秦山核电300_MW机组励磁系统改造方案分析_李戈超.pdf

收稿日期：2022-05-28作者简介：李戈超（1989-），男，浙江嘉兴人，工程师。秦山核电300 MW机组励磁系统改造方案分析李戈超1，吴帅2，张家豪3（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314330；2.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136；3.国家能源集团辽宁电力有限公司沈西热电厂，辽宁 沈阳 110000）摘要：某核电站为了延长300 MW机组的使用寿命，在Q1-OT-118大修期间对发电机和励磁系统进行了改造，由原三机静止硅整流励磁方式改为自并励励磁方式，将原有的UNITROL F系列励磁调节器改为UNITROL 6800系列励磁调节器。通过对改造前后励磁系统的差异、调试过程、改造后性能的提升等进行分析，验证了更新后的励磁系统设备降低了系统的复杂性，方便了设备的维护，同时也提高了机组运行的稳定性。关键词：同步发电机；励磁系统改造；三机静止硅整流励磁方式；自并励励磁方式中图分类号：TM623文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）01-0001-07DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.01.001第 19 卷第 1 期2 0 2 3 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）励磁系统是发电机组的重要组成部分，在某种程度上也可以说励磁控制系统控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定性和励磁控制方式密切相关，其主要作用是调节发电机的电压和无功功率，在发电机故障时快速灭磁，保护发电机组，防止机组事故扩大化1-2。秦山核电300 MW机组原发电机励磁方式为三机静止硅整流励磁系统，此励磁方式具有励磁电源稳定，不易受电网扰动干扰等优点，但整个励磁系统部件多，结构复杂，设备维护工作量大，而且机组已经达到设备使用寿命。因此，对秦山核电300 MW机组中设备老化、性能降低的发电机和励磁系统进行改造，是保障发电机组安全运行的必要手段。在此之前有很多电厂的励磁系统成功改造的案例，如隔河岩水力发电厂采用了UNITROL 6800励磁系统，极大地提高了系统的运算处理能力，使工作人员在操作系统时更加简单、直观 3；辽阳石化公司热电厂的5#8#机组的自并励励磁系统改造后运行平稳，反应速度快，调节灵敏，进一步提高了辽阳石化公司电气系统的稳定运行4。1励磁方式根据交流电源的来源不同，发电机的励磁方式分为两大类：第一类交流电源来自与主机同轴的交流发电机，经整流后，供给主机的励磁绕组。这类励磁方式通常称为三机励磁。三机励磁按整流器的运行方式又可分为静止硅整流和旋转硅整流两种，分别如图1和图2所示。而旋转硅整流励磁方式不需要经过转子滑环及电刷引入，故又称为无刷励磁方式5。第二类交流电源来自接于发电机出口的励磁变压器，经可控硅整流后供给发电机励磁绕组。对于励磁变并联在发电机出口的励磁方式，称为自并励励磁方式6，如图3所示。表1为发电机主要励磁方式的比较。第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）图1三机静止硅整流励磁系统原理图2三机旋转硅整流励磁系统原理图3自并励励磁系统原理表1发电机主要励磁方式比较项目系统组成响应速度强励能力励磁电源灭磁方式运行维护三机有刷励磁系统永磁机、主励磁机、AVR装置、整流及灭磁装置、发电机滑环及电刷等组成；旋转部件复杂、静止部件复杂0.5s，快速响应1.8倍强励独立，不受电网影响发电机磁场直轴灭磁；灭磁时间短需定期维护滑环、电刷，有碳粉污染三机无刷励磁系统永磁机、主励磁机、AVR装置、旋转整流盘等组成；旋转部件复杂、静止部件简单0.1s，高起始响应2倍强励，暂态稳定能力强独立，不受电网影响励磁机磁场直轴灭磁，发电机自然续流灭磁；灭磁时间长无滑环、电刷，无碳粉污染自并励静止励磁系统励磁变压器、励磁调节器、起励回路、整流及灭磁装置、发电机滑环及电刷等组成；旋转部件简单、静止部件复杂0.1s，高起始响应2倍强励不独立，受电网影响发电机磁场直轴灭磁；灭磁时间短需定期维护滑环、电刷，有碳粉污染2机组励磁系统2.1改造前秦山核电300 MW机组建设投运时，配置日本三菱的 AVR 装置及国产品牌的整流及灭磁装置（水冷方式）。