广蓄B厂励磁系统改造浅析.pdf

50第 46 卷 第 08 期2023 年 08 月Vol.46No.08Aug.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation0 引言广州抽水蓄能电站，共有 8 台 300 MW 的可逆式抽蓄机组，是我国第一座大型抽蓄电站。其中，广蓄 B 厂 5 号 8 号 4 台机组所使用的电气设备是全套进口西门子的设备，包括发电机、水轮机、励磁系统、调速系统、保护装置、SFC 变频器等关键电气设备，整个电站于 2000 年全部投产发电。截止 2019 年底，原西门子励磁系统设备已运行长达 20 年，设备老化严重，运行可靠性逐年降低。由于励磁系统停产，厂家无法提供足够技术支持，备品备件也无法购买更换，且旧励磁系部分功能也存在不能适应现行励磁系统国标、行标要求的现象。鉴于上述原因，广蓄 B 厂励磁系统亟待更新改造。广州擎天实业公司承接了本次励磁系统改造任务，经过多次与广蓄电站及南网双调修试公司相关技术人员的分析、讨论、研究，根据广蓄 B 厂的发电电动机组特性与需求，为其研制了合适的励磁系统。改造后的 5 号、6 号机组励磁系统已顺利投入运行。试验结果表明，改造后的励磁系统满足国标和行标对励磁系统的要求，运行稳定。1 旧励磁系统广蓄 B 厂机组的励磁系统相关参数如表 1所示。表 1 广蓄 B 厂机组励磁系统相关参数参数名额定有功额定功率因数额定定子电压额定定子电流额定励磁电压额定励磁电流参数317 MW 0.9518 kV10 713 A255 V2 334 A广蓄 B 厂原励磁控制系统使用的是西门子公司生产的全数字式 SIMAND-D 微机励磁控制器，其使用可编程软件实现控制系统的描述和定义控制系统中硬件和软件之间的配置及相互联系，使用通信总线实现主备用通道之间的功能切换1。该励磁系统整体配置为一套 6 柜励磁系统，包括 1 个调节柜，1 个灭磁开关柜，1 个灭磁电阻柜，2 个功率柜以及 1个交流进线柜。2 新励磁系统此次改造后的广蓄 B 厂励磁系统使用的是EXC9200 型全数字化励磁系统，其依托高性能、高可靠的嵌入式计算机和实时操作系统平台，采用分布式控制方式，各控制板具备 CAN 总线能力，励磁调节器之间采用千兆以太网通信，调节器与功率灭磁柜之间采用 CAN 总线方式互连，实现励磁系统的控制、状态显示和故障监测等2。广蓄 B 厂新励磁系统配置 1 个调节柜、1 个灭磁电阻/开关柜、3 个功率柜以及 1 个交流进线柜，收稿日期：2023-03-08作者简介：闫文斌（1984-），男，工程师，从事抽水蓄能电站电气二次专业工作。广蓄 B厂励磁系统改造浅析闫文斌1，陈 强1，刘寿铭2，朱明岗1，孙新志2（1.南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司，广东 广州 511493；2.广州擎天实业有限公司，广东 广州 510860）摘 要：以广蓄 B 厂励磁系统由原西门子 SIMADYN-D 系列更新改造为 EXC 9200 系列为背景，描述了广蓄电站励磁系统的整体改造方案、改造后励磁系统的主要特点以及现场试验情况果等，分析总结此次升级改造经验，希望为后续同类型抽蓄电站励磁系统的改造提供借鉴。关键词：励磁系统；更新改造；抽水蓄能；EXC9200中图分类号：TV743文献标识码：B文章编号：1672-5387（2023）08-0050-04D O I：10.13599/ki.11-5130.2023.08.01451第 08 期闫文斌，等：广蓄 B 厂励磁系统改造浅析柜体排列如图 1 所示。图 1 广蓄 B 厂 EXC9200 励磁系统柜体排列图2.1 调节柜广蓄 B 厂励磁调节器配置主要器件如表 2所示。表 2 EXC9200 调节器主要配置元器件名称规格/型号数量主要功能调节器EXC9200 调节器2 套励磁系统控制器IOB 板EXC9200 IOB 2 套开关量输入输出智能 IIU 板EXC9200 IIU2 套智能 I/O 定义输出人机界面威纶通触摸屏1 个智能人机交互EXC9200 励磁调节器采用双通道冗余的设计方式，从模拟量采样到脉冲触发均独立配置。每个通道的配置完全一致，均可单独实现对励磁系统的稳定控制。通道间的切换基于优先级方式，提高了系统工作稳定性，最大限度地降低励磁装置被强迫退出运行的概率。