火電機組增加調相機功能之勵磁設計探討

摘要：首先對火電機組增加調相機功能的勵磁設計特點進行了分析，主要包含增加啟動勵磁、高強勵倍數、流程配合等特殊需求，隨后針對性探討和介紹了啟動勵磁設計、主勵磁設計、啟動流程設計的原則和要點，并形成一套可用于實際工程化應用的設計方案，用于指導類似工程實施。

關鍵詞：火電機組增加調相機功能；啟動勵磁；高強勵倍數；啟動流程

中圖分類號：TM921.41" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）08-0004-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.002

0" " 引言

隨著雙碳政策的執行和環保的需要，常規火電機組的生存空間不斷被壓縮，且隨著政策引導，居民采暖和工業用汽將逐步由600 MW及以上機組承擔，未來將會有一大批300 MW及以下供熱機組退出歷史舞臺，而300 MW以下的非供熱機組更是面臨即將被關停的困境。此外，隨著以新能源為主體的新型電力系統的大力發展，光伏、風電等清潔電力占比逐年增大，而相較于傳統火電，清潔電力對電網運行安全支撐效果較差，其占比快速提高導致區域電網的電壓支撐能力不斷削弱，系統穩定水平下降[1-2]。

如何讓傳統火電機組特別是容量相對較小的火電機組繼續生存，又能在新型電力系統的新格局下發揮作用，成為火電行業發展的焦點問題。于是，傳統火電機組增加調相機功能，將火電機組升級改造為具備發電機和調相機雙功能的方案應運而生，它既可以在發電機模式下承擔區域應急備用電源的任務，也可以在調相機模式下承擔區域電網無功支撐的功能[3-4]，從而充分發揮機組高負荷時期有功支撐和低負荷時期無功支撐綜合效能，不僅能大幅提升系統調節能力，也能解決新能源發展和保障電力可靠供應之間的矛盾，是傳統火電可持續發展探索的新方向[5]。

勵磁系統作為電站運行的核心設備，是發電機正常運行、調相機啟動、調相機穩態及暫態功能發揮的關鍵。針對火電增加調相機功能的機組，勵磁系統設計需綜合考慮發電機運行、調相機啟動、調相機強勵、流程接口等需求，在功率設計、軟件設計、流程配合設計等方面均需特殊考慮，本文將針對火電增加調相機功能的機組特點，詳細介紹勵磁系統的設計原則和要點。

1" " 火電機組增加調相機功能之勵磁特點

1.1" " 啟動勵磁或啟動功能

在作為發電機使用時，機組原動力由汽輪機提供，汽輪機沖轉到額定轉速后，機組由勵磁系統建壓后并網運行。在作為調相機使用時，調相機與汽輪機脫開，調相機在并網運行時不再發出有功，而是發出或吸收無功，從而起到調相的作用。而在并網前，調相機沒有原動力沖轉，為實現同期并網，減小并網時的沖擊，需通過SFC和勵磁系統共同作用，先將調相機拖動至1.05倍額定轉速，再惰走建壓并網，故在調相機啟動升速時，勵磁系統需要配置啟動勵磁或具備啟動功能，本文將介紹配置啟動勵磁的設計方案。

1.2" " 高強勵倍數

調相機可根據系統需求提供或吸收無功功率，滿足系統暫態的無功需求，同時兼顧穩態需求，在電網出現故障時自動快速調節無功功率，它既可以有效解決電源端暫態過電壓問題，也可以實現系統電壓和直流功率的迅速恢復，提升電力系統可靠性和穩定性。為滿足上述暫態需求能力，參照國網調相機相關要求[6]，勵磁系統強勵電壓倍數不小于3.5（對應調相機端電壓0.8Ue時），強勵電流倍數不小于2.5，允許強勵時間不低于15 s。該標準遠高于常規勵磁系統設計，故在火電機組增加調相機功能的工程中，勵磁變壓器、功率單元晶閘管選型設計將相應提高和改造。

1.3" " 流程配合

作為調相機運行時，勵磁系統需要與DCS、SFC等系統進行配合交互，且一般調相機啟停過程均采用自動順控，故勵磁系統需要設計相對應的信號交互接口和匹配DCS、SFC、保護等其他系統的邏輯流程，方能確保機組的順利啟停。

