有所改變，且主要問題從3000r/min到3007.2r/min升速時間過長，增加了匹配時間，為便于頻率匹配，將TAS01同期卡的頻率匹配參數7定值改為0.06Hz，參數8的死區改為0.06Hz。按此計算，若系統側頻率50Hz，則0.06Hz×60r/min=3.6r/min，發電機側頻率需大于3003.6r/min=50.06Hz，頻率死區0.06Hz，則其頻率允許范圍在50.00～50.12Hz，即3000r/min～3007.2r/min，轉速并未小于系統側轉速。

考慮逆功率問題，如按不等率5%計算，機組額定有功60MW，則3003.6r/min所對應負荷大致為60/150×3.6=1.44MW，即為并網初始負荷，一般不會出現逆功率。因此通過參數修改，相對于3007.2r/min原參數轉數小了一半，即可使3000r/min～3003.6r/min同期匹配時間縮短一半，若轉速為3007.2r/min，沖擊電流800A左右，按此推算，沖擊電流大致能降低到400A左右，可減少對系統的沖擊。同期卡對轉數調整后，自身內部將自動計算合閘相角，若相角不滿足卡件會自動報錯，通過轉速調整相角仍滿足要求，小于參數11，并未報錯誤代碼。

4.3.2 同期并網操作時電壓優化

通過年度系統電壓數據統計發現，該廠系統側電壓一般均在10.1kV左右，△U=Ug-Us=0.1kV，考慮機組在同期投入時電壓能及時匹配，待并則電壓大致需設定在10.2kV。按照運行并網操作票在轉數至2950r/min時投入AVR勵磁調節系統建壓，為及早做好電壓匹配，該廠將原先的AVR勵磁系統初始值由原來的9.9kV調整至10.2kV左右，使發電機側電壓能夠在并網前較早完成匹配，以便縮短同期并網時間。

4.3.3 并網定數時轉數優化

2950r/min沖轉到并網定速時，運行人員會將DCS目標轉速設定3000r/min，現為考慮能盡快與同期并網參數3003.2r/min匹配，規定運行人員DCS目標轉速設定到3004r/min，減少同期卡通過脈沖指令再到DEH調節系統影響調速時間，從而更能使同期投入時轉速快速的匹配，當然這里主要取決于DEH對調閥控制精度及閥門的特性情況。

4.3.4 對同期卡進行ADC自動電壓校準

ADC自動校準是TAS01同期卡內自帶，該程序通過從發電機側和線路側端子輸入相同的電壓源，確保交流輸入轉換相同的數字值，保證兩側電壓匹配及校準，如電壓有不匹配則會生成錯誤信息。

4.3.5 規范操作流程

目標轉數至2950r/min，調整目標指令至3004 r/min，速率50r/min；同時合上勵磁開關，勵磁系統投勵建壓，檢查發電機側電壓至10.2kV，并根據大于系統側電壓0.1kV適當進行手動調整，當汽機轉數在3005r/min時投入同期，投入DEH汽機允許。

經過多次的并網試驗，發電機開關合閘時，TAS01同期卡同期角度顯示在359°或356°，基本滿足準同期相位角0°要求。且同期并網投入啟動到發電機開關合上基本在40s左右，最短只需23s。優化后的沖擊電流只有350A左右，并網時間也得到了較大的改善。

5 結語

發電機的同期并網不僅影響機組的安全性也直接影響機組的經濟性。本文對TAS01同期卡應用進行了一個說明，并對聯合循環汽輪發電機同期并網中的一些問題進行了分析，結合TAS01同期卡及機組的特性，對存在的問題提出了可行的優化措施，通過參數優化及操作方法優化提升了機組并網效能，有效地保證了機組的經濟性，為今后機組的安全穩定運行提供了一定的經驗，值得同類型機組的電廠借鑒及參考。