调节器的控制方式包括 AVR 调节（自动方式）、FCR 调节（手动方式）、恒 PF 调节以及恒 Q 调节等，可满足电站各种工况的控制需求。除此以外，调节器拥有 PSS 附加控制功能，可有效抑制电力系统低频振荡。人机界面可以通过文字、表计、表格、图形等多种方式，将励磁系统的信息具象化，使励磁系统拥有良好的人机交互体验，可进行故障追忆协助故障分析等功能。EXC9200 励磁系统调节器具备 B 码对时功能，NTP 对时功能等，还可对外提供 MODBUS/MODBUS TCP、IEC61850 等通信服务，满足电站实时通信以及故障、时间时标统一的需求。2.2 灭磁柜广蓄 B 厂灭磁柜主要由灭磁回路、灭磁柜智能FCB 板以及 FCB 显示屏组成。灭磁回路的灭磁开关采用 GE-rapid 4207，具有良好的分断能力和绝缘性能。灭磁电阻采用 CSC-11 型 SiC 非线性电阻，可满足电站事故或故障情况下快速灭磁的要求。灭磁柜智能 FCB 板可实现数据实时监测、跨接器故障监测、过压监测、灭磁开关控制等多种功能。FCB 显示屏用于显示励磁电压、励磁电流以及灭磁柜参数设置、故障状态信息显示等。2.3 功率柜广蓄 B 厂励磁系统功率柜采用三个 3 000A 等级功率柜，使用 N-1 冗余设计。单柜投入即可满足额定励磁电流运行需求，双柜投入即可满足强励运行需求。正常运行时，3 个功率柜同时投入，可降低单柜通过的电流，有效延长可控硅使用寿命。每个功率柜主要配备 1 块智能 REC 板、1 个REC 显示屏、2 个风机以及 1 套三相全控整流桥。整流桥采用 ABB 的 5STP28L4200 的可控硅，有良好的触发和整流性能。风机安装设计在整流桥上方。运行时冷风由柜门底部百叶窗吸入，经过整流桥，由上风口吹出柜体，符合热空气上升原则。双风机冗余设计可有效保障功率柜散热的可靠性。功率柜智能 REC 板，可实现功率柜脉冲触发控制、数据采集处理、风机控制以及智能均流等多种功能。智能均流功能投入后，可保证各运行工况下均流系数在 95%以上。功率柜 REC 显示屏主要用于显示本柜励磁电压、励磁电流，控制风机，以及各功能参数设置、故障状态信息显示等。2.4 交流进线柜广蓄 B 厂交流进线柜主要元器件为交流进线开关、交流互感器以及电源变压器等。交流进线开关采用抽出式交流断路器。其分断能力强、分闸速度快，可带电抽出，方便抽蓄电站励磁系统检修隔离使用。交流互感器用于励磁调节器手动控制方式电流反馈信号。电源变压器则用于提供二路风机电源。通过电气设计硬件闭锁，其仅在阳极电压换算后达到 90%额定机端电压方可投入使用，避免系统在二路交流电源电压过低时进行切换。3 改造后励磁的主要创新点抽蓄机组运行工况多，工况转换频繁，转换过程52第 46 卷水 电 站 机 电 技 术复杂3。励磁系统需要快速响应的能力来满足机组启停需求，以及完善的保护功能来保障设备的安全运行。其改造后的主要创新点如下。3.1 励磁系统限制保护功能（1）完整的限制器功能，包括 V/F 限制、过励限制、欠励限制、最大励磁电流限制、最小励磁电流限制、过无功限制、定子电流限制等，可以确保机组运行在非正常状态下时，将机组电压、电流、有功、无功等限制在安全区间，保障机组不被损坏。（2）完善的保护功能，包括转子过压保护、调节器双通道故障、三整流桥故障或退出、跨接器故障、起励失败、逆变失败、抽水工况下空载误分交流开关、空载误分灭磁开关、抽水工况启动是低转速转子通流时间长等。以上故障均为十分严重的励磁系统故障，任意一个故障出现，将触发励磁系统一级故障，直接分断灭磁开关和交流开关，并发信号至机组保护或监控系统，使机组迅速灭磁停机，保护发电机机组及主变压器等一次设备的安全。3.2 与监控系统的通信原励磁系统与监控系统 RTU 之间采用 RK512协议进行通信，该通信方式为西门子内部通信协议，对外不公开，故新励磁系统采用 S7 300 系列 PLC 的CP341 模块与 RTU 进行通信4。改造后的通信架构如图 2。图 2 EXC9200 励磁系统与 RTU 通信架构3.3 励磁调节器各种工况参数独立设置（1）为进一步提升励磁系统在抽蓄机组不同运行工况下的控制性能，EXC9200 励磁系统中 AVR参数、PSS 参数、过励限制器参数、欠励器限制、V/F限制参数等在发电工况和抽水工况均可独立设置，以保证机组不同工况运行需求。（2）背靠背电动模式和 SFC 启动模式下的“调节器给定速度”这一参数影响机组励磁系统自动方式跟踪手动方式的速度及并网后切换至自动方式的速度。