火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能之勵(lì)磁設(shè)計(jì)探討

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(jī)組的生存空間不斷被壓縮,且隨著政策引導(dǎo),居民采暖和工業(yè)用汽將逐步由600Mw及以上機(jī)組承擔(dān),未來將會(huì)有一大批300Mw及以下供熱機(jī)組退出歷史舞臺(tái),而300Mw以下的非供熱機(jī)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(fēng)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(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全支撐效果較差,其占比快速提高導(dǎo)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(jī)組特別是容量相對(duì)較小的火電機(jī)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(diǎn)問題。于是,傳統(tǒng)火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能,將火電機(jī)組升級(jí)改造為具備發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)雙功能的方案應(yīng)運(yùn)而生,它既可以在發(fā)電機(jī)模式下承擔(dān)區(qū)域應(yīng)急備用電源的任務(wù),也可以在調(diào)相機(jī)模式下承擔(dān)區(qū)域電網(wǎng)無功支撐的功能[3-4],從而充分發(fā)揮機(jī)組高負(fù)荷時(shí)期有功支撐和低負(fù)荷時(shí)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(yīng)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(lì)磁系統(tǒng)作為電站運(yùn)行的核心設(shè)備,是發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行、調(diào)相機(jī)啟動(dòng)、調(diào)相機(jī)穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)功能發(fā)揮的關(guān)鍵。針對(duì)火電增加調(diào)相機(jī)功能的機(jī)組,勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)需綜合考慮發(fā)電機(jī)運(yùn)行、調(diào)相機(jī)啟動(dòng)、調(diào)相機(jī)強(qiáng)勵(lì)、流程接口等需求,在功率設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、流程配合設(shè)計(jì)等方面均需特殊考慮,本文將針對(duì)火電增加調(diào)相機(jī)功能的機(jī)組特點(diǎn),詳細(xì)介紹勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和要點(diǎn)。

1火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能之勵(lì)磁特點(diǎn)

1.1啟動(dòng)勵(lì)磁或啟動(dòng)功能

在作為發(fā)電機(jī)使用時(shí),機(jī)組原動(dòng)力由汽輪機(jī)提供,汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速后,機(jī)組由勵(lì)磁系統(tǒng)建壓后并網(wǎng)運(yùn)行。在作為調(diào)相機(jī)使用時(shí),調(diào)相機(jī)與汽輪機(jī)脫開,調(diào)相機(jī)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)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(jī)沒有原動(dòng)力沖轉(zhuǎn),為實(shí)現(xiàn)同期并網(wǎng),減小并網(wǎng)時(shí)的沖擊,需通過SFC和勵(lì)磁系統(tǒng)共同作用,先將調(diào)相機(jī)拖動(dòng)至1.05倍額定轉(zhuǎn)速,再惰走建壓并網(wǎng),故在調(diào)相機(jī)啟動(dòng)升速時(shí),勵(lì)磁系統(tǒng)需要配置啟動(dòng)勵(lì)磁或具備啟動(dòng)功能,本文將介紹配置啟動(dòng)勵(lì)磁的設(shè)計(jì)方案。

1.2高強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)

調(diào)相機(jī)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(shí)兼顧穩(wěn)態(tài)需求,在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓和直流功率的迅速恢復(fù),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(jī)相關(guān)要求,勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)電壓倍數(shù)不小于3.5(對(duì)應(yīng)調(diào)相機(jī)端電壓0.8Ue時(shí)),強(qiáng)勵(lì)電流倍數(shù)不小于2.5,允許強(qiáng)勵(lì)時(shí)間不低于15S。該標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì),故在火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能的工程中,勵(lì)磁變壓器、功率單元晶閘管選型設(shè)計(jì)將相應(yīng)提高和改造。

1.3流程配合

作為調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁系統(tǒng)需要與DCS、SFC等系統(tǒng)進(jìn)行配合交互,且一般調(diào)相機(jī)啟停過程均采用自動(dòng)順控,故勵(lì)磁系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的信號(hào)交互接口和匹配DCS、SFC、保護(hù)等其他系統(tǒng)的邏輯流程,方能確保機(jī)組的順利啟停。

2設(shè)計(jì)原則與要點(diǎn)

2.1典型機(jī)組參數(shù)

本文以350Mw機(jī)組為例,介紹勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與要點(diǎn),機(jī)組典型參數(shù)如表1所示。

