火力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障及對(duì)策研究

吳妮娜

（國(guó)能浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 杭州 315800）

0 引言

火力發(fā)電機(jī)最重要的組件是勵(lì)磁系統(tǒng)，其不僅影響電能生產(chǎn)的穩(wěn)定性，也影響企業(yè)的健康成長(zhǎng)［1-2］。本研究對(duì)火力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的常見故障進(jìn)行剖析，為我國(guó)火力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的維修及維護(hù)提供參考。

1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)

1.1 主要功能

在火力發(fā)電過(guò)程中，勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)揮著控制電壓、提高電力設(shè)備安全性及增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等作用［3］，其最重要的組成部分是勵(lì)磁功率單元及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。其中，勵(lì)磁功率單元是將勵(lì)磁電流輸送給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則控制勵(lì)磁功率單元的輸出［4］。輸出功率一方面要結(jié)合實(shí)際的輸入信號(hào)，另一方面則基于具體的調(diào)節(jié)算法［5］。此外，勵(lì)磁系統(tǒng)還負(fù)責(zé)部分接口電路模塊的信號(hào)輸入及輸出。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁變壓器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、可控硅整流器和起勵(lì)滅磁單元組成［6］。勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)、同步發(fā)電機(jī)端電壓等功能均由可控硅整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)［7］。本研究以舟電4號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)為例，介紹自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（見圖1）。

2 調(diào)節(jié)和控制算法

2.1 PID調(diào)節(jié)及算法

PID調(diào)節(jié)器雖能通過(guò)減少比例來(lái)對(duì)系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)加以控制，但在一定程度上會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，火力發(fā)電廠采用微分調(diào)節(jié)的方式，通過(guò)放大調(diào)節(jié)的倍數(shù)比例，讓系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提升。PID調(diào)節(jié)的具體值見式（1）。

式中：E（t）=Ug-UC，Ug、U C為電壓給定值和電壓測(cè)量值；Y（t）與Kp分別為控制輸出與比例系數(shù)；與消除靜態(tài)誤差相關(guān)的e（t）及Ki分別為機(jī)端的電壓偏差信號(hào)及積分常數(shù)；Kd為改善系統(tǒng)靜態(tài)誤差相關(guān)的微分常數(shù)；d為具體輸出量。

2.2 PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

發(fā)電機(jī)閉環(huán)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)端的電壓反饋量顯示為負(fù)。一旦發(fā)生轉(zhuǎn)子功率角振動(dòng)，轉(zhuǎn)子功率角的電流相位便會(huì)領(lǐng)先勵(lì)磁系統(tǒng)所提供的勵(lì)磁電流，而當(dāng)該頻率達(dá)到限界時(shí)，將導(dǎo)致滯后角度超出180°。此時(shí)，系統(tǒng)將因轉(zhuǎn)子功率振蕩而產(chǎn)生“負(fù)阻尼”，而原本的反饋由負(fù)反饋轉(zhuǎn)變?yōu)檎答仭?/p>

圖2為PSS電路通用框圖，隔直電路中n=1或2。放大單元的輸入值可改善加速功率偏差（ΔPa）、頻率偏差（Δf）、轉(zhuǎn)速偏差（Δω）、電功率偏差（ΔPe）中的一個(gè)信號(hào)或幾個(gè)信號(hào)。V為速度，Tω為隔值環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，K為放大倍數(shù)，T1-T4為超前滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，R1、R2為半徑常數(shù)。

若使用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，并輔以發(fā)電機(jī)的電壓偏差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)勵(lì)磁，可改善發(fā)電機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)及靜態(tài)勵(lì)磁足夠穩(wěn)定時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)將提供超前相位輸入，從而對(duì)勵(lì)磁電流的滯后相位進(jìn)行補(bǔ)償，最終達(dá)到解決負(fù)轉(zhuǎn)矩的效果。此外，因?yàn)镻ID調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制電壓的形式是持續(xù)不斷地對(duì)電壓偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，故系統(tǒng)并不能自主識(shí)別阻尼轉(zhuǎn)矩當(dāng)前值是正或負(fù)，導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)無(wú)法估計(jì)阻尼轉(zhuǎn)矩為正值時(shí)的相位需求。對(duì)此，火力發(fā)電站在自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上采用PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，選擇轉(zhuǎn)速、功率及頻率偏差中的一種或兩種信號(hào)作為附加控制。

