UNITROL6800勵磁系統(tǒng)的限制器及測試方法

葉 添 鋅， 劉 新 城， 孫 新 志

(中國電器科學研究院有限公司廣州擎天實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510860)

0 引 言

UNITROL 6800勵磁系統(tǒng)是瑞士ABB公司最新推出的UNITROL系列的第六代數(shù)字式靜止勵磁系統(tǒng)產品，它用于大型同步發(fā)電機靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。它是瑞士ABB公司在UNITROL系列勵磁產品的基礎上，吸收目前數(shù)字控制領域內最先進的研究成果和工藝，基于AC800PEC控制器平臺的電力電子控制器，它集成了一流的解決方案和設備，例如并聯(lián)運行勵磁整流柜的動態(tài)均流技術、發(fā)電機殘壓起勵、FPGA、以太網及光纖通訊、設備工具診斷等。

目前，國內大型水電站如溪洛渡右岸水電站9臺770 MW機組、錦屏水電站14臺600 MW機組、大崗山水電站4臺650 MW機組的勵磁系統(tǒng)都選用了UNITROL 6800型勵磁系統(tǒng)。

近年來，電力系統(tǒng)對勵磁系統(tǒng)的功能要求越來越高，因此對限制器及PSS的功能測試顯得尤為重要，本文針對UNITROL 6800型勵磁系統(tǒng)，總結了其限制器及PSS的測試方法，以供從事勵磁系統(tǒng)調試的電站運維人員借鑒和參考。

1 UNITROL 6800勵磁系統(tǒng)控制方式

錦屏一級、二級水電站使用的勵磁系統(tǒng)型號為A6S-0/U241-S4500。勵磁調節(jié)器的控制方式主要包括AVR自動電壓調節(jié)、手動勵磁電流調節(jié)、以及相關的監(jiān)測及保護功能。[2]

1.1 AVR(自動電壓調節(jié))功能

AVR(自動電壓調節(jié))原理框圖如圖1, 其主要組成部分如下：

圖1 AVR(自動電壓調節(jié))原理框圖

(1)PSS Adapter：電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置(PSS)；

(2)AVR的設定：電壓設定值(疊加調節(jié)、跟蹤、復位等)，有功/無功功率補償(P調差、Q調差)，附加參考值，V/Hz限制器，軟啟動，電壓限制；

(3)各限制模塊：最大勵磁電流限制器，最小勵磁電流限制器，定子電流過勵限制器 Igind，定子電流欠勵限制器Igcap，PQ限制器；

(4)PID過濾器：比例積分微分濾波，包括PID1(專門用于靜態(tài)勵磁系統(tǒng))和PID2(專門用于AVR自動電壓調節(jié)器)，可以通過調整參數(shù)EnIntTypeAVRLim來選擇，錦屏水電廠使用的是PID2。其傳遞函數(shù)如圖2，特性曲線如圖3；

圖2 PID傳遞函數(shù)

圖3 PID特性曲線

(5)最小/最大邏輯：用來選擇限制器正確的輸出。

1.2 手動電流調節(jié)功能

手動電流調節(jié)原理框圖如圖4。其主要由下列部分組成：手動設定值(PQ限流器，V/Hz限流器，軟啟動等)；手動調節(jié)(PI控制器)。

圖4 手動電流調節(jié)原理框圖

自動方式是勵磁系統(tǒng)的主要運行方式，手動控制方式可用于測試目的或用于后備控制模式以防AVR錯誤操作。

1.3 監(jiān)測及保護功能

UNITROL6800勵磁系統(tǒng)有以下監(jiān)測和監(jiān)控功能可供選擇：接地故障監(jiān)測、轉子溫度監(jiān)測、勵磁溫度監(jiān)測、過電流監(jiān)測、過電壓監(jiān)測、PQ監(jiān)測、電壓/頻率監(jiān)測、同步選擇監(jiān)測、測量監(jiān)測、整流器監(jiān)測、輔助準備監(jiān)測、電源監(jiān)測等。

每個監(jiān)測和保護信號(事件)被配置為一組故障，最終啟動了保護矩陣系統(tǒng)動作。保護功能主要包括以下部分：直流過壓保護、交流過壓保護、接地故障保護、過電流保護、鏈路保護等。

