南瑞NES6100励磁调节器在某巨型水电站的应用

张元栋，刘光权，柳呈祥，黄柯维

(中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443133)

某巨型水电站励磁系统采用静止式可控硅自并励的励磁方式，部分机组自2003年开始陆续投产，全部选用进口励磁设备。因运行时间长，励磁调节器电子元器件老化，设备故障率逐年升高，备件已停产，库存备件数量严重不足，威胁设备持续稳定运行；国家和电网对机组涉网功能提出了新要求、新标准，原励磁系统PSS功能不能满足要求。为此，该电站于2016开始着手研究设备技术改造路线及改造中涉及的具体技术问题。由于原进口励磁系统起励装置、功率整流设备及灭磁装置运行稳定，故障率低，备件充裕，均流效果理想，经综合评估，最终决定仅进行励磁调节器国产化改造，更换为国电南瑞电控公司生产的NES6100励磁调节器。

1 励磁调节器简介

NES6100励磁调节器是国电南瑞总结以往励磁研发运行经验，研制出的第四代产品。

采用三层硬件架构，最底层由FPGA完成AD采样控制、脉冲生成、频率测量、主从套切换等高实时的功能；中间层RP1283 DSP完成AD采样值计算、励磁实时控制及保护限制、DA输出、双套控制器通讯等核心功能；上层POWERPC负责对外通讯、录波、变位记录等功能；RP1001 DSP负责接收远方遥控、遥设等命令，根据工程实际需求，灵活组态顺序控制逻辑[1-3]。

采用PID+PSS2B控制方式，与第三代产品NES5100励磁调节器相比新增了定子电流限制器、PSS4B、PSVR等功能，优化了各反时限环节，实现主辅环协调控制，进一步提升了励磁控制系统的可靠性。

2 改造的实现和新技术的应用

此次为部分改造，相对设备整体更换造成了大量的系统兼容性、接口配合、控制功能需单独开发等一系列技术难题，为解决上述技术难题并满足实际现场运行的需要，该电站联合国电南瑞在设备选型、设计、安装调试阶段对励磁调节器硬件和软件进行了大量改进。

2.1 首次实现国产调节器与进口西门子功率柜完美配合

原进口励磁调节器采用双窄脉冲群的触发方式，此次仅改造励磁调节器，需要重新设计开发NES6100励磁调节器的脉冲接口电路、脉冲分配板及脉冲触发程序，以实现与功率整流柜内脉冲变回路的匹配。

硬件结构上，为提高脉冲驱动功率和稳定性，将NES6100励磁调节器脉冲板接口电路的开关器件由MOS管更换为连续IC为5A的NPN三极管；为匹配功率整流柜的脉冲传输方式，设计脉冲分配板，将调节器的脉冲输出信号扩展成7个原进口励磁脉冲电缆专用接口，简单可靠的实现了脉冲接口的统一。

控制策略上，设计开发了励磁调节器脉冲触发程序，脉冲频率、个数和脉宽等参数与原进口调节器保持一致，同时设计了脉冲检测电路，可实时诊断并报出故障，完成双套无扰动切换至备用通道，不会因脉冲故障而导致机组失磁保护动作而跳机。

2.2 优化完善了PSS功能

部分机组原进口励磁调节器安装外置硬件PSS2B装置，外置PSS装置硬件老化，附加的外部PSS信号回路给励磁系统安全运行带来隐患；部分机组原进口励磁调节器内置PSS2B软件，内置PSS引入的ω信号取自机端电压频率，在动态过程中转速和机端电压频率的差值足以影响PSS的补偿效果，对系统阻尼有恶化作用，不符合现行行业技术要求。改造后的励磁调节器全部内置PSS2B/4B两种模型，PSS2B模型ω信号取自发电机q轴虚拟电气分量Eq的频率，试验证明其对0.1～2 Hz的低频振荡具有良好的阻尼作用，满足电网要求。预装的PSS4B模型能更好地对各种频段低频振荡起到抑制作用，同时PSS4B对电力系统联系阻抗的强弱具有较好的适应性，为今后电网运行的更高要求做好了准备。

