CCPP发电机励磁系统国产化改造

薛林锋，崔超，马少杰，郑杰锐

（1.中国电器科学研究院有限公司，广东广州 510860；2.鞍钢第二发电厂，辽宁鞍山 114000）

引言

CCPP 是燃气-蒸汽联合循环发电机组(Combined Cycle Power Plant)的简称。钢铁厂在生产过程中会产生大量的低热值高炉煤气，国内各大钢铁厂普遍配套有适合利用这种煤气做燃料的CCPP 发电机组，通过CCPP 对钢铁行业副产煤气的回收利用，可减少高炉煤气的放散、降低能源损失、减轻大气环境污染[1]。鞍钢第二发电厂2006年建成了整套进口三菱CCPP 发电机组，发电机容量为300 MW，励磁系统型号为MEC5000型号。投产十多年来，由于原装进口设备多采用技术黑匣子，出现故障缺陷时难以详细分析原因，且使用后期故障率开始升高，备品和服务费用昂贵，实施国产化改造的需求迫切。

1 CCPP发电机组励磁系统国产化设计

励磁系统国产化主要要考虑以下几方面：调节器部分、功率变换部分、灭磁及过压保护部分、对外接口设计。

1.1 励磁调节器国产化

国产EXC9200 励磁调节器，采用PowerPC+FPGA 架构，硬件使用800 MHz 的PowerPC 处理器和大容量FPGA 芯片，采用高速高密电路设计技术；软件应用Vxworks 高性能嵌入式操作系统，整体调节器运算周期小于1 ms；电磁兼容性设计达到国际电磁兼容标准IEC61000-4-4和IEC61000-4-5最高的四级抗扰度指标等级；调节器采用双微机通道冗余，调节通道输入、输出完全独立。通道之间的切换采用优先级高低、自动切换的策略。双通道调节器框图见图1。

调节部分是励磁系统的核心控制部分，一般由人机界面、调节通道、开关量输入/输出板、智能IIU板和特殊功能模块组成。人机界面提供了友好的人机接口，运行维护人员可通过人机界面对励磁系统进行简单的操作控制。

图1 双通道调节器框图

鞍钢第二发电厂CCPP 机组采用双调节通道，通道间实现完全对等冗余，互为备用。每个调节通道有两块板件，模拟量板实现模拟量的数据采集，主控制板实现励磁系统PID 运算和及PSS 等调节功能。开关量输入/输出板为调节器提供一个对外输入、输出接口。智能IIU 可通过通信和硬接点的方式把调节器内部状态量输出至监控系统，监控系统也可通过通信的方式对励磁系统实现人为调节。系统内部调节器及各板件之间通过双CAN 总线进行数据交互。智能IIU 板、特殊功能模块和双调节通道通过CAN 总线1 进行数据交换，同时调节通道CHA、CHB、CHC 和开关量输入/输出板件间通过CAN 总路线2 进行数据交互。2 条CAN 总路线相互独立。

1.2 励磁功率柜国产化

按照机组建设时的设计，鞍钢第二发电厂CCPP 机组的励磁功率柜与励磁调节器分别放置在发电机旁和控制室。励磁系统配置有3个三相全控桥，每个桥配置有独立的双风机。

改造前的三菱励磁整流桥采用串联风道设计，没有停风机运行能力。散热风机仅采用一路自用交流电进行供电，一旦自用交流电源回路故障，风机将停止运行，调节器将限制负载，影响机组正常运行[2]。功率柜采用常规整流桥设计，没有自动均流功能，运行多年后均流系数低于85%。

改造后的励磁整流桥采用并联风道，具备停风机运行能力，并且每个桥的风机发生故障时不影响其他整流桥的正常输出，减少了风机故障引起停机的风险，采用集中式阻容保护替代之前的分散式阻容保护，同时吸收交流侧和直流侧的尖峰过电压。采用智能化功率柜，实现智能检测、智能显示、智能控制。多个功率柜间采用动态均流技术，功率柜间的均流系数达到97%以上。各个功率柜与调节柜之间的信息传输采用CAN 总线的方式，采用光纤传输触发脉冲，且每个功率柜传输通道独立，彼此不受影响，从而大大提高了可靠性。

