火电机组增加调相机功能之励磁设计探讨

首先对火电机组增加调相机功能的励磁设计特点进行了分析，主要包含增加启动励磁、高强励倍数、流程配合等特殊需求，随后针对性探讨和介绍了启动励磁设计、主励磁设计、启动流程设计的原则和要点，并形成一套可用于实际工程化应用的设计方案，用于指导类似工程实施。

0  引言

随着双碳政策的执行和环保的需要，常规火电机组的生存空间不断被压缩，且随着政策引导，居民采暖和工业用汽将逐步由600 MW及以上机组承担，未来将会有一大批300 MW及以下供热机组退出历史舞台，而300 MW以下的非供热机组更是面临即将被关停的困境。此外，随着以新能源为主体的新型电力系统的大力发展，光伏、风电等清洁电力占比逐年增大，而相较于传统火电，清洁电力对电网运行安全支撑效果较差，其占比快速提高导致区域电网的电压支撑能力不断削弱，系统稳定水平下降[1-2]。

如何让传统火电机组特别是容量相对较小的火电机组继续生存，又能在新型电力系统的新格局下发挥作用，成为火电行业发展的焦点问题。于是，传统火电机组增加调相机功能，将火电机组升级改造为具备发电机和调相机双功能的方案应运而生，它既可以在发电机模式下承担区域应急备用电源的任务，也可以在调相机模式下承担区域电网无功支撑的功能[3-4]，从而充分发挥机组高负荷时期有功支撑和低负荷时期无功支撑综合效能，不仅能大幅提升系统调节能力，也能解决新能源发展和保障电力可靠供应之间的矛盾，是传统火电可持续发展探索的新方向[5]。

励磁系统作为电站运行的核心设备，是发电机正常运行、调相机启动、调相机稳态及暂态功能发挥的关键。针对火电增加调相机功能的机组，励磁系统设计需综合考虑发电机运行、调相机启动、调相机强励、流程接口等需求，在功率设计、软件设计、流程配合设计等方面均需特殊考虑，本文将针对火电增加调相机功能的机组特点，详细介绍励磁系统的设计原则和要点。

1  火电机组增加调相机功能之励磁特点

1.1  启动励磁或启动功能

在作为发电机使用时，机组原动力由汽轮机提供，汽轮机冲转到额定转速后，机组由励磁系统建压后并网运行。在作为调相机使用时，调相机与汽轮机脱开，调相机在并网运行时不再发出有功，而是发出或吸收无功，从而起到调相的作用。而在并网前，调相机没有原动力冲转，为实现同期并网，减小并网时的冲击，需通过SFC和励磁系统共同作用，先将调相机拖动至1.05倍额定转速，再惰走建压并网，故在调相机启动升速时，励磁系统需要配置启动励磁或具备启动功能，本文将介绍配置启动励磁的设计方案。

1.2  高强励倍数

调相机可根据系统需求提供或吸收无功功率，满足系统暂态的无功需求，同时兼顾稳态需求，在电网出现故障时自动快速调节无功功率，它既可以有效解决电源端暂态过电压问题，也可以实现系统电压和直流功率的迅速恢复，提升电力系统可靠性和稳定性。为满足上述暂态需求能力，参照国网调相机相关要求[6]，励磁系统强励电压倍数不小于3.5（对应调相机端电压0.8Ue时），强励电流倍数不小于2.5，允许强励时间不低于15 s。该标准远高于常规励磁系统设计，故在火电机组增加调相机功能的工程中，励磁变压器、功率单元晶闸管选型设计将相应提高和改造。

1.3  流程配合

作为调相机运行时，励磁系统需要与DCS、SFC等系统进行配合交互，且一般调相机启停过程均采用自动顺控，故励磁系统需要设计相对应的信号交互接口和匹配DCS、SFC、保护等其他系统的逻辑流程，方能确保机组的顺利启停。