在 EXC9200 励磁系统增加了这些给定速度参数设置，方便励磁调节器通道间、手自动方式间的跟踪调节及机组并网运行。4 励磁系统现场试验分析励磁系统现场试验主要分为静态试验、空载试验、负载试验和涉网试验等。其中，涉网试验主要包括机组励磁系统参数实测和建模试验、进相运行试验以及电力系统稳定器（PPS）试验等，抽蓄电站与常规电站相比多了抽水工况运行，需要在抽水工况下进行各种试验。本节以 PSS 试验和 SFC 启动试验为例说明励磁系统运行效果。4.1 P S S性能验证 低频振荡是影响电力系统稳定性和安全性的重要因素。在发电机励磁系统中附加电力系统稳定器PSS(power system stabilizer)，是抑制低频振荡的主要措施。合理配置 PSS 参数，可以优化 PSS 抑制阻尼的效果5。需要注意的是抽水蓄能机组励磁系统除在发电工况具备 PSS 功能外，还需在电动机抽水工况时具备 PSS 功能，使机组在发电和电动工况均能提供足够的正阻尼，有效抑制电网低频振荡，以提高了电力系统的动态稳定性。当机组满足 PSS 试验条件后，将白噪声信号输入励磁调节器，同时用电量分析仪对励磁电压、励磁电流、机端电压、机端电流、发电机有功、无功等数据进行录波，获取相应的机组滞后特性曲线。再结合广蓄 B 厂机组参数进行计算，最终将发电工况及抽水工况下 PSS 参数均整定为：Tw1=Tw2=Tw3=4、Tw4=0、Ks1=12.53、Ks2=0.44、Ks3=1、T1=0.17、T2=0.03、T3=0.16、T4=0.03、T10=0.3、T11=0.6、T7=4、M=5、N=1、T8=0.5、T9=0.1、PSS 投 入 功 率=30%Sn、PSS 限幅：5%。整定 PSS 参数后，利用机端电压阶跃的方式来验证 PSS 投入的效果。下列四组图形分别为发电工况和抽水工况下 PSS 退出 投入的波形图。从图 3 中可看出，无论是在发电工况还是在抽水工况，励磁系统在投入 PSS 功能后，均有良好的抑制效果。4.2 S F C工况启动试验静止变频器(SFC)起动是利用同步电动机与静止变频器配合完成，静止变频器向电机提供频率可53第 08 期闫文斌，等：广蓄 B 厂励磁系统改造浅析调电源，同步电动机提供适当励磁6。SFC 启动时由机组 RTU 向励磁系统下达“抽水工况投入令”和“SFC 模式投入令”，励磁系统切换至 SFC 启动模式。励磁系统收到“SFC 释放脉冲使能令”后以手动方式起励，如图 7 标志点 1 所示。在 SFC 与励磁设备的共同作用下，机组转速稳步上升。机组转速达到额定附近，投入同期装置，机组并网，励磁系统运行方式由手动方式切换至自动方式，如图 7 标志点 4时刻。至此，SFC 拖动流程结束，机组进入抽水调相态。SFC 拖动过程中励磁系统的控制关键点在于：（1）励磁系统手动方式下起励，励磁电流应快速上升，以便 SFC 捕捉转子位置；（2）在同期完成前，机端电压给定值 Ugd 需及时跟踪上 Ug，方便并网后快速进行手自动切换。图 7 SFC 拖动至并网波形图5 结语本文主要介绍了 EXC9200 励磁系统在广蓄 B厂的设计与应用，结合广蓄 B 厂 5 号、6 号机组实际改造情况，分析了其改造后的主要特点，试验情况等，重点介绍了 PSS 试验、SFC 拖动试验的方法及试验效果，为后续同类型抽蓄电站励磁系统的改造提供借鉴。参考文献：1赵守运.广蓄机组两种励磁控制系统的应用分析与研究J.水力发电，2014（11）：28-31.2邓耀.EXC9200 励磁系统改造的实践与效果研究 J.水电站机电技术，2022（10）:55-58.3陈亚红，邓长虹，武荷月，等.发电工况可变速抽蓄机组模式切换过程多阶段柔性协调控制 J.中国电机工程学报，2021（15）：5258-5273.4单鹏珠，陈杰，陈龙，等.广蓄 B 厂上位机系统改造技术研究 J.电网清洁与能源，2015（10）：106-111.5马明锐.新型电力系统稳定器的参数优化研究 D.广州：广东工业大学，2019.6王海涛.抽水蓄能机组静止变频器启动（SFC）控制策略研究与谐波分析 J.通信电源技术，2013（30）：31-33.图 3 PSS off，发电工况 Ug 进行 3%阶跃波形 图 4 PSS on，发电工况 Ug 进行 3%阶跃波形图 5 PSS off，抽水工况 Ug 进行 3%阶跃波形 图 6 PSS on，抽水工况 Ug 进行 3%阶跃波形