深圳西部电厂5、6号机组励磁系统设备选型中考虑的几个问题

1、深圳西部电厂5、6号机组励磁系统设备选型中考虑的几个问题 作者：佚名  发表时间：2009-4-17  阅读：47摘要：文章介绍了在选用国产300MW机组中采用进口的静态自并励系统，并对系统中主要设备进行分析，供同行参考。l  采用静态微机励磁系统的原因    在90年代初期开始建设深圳西部电厂14号300MW机组均采用哈尔滨电机厂生产的“三机”他励系统。见图1所示。它由副励磁机提供励磁电流，其励磁功率独立于交流电网，不易受电力系统非正常工况的影响，但主、副励磁机增加了机轴长度，不但使系统造价高，维护工作量大，而且

2、影响机组轴系的稳定性。同时由于存在冰岛流励磁机这一时滞环节，使调节系统的响应速度和电力系统稳定性受到一定程度的影响。    另一方面，由哈尔滨电机厂引进美国西屋公司技术自行生产的HWTA型励磁调节器在制造工艺上不尽如人意，主要表现在元器件老化，焊接工艺粗糙，抗干扰性差等方面。励磁系统强迫停运次数为6次年，远远超出国标要求的0，25次/年。    近年来，随着大功率电力电子元件技术上的成熟以及电力系统自动化水平，提高，特别是主保护的快速与可靠运作、调节系统的数字化技术的普及等，使静态微机型励磁系统得到广泛的应用。有关静态励磁系统对电力系

3、统稳定性的分析，同行中已有多篇文章对此进行论述，普遍认为在发电机出口采用离相母线，机端发生直接三相短路的可能性不大，加上目前系统均配以快速的继电保护，采用静态励磁后对提高电力系统的暂态稳定、动态稳定(带PSS后)及静态稳定明显优于“三机”励磁系统6。与中小机组不同，大型机组由于机端电压稳定，不推荐采用电流源加电压源的自复励系统，目前广泛采用的是只取机端电压的自并励系统。    深圳西部电厂扩建5、6号机组工程中对励磁系统的选择前，公司先后组织技术人员至国内各个电厂进行考察。上海石洞口二厂2X600MW汽轮发电机组于1992年初同时投入商业运行，采用ABB UNIT

4、ROLD型静态数字式励磁系统，运行至今尚未发生大的异常。河北沙岭子电厂二期2X300MW汽轮发电机组 1998年底投产，采用英国RollsRoyce TMR型静态励磁系统，至今亦未发生大的异常。该厂正在扩建的7、8号(2X300MW)同样采用RR TMR静态励磁系统。    通过调查研究和分析，西部电厂在5号、6号机组采用静态励磁系统。经过设备招标，最终选用了瑞士ABB生产的UNITROL 5000型自并励静态数字式励磁系统。系统图见附图所示。2  励磁系统主要部件的选择    在励磁系统技术谈判中考虑如下主要问题。21&#

5、160; 灭磁及转子过电压保护    灭磁开关有交流侧灭磁开关和直流侧灭磁开关供我方选择，而ABB推荐采用交流侧灭磁，ABB认为AC侧灭磁开关有以下几个优点：有利于调试和维护。有利于内部短路时可靠地断开，保护了可控硅整流桥。易于进行机构设计。     在AC侧灭磁开关和DC侧灭磁开关的比较上，我们作了如下分析：在图2中，任一时刻，只有1·6，1·2，3·2，3·4，5·4，5·6中的任一路导通，在电路上，AC MK和DC MK的灭磁过程是一样的。但从图2中可看出，AC MK较

6、DC MK多一个断点，这样，在同等条件下，交流侧灭磁比直流侧灭磁的负担轻，相应的AC MK的容量选择可以比DCMK小，此次灭磁开关的选择上，在吸取同行电厂经验的同时（山东莱城电厂采用交流侧灭磁，运行情况反映良好），我们对厂家提出较高要求：采用AC侧灭磁，但容量按照DC侧灭磁开关的容量，即3200A，额定电压取1000V，额定分断能力为40KA。        ABB提供的灭磁过程如下：正常停机时，首先采用逆变灭磁，此时跨接器和灭磁电阻不工作，然后再跳AC MK。事故跳机时，首先跳AC MK，接着闭锁脉冲，最后接通跨接器CROWBAR，

7、通过Sic非线性电阻来消耗磁场能量。    AC MK跳开后，断口间建立起弧压，脉冲闭琐后，可控硅不可能产生换流，原来导通的可控硅将一直导通直至硅体随反向电压而截止，：假设原来导通的硅体为1·2，这样，在灭磁过程中励磁变的二次电压Uac一直在起作用，当 Uae沿正弦变化至负值时(极端情况下，Uae经过120°电角，约7ms后开始变为负值)，此负的电压值加上ACMK断口间的弧压构成SiC的起始电压U。根据SiC的VA特性，负的Eac是有利于加速灭磁的。另一方面，主要由AC； MK的断口弧压来决定U值，U值越大灭磁时间越短，但是励磁绕组允许的最大过