直到2017年年底，系统设备投入运行已基本达到其设计使用寿命，设备内的电子元器件逐渐老化。随着备品备件供应成本增加，以及不满足相关网源协调新要求（如增加PSS功能等）等因素，导致励磁系统潜在的运行风险加大，不利于机组的安全稳定运行。因此，秦山核电300 MW机组在保持原三机励磁方式的基础上，陆续开展励磁系统相关控制设备的更新改造工作：例如2006年，进行AVR装置的更新改造，更新为上海成套院组装的 ABB UNITROL F型号的数字式双通道励磁调节器 7。通过一系列更新改造工作的顺利开展，在优化励磁系统控制性能的同时，进一步提高机组安全稳定运行的可靠性，系统结构原理如图4所示。图4原300 MW发电机励磁系统原理2.2改造后原发电机励磁方式为三机静止硅整流励磁系统，发电机为上海电气发电机厂自主研制的300 MW等级的双水内冷型号发电机，受轴系、结构、基础等2第 1 期李戈超，等：秦山核电300 MW机组励磁系统改造方案分析因素限制。因此，电厂决定在Q1-OT-118大修期间对励磁系统进行改造，将原来的三机励磁系统改造成全新的静态励磁系统。改造后系统原理如图5所示。图5现350 MW发电机励磁系统原理2.3改造范围a 改造前结构b 改造后结构图6励磁系统改造前后的结构励磁系统改造前后的结构如图6所示。相较于改造前，改造后的励磁系统新增加由双通道控制系统、整流桥、灭磁回路、磁场断路器组成的励磁调节器，由三相干式变压器、测温温控装置、环氧浇注式绝缘CT组成的励磁变压器和封闭母线。3系统调试3.1新励磁调节器设备新励磁调节器设备选用的是上海发电设备成套设计研究院有限责任公司引进 ABB 元器件的UNITROL6800系列励磁调节器。与原UNITROLF系列励磁调节器相比，在硬件方面：所有板卡均独立封装，且配置两路电源，控制器的内存容量和存储器容量大幅改善；控制电源回路设计冗余度更大，独立性更强；内部通讯以光纤为主，信号传输更加快速、可靠；人机界面ECT屏使用windows系统，方便工作人员操作。在软件方面：6800励磁系统使用MATLAB编程，扩展能力非常强大；AVR和各限制器设置独立的PID参数，更好地满足机组在各种极端工况下的运行；限制、保护逻辑更加完善，大幅降低了人因失误的风险；各整流桥均独立采样，因此能做到智能全时均流，均流系数大于98%。其技术参数如表2和表3所示。表2主发电机及其励磁参数项目额定容量/MVA有功功率/MW额定电压/kV额定电流/kA转子线圈电阻（15）/Xd/pu额定励磁电压（55）/V额定励磁电流/A空载励磁电压（15）/V空载励磁电流/A强励倍数/（倍10 s）转子绕组时间常数/s参数388.83501812.4740.2052.48457192113063229.283第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）表3励磁变压器参数项目型式容量/kVA一次侧电压/kV二次侧电压/kV接线组别冷却方式短路阻抗/%频率/Hz参数干式环氧浇注3 150180.97Yd11AN/AF7503.2定值设定及试验过程当安装端接工作结束后，就要对新装置进行调试。通过静态与动态调试，检查设备完好性及回路正确性，以及调节器装置的调节性能与动态特性是否已达到设计要求。下面仅以V/Hz限制和过励限制的定值设定及试验过程为例，说明UNITROL 6800型励磁调节器的工作原理和特性。图 7 为厂内350 MW同步发电机功率圆图及其运行限值。图7厂内350 MW同步发电机功率圆3.2.1V/Hz限制定值设定及试验发电机需装设性能完善的V/Hz限制和过激磁保护，从而确保发电机的安全稳定运行。