引言

隨著雙碳政策的執(zhí)行和環(huán)保的需要,常規(guī)火電機組的生存空間不斷被壓縮,且隨著政策引導,居民采暖和工業(yè)用汽將逐步由600Mw及以上機組承擔,未來將會有一大批300Mw及以下供熱機組退出歷史舞臺,而300Mw以下的非供熱機組更是面臨即將被關(guān)停的困境。此外,隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的大力發(fā)展,光伏、風電等清潔電力占比逐年增大,而相較于傳統(tǒng)火電,清潔電力對電網(wǎng)運行安全支撐效果較差,其占比快速提高導致區(qū)域電網(wǎng)的電壓支撐能力不斷削弱,系統(tǒng)穩(wěn)定水平下降。

如何讓傳統(tǒng)火電機組特別是容量相對較小的火電機組繼續(xù)生存,又能在新型電力系統(tǒng)的新格局下發(fā)揮作用,成為火電行業(yè)發(fā)展的焦點問題。于是,傳統(tǒng)火電機組增加調(diào)相機功能,將火電機組升級改造為具備發(fā)電機和調(diào)相機雙功能的方案應運而生,它既可以在發(fā)電機模式下承擔區(qū)域應急備用電源的任務,也可以在調(diào)相機模式下承擔區(qū)域電網(wǎng)無功支撐的功能[3-4],從而充分發(fā)揮機組高負荷時期有功支撐和低負荷時期無功支撐綜合效能,不僅能大幅提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力,也能解決新能源發(fā)展和保障電力可靠供應之間的矛盾,是傳統(tǒng)火電可持續(xù)發(fā)展探索的新方向。

勵磁系統(tǒng)作為電站運行的核心設備,是發(fā)電機正常運行、調(diào)相機啟動、調(diào)相機穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)功能發(fā)揮的關(guān)鍵。針對火電增加調(diào)相機功能的機組,勵磁系統(tǒng)設計需綜合考慮發(fā)電機運行、調(diào)相機啟動、調(diào)相機強勵、流程接口等需求,在功率設計、軟件設計、流程配合設計等方面均需特殊考慮,本文將針對火電增加調(diào)相機功能的機組特點,詳細介紹勵磁系統(tǒng)的設計原則和要點。

1火電機組增加調(diào)相機功能之勵磁特點

1.1啟動勵磁或啟動功能

在作為發(fā)電機使用時,機組原動力由汽輪機提供,汽輪機沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速后,機組由勵磁系統(tǒng)建壓后并網(wǎng)運行。在作為調(diào)相機使用時,調(diào)相機與汽輪機脫開,調(diào)相機在并網(wǎng)運行時不再發(fā)出有功,而是發(fā)出或吸收無功,從而起到調(diào)相的作用。而在并網(wǎng)前,調(diào)相機沒有原動力沖轉(zhuǎn),為實現(xiàn)同期并網(wǎng),減小并網(wǎng)時的沖擊,需通過SFC和勵磁系統(tǒng)共同作用,先將調(diào)相機拖動至1.05倍額定轉(zhuǎn)速,再惰走建壓并網(wǎng),故在調(diào)相機啟動升速時,勵磁系統(tǒng)需要配置啟動勵磁或具備啟動功能,本文將介紹配置啟動勵磁的設計方案。

1.2高強勵倍數(shù)

調(diào)相機可根據(jù)系統(tǒng)需求提供或吸收無功功率,滿足系統(tǒng)暫態(tài)的無功需求,同時兼顧穩(wěn)態(tài)需求,在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時自動快速調(diào)節(jié)無功功率,它既可以有效解決電源端暫態(tài)過電壓問題,也可以實現(xiàn)系統(tǒng)電壓和直流功率的迅速恢復,提升電力系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。為滿足上述暫態(tài)需求能力,參照國網(wǎng)調(diào)相機相關(guān)要求,勵磁系統(tǒng)強勵電壓倍數(shù)不小于3.5(對應調(diào)相機端電壓0.8Ue時),強勵電流倍數(shù)不小于2.5,允許強勵時間不低于15S。該標準遠高于常規(guī)勵磁系統(tǒng)設計,故在火電機組增加調(diào)相機功能的工程中,勵磁變壓器、功率單元晶閘管選型設計將相應提高和改造。

1.3流程配合

作為調(diào)相機運行時,勵磁系統(tǒng)需要與DCS、SFC等系統(tǒng)進行配合交互,且一般調(diào)相機啟停過程均采用自動順控,故勵磁系統(tǒng)需要設計相對應的信號交互接口和匹配DCS、SFC、保護等其他系統(tǒng)的邏輯流程,方能確保機組的順利啟停。

2設計原則與要點

2.1典型機組參數(shù)