2.3 实现了母线电压跟踪功能

原进口励磁调节器无跟踪母线电压功能，多年来的运行发现，随着季节的不同，母线电压有一定范围的变化，机组并网时，机端电压和母线电压之间有一定的差值，会造成并网时较大的无功功率冲击，最大值达220 Mvar，冲击电流的电动力对发电机定子绕组、变压器绕组均产生冲击，定子绕组端部机械强度最弱，这种冲击日积月累会威胁发电机的安全运行。改造后的励磁调节器具有跟踪母线电压的功能，将母线电压引入励磁调节器，并网前，励磁调节器给定值跟踪母线电压，彻底解决了机组同期并网过程中因机端电压和系统电压测量误差引起的无功冲击问题。

2.4 开发了试验方式功能

在水轮机组试验中经常进行零起升压、升流试验和励磁大电流、小电流等试验，目前行业中，多需要修改励磁调节器参数和相关程序，过程繁琐、效率低，存在着一定安全隐患。

改造后的励磁调节器首次增加了“试验方式”功能，将试验压板投入后，即可进行各种励磁开环试验，完全不受外部开关状态的限制。

2.5 开发了模拟量录波功能

改造后的励磁调节器新增模拟量录波功能，当1.66 ms运算周期前后，模拟量百分值变化量大于参数设定值，变量录波为1，保持0.5 s，变量录波上升沿触发录波。基于专用波形文件查看工具，可快速分析波形的阶跃上升时间、调节时间、阻尼比、振荡次数等关键参数，为故障处理提供依据。

2.6 优化了PT断线检测方法

原进口励磁系统PT断线判断策略单一，无法反映PT断线的多种情况。改造后的励磁调节器加快了主备调节器的切换时间，增加了定子电压负序分量、电压电流相关性等判据，通过全面检测发电机定子电压、电流和转子电流，并根据在各种PT断线和短路情况下各个量的不同变化组合，正确判断各种PT断线故障，并能正确区别PT断线和发电机出口短路，为发电机励磁控制装置提供正确的控制基准，保障机组安全运行(见图1)。

图1 改造后PT断线判据图

2.7 增加智能电站多场景支撑功能

原进口励磁调节器只提供PROFIBUS通讯协议和接口。改造后的励磁调节器支持多种通讯协议，为后续建设智能化电站奠定了基础。

3 投产试验情况

励磁调节器改造后，严格按照现行国家和行业标准、规范和规程要求完成了相应的试验项目，试验结果均符合或优于国家及行业标准，试验结果见表1。

表1 励磁调节器国产化改造试验结果对比分析表

同时，为适应电网要求，委托中国电力科学研究院进行了PSS、进相等涉网试验，试验结果表明机组励磁系统PSS功能和发电机进相能力完全满足系统要求。依据《电力系统稳定器整定试验导则》要求，进行了励磁系统PSS试验及参数整定，试验结果表明，改造后的PSS对系统0.1～2 Hz的功率低频振荡有良好的正阻尼作用，并且抑制反调效果明显(见图2)。

图2 改造后PSS试验曲线图

在实测的进相能力范围内，整定发电机低励限制曲线如图3所示，整个进相试验过程中失磁保护未动作。最大进相深度达-300 Mvar，试验结果完全满足国网要求。

图3 改造后低励限制曲线图

4 结 语

为提高机组运行稳定性，该巨型电站已完成机组励磁调节器国产化改造，此次国产化改造为国内首次实现国产调节器与进口西门子功率柜完美配合，解决了励磁系统PSS功能不满足现行国家要求和同期并网时无功冲击较大的问题，优化了PT断线判据策略，提升了用户体验感，延长了原功率整流柜的使用年限，减少了改造成本，实现了励磁系统整体性能和可靠性的最优化。从2017年4月首台8号机组完成改造投运至今，设备运行稳定，完全满足国家和电网对机组涉网性能的要求，其控制精度、稳定性、控制灵活性都得到了大幅提高，达到改造设计要求和目标。