2  设计原则与要点

2.1  典型机组参数

本文以350 MW机组为例，介绍励磁系统的设计原则与要点，机组典型参数如表1所示。

原发电机的老励磁变及励磁系统参数如表2所示。

由以上参数可见，发电机和调相机的容量、定子电流、励磁电流等参数基准不一致，强励倍数不一致，故励磁设计时软硬件均需特殊处理。

2.2  启动励磁设计

本文将介绍配置单独启动励磁的方案，即调相机在启动阶段采用启动励磁工作，启动升速结束后切换至主励磁工作，启动励磁和主励磁采用不同的励磁变和功率桥。启动励磁的选型设计需严格按照SFC启动设备的要求来进行。

2.2.1  启动励磁变设计选型

调相机在启动过程中由SFC提供定子电流，由启动励磁提供励磁电流，励磁电流的大小由SFC运算决定，SFC启动升速曲线如图1所示。

启动励磁变副边电流的计算式如式（1）所示：

式中：I2为启动变压器二次侧电流；Ifq为调相机SFC启动时所需的励磁电流。

由图1可见，在调相机启动过程中需要的最大励磁电流为600 A，则启动励磁变副边电流为：

故励磁变设计选型应要求副边电流大于539 A。

调相机启动过程中，励磁电压由励磁变提供，励磁电压与励磁变二次侧电压的计算式如式（2）所示：

式中：U2为励磁变压器二次侧空载额定线电压；αmin为励磁最小触发角，启动过程最小为10°；Ifq为启动励磁电流；Ufq为启动励磁电压；∑ΔU为电压降之和，包括导通两臂的硅元件正向压降，汇流导线电阻压降及转子滑环与碳刷间的压降，计算中启动工况取2 V；Xr为变压器电抗，其计算式见式（3）：

式中：Uk为变压器阻抗电压，取4%。

根据SFC启动的要求，启动期间励磁电压需满足1.8倍额定空载励磁电压，即取Ufq=1.8Uf0，综上，得出U2应满足式（4）：

由此得出励磁变压器二次侧空载额定线电压应大于145 V。

综上，启动励磁变二次侧电流应大于539 A，电压应大于145 V，再考虑裕度，变压器选型为容量200 kVA，变比400/160 V，额定二次电流722 A，阻抗4%。

2.2.2  启动励磁其他设计注意事项

启动励磁仅在调相机启动过程使用，启动完成后即退出运行，励磁变选型完成后，启动励磁其他元器件选型按照常规励磁选型设计即可[7]。

启动励磁在工作期间需要与SFC之间进行4～20 mA的信号交互，具体为启动励磁接收SFC发来的4～20 mA励磁电流参考值指令，同时将启动励磁实际工作的励磁电流值通过4～20 mA反馈至SFC，故在设计启动励磁时，需预留至少2组4～20 mA信号通道。

由于是火电机组增加调相机功能，故现场需要新增启动电源柜1面、启动功率柜1面，设计阶段需考虑新增屏柜的土建位置和走线空间。

2.3  主励磁主要元器件设计

火电机组增加调相机功能，发电机和调相机共用同一套主励磁系统，故主励磁系统的设计需兼顾发电工况和调相工况的需求，核心元器件的选择需按照发电机和调相机中较高者核算。

2.3.1  主励磁变设计选型

主励磁变副边电流的计算式如式（5）所示：

式中：I2为主励磁变压器二次侧电流；Ifn为发电机或调相机励磁电流。

由表1可知，发电机额定励磁电流大于调相机额定励磁电流，故取4 467 A。由式（5）可得出I2为：

故主励磁变压器二次侧电流应大于4 012 A。

励磁电压与主励磁变二次侧电压的计算式如式（6）所示：

式中：k1为励磁电压强励倍数；k2为励磁变二次侧电压跌落倍数；k3为励磁电流强励倍数；Ufn为额定励磁电压；U2为励磁变压器二次侧空载额定线电压；Uk为变压器阻抗电压，取8%；∑ΔU为电压降之和，包括导通两臂的硅元件正向压降、汇流导线电阻压降及转子滑环与碳刷间的压降；αmin为励磁最小触发角；Ifn为额定励磁电流；I2为励磁变压器二次侧电流。

