何靖
（国电南瑞科技股份有限公司211106）
摘要：文章分析了励磁系统功率柜改造的原因，并根据发电机参数和励磁盘柜位置设计了合适的装置和盘柜布置方式。为选择合适的电气件参数，进行了详细的分析和计算，并用matlabr软件对所选可控硅元件进行了仿真。经过1年的运行，验证了设计的正确性，表明了改造方案非常成功。
关键词：励磁系统；可控硅；matlab软件
1.引言
同步发电机作为电力系统的主要电源供应者，当处于发电工作状态时，必须要有稳定可靠的励磁系统提供励磁电源，且随电网的变化实时进行励磁电流的控制，以达到并网要求，否则无法发出电源，因此励磁系统是发电机系统的重要辅机系统。
励磁系统的发展经历了旋转直流励磁系统、旋转交流励磁系统、静止式励磁系统等阶段，以上阶段主要区别在于励磁电流的供给方式不同。随着发电机容量的逐步增大，其励磁电流也逐渐增大，旋转励磁系统带来了诸多问题，如换相起火、检修不便，尤其是大轴的长度影响轴系稳定等。
到本世纪初可控硅元件在电力系统中大范围使用后，使得以可控硅整流装置为励磁电流供给的静止励磁方式迅速得到了应用，尤其静止励磁响应的快速性，提高了电力系统的稳定，同时该系统缩短了对发电机主轴长度的要求，改善了轴系稳定性，因此静止式励磁方式作为主流励磁方式在新建的机组得到了快速发展。
2.励磁功率柜改造的原因
某电站励磁方式为静止自并励方式，即功率源由励磁变和可控硅整流柜组成，该励磁系统的组成如下：1台励磁变、1面调节器、2面功率柜、1面灭磁及过电压保护柜。
机组当前所使用的励磁系统中经检测其控制器和灭磁及过电压保护装置运行稳定、可靠，控制性能和保护性能也满足发电机及电网运行要求，但是在日常运行中发现功率柜附近温度较高，均流效果差，有时会误报停风等信号，大小检修时发现风道内部灰尘较大。虽经过多次的检查处理后有所好转，但是考虑到功率柜的特殊性，工作时流过的电流较大，且产生较高的换相过电压，因此一旦发生风道阻塞，将使得内部温度会急剧上升而造成机组跳机事故，甚至严重的话可能引发火灾。考虑到功率柜投运时间已达10年之久，内部可控硅属于半导体器件，其性能参数由于时间问题也到了需更换的时候。由于励磁变压器、调节器、灭磁及过电压保护装置运行状况良好，考虑到国家提倡的节约思想，本次仅对该励磁系统的功率柜进行改造。
3.改造方案的设计需求
为了使得改造后的励磁功率柜能够适应和配套原励磁系统、发电机运行的要求，对功率柜需要提出并满足如下的要求。
（1）装置性能的设计要满足《GBT7409.1-2008同步电机励磁系统定义》（以下简称GB7409.1）[1]、《GBT7409.2-2008同步电机励磁系统电力系统研究用模型》（以下简称GB7409.2）[2]、《GBT7409.3-2007同步电机励磁系统大中型同步发电机励磁系统技术要求》（以下简称GB7409.2）[3]、《DL/T843-2010大型汽轮发电机励磁系统技术条件》（以下简称DL/T843）[4]等国标或行标。能够提供发电机的额定1.1倍励磁电流，同时满足在一柜故障退出运行工况下，满足发电机强励工况下励磁功率的输出。
（2）换相过电压的限制。能够将可控硅换相产生的过电压进行限制，防止可控硅元件及其他装置被过电压击穿。
（3）功率柜的均流。由于GB7409.1、GB7409.2、GB7409.3、DL/T843标准要求：“功率整流装置的一个桥（或者一个支路）退出运行时应能满足输出顶值电流和1.1倍发电机额定磁场电流连续运行要求”，即满足采用“N+1”的配置方式，因此一般最少配置2柜，所以装置的均流设计要达到标准要求，且顶值电流倍数一般不超过额定励磁电流的2倍。