原發(fā)電機(jī)的老勵(lì)磁變及勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

由以上參數(shù)可見,發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)的容量、定子電流、勵(lì)磁電流等參數(shù)基準(zhǔn)不一致,強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)不一致,故勵(lì)磁設(shè)計(jì)時(shí)軟硬件均需特殊處理。

2.2啟動(dòng)勵(lì)磁設(shè)計(jì)

本文將介紹配置單獨(dú)啟動(dòng)勵(lì)磁的方案,即調(diào)相機(jī)在啟動(dòng)階段采用啟動(dòng)勵(lì)磁工作,啟動(dòng)升速結(jié)束后切換至主勵(lì)磁工作,啟動(dòng)勵(lì)磁和主勵(lì)磁采用不同的勵(lì)磁變和功率橋。啟動(dòng)勵(lì)磁的選型設(shè)計(jì)需嚴(yán)格按照SFC啟動(dòng)設(shè)備的要求來進(jìn)行。

2.2.1啟動(dòng)勵(lì)磁變?cè)O(shè)計(jì)選型

調(diào)相機(jī)在啟動(dòng)過程中由SFC提供定子電流,由啟動(dòng)勵(lì)磁提供勵(lì)磁電流,勵(lì)磁電流的大小由SFC運(yùn)算決定,SFC啟動(dòng)升速曲線如圖1所示。

啟動(dòng)勵(lì)磁變副邊電流的計(jì)算式如式（1)所示:

式中:I2為啟動(dòng)變壓器二次側(cè)電流;Ifq為調(diào)相機(jī)SFC啟動(dòng)時(shí)所需的勵(lì)磁電流。

由圖1可見,在調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過程中需要的最大勵(lì)磁電流為600A,則啟動(dòng)勵(lì)磁變副邊電流為:

故勵(lì)磁變?cè)O(shè)計(jì)選型應(yīng)要求副邊電流大于539A。

調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過程中,勵(lì)磁電壓由勵(lì)磁變提供,勵(lì)磁電壓與勵(lì)磁變二次側(cè)電壓的計(jì)算式如式（2)所示:

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

式中:Uk為變壓器阻抗電壓,取4%。

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

由此得出勵(lì)磁變壓器二次側(cè)空載額定線電壓應(yīng)大于145V。

綜上,啟動(dòng)勵(lì)磁變二次側(cè)電流應(yīng)大于539A,電壓應(yīng)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(dòng)勵(lì)磁其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

啟動(dòng)勵(lì)磁僅在調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過程使用,啟動(dòng)完成后即退出運(yùn)行,勵(lì)磁變選型完成后,啟動(dòng)勵(lì)磁其他元器件選型按照常規(guī)勵(lì)磁選型設(shè)計(jì)即可。

啟動(dòng)勵(lì)磁在工作期間需要與SFC之間進(jìn)行4~20mA的信號(hào)交互,具體為啟動(dòng)勵(lì)磁接收SFC發(fā)來的4~20mA勵(lì)磁電流參考值指令,同時(shí)將啟動(dòng)勵(lì)磁實(shí)際工作的勵(lì)磁電流值通過4~20mA反饋至SSF,故在設(shè)計(jì)啟動(dòng)勵(lì)磁時(shí),需預(yù)留至少2組4C20mA信號(hào)通道。

由于是火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能,故現(xiàn)場需要新增啟動(dòng)電源柜1面、啟動(dòng)功率柜1面,設(shè)計(jì)階段需考慮新增屏柜的土建位置和走線空間。

2.3主勵(lì)磁主要元器件設(shè)計(jì)

火電機(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能,發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)共用同一套主勵(lì)磁系統(tǒng),故主勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)和調(diào)相機(jī)中較高者核算。

2.3.1主勵(lì)磁變?cè)O(shè)計(jì)選型

主勵(lì)磁變副邊電流的計(jì)算式如式(5)所示:

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

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

故主勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電流應(yīng)大于4012A。

勵(lì)磁電壓與主勵(lì)磁變二次側(cè)電壓的計(jì)算式如式(6)所示:

式中:I1為勵(lì)磁電壓強(qiáng)勵(lì)倍數(shù):I2為勵(lì)磁變二次側(cè)電壓跌落倍數(shù):I3為勵(lì)磁電流強(qiáng)勵(lì)倍數(shù):Ufn為額定勵(lì)磁電壓:U2為勵(lì)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(dǎo)通兩臂的硅元件正向壓降、匯流導(dǎo)線電阻壓降及轉(zhuǎn)子滑環(huán)與碳刷間的壓降:amin為勵(lì)磁最小觸發(fā)角:Ⅰfn為額定勵(lì)磁電流:Ⅰ2為勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電流。