8、电压值制约了U值。综合以上因素，我们采用了4断口的ACMK。    对非线性电阻的选择。对ZnO和SiC进行比较，SiC有如下几个优点4 ：    体积小    安全可靠。灭磁电流过载时，SiC将融化，而ZnO可能发生爆炸。    阀片稳定。图3为SIC和Zno的VA特性。     从图3可以看出：对于两个并联的阀片，由于特性上的细微差异而导致的均流问题，采用ZnO非线性电阻要严重得多。从ABB提供的实验数据来看，当机端三相金属性短路时，灭磁时间

9、见表2，可见，三种形式的灭耗费电阻在灭磁时间上相差不多。     综合以上因素，选用SiC非线性电阻，电阻容量不提具体要求，但要求满足以下条件：    与AC MK的弧压相配合。    满足最恶劣工况下，即机端三相金属性短路时，磁场能量的快速转移。22  励磁变压器    励磁变压器采用干式变压器，就一些电气指标对厂家提出要求。    (1)励磁变的接线方式。ABB推荐连接方式为DY接线，从干式变的结构看，高压侧采用D型接线容易导致相间

10、短路，相比之下，高压侧采用Y形接线要安全，故选用了YD连接方式。    (2)励磁变绝缘水平。励磁变压器的额定短时工频耐受电压应不低于主变压器和高压厂用变压器发电机侧的耐压水平，取工频耐压55kVlmin。按国标，变压器应作雷电冲击截波试验，雷电冲击截波耐受电压幅值一般比全波幅值高10左右3 。取雷电冲击耐压水平为：125kV(全波)，140kV(截波)。    (3)励磁变的短时过电压。短时过电压应按发电机空载试验时要求的最高电压来考虑，即 13X20kVlmin及14X20kV5s。    (4)励磁

11、变容量的确定。表3为发电机部分参数。    励磁变二次电压的确定。按电力行业标准DLT6501998大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件，强励倍数一般等于2(按发电机电压为额定值时确定) 2 。由图4，Uf=1.35XUabxCOS ，Uf=2X 365=730V则Uab=730(135XCOS1O°)5491V，Uab取550V。    励磁变二次电流的5 。图4中If的理想波形为图5中的包络线，Ia的理想波形为图中的(1个周波)，故IaIf(有效值)=(2/3) (1/2) 0816。励磁变额定电流按，1.1倍额定励

12、磁电流取，Ia=11×O816×2642= 237146A若忽略Eab与Ia的相位差，则S=3 (1/2) Uab×la=1.732x550×2371462259KVA    本次设备定货要求励磁变能满足采用 6KV厂用电做发电机空载试验时能达到13Ue的要求。按此条件校核励磁变容量：采用厂用电时，发电机励磁电流If=6×550x1.35× COS1O°(20×0.1253)1751A<2500A，不满足要求。    按2500A的试验电流来折算励磁

13、变二次测额定电压Uab    Uab=2500×20×0.1253(6×1.35×COS10°)=785V    调整后励磁变的容量：S=3(1/2)Uab×la=1.732x785×2371.463230(KVA)。        (5)励磁变稳定1 。按系统最大运行方式下计算励磁变低压侧三相短路电流为39KA，故取热稳定电流40KA，动稳定电流I=1x1.414x40100KA，根据后备保护动作时间，热

14、稳定时间取3s。    以上看出，励磁变二次侧额定电压采用785V后，强励倍数为785×1.35×COS10°365=2.86，说明考虑了空载试验的要求后，强励倍数已经不是确定励磁变容量的主要因素。另一方面，当机端电压下降至80时，励磁系统能保证的强励倍数为：2.86x802.3，系统的储备系数大大提高了。当然，强励电压倍数的提高的同时必须限制强励电流，使之转子绕组容许的过负载能力之内。23  功率整流装置       整流装置主要考虑冗余、硅元件性能、均流及浪涌吸收等问题，

15、现分述如下。 231冗余问题       我们要求可控硅整流桥并联支路数为3路，当一个支路退出运行时，能满足11倍额定励磁电流连续运行和强励的要求，即所谓3-1备用方式。在整流柜冷风扇方面，要求有 100备用冷却风机，采用2+2备用方式，在风压或风量不足或温度高时备用风扇能自动投入，两套风机接在不同的电源上2 。232  硅元件性能及均流        由于大功率电力电子元件技术上的成熟，可控硅元件不采用串联设计，每一臂上的可控硅不采用并联设计。单个可控硅额定容量为； 214