圖1 舟電4號(hào)機(jī)自并勵(lì)磁系統(tǒng)圖

舟電4號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用南瑞科技生產(chǎn)的NES6100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器提供雙輸入型PSS2B模型及多頻段控制型PSS4B模型（IEEE Std.421）。

圖2 PSS電路的通用框圖

3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

3.1 軟件系統(tǒng)

人機(jī)界面與監(jiān)控程序是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的重要組成部分。其中，基于人機(jī)界面交互可對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)進(jìn)行修改，監(jiān)控負(fù)責(zé)調(diào)控整個(gè)發(fā)電勵(lì)磁系統(tǒng)。如圖3所示。

3.1.1 系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化是調(diào)節(jié)器在運(yùn)行前對(duì)基礎(chǔ)系統(tǒng)程序進(jìn)行配置，將計(jì)算機(jī)及接口模塊還原為初始狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)置的具體值進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)后的程序符合起勵(lì)要求時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)進(jìn)行控制狀態(tài)。

3.1.2 開中斷。調(diào)節(jié)器在滿足開機(jī)條件后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入調(diào)節(jié)與控制狀態(tài)。此時(shí)，調(diào)節(jié)器將新增程序中斷功能。此外，在調(diào)用中斷程序執(zhí)行中斷指令時(shí)，只用執(zhí)行中斷主程序即可。當(dāng)中斷程序執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)將再度返回主程序。

3.1.3 故障檢測(cè)設(shè)置。檢測(cè)程序不僅會(huì)檢測(cè)勵(lì)磁系統(tǒng)是否存在故障，也會(huì)判別出許多故障類型，如TV是否存在斷線、電源電壓是否穩(wěn)定以及硬件檢測(cè)信號(hào)是否正常等。

3.1.4 終端顯示和微機(jī)接口命令。借助終端顯示器可隨時(shí)獲取發(fā)電機(jī)與調(diào)節(jié)器的運(yùn)行狀況，通過(guò)微機(jī)的接口命令能實(shí)時(shí)寫出參數(shù)，并開展動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。此外，在調(diào)解程序運(yùn)行期間，主程序?qū)⒀h(huán)執(zhí)行接口命令，此時(shí)定時(shí)器也會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，并中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，之后是否繼續(xù)執(zhí)行負(fù)載程序主要是由開關(guān)狀態(tài)而定。

3.1.5 控制調(diào)節(jié)程序?？刂普{(diào)節(jié)程序主要用于對(duì)判別程度加以限制，并對(duì)電壓調(diào)解程序進(jìn)行檢查，檢查的內(nèi)容包括發(fā)電機(jī)端電壓、PID計(jì)算、計(jì)算調(diào)差等。

3.2 限制流程

圖3 主程序示意圖

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器搭載的各類限制器是為了限制勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)數(shù)值，使其保持在合理的范圍，以免對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。如發(fā)電機(jī)空載V/F限制、滯相無(wú)功限制、無(wú)功限制及反時(shí)限強(qiáng)勵(lì)定值限制等。

3.2.1 低勵(lì)限制器。低勵(lì)限制用于限制同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率，防止深度進(jìn)相造成發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定運(yùn)行。低勵(lì)限制曲線由有功功率和對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率限制值組成，曲線形狀與發(fā)電機(jī)的定子電壓值有關(guān)，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓變化時(shí)，限制曲線也隨之發(fā)生偏移。

3.2.2 過(guò)勵(lì)限制器。過(guò)勵(lì)限制器是在保證勵(lì)磁繞組不過(guò)熱的前提下，充分利用勵(lì)磁繞組短時(shí)過(guò)載的能力，盡可能在系統(tǒng)需要時(shí)提供無(wú)功功率，支持系統(tǒng)電壓恢復(fù)，即保證強(qiáng)勵(lì)能力。

