无刷励磁系统通道切换导致机组跳机引发的思考

无刷励磁系统通道切换导致机组跳机引发的思考

马怀成

（国能陈家港发电有限公司 江苏盐城 214600）

摘要：通过一起进口无刷励磁系统的跳机事故，进行理论分析及仿真实验，并进行相应的验证实验，确定故障根源提供了改进建议，提高了国内技术人员的技术能力并增强系统运行的稳定性。

关键词：无刷励磁系统；仿真；过压；

0引言

【1】研究发现，当励磁电流超过 8000A 以上时，受制于滑环的材料，容量以及制作工艺的限制，大型发电机的滑环制作相对困难，此时采用无刷励磁系统是合适的，面对目前市场上无刷励磁系统产品较多，对比国外的技术以及国内技术人员的掌握情况看，也面临很多难得和挑战，现对某电厂国外无刷励磁系统的跳机事故分析，提出疑问，从而提供改进思路，将大大提高机组励磁系统的运行安全性，稳定性，对后期技术人员维护也提供的指导方向。

1背景

某电厂 2×1000MW 无刷发电机组配置二套德国进口无刷励磁系统，该发电机同一轴系配置了永磁机（以下简称为PMG）、主励磁机与发电机。PMG 额定输出电压为 400HZ， 240V 交流电压，该电压作为励磁系统的阳极电源。 励磁系统配置了冗余的双通道，每一通道都包含一个调节控制装置，一套二极管整流桥（以下简称为BLM）加上四个IGBT 进行整流（以下简称为SMM）输出，每一个IGBT 上都并联一个二极管用于续流，整流二极管桥输出的直流回路中配置了双电容作为维持直流电压使用，并在其回路中并联一个IGBT 带串联电阻的回路作为直流回路过电压吸收使用，四个IGBT 的输出连接到主励磁机的定子，并在此回路中配置的直流过压的跨接器，灭磁电阻等装置。每个通道控制装置与整流回路都是独立的，灭磁回路为二通道共用回路，当机组运行时，双通道的调节控制装置同时工作，但只有主通道整流回路有励磁电压及励磁电流输出，备用通道整流回路不输出电压与电流，当通道切换时，备用通道变为主通道，开始输出励磁电压与电流，这意味着控制回路与整流回路在切换时是同时切换的

400HZ 永磁机输出电压经过二极管整流回路输入到IGBT 的斩波回路中，交流电压通过二极管整流桥和缓冲电容器整流成直流后，通过直流链路(以下简称DC-LINK)中IGBT 晶体管SMM 输出。IGBT 的斩波在开关模式下输出直流电压,平均输出电压取决于脉冲占空比(脉冲频率约 2KHZ) 【2】。

某日励磁厂家的调试工作人员在测试完励磁系统通道一的PSS 实验后，切换到通道二时，切换的瞬间励磁系统通道发生了励磁系统故障，导致停机事故发生。事故发生前机组带 650MW 负荷，机端电压为额定电压值，励磁电压 50V 左右，励磁电流约在 70A 左右， PMG 电压为 230V 左右。

根据之前空载及负载实验记录，该励磁系统在励磁电流 40A（负荷 100MW）时，进行过相应的切换实验，并未出现励磁系统故障情况，查看切换时故障录波图，未发现机端电压电流和励磁电压电流有任何超调现象，查看保护系统信息为励磁系统故障导致跳机，从而确认为励磁系统本身故障导致。查看励磁系统的操作面板上双通道只报出DC-LINK 电压过压故障。

2分析

在BLM 回路中有一个释放电阻（如图BRAKING RESISTOR 接线口位置）,该电阻属于外接电阻,它的工作需要根据释放回路的条件进行，该释放电阻阻值为 22 欧姆，设定吸收电压工作的门槛值为 400V，而根据原软件的参数设定DC-LINK 回路的过压为值 420V。有了之前的仿真与跳闸的事实，再次分析整流回路后，在切换的瞬间，通道 1 需要关断所有的IGBT,通道 2 需要打开IGBT,此刻励磁绕组会有短暂的失电情况，因为绕组为电感特性，短时电流不能突变，电流将会沿着原来的路径IGBT 上的二极管继续流入DC-LINK 回路，而此时PMG 的电压一直有，DC-LINK 回路中的电容一直是满荷状态，电流将从电容内部流入DC-LINK 的吸收回路中，因为DC-LINK 回路吸收电阻阻值在吸收的瞬间，电压值为电阻值乘以励磁电流的值，这个值远远大于 420V，这样必然导致过压的产生，下图中红色箭头表示切换瞬间电流流经的路线，黄色表示过压产生的位置。

3测试

基于以上的分析与仿真，调试人员整过压值的设定参数 820V，调试人员在静态实验前在励磁系统中更改了相应的过电压参数，并在空载下测试该参数。

在空载短路实验中，当定子电流到达额定值时，励磁电压为 50 伏左右，励磁电流为77A 左右，该工况可视为之前切换故障前的工况，励磁方式运行在手动方式运行，调试人员进行了在线切换实验，并对DC-LINK 电压进行了录波，切换正常。随后调试人员进行了4 次来回的通道切换，每次切换都是正常的，分析选取了一幅图片，通道二切换到通道一

切换时刻的DC-LINK 波形，如下图所示，通道 1 为红色，通道 2 为绿色，根据纵坐标的实际标尺，空载运行时，在切换的瞬间，通道二DC LINK 电压将发生突变电压为 428V 左右， 没有到达 820V 过压的设定值，且电阻吸收起到效果，通道 2 的DC-LINK 电压在到达顶点后开始衰减至通道 1 电压接受的范围内。

从上述分析及实验状态来看，改变过压上限值对通道切换起到了保护作用，从而说明了之前分析的正确性。

4总结及改进

从事故分析，实验仿真以及实际测试的结果来看，修改定值参数可以完全避免该事故的发生，因实验人员对此参数并不熟悉，造成了跳机事故，所以在对进口设备不熟悉的情况下，需要进行足够的仿真实验来验证其正确性，从整个事件看该问题并不是设备本身缺陷造成，对应国内的设备厂家及运行人员需要进行一定量的培训。

从之前的分析，造成事故的根源为DC-link 电压过压，修改过压设定值是可以避免该故障的发生，但从另一方面来说，在设计初期可以进行一系列的优化，使得设备运行更加稳定，如进行实际参数仿真实验，并优化参数选择，选择更加合适的刹车电阻，使得过压值在切换时可以降低等等。

参考文献

【1】李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用，第二版，中国电力出版社，2009。

【2】西门子RG3-S 说明书，2015。

作者：

马怀成，男，工程师，国能陈家港发电有限公司。