1.3 灭磁系统国产化

原三菱励磁系统采用交流灭磁的原理，在交流侧装有一台三极断路器，直流侧装有线性电阻。交流灭磁原理在灭磁时对脉冲控制有严格的时序要求[3]。改造后的灭磁系统采用目前普遍使用的直流灭磁方案，整流桥的直流侧安装有一台瑞士赛雪龙生产的UR36 直流磁场断路器，灭磁电阻采用碳化硅（SiC）非线性电阻，加上跨接器组成灭磁系统主回路。灭磁回路原理图见图2。

图2 灭磁回路原理图

当机组正常运行时，灭磁开关QFG 闭合，跨接器V71 的3 个晶闸管都处于关断状态，即灭磁回路不工作。当运行中发电机转子LZ 出现正向过电压时，V71.3 导通一个周波吸收正向电压，下一个周波关断。当停机跳开灭磁开关QFG 时，V71.1 和V71.2同时导通，与发电机转子LZ 和灭磁电阻GB 形成回路，将转子线圈中储存的能量在灭磁电阻中消耗掉。

1.4 对外接口设计

众所周知，对于成套从国外进口的燃气发电机组，单独改造其中的励磁系统，必须首先解决与控制柜、保护系统、监控系统的接口问题。

（1）与控制柜的接口

包括灭磁开关合闸、灭磁开关分闸、升压、降压、恒电压调节、恒电流调节、并网状态、恒功率因素调节投退、PSS投退。

（2）与保护系统的接口

包括转子接地保护动作、调节器故障跳闸、过励保护动作。

（3）与监控系统的接口

包括故障跳机、调节器故障、PSS 投退状态、恒电压调节、恒电流调节、恒功率因数投退状态、欠励限制、过励限制、V/F 限制、励磁起励、功率柜故障、电源故障。

由于控制柜、保护系统、监控系统要保持不动，所有接口信号的定义、方式、电气接口都必须与原来保持一致，因此必须对改造后的国产励磁系统接口进行组态、电平转换，以适应外部设备的需要。

考虑到未来发电机组其它设备的改造，励磁系统需要留有对外通信接口。

2 开停机流程设计

与国内励磁系统的使用习惯不同，三菱MEC5000 励磁系统采用一键开停机的简单方式。即开机时合灭磁开关后自动起励，停机时分灭磁开关灭磁。

2.1 开机流程设计

对于国产化励磁系统，既要满足开机时一键开机的要求，又要实现试验过程中分步操作的需求，设计了如图3所示的开机流程。

图3 开机流程逻辑示意图

2.2 停机流程设计

原三菱系统停机时，在机组减负荷满足条件后解列，解列后立即发令分灭磁开关实现停机灭磁操作。为了减少灭磁开关主触头的拉弧次数，在满足一键停机要求的前提下，先执行逆变过程，再使灭磁开关在不带电的工况下分闸，设计了如图4 所示的停机流程。

在开停机流程上保持了与监控系统一致，符合电厂人员的使用习惯；同时进行一定的优化设计，提高了关键部件的使用寿命，降低了维护工作量。

图4 停机流程逻辑示意图

3 现场试验参数

3.1 自动方式下空载升压试验

在建压过程中，建压时间为9 s，超调量为0.42%。符合国标DL/T 1166-2012 要求（发电机电压超调量不大于额定值的10%）。

3.2 发电机空载阶跃响应试验

通过10%阶跃响应试验来对自动电压调节的PID 参数进行优化。自动方式下通道A 进行±10%阶跃响应的振荡次数为0.5 次，超调量为4.1%，电压上升时间0.6 s，调节时间为2.03 s。动态指标满足国标DL/T 843-2010要求。

4 结语

鞍钢第二发电厂CCPP燃机励磁系统于2019年2 月国产化改造完成并投产，经过电科院的测试，各项指标均优于标准要求。到目前为止历经一年多的时间，经受过数次开停机，运行均稳定可靠，全面达到国产化的要求。