由式(6)可得出U2應(yīng)滿足式(7):

根據(jù)表1數(shù)據(jù),作為調(diào)相機(jī)運(yùn)行,當(dāng)機(jī)端電壓跌落至0.8倍時(shí),要求勵(lì)磁系統(tǒng)電壓強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)不低于3.5倍,勵(lì)磁電流強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)不低于2.5倍,以此為最高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),即I1取3.5,I2取0.8,I3取2.5,amin取勵(lì)磁控制最小角度109,ZAU取強(qiáng)勵(lì)工況10V,Uk取8%,由式(7)可得出U2為:

綜上,主勵(lì)磁變二次側(cè)電流應(yīng)大于4012A,電壓應(yīng)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(jī)的老勵(lì)磁變?nèi)萘繛?950kVA、低壓側(cè)電壓0.65kV,均遠(yuǎn)不能滿足新增調(diào)相機(jī)的運(yùn)行需求,故主勵(lì)磁變需進(jìn)行整體更換。

2.3.2功率單元晶閘管設(shè)計(jì)選型

主勵(lì)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(jì)算:

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

另由表1可見,發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)磁電流4467A大于調(diào)相機(jī)的額定勵(lì)磁電流4289A,按照高值設(shè)計(jì)的原則,額定勵(lì)磁電流Ifn取4467A。發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)為2倍,即強(qiáng)勵(lì)電流為2×4467=8934A,而調(diào)相機(jī)強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)為2.5倍,即強(qiáng)勵(lì)電流為2.5×4289≈10723A,故按照高值設(shè)計(jì)的原則,強(qiáng)勵(lì)電流Iqn取10723A。

根據(jù)總體容量及勵(lì)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(gè)整流柜配置3相全控橋1套,當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)退出1橋運(yùn)行時(shí),要求滿足機(jī)組的所有工況運(yùn)行,按照最高標(biāo)準(zhǔn):

退1橋,剩2橋并列運(yùn)行時(shí),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(yùn)行時(shí),單橋強(qiáng)勵(lì)短時(shí)(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(fēng)機(jī),單橋長期輸出電流可達(dá)3000A,單橋短時(shí)強(qiáng)勵(lì)輸出電流可達(dá)6000A,滿足最高運(yùn)行需求。而原發(fā)電機(jī)的老勵(lì)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(jī)的運(yùn)行需求,故勵(lì)磁系統(tǒng)需整體更換。

2.4配合流程設(shè)計(jì)

當(dāng)作為調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí),機(jī)組的啟動(dòng)過程普遍采用一鍵順控模式,在啟動(dòng)過程中勵(lì)磁系統(tǒng)需要與DCS系統(tǒng)、SFC系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)交互,主要過程為:(1)啟動(dòng)勵(lì)磁配合SFC對(duì)機(jī)組進(jìn)行拖動(dòng)升速。(2)升速至1.05倍額定轉(zhuǎn)速后,SFC退出運(yùn)行。(3)啟動(dòng)勵(lì)磁退出,主勵(lì)磁投入并建壓。(4)同期裝置快速捕捉同期點(diǎn),發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。(5)并網(wǎng)后,由勵(lì)磁系統(tǒng)工作維持機(jī)組運(yùn)行。典型的啟機(jī)并網(wǎng)流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

從啟機(jī)并網(wǎng)流程圖可見,勵(lì)磁系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮預(yù)留與DCS、SFC的接口通道,并定義對(duì)應(yīng)功能,軟件設(shè)計(jì)上需與啟機(jī)流程相符。同時(shí),DCS需進(jìn)行擴(kuò)容改造并設(shè)計(jì)總控流程,以匹配新增調(diào)相機(jī)的啟動(dòng)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(jī)組增加調(diào)相機(jī)功能將是傳統(tǒng)火電發(fā)展的重要方向,其勵(lì)磁系統(tǒng)的啟動(dòng)勵(lì)磁、高強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)主勵(lì)磁、啟動(dòng)流程接口等方面是難點(diǎn)和關(guān)鍵,本文介紹了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)原則和要點(diǎn),以期對(duì)類似機(jī)組的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用有一定的參考和借鑒作用。