9F级燃气轮机发电机励磁系统的国产化应用

顾建嵘

（南京国电南自美卓控制系统有限公司，江苏南京　210032）

9F级燃气轮机发电机励磁系统的国产化应用

顾建嵘

（南京国电南自美卓控制系统有限公司，江苏南京210032）

介绍了9F级燃气轮机发电机励磁系统的国产化应用情况，PSVR100励磁系统采用了多项先进技术及专利，针对燃气轮机励磁系统运行的特殊要求进行设计，配合变频启动设备完成燃气轮机的启动过程。在9F级燃气轮机的成功工程化应用表明，PSVR100发电机励磁系统控制性能良好，运行稳定、可靠，实现了该类重大电力控制设备的国产化。

燃气轮机；发电机；励磁系统；变频启动；PSS2B；国产化

0　引言

励磁系统作为电厂中重要的电气设备，在发电机运行时起稳定机端电压、调节发电机之间无功分配、提高系统稳定性的作用。近年来，众多大型燃气轮机（以下简称燃机）发电机组的建设投产，对励磁系统可靠性和性能指标提出了更高的要求。

本文以华电江东9F级燃机发电机为例，介绍了PSVR100发电机励磁系统在9F级燃机发电机上的国产化应用情况。

1　PSVR100发电机励磁系统的性能特点

PSVR100发电机励磁系统是国电南自公司励磁专业根据目前国内外同类产品在性能、结构、可靠性等方面存在的不足，有针对性地研制的新一代大型发电机组励磁系统，能更好地满足大型发电机组励磁系统的要求。

针对大型发电机励磁系统的特点，PSVR100发电机励磁系统经过多年的研发设计，形成了多个技术特点。其中包括：

（1）数字式励磁调节器采用了单CPU+大规模逻辑可编程门阵列（FPGA）的架构模式。由CPU芯片MPC8247完成如逻辑控制、通信、励磁系统状态采样、PID+PSS控制算法等核心任务，FPGA作为CPU外设统一管理器，负责同步相位周期测量、开入采样、脉冲生成检测、硬件故障监视等任务［1］。该种架构有效减少了CPU中断调用，提高了CPU的工作可靠性，如图1所示。

图1　调节器CPU架构

（2）功率柜采用智能化设计，优化结构，保证脉冲触发的可靠性。通过提高风压风速、改变冷却风流动状态、增大散热器或采用新型热管散热器等多种措施提高了散热效果，从而使功率柜单柜电流容量高达2500A。并联运行的功率柜除硬件均流外，还可采用集中式智能均流技术，将均流脉冲控制单元合并到励磁调节装置内［2］。集中式智能均流结构如图2所示，可保证现场实际运行时功率柜的均流系数全程大于0.95（图中，CT为电流互感器，下同）。

图2　集中式智能均流结构

（3）深入分析发电机灭磁系统原理，设计针对大型励磁系统配套的灭磁柜。采用了电子跨接器+机械开关+灭磁电阻的多重冗余灭磁回路方案，结构可靠，提高了发电机励磁系统的灭磁可靠性，如图3所示。

图3　多重冗余灭磁回路

同时，开发针对电子跨接器的在线检测方法，在线监测电子跨接器，将事故风险降至最低［3］。

（4）基于VS2010开发设计励磁专用的人机界面（HMI），能够就地显示双套励磁装置的状态和信息，以及进行定值操作修改、录波查询等功能。结合该辅助软件可提高现场调试效率，方便运行人员维护。HMI配置如图4所示。

图4　HMI配置

2　9F级燃机励磁系统的特点

9F级燃机励磁系统有其特殊之处，与常见的励磁系统不同，该型励磁系统除了在机组正常运行时提供转子电流，负责机端电压稳定之外，还需要在燃机机组的启动过程中配合机岛控制系统（TCS）、静态变频器（SFC）等设备。燃机在启动时通过变频装置将发电机作为电动机启动控制，配合完成燃机点火和冲转的流程。

为实现上述功能，PSVR100励磁系统根据需要配置了2路励磁电源，由开关进行切换。一路取自发电机端，作为机组正常运行时的励磁电源，此时运行方式为自并励励磁方式；另一路取自厂用母线，由专门的启动励磁变供给电源，此时的运行方式为他励励磁方式。燃机励磁系统结构如图5所示（图中PT为电压互感器，下同）。

在燃机启动阶段开始时，利用变频启动装置向发电机定子施加电压。此时励磁系统切换为他励励磁方式，变频启动装置控制励磁系统向发电机转子施加励磁，在两者的共同作用下由电磁感应产生一定的旋转力矩，拖动发电机转子转动。当机组转速升到足够高时，进行正常转速的控制，此时励磁系统可停止输出，切除启动变压器电源［4］。

图5　燃机励磁系统结构

正常运行期间，将励磁系统切换为自并励励磁方式。零起升压时，由起励回路提供初励电源，当建立起一定的机端电压后便可由励磁变压器供给励磁电源，起励回路退出。

PSVR100励磁系统所采用的上述辅助控制技术，基于成熟的启动控制策略和启动回路设计理念，实现了燃机励磁系统与TCS，SFC等设备快速交互控制、他励与自励方式智能切换、一键启停等功能。

