NES5100型励磁调节器在1 000MW机组上的应用

季兴文

（国华徐州发电有限公司，徐州221166）

国华徐州发电有限公司2台机组为THDF 125／67型1 000MW发电机组，采用机端自并激励磁方式，配置NES5100型励磁调节器。与传统的励磁调节器相比，NES5100型励磁调节器的功能有很大改进。

1 励磁系统配置

励磁系统主要包括励磁调节器、励磁变压器、励磁整流柜、励磁开关等部分，见图1。

图1 1 000MW发电机励磁系统图

励磁变压器由3台容量为3 300kVA的DCB9-3300／27／3单相干式变压器组成，低压侧额定电压956V，采用Y／△接线方式，其高压侧不经开关直接接在发电机出口封闭母线上。

励磁整流柜采用独有的抽屉式，取消了传统的交、直流电源刀闸或开关，既减少了刀闸开关触头接触不良或发热的问题，同时柜体结构紧凑美观，封闭性好，减少了柜内积尘引起元件故障的几率。为保证足够的励磁电流，机组采用多个整流桥并联。整流桥并联支路数的选取原则为N＋1或N＋2［1］，N为保证发电机正常励磁的整流桥组数，即当某一组或几组整流桥故障退出时，不影响发电机的正常励磁需要。该机组采用N＋2原则，即四组整流柜并联，电流裕量更大。励磁整流柜运行组数与其控制数值见表1。

表1 励磁整流柜运行参数控制表

晶闸管整流采用三相全控桥式电路，相控方式，优点是半导体元件承受的电压低，励磁响应快，调压性能好，励磁变压器利用率高［2］。发电机正常运行时励磁回路为感性负载，晶闸管控制角在0°～90°，产生正向电压与正向电流，通过改变晶闸管的控制角来调整励磁电流的大小，以保证发电机机端电压恒定。发电机停机时采用逆变灭磁方式，即将直流励磁回路的能量反送回交流侧。逆变状态时控制角在90°～150°，产生负向电压与正向电流，把励磁电流急速下降到零，有效地限制了转子回路的过电压。

2 励磁调节器

2.1 装置的作用和构成

NES5100励磁调节器采用微机作为硬件载体，通过比较测量反馈值与参考值的误差，计算出控制电压，经限制环节、转子电压反馈产生晶闸管的控制角，输出触发脉冲。当机端电压高于给定值时，增大晶闸管的控制角，减小励磁电流，使发电机机端电压回到设定值；当机端电压低于给定值时，减小晶闸管的控制角，增大励磁电流，维持发电机机端电压为设定值。

A、B通道分别从发电机出口的2号、3号互感器接入。主要硬件CPU板以系统电源板、模拟量板、同步电压板、开关量板、脉冲放大板等硬件为支撑，实现模拟信号采样，并根据采样结果及开关量输入信号逻辑产生控制脉冲，经逻辑判断程序实现开关量信号输出、双套切换等核心控制功能。

软件核心为励磁应用程序，包括主流程和控制调节程序。主流程放置于主任务中，完成励磁应用程序的初始化以及机组状态的判断等功能；控制调节程序放置于3.3ms中断中，控制周期为3.3ms，完成所有励磁控制调节功能，确保控制的快速和精度。

2.2 功能特点

2.2.1 励磁调节功能

装置在原有电压闭环调节方式（AVR方式）、励磁电流闭环调节方式（FCR方式）基础上，增加了恒功率因数调节方式，并启用了软起励功能。

AVR调节方式为正常方式，以发电机的机端电压作为调节变量，维持发电机的机端电压与电压参考值一致，而电压参考值则主要由增磁命令或减磁命令进行增减。发电机空载时，电压参考值变化，使机端电压也随之变化；发电机负载时，电压参考值变化仍然使发电机电压随之变化，同时引起发电机无功功率更大范围变化。

FCR调节方式主要在励磁试验时或电压闭环故障（如PT断线）时使用，以发电机励磁电流作为调节变量，维持发电机励磁电流与电流参考值一致，而励磁电流参考值也是由增磁命令或减磁命令进行增减。

在DCS画面上增加了“恒功率因数”投、退按钮，实现恒功率因数调节方式。机组正常运行时以AVR方式运行，发电机起励建压后，各运行方式相互跟踪。给定调节利用开关量输入信号，控制AVR给定值的增、减。自动跟踪功能保证了从AVR模式到FCR模式或恒功率因数模式、A通道到B通道的平稳切换。

软起励是励磁系统升压方式之一，主要用于发电机的启动控制。AVR的给定值按照设定的速度上升，此时AVR相当于一个随动系统。在起励过程中，与常规起励的开环方式不同，软起励仍然在进行闭环计算，用于控制的给定值并非是实际给定值。根据现场实际，定值设为25%。图2为软起励功能投、退两种情况下发电机零起升压曲线，当励磁系统接收到开机令后开始起励升压，机端电压大于25%额定值后，调节器以一个可调整的速度逐步增加给定值，使发电机电压逐渐平稳地上升直到设定值。从试验结果看，软起励可以在10s内完成起励，而其电压超调量可以小于1%，甚至更低。因此，软起励不仅可以减小发电机启动升压时的电压超调，保护绝缘，而且能有效降低转子电流的冲击。