对于发电机频率，当AVR Setpoint高于V/Hz-Limiter的定值后，经过延时，V/Hz-Limiter 的定值将取代 AVRSetpoint作为AVR的输出，进入到主环调节内。图8为V/Hz限制和保护曲线，保护曲线上方为VHz保护动作区域，两线之间为V/Hz限制作用区域，限制曲线下方为正常运行区域。V/Hz限制器限制动作规定和限制器保护动作规定如表4和表5所示。表4V/Hz限制器限制动作规定项目额定频率下机端电压动作/pu电压与频率的比值/pu电压顶值/pu动作延迟时间/s数值1.061.061.150表5V/Hz限制器保护动作规定项目额定频率下机端电压动作/pu电压与频率的比值/pu电压顶值/pu动作延迟时间/s数值1.21.21.32图8V/Hz限制和保护曲线图9为V/Hz限制器动作曲线，此时机端的电压约为1 pu，励磁电流约为0.35 pu（空载额定励磁电流值）。在当前的 CIT-IN.Reg_SetPt_VHz_Lim4第 1 期李戈超，等：秦山核电300 MW机组励磁系统改造方案分析界面，临时修改 LimiterGradient=1.01、LimiterVfn=1.01。在CIT-IN.Reg_AVR_SetPt界面，将参数AdditionalRefValue修改为0.03 pu，即做3%阶跃。观察V/Hz限制器此时的动作，机组电压Ug应被V/Hz限制在1.01 pu。在系统运行一段时间直至波形稳定后，再将参数 AdditionalRefValue 修改为 0，即为降 3%阶跃。观察V/Hz限制器返回，机组电压Ug约恢复到1 pu。图9V/Hz限制器动作曲线3.2.2过励限制定值设定及试验本文的过励限制是指最大磁场电流限制器，UNITROL 6800型AVR中的过励限制还包括最大定子电流限制器，由于工作原理相似，不再赘述。UNITROL 6800型AVR主要有两个不同的设定值：一个是强励顶值电流限制值Imax，另一个是连续运行允许的过热限制值Itherm。过热限制还附加两个控制参数，即转子等效过热时间Tequiv和转子等效冷却时间常数Tcooling。根据这些设定值，最大磁场电流限制器就可以计算出励磁绕组的最大允许热能Emax8。限制器限制特性如图10所示。如果励磁电流高于热限制值一定时间，那么积分器的输出值i2dt=E将会增加，其前提条件是系统的实际励磁电流大于电流的过热限制值，即i2(i=If-Itherm)；当输出值超过励磁绕组最大允许热能时，最大磁场电流限制器的限制值将从Imax减小到Ithrem；如果励磁电流降到其正常值，那么积分器的输出将开始随着冷却时间常数Tcooling降低9。图10最大磁场电流限制器的限制特性热限制器的激活时间t：t=Imax2-1If2-1 Tequiv（1）5第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）当发电机组处于并网运行状态时，保护正常投入，UNITROL 6800型AVR在手动运行模式时，开始做最大磁场电流限制试验。试验时，根据实际工况降低了过励限制定值，手动增加励磁，验证限制器在预先设定的参考值是否正确动作，并在限制点附近做阶跃试验（阶跃量3UG），检验过励限制器动作的稳定性，根据系统响应情况，适当调整PID 参数。试验后，恢复修改过的参数。图 11是+3阶跃试验时最大磁场电流限制动作波形。图11+3%阶跃试验最大磁场电流限制特性曲线4改造后的励磁系统性能经过改造，现在的励磁系统具备如下特点：1）在常规励磁调节器中，PT断线判别存在逻辑不完善、定值整定偏大的问题。本次改造对软件部分进行了升级完善，使其具备PT回路保险慢熔鉴别能力，新增逻辑如图12所示。当励磁系统运行时，如果备用通道电压值与运行通道电压值之差大于偏差设定值1，或者运行通道同步电压标幺值与运行通道电压值之差大于偏差设定值2时，励磁系统延时2 s，报用户事件1（事件类型定义为2，即为AUTO FAULT），励磁系统自动从运行通道自动方式切换到备用通道自动运行方式7,10。2）改造后的励磁