2 UNITROL6800勵磁系統(tǒng)限制器

自動方式下，勵磁系統(tǒng)提供了以下限制器功能：V/Hz限制，電壓限制，PQ限制器，最小勵磁電流限制器Ifmin，定子電流限制器，最大勵磁電流限制器Ifmax。[1]

如下圖5是一個典型的帶各種限制的凸極同步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行功率圖，機端電壓為一單位標幺值。

圖5 凸極同步發(fā)電機功率圖

2.1 V/Hz限制

為了避免同步發(fā)電機和勵磁變壓器過激磁而設置V/Hz限制器。對于一定頻率，如果AVR的設定點太高，設定值將按照預先設置的V/Hz限制器特性曲線平穩(wěn)地減少設置點。經過一段調整延遲時間后限制器開始起作用。

V/Hz限制功能在自動調節(jié)稱為V/Hz限制器，在手動調節(jié)稱為V/Hz限流器。

V/Hz限制器延遲周期根據(jù)反時限曲線選擇，如圖6所示，圖中x =If/ Iftherm，如果V/Hz限制器達到延遲時間，該函數(shù)將AVR設定值降低至V/Hz限制器的設定值。

圖6 V/Hz限制器延時周期計算表

2.2 電壓限制

這是設定點的最大限制值，默認值是115%。

2.3 PQ限制器(欠勵限制器)

PQ限制器可以防止發(fā)電機工作超出實際穩(wěn)定限制區(qū)和失去同步。投入PQ限制器可保護發(fā)電機工作在穩(wěn)定范圍以內。PQ限制器可以在有功值為P=0%,P=20%,P=40%,P=60%,P=80%和P=100%時定義六個無功功率值。

2.4 最小勵磁電流限制器Ifmin

最小勵磁電流限制器用于維持勵磁電流在最低水平。功率柜維持勵磁電流在一個預設的最低水平。最小勵磁電流限制器只能在并網時投入。如果最小勵磁電流限制器投入，實際勵磁電流和最小勵磁電流之間的差值計算，用于防止發(fā)電機過低勵磁電流。

2.5 定子電流限制器

定子電流限制器限制發(fā)電機容性電流和感性負載過載，按照發(fā)電機無功工作區(qū)域，這兩種定子電流限制又稱為定子電流過勵限制器Igind和定子電流欠勵限制器Igcap，前者動作結果是減磁，后者是增磁。該勵磁調節(jié)器對發(fā)電機電流的有功分量無影響。因此，在Q=0調節(jié)可以使無功功率從Q變化為0，以保護發(fā)動機。

2.6 最大勵磁電流限制器Ifmax

最大勵磁電流限制器有兩個不同的設定點，一個是為了限制瞬態(tài)最高電流(勵磁強勵限制)，另一個為了防止轉子熱過載(最大連續(xù)出力)。

3 各限制器的測試方法及步驟

3.1 V/Hz限制特性試驗

V/Hz曲線用來防止發(fā)電機在低頻下的過電壓。自動、手動模式的限制值整定在110%額定值；

發(fā)電機運行在空載工況下，機組頻率變化在45 Hz-52 Hz范圍內，調節(jié)器處于CH1通道自動方式，投入電壓/頻率限制器功能。設定參數(shù)LimiterGradient為1.1、LimiterVfn為1.1、Limiter_Release為True；

在ECT的Slow Trending中觀察參數(shù)Ug、If、SFS_meas_fabs(頻率)、STS_CIO5_bDigOut15(V/Hz限制動作信號)；

通過增磁使機端電壓上升至110%左右，觀察應該有V/Hz限制器動作；再降低發(fā)電機轉速至機端電壓開始下降，頻率至45Hz左右，也應該發(fā)V/Hz限制器動作信號；

發(fā)電機轉速在47 Hz-52 Hz范圍內變化時，觀察V/Hz限制器動作應復歸，電壓應無明顯波動。

3.2 電壓限制器試驗

(1)首先測試給定值上下限限制是否正常，在空載狀況下，設定好參數(shù)MaxRefValue為1.1、MinRefValue1為0.9、URefMax為1.15，慢慢增磁到機端電壓為110%Ug時，無法繼續(xù)增磁，給定值穩(wěn)定在1.1，電壓穩(wěn)定在110%Ug，報給定上限信號動作。