（4）二次回路的设计安全合理。具有故障报警功能，同时防止误报。
（5）与原励磁系统其他装置进行匹配。首先能够和原调节器、灭磁装置的电气性能进行匹配，如能够接受原调节器发出的脉冲信号，并可靠触发；能够与过电压保护装置匹配，避免过电压装置误动，影响过电压装置的性能和寿命。其次与原装置的空间位置能够匹配，以便和原装置布置位置保持协调和足够容纳。
（6）人防安全设计。可靠接地，防止出现电磁干扰其他屏柜，同时对于人能触及的带电部位进行防护设计。
4.改造方案设计及设备选型
根据上述要求，功率柜改造方案的设计首先依据励磁系统国家标准和电厂对励磁系统的需求，其次必须所需要布置方式必须符合现有设备的接口位置，否则无法安装。其具体设计方案如下：
4.1装置的布置
励磁系统布置方案，见图1所示，为了和其他屏柜匹配，同时结合“N+1”的要求，所以本次改造需要新设计的屏柜数量为2，且每个屏柜的尺寸均需为800*800（单位：mm，宽度*深度）。
而根据DL/T843对顶值电流的要求，顶值电流时间不低于10秒，由于可控硅瞬时电流一般可达额定电流的10倍以上，因此在功率柜励磁系统主要考虑工况为1.1倍额定运行。
考虑到装置一定的裕量，最终选取单桥额定出力2000A的可控硅整流装置，该装置满足电站运行需求。
4.3可控硅元件的选取
但是由于实际使用可控硅散热器的热阻为0.04～0.05℃/W，要远远大于可控硅的接触热阻和结壳热阻0.005～0.015℃/W，因此选择的可控硅额定电流时，一般以散热器散热效率进行考虑。
可控硅的额定电压的选取主要依据励磁变低压侧额定电压和换相过电压阻容吸收装置的效果。一般要求换相过电压的不超过额定电压峰值的2倍。由于本工程励磁变压器额定电压为490V，因此可控硅额定电压不应低于1385.7V。
考虑到实际工况的裕量，结合实际可用的可控硅元件额定电流，最终选取了额定电流为2625A、额定电压为2800V的可控硅。
4.4换相过电压系统仿真
为进一步确认所选可控硅能够适用本工程换相过电压的参数，利用matlab工具对其进行仿真实验，仿真结果如下。
由上图可知，换相过电压控制在1.8倍额定峰值以下，满足设计要求。
4.5均流系统设计
影响功率装置的均流系数主要有以下几种因素：1、可控硅触发一致性的影响；2、可控硅平均通态压降的影响；3、交直流回路电阻和电感的影响。为保证并列运行的可控硅均流效果较好，满足相关标准的要求，在进行均流设计时，从可控硅元件动态参数的分散性、连接方式等方面进行考虑，使得均流系数满足标准的要求。
5.总结
通过对该电厂励磁功率装置的改造，得出了以下结论：
1、改造项目首先应满足现场原安装尺寸要求，否则现场无法布置。
2、可控硅元件的选择要根据散热器的热阻考虑额定电流，根据换相过电压选取额定电压。
3、在满足电气性能的同时，要尽可能考虑检修的便利性和可操作性。
该设备已投入运行近1年时间，运行效果良好，降低了运行过程中可能出现的风险，且达到了相关入网验收的要求。表明该电站励磁功率柜改造非常成功，可推广应用，为其他电厂励磁系统的扩容或改造提供了一定的参考。
参考文献：
[1]GBT7409.1-2008同步电机励磁系统定义[S]
[2]GBT7409.2-2008同步电机励磁系统电力系统研究用模型[S]
[3]GBT7409.3-2007同步电机励磁系统大中型同步发电机励磁系统技术要求[S]
[4]DL/T843-2010大型汽轮发电机励磁系统技术条件[S]
[5]王海军等，“提高整流装置输出电流能力的研究及试验验证”，电气传动，2011.1
作者简介：
江苏泰兴人，工程师，国电南瑞科技股份有限公司，一直从事发电机励磁系统的设计、调试、生产工作至今。