| 0前言 励磁系统在机组电力生产中具有十分重要的作用，同步发电机的励磁系统通过调节励磁电流来保证电网的电压水平、合理分配并联运行机组无功功率和提高电力系统稳定性。某9E型燃气轮机励磁系统采用GE公司代理原装阿尔斯通MICROREC K4.1型自动励磁调节系统，该系统已运行数十年，设备老化现象日趋严重，影响机组安全稳定运行，系统升级改造十分必要。 1改造的必要性 该电厂目前有2×180MW燃气轮联合循环机组，采用一拖一方式运行，燃机选用美国GE公司的9E型燃气轮机，发电机采用依林公司9A5型无刷励磁发电机，无刷励磁系统采用GE公司代理原装阿尔斯通MICROREC K4.1型自动励磁调节系统。该系统运行已超过十年，存在以下安全缺点： （1）原有MICROREC K4.1型自动励磁调节系统为单通道设计，没有冗余设计，不能满足《GB/T7409.3-2009大中型同步发电机励磁系统基本技术条件》的要求。 （2）MICROREC K4.1型自动励磁调节系统运行时间已近十年，电源模块已出现元件老化现象，同类型机组曾出现由于此类励磁系统电源模块电容烧损造成机组非计划停运的事故。 （3）MICROREC K4.1型自动励磁调节系统为国外产品，设备售后维护及技术培训手续繁琐，备品备件价格昂贵，订货周期长。 （4）原励磁系统的控制是由MARKVI实现的，缺少独立的人机界面，不能实时显示机组的运行参数、运行状态及故障报警。 2改造的技术难点 （1）与国内励磁系统相比，由于设计原理不同，原励磁控制系统与燃机发电机变压器保护系统相互联系，励磁系统国产化后，必须保证燃机发变组保护安全稳定运行。 （2）励磁系统与燃机MARKVI控制系统相互联系，机组由MARKVI系统控制，采用一键启停的控制系统。国产化后的里励磁系统，必须满足由MARKVI系统控制的要求。 （3）原有励磁控制系统为嵌入式励磁控制系统，励磁系统的电源模块/处理模块、输入/输出模块、可控硅整流模块、励磁保护模块、信号/出口继电器分散分布，回路连接复杂，国产励磁厂家必须全面原设计回路图，对电源、模拟量、开入、开出、信号、报警及相关控制回路重新设计，将必要的保护与功能融入国产化励磁系统中。 （4）由于励磁系统与发变组保护系统相互联系，国产化后，拆除原系统中的寄生回路也是一大技术难题。 3改造方案 根据电厂机组的实际情况并考虑经济性，选用目前市场占有率较高、性价比较高、稳定性好的RCS-9410A型数字励磁调节装置。系统改造方案如下： （1）取消MICROREC K4.1励磁调节器，增加PRC-ER励磁调节柜，该柜由2个RCS-9410A数字励磁调节装置组成、每个调节装置作为一个独立的调节通道，可独立承担所有的励磁调节任务，各装置互为主从，组成冗余的两通道系统。 （2）仍采用他励的励磁方式，保留原励磁变压器及电源。 （3）原励磁系统为单通道调节，仅配置一组PT，现在发电机出口增加一组励磁调节用PT。 （4）励磁调节器直流电源取自125V直流系统，交流电源采用UPS系统供电。 （5）原有与MARKVI系统连接的DI、DO、AI、AO点全部保留，在MARKVI增加新装置的报警信号。 （6）增加独立的人机界面，用于实时显示机组的运行参数、运行状态及故障报警。 （7）增加PCS-4410B型旋转二极管故障检测系统，在线监测发电机励磁机旋转二极管的运行状态。 4改造后励磁系统的功能及特点 4.1励磁调节单元 新励磁调节单元具有以下特点： （1）RCS-9410A数字励磁调节装置以超级哈弗结构总线（SHARC）的DSP作为计算控制的核心，实现励磁控制的所有功能；以ARM为通讯中心，实现多种方式对外通讯；采用双通道冗余结构，独立双通道采用并联互为在线备用的方式，不共用电压互感器与电源。 （2）两套励磁调节器采用相互独立的电源供电，一路取自125V厂用直流系统，一路取自220V厂用UPS系统，充分保证励磁调节器工作电源的可靠性。 （3）励磁调节装置具有不间断检测自身各重要环节的状况，对异常或发生错误的环节进行容错处理的功能，可根据相应情况，闭锁异常或错误的通道。 （4）调节器配置有1种控制方式（PID+PSS方式）；6种运行方式（恒机端电压闭环方式、恒转子电流闭环方式、开环运行（试验）、恒无功功率运行、恒功率因数运行、系统电压跟踪）；3种投励升压方式（手动零起升压、自动软起励升压、自动初值起励升）；7种励磁限制（负载最小励磁电流限制、欠励限制、负载最大励磁电流限制、过励限制、V/F限制、空载最大励磁电流限制、磁场过电流反时限制）；5种保护（低励保护、过励保护、伏赫兹过磁通保护、TV断线保护、空载过电压保护）。 （5）调节装置配置有录波功能，每组波形记录所有模拟量和所有开关量在20s内的数值及变位信息，最大可储存8组波形，停电不丢失。 4.2功率整流单元 功率整流单元采用进口可控硅元件，可控硅组成三相全控整流桥，两桥并联输出，均流系数为可达0.9以上，单桥投运时能确保机组安全运行，在强励工况下允许2倍额定电流运行10s。整流桥两侧均设置有过流、过压保护，每个整流桥均设有开关，使发电机组运行的安全性和可靠性有较大的提高。励磁系统原理图如图1所示。
5改造中的问题与解决方法 5.1灭磁开关JDK的安装位置 励磁系统国产化改造完成并成功投运，但在机组停机以后，励磁调节装置总会发出同步检测故障报警，原因是机组停机以后，调节器检测不到同步电压，查看图纸发现，设计人员将灭磁开关设计安装在励磁变压器原边侧，机组停机后，灭磁开关断开，调节装置检测不到励磁电压。为解决这一问题，设计人员更改设计图纸，将灭磁开关与同步变压器改接于励磁变压器副边侧，如图1所示。更改后的设计解决了装置报同步故障的问题，机组正常停机时装置仍然能够采集到同步电压，不影响正常停机。 5.2定值的设置 （1）发电机机端电压额定值为15KV，发电机同期并网由MARKVI同期卡实现，原系统设置励磁系统自动升压终值为 （2）无功低励返回值设置不合理。受电网波动影响，发电机机端电压降低，无功功率下降，引起无功低励限制动作。限制动作后没有稳住无功变化，反而引起有功震荡。针对这一问题，技术人员反复分析故障波形，深入研究励磁定值，发现无功低励返回值设置不合理。无功低励限制动作返回值设置为7.5Mvar，在无功低励限制动作后，调节器将无功功率增加7.5Mvar，有功功率增加，系统影响又引起有功功率下降，最终导致有功功率震荡，严重时引起机组跳机。针对这一问题，调整无功低励限制返回值至0.5Mvar，并进行相应的试验。 （3）最小励磁电流限制功能退出运行。该厂励磁系统投入运行后，最小励磁电流限制动作录波图如图4所示，机组额定励磁电流为10A，运行励磁电流约6.4A，系统故障，机端电压降低，励磁调节器迅速动作，增大励磁电流、提高机端电压，增加机组无功出力，由于机组存在转动惯量，在下调有功功率时，调节器调节励磁电流幅度过快，导致最小励磁电流限制动作。分析图4，最小励磁电流限制动作后，存在以下几点弊端： ①励磁系统最小励磁电流限制的作用是保护设备而不是保护系统的，在水轮发电机组应用较广，在燃汽轮机组励磁系统中应用较少。 ②最小励磁电流限制动作后，最小励磁电流限制动作以后，励磁电流仍没有稳定在某一个值，仍在小幅度波动，不利于机组安全稳定运行。 ③最小励磁电流限制动作以后，励磁调节器对机端电压变化不敏感，电压跟踪及压差控制不理想，可能造成励磁系统响应差，进而影响电网安全。 ④最小励磁电流限制动作后，没有合理的退出机制，机端电压机端电压一直下降且与参考值相差接近3%的情况下，仍不能及时返回。 ⑤最小励磁限制动作使励磁调节器的作用弱化，对机组振荡没有产生抑制作用，存在一定的安全隐患。
综上所述，应退出励磁系统最小励磁电流限制这一功能。 6现场调试及运行
2014年2月，该厂9E燃气轮机发电机励磁系统升级改造投入运行，在发电机启机时，进行了发电机软起励升压、A/B通道主从切换、空载电压环/电流环切换、逆变灭磁、电压闭环5%上/下阶跃响应、电流闭环10%上/下阶跃响应、最大励磁限制、PT断线等试验，波形图如图3-9图所示。从图可见，软起励升压实现无过调快速升至额定电压；逆变灭磁迅速安全可靠；阶跃试验机端电压、励磁电流平稳升降至目标值；功能试验如最大励磁限制、PT断线、伏赫兹限制试验动作快速准确。试验证明该励磁系统各项功能均达到设计技术要求，整套系统投运以来，运行稳定，功能可靠。 |