图2 发电机零起升压曲线

2.2.2 限制功能

大型发电机对限制及保护功能的要求更高。限制器的目的是给定限制边界，确保在未达到不稳定区域前予以干预，维护发电机的安全稳定运行。

限制功能分为以下两种：

（1）欠励限制。发电机欠励反映在各个电气参量中，主要表现为：励磁电流低、进相深度大（容性无功功率大）和定子电流增大。为防止发电机进入不稳定运行区域或者发电机端部和压齿发热等，保证发电机安全运行，针对反映欠励的主要电气量采取相应的限制手段，用P／Q（有功功率／无功功率）限制来实现。发电机实际运行范围比发电机安全运行P／Q限制范围要小得多，以保持足够的安全裕度。

该发电机经进相试验，综合发电机机端电压、厂用6kV、400V母线电压及功角70°等边界条件，实测参数后整定的无功欠励曲线为五点折线，用五个无功功率值对应五个有功功率水平来设定限制曲线，见图3。图中0ABCDE围成的区域为进相允许范围。发电机正常运行到达P／Q曲线图ABCDE边界时，欠励限制动作过程为：装置实时检测发电机有功功率和无功功率，根据点与直线位置计算，判断实际允许点离欠励限制曲线的远近（模值）和内外（符号），当运行点越过欠励限制曲线，装置即以无功功率作为被调节量之一进行调节，调节偏差即为运行点至欠励曲线的距离，增加励磁使发电机运行点回到安全允许区域。欠励动作时间整定为0.06s，返回时间1s。

图3 1 000MW机组欠励限制P／Q曲线图

（2）过励磁限制。发电机过励磁主要表现为：励磁电流高、无功功率过负荷和定子过电流，为保证发电机安全运行，针对反映过励磁的主要电气量的限制手段有：励磁过流限制、无功功率过励限制、瞬时强励限制和V／f（电压／频率）限制。

励磁过流限制主要用来防止转子回路过热。当系统电压较低时，发电机输出无功过大，发电机励磁电流超过其最大允许长期连续运行电流，必须对励磁电流进行限制，防止长时过流导致过热损坏发电机励磁绕组。励磁过流限制动作过程为：当励磁电流超过励磁电流过流反时限启动值时，装置进行热量累积计算，当热容量超过磁场绕组允许热容量时，限制动作，将发电机励磁电流调节至长期运行允许值。当励磁电流低于启动值后，装置计算其冷却速度及剩余热量，如果剩余热量仍然大于零时，励磁电流再次超过启动电流时，则迅速动作限制。

无功功率过励限制。装置实时检测发电机有功功率和无功功率，根据点与直线位置计算，判断实际运行点离过励限制曲线的远近（模值）和内外（符号），当运行点越过过励限制曲线进入过励区域，限制即启动计时，延时时间到后，装置即以无功功率作为被调节量，调节偏差即为运行点至过励曲线的距离，从而保证发电机运行点回到安全运行区域内。过励动作时间整定为25s，返回时间5s。

在NES5100调节器中，励磁过电流限制通过P／Q限制来实现。发电机过励区域比发电机允许安全范围小得多，即实际的无功功率过励限制曲线比过励允许曲线低。该厂无功功率过励曲线为五点折线，见图4。图4中0ABCDE围成的区域为实际运行允许范围，外部为过励范围。

图4 1 000MW机组过励限制P／Q曲线图

瞬时强励限制即强励顶值限制，其作用是防止在调节过程中发电机转子电流瞬时超过允许的强励顶值。瞬时强励限制与前述无功及过流限制不同点是：定值是强励允许值，不是长期允许值；动作是瞬时的，不是按发热积累考虑的。该机组实际整定值为2倍转子电流值。

V／f限制。发电机运行时，发电机端电压与频率的比值有一个安全工作范围，当V／f比值超过安全范围时，容易导致发电机及主变过激磁和过热现象；因此，当V／f比值超出安全范围时，必须限制发电机端电压幅值，控制发电机端电压随发电机频率变化而变化，维持V／f比值在安全范围内。该厂V／f限制定值取1.06为安全运行范围。

3 存在问题及改进情况

3.1 各励磁整流柜间均流系数的改进

机组投运后，4台励磁整流柜均流系数较低，主要原因是电源为中间进线方式，远端的1、4号励磁整流柜因距离远、导体交流阻抗过大导致电流小，中间的2、3号柜电流大。在对2、3号柜交流输入回路增加均流磁环后，人为增加了其交流阻抗。经采取均流措施调节后，使各支路阻抗平衡，均流效果改善明显。改进前后各柜电流对比见表2。

表2 增加均流环前后各励磁整流柜电流分布实测值对比

3.2 远方建压失败的处理

在机组投运初期，2台机组分别出现过1次发电机开机时远方建压失败的情况，经检查：起励电源正常，励磁系统各交直流电源及脉冲电源均投入正常，发电机转子回路、励磁系统一、二次回路及发电机PT回路均正常。后对励磁调节装置进行断电重启，再升压时远方起励建压正常，2号机组则远方仍无法建压，后采用就地手动建压方式升压开机。故障原因是DCS与励磁调节装置建压回路通信不畅，经处理后上述故障未重复出现。

4 结语

NES5100型微机励磁调节装置随机组投运一年来，其运行稳定，工作可靠，调节平稳，功能齐全，操作简单，机组多次停机时励磁调节器均成功实现了逆变灭磁，性能良好，确保了发电机转子回路免受过电压的冲击，是目前较理想的微机励磁调节装置，其在1 000MW机组上的成功应用，提高了大机组的稳定性，特别是在目前电网容量大、单机容量不断增大的情况下，也大大提高了电力系统整体的安全运行水平和供电可靠性。

［1］樊俊，陈忠，涂光瑜.同步发电机半导体励磁原理及应用［M］.北京：水利电力出版社，1991.

［2］宋志明，李洪战.电气设备与运行［M］.北京：中国电力出版社，2008.