2" " 設計原則與要點

2.1" " 典型機組參數

本文以350 MW機組為例，介紹勵磁系統的設計原則與要點，機組典型參數如表1所示。

原發電機的老勵磁變及勵磁系統參數如表2所示。

由以上參數可見，發電機和調相機的容量、定子電流、勵磁電流等參數基準不一致，強勵倍數不一致，故勵磁設計時軟硬件均需特殊處理。

2.2" " 啟動勵磁設計

本文將介紹配置單獨啟動勵磁的方案，即調相機在啟動階段采用啟動勵磁工作，啟動升速結束后切換至主勵磁工作，啟動勵磁和主勵磁采用不同的勵磁變和功率橋。啟動勵磁的選型設計需嚴格按照SFC啟動設備的要求來進行。

2.2.1" " 啟動勵磁變設計選型

調相機在啟動過程中由SFC提供定子電流，由啟動勵磁提供勵磁電流，勵磁電流的大小由SFC運算決定，SFC啟動升速曲線如圖1所示。

啟動勵磁變副邊電流的計算式如式（1）所示：

式中：I2為啟動變壓器二次側電流；Ifq為調相機SFC啟動時所需的勵磁電流。

由圖1可見，在調相機啟動過程中需要的最大勵磁電流為600 A，則啟動勵磁變副邊電流為：

故勵磁變設計選型應要求副邊電流大于539 A。

調相機啟動過程中，勵磁電壓由勵磁變提供，勵磁電壓與勵磁變二次側電壓的計算式如式（2）所示：

式中：U2為勵磁變壓器二次側空載額定線電壓；αmin為勵磁最小觸發角，啟動過程最小為10°；Ifq為啟動勵磁電流；Ufq為啟動勵磁電壓；∑ΔU為電壓降之和，包括導通兩臂的硅元件正向壓降，匯流導線電阻壓降及轉子滑環與碳刷間的壓降，計算中啟動工況取2 V；Xr為變壓器電抗，其計算式見式（3）：

式中：Uk為變壓器阻抗電壓，取4%。

根據SFC啟動的要求，啟動期間勵磁電壓需滿足1.8倍額定空載勵磁電壓，即取Ufq=1.8Uf0，綜上，得出U2應滿足式（4）：

由此得出勵磁變壓器二次側空載額定線電壓應大于145 V。

綜上，啟動勵磁變二次側電流應大于539 A，電壓應大于145 V，再考慮裕度，變壓器選型為容量200 kVA，變比400/160 V，額定二次電流722 A，阻抗4%。

2.2.2" " 啟動勵磁其他設計注意事項

啟動勵磁僅在調相機啟動過程使用，啟動完成后即退出運行，勵磁變選型完成后，啟動勵磁其他元器件選型按照常規勵磁選型設計即可[7]。

啟動勵磁在工作期間需要與SFC之間進行4～20 mA的信號交互，具體為啟動勵磁接收SFC發來的4～20 mA勵磁電流參考值指令，同時將啟動勵磁實際工作的勵磁電流值通過4～20 mA反饋至SFC，故在設計啟動勵磁時，需預留至少2組4～20 mA信號通道。

由于是火電機組增加調相機功能，故現場需要新增啟動電源柜1面、啟動功率柜1面，設計階段需考慮新增屏柜的土建位置和走線空間。

2.3" " 主勵磁主要元器件設計

火電機組增加調相機功能，發電機和調相機共用同一套主勵磁系統，故主勵磁系統的設計需兼顧發電工況和調相工況的需求，核心元器件的選擇需按照發電機和調相機中較高者核算。

2.3.1" " 主勵磁變設計選型

主勵磁變副邊電流的計算式如式（5）所示：

式中：I2為主勵磁變壓器二次側電流；Ifn為發電機或調相機勵磁電流。

由表1可知，發電機額定勵磁電流大于調相機額定勵磁電流，故取4 467 A。由式（5）可得出I2為：

故主勵磁變壓器二次側電流應大于4 012 A。

勵磁電壓與主勵磁變二次側電壓的計算式如式（6）所示：

式中：k1為勵磁電壓強勵倍數；k2為勵磁變二次側電壓跌落倍數；k3為勵磁電流強勵倍數；Ufn為額定勵磁電壓；U2為勵磁變壓器二次側空載額定線電壓；Uk為變壓器阻抗電壓，取8%；∑ΔU為電壓降之和，包括導通兩臂的硅元件正向壓降、匯流導線電阻壓降及轉子滑環與碳刷間的壓降；αmin為勵磁最小觸發角；Ifn為額定勵磁電流；I2為勵磁變壓器二次側電流。