16、0A，反向耐受电压为2900V。        根据国标，每个并联支路的均流系数不小于0852 。ABB通过控制每个硅体上的导通角来达到均流。对电流比均值大的硅体，采用细微的增大该硅体的导通角来降低电流，采用这种方法可使均流系数大于097。这是Uni-trol 5000的一个突出的优点。   另一方面，整流装置的每个功率元件要求都设有快速熔断器保护，以便及时切除短路故障电流，并发出熔断信号。2.33  浪涌吸收装置  浪涌吸收装置主要用于抑制整流桥的换相过电压及电网反射至励磁变二次侧的过电压（雷

17、电冲击过电压巳被励磁变高低压绕组间的静电屏蔽层屏蔽)。ABB采取如下措施：由一个三相二极管整流桥和一个连接在其DC侧的 RC电路组成，通过RC电路中的放电电阻R吸收过电压，此外二极管桥本身加熔丝保护。24微机型自动电压调节器AVR  从以下方面考虑AVR。241  硬件结构    硬件结构在技术谈判中不做具体要求，而主要在设备招标中考虑。在附图中，AVR采用分散控制，其测量单元(MUB)和整流交互界面 (Converter Interface，简称CIN)采用intel DSP， CIN承担触发脉冲和控制信号的隔离、均流及监视可控硅等工作。控制

18、单元COB采用16位 80186，32MHZ主频，以及一块ASIC (Applica-tion specific IC)负责交换储存数据、控制脉冲发生、AD与DA转换、以及通过ARCNET总线与其他模块的通讯4 。采用了这种结构，U- NITROL 5000将控制功能分散，减轻了主控单元的负担。2.4.2  冗余问题：采用双通道冗余，各通道(AVR+FCR)自动跟踪实现无扰动切换。每个通道功能齐全，都具有独立工作的能力。同时还设有独立的手动励磁调节单元<BFCR)，手动跟踪自动，切换无扰动。另一方面，采用二路相互独立的AVR工作电源。243  控制和保护功能 

19、;   在保护配置方面，由于励磁系统为不接地系统，保护功能中应考虑到励磁变低压侧单相接地保护。在发变组保护中，励磁系统配置了励磁变差动，励磁变高压侧过流，励磁变低压侧过流。由于励磁变正常运行时电流小，发变组大差动未差入此分支，大差的保护范围也未能延伸至励磁变低压侧。而励磁变差动显得非常重要，因此要求在CT位置的布置上应使得保护范围尽量大。原先，励磁变低压侧差动保护用的CT拟布置在励磁屏进线柜内，但由于安装空间不够而改在励磁屏进线柜入口处(励磁变与励磁屏的连接采用封闭母线)。采用 ACMK后，加上发变组主保护中的失磁联跳保护，它将与励磁变低压过流保护共同对励磁变低压侧进行保护

20、。    快速的励磁系统应配以PSS或多变量控制装置，以利于电力系统稳定性的要求6 。 PSS的主要作用如下：    改善同步发电机的阻尼特性，以抑制系统的低频振荡。    提高静稳定的功率极限。有了PSS， AVR可以取较大的放大倍数，提高了机端电压的调节精度。理论上，静态励磁系统配以PSS后可以维持机端电压不变，大大提高了静稳边界。    提高系统的暂态稳定性。由于发电机励磁绕组的时间常数较大，PSS对于第一摆幅的影响不明显，它主要对于后续振荡有抑制作用。 &#

21、160;  抑制系统次同步振荡(SSO)。这方面，线性最优励磁控制做得更好。    PSS由于调试繁琐，在与系统联系较强的机组中常常未引起足够的重视，甚至即使AVR中有PSS，也未将其投入，西部电厂1号一4号机组的PSS均未投入使用。虽然PSS在抑制低频振荡的同时可能激发SSO，但是采取适当的措施是可以避免的，如在以为信号的 PSS中，通过滤波器将轴的扭振频率滤除。总之，只要设计合理，PSS的应用是利大于弊的。    Unitrol 5000的PSS采用Pe和为输入信号，其控制算法基于IEEE Std421Type 2A。此

22、外，Unitrol 5000中还有APSS(自适应电力系统稳定器)供用户选择，APSS采用自校正自适应控制器，其控制器的参数可通过内部的识别器进行在线求解，以期获得理想的阻尼特性，有关APSS更详细的介绍，请参考ABB的有关资料。    基于单机无穷大系统模型来分析励磁系统对电力系统稳定性的影响有其局限性，实际上，电力系统是一个大系统，具有高维数、多目标、关联性和分散性的特点，光靠单台励磁系统的优化难以改善整个电力系统的静态稳定品质。考虑到前期机组的实际情况及国内机组的运行经验，我们采用PSS。此次配置的保护和控制功能如下：保护：磁场过流(瞬时反时限)VHZ保护失励保护转于温度保护 可控硅及导通监视、快熔、冷却风 扇故障保护PT断线保护转子接地保护励磁变低压侧接地保护励磁变低压侧过流保护励磁变温度保护调节功能：机端电压调节磁场电流调节恒无功调节恒功率因数调节Pss无功补偿限制：最