analysis on technical problems in excitation system modification of huaneng shang′an power plant
abstract：[wt5”bz]this paper, based on calculation and correlative analysis, discusses some technical questions in excitation system modification of shang'an power plant,including the feasibility of changing 3-phase hybrid converter into all-thyristor converter, the safety and normal operation of excitation transformer after modification, and the realization of fast de-excitation.
keywords：excitation system;3-phase all-thyristor bridge converter;modification;hybrid converter;fast de-excitation
华能上安电厂#2机于1990年投产，发电机由美国ge公司提供，采用ge公司generrex-pps机内电源励磁系统。励磁电源取自发电机中性点p棒，通过励磁变压器(以下简称励磁变)进入三相半控桥，整流输出后为转子提供直流电流。调节器使用晶体管集成电路元件，灭磁开关装设在p棒中性点处，灭磁方式为p棒中性点自然灭磁，半控桥带有续流二极管。改造要求使用微机励磁调节器，主回路采用三相全控桥，并要求实现快速灭磁。#2机的励磁系统功率柜为半控桥加续流二极管方式，对于将整流柜改造为三相全控桥还是保留原半控桥存在异议。本文对由半控桥改为全控桥是否会造成谐波含量增大引起励磁变超温问题进行试验分析。
1 已知参数
励磁变二次额定线电压 u2ln=613v
励磁变额定容量 sn=4100kv·a
连接组别 y/d
额定励磁电压 ufn=425v
额定励磁电流 ifn=3586a
为计算方便，进行如下假设：
励磁变漏抗励磁变内阻 r*=1%，三相半控桥线路压σδub=8v，三相全控桥线路压降σδuq=5v。
2 励磁变压器温升问题分析
首先对#2机(半控)、#3机(全控)励磁变二次侧的电流谐波含量进行了实际测试，同时委托南瑞公司对不同整流形式电流进行了谐波计算分析，详细数据见表1。
在表1的计算值中，基波幅值表示为直流电流的倍数，谐波电流幅值表示为基波电流幅值的倍数。实测值是以基波为基准，谐波与基波的百分比，从实测的数值上看全波的5次谐波含量较大，半波的二次谐波含量较大。不同的整流方式谐波含量的计算值与实测值一致。从总的谐波含量值的均方根值上看，半波整流的谐波量大于全波整流。
南通发电厂同类机组励磁系统配置与#2机的参数配置比较见表2。
由表2可见，上安的励磁变容量比南通#3机的大，而励磁电压、电流的水平却比南通的低，南通的励磁变能满足长期运行的要求，上安的应当也可以，考虑到强励，只要发电机的绝缘等级满足要求即可。此外，目前上安电厂#1、#2机正常长期运行的无功负荷较高(220mv·a左右)，如果网内的无功缺额不大，上安电厂的无功运行曲线还可降低，这样还可以降低励磁变的负担。
3 整流桥的相关计算
下面通过有关计算，可以确定改为全控桥后励磁系统的有关参数，为调节器的参数设计提供依据。
3.1 额定工况下的控制角α
a. 三相半控桥
输出电压：
将额定参数代入式(3)，得到额定工况下控制角αb≈83.5°。
b. 三相全控桥
输出电压：
将额定参数代入(4)式，额定工况下控制角αq≈56.41°。
3.2 最小控制角时的顶值电压
取极限情况，令αmin=10°，代入式(2)得到半控桥顶值电压ufcb=784v，代入式(4)得到全控桥顶值电压ufcq=781.5v。
通过计算可以看出，三相全控桥对励磁系统顶值电压的影响可以忽略不计，因此改造为三相全控桥不会影响励磁系统的顶值电压，对控制角α的变化范围也不会产生很大影响，因此不会给微机励磁调节器的设计带来新的问题。
4 励磁变压器的谐波计算与容量问题
4.1 变压器的电流谐波系数
4．1．1 负载为三相半控桥
取α≥60°，不考虑换弧压降和换弧角，直流分量 a0=0。
基波正弦分量系数：
电流谐波系数：kh=ihn/iln
当αb=83.5°时，khn=0.450。
4．1．2 负载为三相全控桥
同样采用傅里叶分析法，并忽略换弧角和换弧压降，可得：
当αq=56.41°时，电流谐波系数khn=0.307(额定励磁电流时)。
比较4.1.1与4.1.2中的khn，可见在额定励磁电流情况下，全控桥交流侧电流谐波系数是半控桥的68.22%。
4.2 变压器的电压谐波系数
额定工况下，可以不考虑变压器的电压谐波。变压器的视在容量为
电流谐波近似不产生有功，输出功率可简化为：
代入额定参数αq=56.41°，αb=83.5°。在额定励磁电流下，使用三相全控桥时，变压器输出功率约是半控桥的0.995倍，变压器输出功率中的谐波系数是使用三相半控桥的68.22%。
4.3 励磁变压器的容量裕度
a. 负载为三相半控桥
励磁变输出容量
定励磁电流的情况，sb=2956kv·a。容量裕度：4100/2956=1.38
b. 负载为全控桥
如果考虑谐波发热和集肤效应发热，可增加10%的容量裕度，则变压器总容量应为:
可见在全控桥的情况下，励磁变可以在1.19倍额定励磁电流下长期运行。
通过计算，可见将半控桥改为全控桥是可行的。
5 快速灭磁的实现
使用半控桥，灭磁时采用跳开p棒中性点开关，续流灭磁。使用三相全控桥，可以实现逆变灭磁，在正常停机时可以采用。事故灭磁时，现在许多用户和厂家都使用跨接器灭磁，直流回路不设开关，灭磁时先接通灭磁跨接器，后封整流桥脉冲。如果使用电子触发回路，还可以实现无触点灭磁。这是一项成熟技术，其优点在于结构简单，可靠性高，不足之处是跨接器回路的最大导通电压不能高于交流线电压的峰值，灭磁时间相对较长。接线原理见图1。
电阻rd可以是线性电阻也可以是非线性电阻。
a. rd为非线性电阻在灭磁状态下，转子回路电压方程为：
式中 tdo——发电机定子开路时间常数；
β——非线性电阻系数；
k——灭磁电压设计倍数，按照国标[1]规定不得超过5倍。
碳化硅非线性电阻的灭磁时间计算取β=0.243，k=5，则tm=0.24tdo。
氧化锌非线性电阻的灭磁时间计算取β=0.02，k=5，则tm=0.18tdo。
可见碳化硅电阻灭磁时间略长。
b. rd为线性电阻
励磁电流衰减方程为：
当k=5，n=100时，则tm=0.76tdo，可见线性电阻灭磁时间远大于非线性电阻。
根据上面的分析计算，结合上安电厂的情况，可以选择跨接器灭磁，使用氧化锌非线性电阻作为转子过电压保护。
6 总结
通过计算与比较,综合第3节和第4节的结果,将整流装置改造为三相全控桥是可行的。与半控桥相比,三相全控桥的优势明显，可以工作在有源逆变状态,输出电压脉动小；同时，三相全控桥控制增益大、灵敏度高，因此动态响应较好。另外，改为三相全控桥后对励磁变压器不会产生不利影响，可以继续使用原励磁变。采用跨接器灭磁，同时加装氧化锌转子过电压保护设备，可以实现快速灭磁。
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