3　应用情况

华电江东项目为2×480MW9F级燃机，机组为480MW重型燃机发电机组，励磁电压448V，励磁电流3565A。针对该型机组，PSVR100励磁系统组屏包括了调节柜1面、功率柜4面、灭磁开关柜1面、灭磁电阻柜1面、交流进线柜1面、直流进线柜1面。

PSVR100励磁系统的励磁调节器预留多个通信接口，与TCS，SFC等设备进行交互。接收SFC的控制信号和控制量输出励磁电流，在燃机启动时验证了PSVR100励磁系统输出的稳定性、响应速度均符合现场要求，满足了燃机启动时励磁系统控制的需求。

正常运行时，励磁调节器采用了如图6所示的并联校正传递函数。

图6　调节器传递函数

图7为现场零起升压（目标值100％，步长10 ％/s）的录波图形，发电机定子电压互感器（PT）的变比为21.5kV/100V。根据计算得出超调量为1.82％，满足标准要求（小于5％）。

图8为现场空载5％阶跃相应试验的机端电压录波图形，发电机定子PT的变比为21.5kV/100V。根据计算得出，负5％阶跃下降时间0.14s，调节时间0.16s，超调2.00％，振荡次数0次；正5％阶跃上升时间0.14s，调节时间0.16s，超调2.13％，振荡次数0次。满足标准要求（上升时间不大于0.50s，振荡次数不超过3次，调节时间不超过5.00s，超调量不大于30％［5］）。

图7　100％零起升压

图8　空载5％阶跃

在空载额定情况下进行跳灭磁开关的灭磁试验，记录机端电压的波形如图9所示，计算发电机电压下降到初值的0.368的时间为3.12s，和封脉冲灭磁时间（8.60s）比较大大缩短，为机组的安全运行提供了保证。

图9　空载额定跳灭磁开关灭磁

PSVR100励磁系统的电力系统稳定器采用了PSS2B的模型，如图10所示。

在确定电力系统稳定器（PSS）参数后，分别在PSS退出和投入的情况下，进行±2％的阶跃响应试验，对机端电压、有功功率、无功功率等进行录波。比较PSS投退前后波形的差异，以确定PSS的作用是否正确有效。如图11、图12所示，可看出PSS投入后，有功功率的振荡得到了明显的抑制。

图10　PSS2B模型

图11　PSS退出2％阶跃有功功率录波

图12　PSS投入2％阶跃有功功率录波

PSS投入情况下，由运行人员操作快速降、升发电机有功功率，记录机组有功功率、无功功率等变化曲线，如图13所示，发电机无功波动满足标准要求小于30％Qn。

图13　PSS反调检查（2015-08-31T19：33：43）

上述试验结果证明，PSS投入后，调节器运行稳定，阶跃试验波形振荡频率变化符合要求，阻尼比有较大提高，PSS抑制反调作用正确。表明PSVR100励磁系统的PSS适应频率宽，稳定裕量大，有较好的阻尼特性，对低频振荡起到明显的抑制作用。

检查PSVR100励磁系统功率柜在转子电流处于不同工况下的均流效果。以#1机组为例，当发电机处于额定工况下时，记录#1～#4功率柜输出电流分别为863，908，887，840A，计算均流系数为0.963，验证均流效果满足标准要求（0.850）。

4　结论

PSVR100发电机励磁系统在华电江东2×480 MW9F级燃机成功工程化应用，1年多来，励磁系统控制性能良好，运行稳定、可靠，获得了用户的认可。

9F级燃机发电机励磁系统的成功国产化应用，标志着国电南自公司励磁专业在控制理论研究、软件设计、硬件设计、工程化应用等方面均取得了显著成果。解决了9F级燃机励磁系统必须依赖进口的问题，实现了该类重大电力控制设备的国产化。

［1］彭钢.PSVR100励磁调节器的研制与应用［J］.华电技术，2012（3）：13-17.

［2］南京国电南自美卓控制系统有限公司.一种励磁功率柜的集中式均流控制方法：201610082222.1［P］.2016-02-05.

［3］南京国电南自美卓控制系统有限公司.一种基于电子跨接器线性灭磁回路的检测方法：201310441596.4［P］. 2015-09-23.

［4］李丹.三菱燃机机组MEC5400型励磁系统特点及调试［J］.大众科技，2007（8）：127-128.

［5］大型汽轮发电机励磁系统技术条件：DL/T843—2010［S］.

（本文责编：白银雷）

TK472

A

1674-1951（2016）09-0010-03

2016-07-18；

2016-08-12

华电集团立项科技项目“大型发电机励磁系统研发”（CHDKJ11-01-09）

顾建嵘（1986—），男，江苏泰州人，工程师，工学硕士，从事发电机励磁系统方面的工作（E-mail：javyroot@163. com）。