本文以350Mw機組為例,介紹勵磁系統(tǒng)的設計原則與要點,機組典型參數(shù)如表1所示。

原發(fā)電機的老勵磁變及勵磁系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

由以上參數(shù)可見,發(fā)電機和調(diào)相機的容量、定子電流、勵磁電流等參數(shù)基準不一致,強勵倍數(shù)不一致,故勵磁設計時軟硬件均需特殊處理。

2.2啟動勵磁設計

本文將介紹配置單獨啟動勵磁的方案,即調(diào)相機在啟動階段采用啟動勵磁工作,啟動升速結(jié)束后切換至主勵磁工作,啟動勵磁和主勵磁采用不同的勵磁變和功率橋。啟動勵磁的選型設計需嚴格按照SFC啟動設備的要求來進行。

2.2.1啟動勵磁變設計選型

調(diào)相機在啟動過程中由SFC提供定子電流,由啟動勵磁提供勵磁電流,勵磁電流的大小由SFC運算決定,SFC啟動升速曲線如圖1所示。

啟動勵磁變副邊電流的計算式如式（1)所示:

式中:I2為啟動變壓器二次側(cè)電流;Ifq為調(diào)相機SFC啟動時所需的勵磁電流。

由圖1可見,在調(diào)相機啟動過程中需要的最大勵磁電流為600A,則啟動勵磁變副邊電流為:

故勵磁變設計選型應要求副邊電流大于539A。

調(diào)相機啟動過程中,勵磁電壓由勵磁變提供,勵磁電壓與勵磁變二次側(cè)電壓的計算式如式（2)所示:

式中:U2為勵磁變壓器二次側(cè)空載額定線電壓;αmin為勵磁最小觸發(fā)角,啟動過程最小為10a;Ifq為啟動勵磁電流;Ufq為啟動勵磁電壓;√AU為電壓降之和,包括導通兩臂的硅元件正向壓降,匯流導線電阻壓降及轉(zhuǎn)子滑環(huán)與碳刷間的壓降,計算中啟動工況取2V;Xr為變壓器電抗,其計算式見式（3):

式中:Uk為變壓器阻抗電壓,取4%。

根據(jù)SFC啟動的要求,啟動期間勵磁電壓需滿足1.8倍額定空載勵磁電壓,即取Ufq=1.8Uf0,綜上,得出U2應滿足式（4):

由此得出勵磁變壓器二次側(cè)空載額定線電壓應大于145V。

綜上,啟動勵磁變二次側(cè)電流應大于539A,電壓應大于145V,再考慮裕度,變壓器選型為容量200kVA,變比400/160V,額定二次電流722A,阻抗4%。

2.2.2啟動勵磁其他設計注意事項

啟動勵磁僅在調(diào)相機啟動過程使用,啟動完成后即退出運行,勵磁變選型完成后,啟動勵磁其他元器件選型按照常規(guī)勵磁選型設計即可。

啟動勵磁在工作期間需要與SFC之間進行4~20mA的信號交互,具體為啟動勵磁接收SFC發(fā)來的4~20mA勵磁電流參考值指令,同時將啟動勵磁實際工作的勵磁電流值通過4~20mA反饋至SSF,故在設計啟動勵磁時,需預留至少2組4C20mA信號通道。

由于是火電機組增加調(diào)相機功能,故現(xiàn)場需要新增啟動電源柜1面、啟動功率柜1面,設計階段需考慮新增屏柜的土建位置和走線空間。

2.3主勵磁主要元器件設計

火電機組增加調(diào)相機功能,發(fā)電機和調(diào)相機共用同一套主勵磁系統(tǒng),故主勵磁系統(tǒng)的設計需兼顧發(fā)電工況和調(diào)相工況的需求,核心元器件的選擇需按照發(fā)電機和調(diào)相機中較高者核算。

2.3.1主勵磁變設計選型

主勵磁變副邊電流的計算式如式(5)所示:

式中:Ⅰ2為主勵磁變壓器二次側(cè)電流:Ⅰfn為發(fā)電機或調(diào)相機勵磁電流。

由表1可知,發(fā)電機額定勵磁電流大于調(diào)相機額定勵磁電流,故取4467A。由式(5)可得出Ⅰ2為:

故主勵磁變壓器二次側(cè)電流應大于4012A。

勵磁電壓與主勵磁變二次側(cè)電壓的計算式如式(6)所示:

式中:I1為勵磁電壓強勵倍數(shù):I2為勵磁變二次側(cè)電壓跌落倍數(shù):I3為勵磁電流強勵倍數(shù):Ufn為額定勵磁電壓:U2為勵磁變壓器二次側(cè)空載額定線電壓:Uk為變壓器阻抗電壓,取8%:ZAU為電壓降之和,包括導通兩臂的硅元件正向壓降、匯流導線電阻壓降及轉(zhuǎn)子滑環(huán)與碳刷間的壓降:amin為勵磁最小觸發(fā)角:Ⅰfn為額定勵磁電流:Ⅰ2為勵磁變壓器二次側(cè)電流。