由式（6）可得出U2應滿足式（7）：

根據表1數據，作為調相機運行，當機端電壓跌落至0.8倍時，要求勵磁系統電壓強勵倍數不低于3.5倍，勵磁電流強勵倍數不低于2.5倍，以此為最高標準進行設計，即k1取3.5，k2取0.8，k3取2.5，αmin取勵磁控制最小角度10°，∑ΔU取強勵工況10 V，Uk取8%，由式（7）可得出U2為：

綜上，主勵磁變二次側電流應大于4 012 A，電壓應大于1 228 V，再考慮裕度，變壓器選型為容量8 750 kVA，變比22/1.25 kV，額定二次電流4 042 A，阻抗8%。

而原發電機的老勵磁變容量為4 950 kVA、低壓側電壓0.65 kV，均遠不能滿足新增調相機的運行需求，故主勵磁變需進行整體更換。

2.3.2" " 功率單元晶閘管設計選型

主勵磁變選型確定后，施加到可控硅整流橋晶閘管兩端的最大電壓值由式（8）計算：

由于主勵磁變低壓側電壓為1.25 kV，由式（8）得到晶閘管兩端最大電壓為：

由此，晶閘管選型時，可重復加于可控硅元件的最大正向、反向峰值電壓值應大于4 860 V，根據晶閘管選型等級，可選取DYNEX公司的DCR3990A52型可控硅，其可重復加于可控硅元件的最大正向、反向峰值電壓值可達5 200 V，額定正向平均電流為3 990 A。

另由表1可見，發電機的額定勵磁電流4 467 A大于調相機的額定勵磁電流4 289 A，按照高值設計的原則，額定勵磁電流Ifn取4 467 A。發電機強勵倍數為2倍，即強勵電流為2×4 467=8 934 A，而調相機強勵倍數為2.5倍，即強勵電流為2.5×4 289≈10 723 A，故按照高值設計的原則，強勵電流Iqn取10 723 A。

根據總體容量及勵磁系統N-1原則[8-9]，功率單元配置可控硅整流柜3面，每個整流柜配置3相全控橋1套，當勵磁系統退出1橋運行時，要求滿足機組的所有工況運行，按照最高標準：

退1橋，剩2橋并列運行時，單橋長期輸出電流必須滿足（K2為均流系數，取0.95）：

退1橋，剩2橋并列運行時，單橋強勵短時（15 s）輸出電流必須滿足：

采用DCR3990A52型可控硅的功率橋，配置RSV210-400散熱器和洛森DKHR560風機，單橋長期輸出電流可達3 000 A，單橋短時強勵輸出電流可達6 000 A，滿足最高運行需求。而原發電機的老勵磁系統可承受的陽極電壓為880 V，可控硅可承受反向阻斷電壓為4 300 V，均不能滿足新增調相機的運行需求，故勵磁系統需整體更換。

2.4" " 配合流程設計

當作為調相機運行時，機組的啟動過程普遍采用一鍵順控模式，在啟動過程中勵磁系統需要與DCS系統、SFC系統進行信號交互，主要過程為：

（1）啟動勵磁配合SFC對機組進行拖動升速。

（2）升速至1.05倍額定轉速后，SFC退出運行。

（3）啟動勵磁退出，主勵磁投入并建壓。

（4）同期裝置快速捕捉同期點，發電機并網。

（5）并網后，由勵磁系統工作維持機組運行。

典型的啟機并網流程設計如圖2所示。

從啟機并網流程圖可見，勵磁系統在設計時需考慮預留與DCS、SFC的接口通道，并定義對應功能，軟件設計上需與啟機流程相符。同時，DCS需進行擴容改造并設計總控流程，以匹配新增調相機的啟動需求。

3" " 結語

在以新能源為主體的新型電力系統中，火電機組增加調相機功能將是傳統火電發展的重要方向，其勵磁系統的啟動勵磁、高強勵倍數主勵磁、啟動流程接口等方面是難點和關鍵，本文介紹了對應的設計原則和要點，以期對類似機組的工程設計和實際應用有一定的參考和借鑒作用。

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收稿日期：2022-12-28

作者簡介：蘇家財（1986—），男，重慶人，工程師，研究方向：發電廠控制保護、特高壓直流輸電、柔性交直流輸電。