同理，慢慢減磁到機端電壓為90%Ug時，無法繼續(xù)減磁，給定值穩(wěn)定在0.9，電壓穩(wěn)定在90%Ug，報給定下限信號動作。觀察參數(shù)STS_CIO3_bDigOut3(給定上限動作信號)、STS_CIO3_bDigOut4(給定下限動作信號)。

(2)其次在測試最大電壓限制動作是否正常，在空載狀況下，設定好 參 數(shù) MaxRefValue 為1.15、MinRefValue1為0.9、URefMax為1.1，慢慢增磁到機端電壓為110%Ug時，繼續(xù)增磁無效，給定值可以繼續(xù)增加到1.1，但此時電壓穩(wěn)定在110%Ug，并且報最大電壓限制信號動作。

3.3 PQ限制器試驗

PQ限制曲線根據(jù)六點擬合的方法得到，以下Q值QP00、QP02、QP04、QP06、QP08、QP10分別對應于PQ限制器動作額定有功P為0%、20%、40%、60%、80%、100%時對應的無功值。

在并網條件下，CH1通道自動方式運行，現(xiàn)地調整有功和無功至適當大小，記錄此時無功功率實際值大小，在ECT中觀察參數(shù)SFS_Meas_UgRel、SFS_Meas_IfRel、SFS_Meas_PRel、SFS_Meas_QRel、STS_CIO3_bDigOut10(PQ限制器動作信號)；現(xiàn)地減磁，無功降至PQ限制器動作，系統(tǒng)此時穩(wěn)定運行，記錄此時無功功率實際值大小。改變有功大小，觀察PQ限制動作時對應的無功值是否與設定值對應。

3.4 最小勵磁電流限制器Ifmin

發(fā)電機運行在空載工況下，調整軟件相關參數(shù)，將參數(shù)MinFieldCurrent(勵磁電流限制下限值)調至稍高于當前穩(wěn)定運行IL值，然后投入最小勵磁電流限制器，即Release_ifMinLim設為true，即會報If min動作，同時勵磁電流會自動增磁到勵磁電流限制下限值。觀察參數(shù)STS_CIO3_bDigOut10(最小勵磁電流動作信號)。

3.5 定子電流限制器

(1)定子電流限制器分為過勵側和欠勵側兩種，動作的結果是使得Q趨近于0。

發(fā)電機運行在負載工況下，參數(shù)MaxThermalStatorCurrent(定子電流限制標幺值)調至稍低于當前穩(wěn)定運行Ig標幺值，I Equivalent(標幺值)要調至稍高于當前穩(wěn)定運行Ig標幺值；

觀察參數(shù)SFS_Meas_UgRel、SFS_Meas_IgRel、SFS_Meas_PRel、SFS_Meas_QRel。

一段時間，即會報Ig定子電流限制動作，定子電流的無功分量會減小，無功也減小，如果MaxThermalStatorCurrent(定子電流限制標幺值)足夠低，則會減到為0。

(2)以錦屏二級#2為例：

①當前運行工況：P=441MW，Ig=0.66，Q=16.19MVar，If=1932.29A，此時在CH1通道自動方式下遲相側運行。

②修改參數(shù)如下：MaxThermalStatorCurrent改為0.64，I Equivalent改為0.8。

③一段時間后即報IG ind Limiter動作信號，觀察參數(shù)STS_CIO4_bDigOut6。

(4)定子電流限制 動 作 后 工 況 為：Q=7.61 MVar，定子電流Ig=0.65。測試波形如下圖7：

圖7 定子電流限制器動作

3.6 最大勵磁電流限制器Ifmax

發(fā)電機運行在負載工況下，調整軟件相關參數(shù)，將參數(shù)MaxThermalFeildCurrent(過勵限制值)、MaxFieldCurrent(過勵保護值)均調至稍高于當前穩(wěn)定運行IL值，MaxFieldCurrent要高于MaxThermalFeildCurrent。