由式(6)可得出U2應滿足式(7):

根據(jù)表1數(shù)據(jù),作為調(diào)相機運行,當機端電壓跌落至0.8倍時,要求勵磁系統(tǒng)電壓強勵倍數(shù)不低于3.5倍,勵磁電流強勵倍數(shù)不低于2.5倍,以此為最高標準進行設計,即I1取3.5,I2取0.8,I3取2.5,amin取勵磁控制最小角度109,ZAU取強勵工況10V,Uk取8%,由式(7)可得出U2為:

綜上,主勵磁變二次側(cè)電流應大于4012A,電壓應大于1228V,再考慮裕度,變壓器選型為容量8750kVA,變比22/1.25kV,額定二次電流4042A,阻抗8%。

而原發(fā)電機的老勵磁變?nèi)萘繛?950kVA、低壓側(cè)電壓0.65kV,均遠不能滿足新增調(diào)相機的運行需求,故主勵磁變需進行整體更換。

2.3.2功率單元晶閘管設計選型

主勵磁變選型確定后,施加到可控硅整流橋晶閘管兩端的最大電壓值由式(8)計算:

由于主勵磁變低壓側(cè)電壓為1.25kV,由式(8)得到晶閘管兩端最大電壓為:

由此,晶閘管選型時,可重復加于可控硅元件的最大正向、反向峰值電壓值應大于4860V,根據(jù)晶閘管選型等級,可選取DYNEx公司的DFR3990A52型可控硅,其可重復加于可控硅元件的最大正向、反向峰值電壓值可達5200V,額定正向平均電流為3990A。

另由表1可見,發(fā)電機的額定勵磁電流4467A大于調(diào)相機的額定勵磁電流4289A,按照高值設計的原則,額定勵磁電流Ifn取4467A。發(fā)電機強勵倍數(shù)為2倍,即強勵電流為2×4467=8934A,而調(diào)相機強勵倍數(shù)為2.5倍,即強勵電流為2.5×4289≈10723A,故按照高值設計的原則,強勵電流Iqn取10723A。

根據(jù)總體容量及勵磁系統(tǒng)N-1原則[8-9],功率單元配置可控硅整流柜3面,每個整流柜配置3相全控橋1套,當勵磁系統(tǒng)退出1橋運行時,要求滿足機組的所有工況運行,按照最高標準:

退1橋,剩2橋并列運行時,單橋長期輸出電流必須滿足(K2為均流系數(shù),取0.95):

退1橋,剩2橋并列運行時,單橋強勵短時(15S)輸出電流必須滿足:

采用DFR3990A52型可控硅的功率橋,配置RSV210-400散熱器和洛森DKHR560風機,單橋長期輸出電流可達3000A,單橋短時強勵輸出電流可達6000A,滿足最高運行需求。而原發(fā)電機的老勵磁系統(tǒng)可承受的陽極電壓為880V,可控硅可承受反向阻斷電壓為4300V,均不能滿足新增調(diào)相機的運行需求,故勵磁系統(tǒng)需整體更換。

2.4配合流程設計

當作為調(diào)相機運行時,機組的啟動過程普遍采用一鍵順控模式,在啟動過程中勵磁系統(tǒng)需要與DCS系統(tǒng)、SFC系統(tǒng)進行信號交互,主要過程為:(1)啟動勵磁配合SFC對機組進行拖動升速。(2)升速至1.05倍額定轉(zhuǎn)速后,SFC退出運行。(3)啟動勵磁退出,主勵磁投入并建壓。(4)同期裝置快速捕捉同期點,發(fā)電機并網(wǎng)。(5)并網(wǎng)后,由勵磁系統(tǒng)工作維持機組運行。典型的啟機并網(wǎng)流程設計如圖2所示。

從啟機并網(wǎng)流程圖可見,勵磁系統(tǒng)在設計時需考慮預留與DCS、SFC的接口通道,并定義對應功能,軟件設計上需與啟機流程相符。同時,DCS需進行擴容改造并設計總控流程,以匹配新增調(diào)相機的啟動需求。

3結(jié)語

在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中,火電機組增加調(diào)相機功能將是傳統(tǒng)火電發(fā)展的重要方向,其勵磁系統(tǒng)的啟動勵磁、高強勵倍數(shù)主勵磁、啟動流程接口等方面是難點和關(guān)鍵,本文介紹了對應的設計原則和要點,以期對類似機組的工程設計和實際應用有一定的參考和借鑒作用。