由式（6）可得出U2应满足式（7）：

根据表1数据，作为调相机运行，当机端电压跌落至0.8倍时，要求励磁系统电压强励倍数不低于3.5倍，励磁电流强励倍数不低于2.5倍，以此为最高标准进行设计，即k1取3.5，k2取0.8，k3取2.5，αmin取励磁控制最小角度10°，∑ΔU取强励工况10 V，Uk取8%，由式（7）可得出U2为：

综上，主励磁变二次侧电流应大于4 012 A，电压应大于1 228 V，再考虑裕度，变压器选型为容量8 750 kVA，变比22/1.25 kV，额定二次电流4 042 A，阻抗8%。

而原发电机的老励磁变容量为4 950 kVA、低压侧电压0.65 kV，均远不能满足新增调相机的运行需求，故主励磁变需进行整体更换。

2.3.2  功率单元晶闸管设计选型

主励磁变选型确定后，施加到可控硅整流桥晶闸管两端的最大电压值由式（8）计算：

由于主励磁变低压侧电压为1.25 kV，由式（8）得到晶闸管两端最大电压为：

由此，晶闸管选型时，可重复加于可控硅元件的最大正向、反向峰值电压值应大于4 860 V，根据晶闸管选型等级，可选取DYNEX公司的DCR3990A52型可控硅，其可重复加于可控硅元件的最大正向、反向峰值电压值可达5 200 V，额定正向平均电流为3 990 A。

另由表1可见，发电机的额定励磁电流4 467 A大于调相机的额定励磁电流4 289 A，按照高值设计的原则，额定励磁电流Ifn取4 467 A。发电机强励倍数为2倍，即强励电流为2×4 467=8 934 A，而调相机强励倍数为2.5倍，即强励电流为2.5×4 289≈10 723 A，故按照高值设计的原则，强励电流Iqn取10 723 A。

根据总体容量及励磁系统N-1原则[8-9]，功率单元配置可控硅整流柜3面，每个整流柜配置3相全控桥1套，当励磁系统退出1桥运行时，要求满足机组的所有工况运行，按照最高标准：

退1桥，剩2桥并列运行时，单桥长期输出电流必须满足（K2为均流系数，取0.95）：

退1桥，剩2桥并列运行时，单桥强励短时（15 s）输出电流必须满足：

采用DCR3990A52型可控硅的功率桥，配置RSV210-400散热器和洛森DKHR560风机，单桥长期输出电流可达3 000 A，单桥短时强励输出电流可达6 000 A，满足最高运行需求。

而原发电机的老励磁系统可承受的阳极电压为880 V，可控硅可承受反向阻断电压为4 300 V，均不能满足新增调相机的运行需求，故励磁系统需整体更换。

2.4  配合流程设计

当作为调相机运行时，机组的启动过程普遍采用一键顺控模式，在启动过程中励磁系统需要与DCS系统、SFC系统进行信号交互，主要过程为：

（1）启动励磁配合SFC对机组进行拖动升速。

（2）升速至1.05倍额定转速后，SFC退出运行。

（3）启动励磁退出，主励磁投入并建压。

（4）同期装置快速捕捉同期点，发电机并网。

（5）并网后，由励磁系统工作维持机组运行。

典型的启机并网流程设计如图2所示。

从启机并网流程图可见，励磁系统在设计时需考虑预留与DCS、SFC的接口通道，并定义对应功能，软件设计上需与启机流程相符。同时，DCS需进行扩容改造并设计总控流程，以匹配新增调相机的启动需求。

3  结语

在以新能源为主体的新型电力系统中，火电机组增加调相机功能将是传统火电发展的重要方向，其励磁系统的启动励磁、高强励倍数主励磁、启动流程接口等方面是难点和关键，本文介绍了对应的设计原则和要点，以期对类似机组的工程设计和实际应用有一定的参考和借鉴作用。