然后增磁至過勵限制動作，報If max信號，觀察參數(shù)STS_CIO3_bDigOut9(最大勵磁電流動作信號)。

4 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)及其試驗步驟

4.1 PSS

PSS的目的是利用發(fā)電機的勵磁提高電力系統(tǒng)阻尼。錦屏電站PSS2B模型框圖如下圖8：

4.2 UNITROL6800勵磁系統(tǒng)PSS試驗步驟

4.2.1 試驗條件

被試機組應處于正常、穩(wěn)定運行，繼電保護投入，勵磁系統(tǒng)無報警；

被試機組有功功率應大于 80%額定值，無功功率應小于20%額定值；

被試機組的調頻、AGC 和自動無功功率調整功能應暫時退出。

4.2.2 試驗步驟

(1)測試接線：將機端電壓Ug，機端電流Ig，勵磁電壓Uf，勵磁電流If接入WFLC錄波儀，將頻譜分析儀的白噪聲輸入接至勵磁系統(tǒng)AI；

圖8 PSS2B原理框圖

(2)測試前修改PSS測試參數(shù)值：設置參數(shù)Input signal CIO3 AI1為1，Input signal CIO3 AI1 scale factor為0.05，Input signal Limit(for both input signals)[pu]為1.0，QMin為-0.2，QMax為0.2，PMin為0.65，PMax為0.85，UgMin為0.95，UgMax為1.05；

(3)無補償相頻特性測試：在程序中將白噪聲疊加至調節(jié)器自動方式輸出點上，在頻譜分析儀上調節(jié)白噪聲的輸入幅值為50mV左右，ECT中觀察白燥聲加入量SFS_CIO3Analn 1。開始測量勵磁系統(tǒng)無補償相頻特性(ΔUt/ΔUs)，通過讀點獲取相頻特性，即在0.1-2.0Hz范圍內，每隔0.1Hz(頻譜分析儀X軸)讀取對應相角(Y軸)；

(4)PSS參數(shù)設置：根據(jù)無補償相頻特性用專用程序算出PSS參數(shù)，當參數(shù)不滿足要求時適當調整，PSS 輸出的力矩向量對應Δω軸在超前10°～滯后45°。最終確定錦屏二級3#的PSS參數(shù)：Tw1=Tw2=Tw3=8、 Tw4=0、 Ks1=5、 Ks2=0.93、Ks3=1、T1=0.14、T2=0.01、T3=0.25、T4=0.03、T5=0.01、T6=0.01、T7=8、M=5、N=1、T8=0.6、T9=0.12、Pss投入功率=30%Sn、Pss限幅：+5%、-5%。

(5)PSS阻尼效果校核試驗：用負載階躍法確定PSS增益及驗證PSS效果。將PSS切除，進行1～4%的電壓階躍試驗，同時啟動錄波，記錄有功功率的擺動幅值和次數(shù)。將PSS投入，同樣工況下重復以上試驗，錄波觀察，有功功率的擺動幅值和次數(shù)應減少。在PSS參數(shù)整定好并且PSS投入的情況下，逐漸增大PSS的增益，同時觀察勵磁系統(tǒng)的變化，直到出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象為止，此時的KS1值，即為PSS臨界增益。最終取PSS臨界增益的1/3～1/5做為PSS放大倍數(shù)KS1的整定值。

(6) PSS反調試驗：PSS投入，調速器快速增、減有功功率，觀察無功是否存在反調現(xiàn)象。

5 結 語

隨著電力系統(tǒng)對勵磁系統(tǒng)的功能要求越來越高，因此對其限制器及PSS的功能測試顯得尤為重要。UNITROL?6800型勵磁系統(tǒng)自推向市場以來，在國內逐步被眾多大中型水、火電廠用戶所采用，具有一定的市場影響力，從其實踐使用來看，該型不愧為具有世界先進水平的勵磁系統(tǒng)。

本文結合了我公司錦屏一級、二級水電站600 MW機組勵磁系統(tǒng)設備現(xiàn)場投運過程中的實際情況，詳細介紹了UNITROL 6800型數(shù)字式自并勵勵磁系統(tǒng)中的控制方式和限制器，以及全面總結了各種限制器的測試方法及注意事項，并詳細探討了PSS的現(xiàn)場試驗步驟及參數(shù)的整定，這對從事勵磁系統(tǒng)調試的電站運維人員具有很好的指導和借鑒意義，為大型水電站的靜態(tài)勵磁系統(tǒng)的功能測試提供了很好的參考依據(jù)。

參考文獻：

[1] UNITROL? 6800 Functional Description. ABB. 2010.11

[2] DLT583-2006大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術條件.國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布. 2006.9

[3] 李基成. 現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設計及應用(第二版). 北京. 中國電力出版社. 2009