3.2.3 勵(lì)磁電流限制器。勵(lì)磁電流限制器包括最大勵(lì)磁電流瞬時(shí)限制和負(fù)載最小勵(lì)磁電流限制。最大勵(lì)磁電流瞬時(shí)限制可設(shè)定三段勵(lì)磁電流限制值。當(dāng)勵(lì)磁電流超過(guò)設(shè)定的限制值并持續(xù)到動(dòng)作時(shí)間后，最大勵(lì)磁電流瞬時(shí)限制動(dòng)作會(huì)把勵(lì)磁電流降至安全的數(shù)值。負(fù)載最小勵(lì)磁電流限制可避免機(jī)組深度進(jìn)相導(dǎo)致失磁。該限制器為瞬時(shí)動(dòng)作，要設(shè)定的參數(shù)為負(fù)載最小勵(lì)磁電流限制值。發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流將被限制在給定勵(lì)磁電流限制值以上。

3.2.4 V/Hz限制。發(fā)電機(jī)空載端電壓與所連磁通成正比，為避免發(fā)電機(jī)組和勵(lì)磁變壓器鐵芯發(fā)生過(guò)磁通飽和的現(xiàn)象，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)有V/Hz限制器。如果發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓超過(guò)某一頻率的電壓限制值，在設(shè)定動(dòng)作時(shí)間后，限制器將發(fā)出V/Hz限制動(dòng)作信號(hào)，降低機(jī)端電壓給定值至當(dāng)前頻率下的電壓限制值，同時(shí)發(fā)出增磁禁止信號(hào)。

3.3 自檢、自診斷功能

電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)所具有的自檢與自診斷功能是在系統(tǒng)出現(xiàn)電源電壓低、電源消失及超出上下限等故障時(shí)發(fā)出故障信號(hào)，并進(jìn)行備用通道切換。舟電4號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)NES6100具有功率柜同步電壓相序及相位檢測(cè)、發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓相序及相位檢測(cè)等功能。

4 火電廠勵(lì)磁系統(tǒng)故障及應(yīng)對(duì)方式

為保證火電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須采取措施解除故障，否則將對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備安全造成重大影響［10］。

4.1 發(fā)電機(jī)無(wú)法起壓故障處理措施

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生故障極有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無(wú)法起壓，從而對(duì)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響［11］。對(duì)此，維護(hù)人員先對(duì)勵(lì)磁線路的連線情況進(jìn)行檢查，在確認(rèn)勵(lì)磁線路連線正確的前提下，方可進(jìn)行回路恢復(fù)。待回路恢復(fù)后，維護(hù)人員還要進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，確保發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

4.2 發(fā)電機(jī)失磁故障處理措施

發(fā)電機(jī)失磁故障會(huì)降低電網(wǎng)電壓，從而對(duì)供電質(zhì)量產(chǎn)生影響［12］。對(duì)此，為避免威脅用戶的用電安全，要及時(shí)處理失磁故障，并對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行停機(jī)處理，再將故障設(shè)備脫離出發(fā)電機(jī)組進(jìn)行維護(hù)檢修，避免對(duì)其他機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。

4.3 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障處理措施

汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障具有較大的危害性?？刹捎靡韵聝煞N改善方式。一是加強(qiáng)日常的機(jī)組巡檢及維護(hù)，避免兩點(diǎn)接地故障發(fā)生。二是在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路中安裝絕緣檢測(cè)裝置，確保在最短時(shí)間內(nèi)處理好發(fā)電機(jī)接地現(xiàn)象，避免危害范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。此外，為保障發(fā)電器設(shè)備的安全運(yùn)行，并提升其作業(yè)的穩(wěn)定性，要定期對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子接地現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，火力發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)不僅關(guān)乎電能生產(chǎn)的穩(wěn)定性，也將決定企業(yè)能否健康成長(zhǎng)。因此，火力發(fā)電廠必須對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的維修及維護(hù)給予高度重視，采取合理的檢修處理措施來(lái)降低磁力系統(tǒng)的故障概率，以此方能維護(hù)企業(yè)的健康成長(zhǎng)，繼而為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展做出貢獻(xiàn)。