基于UN5000 勵磁起機過電壓研究與優化

劉 瑞 韓 可 官 健

1.上電漕涇發電有限公司

2.江蘇海宏電力工程顧問股份有限公司

0 引言

目前發電機組通常使用的勵磁系統為靜態勵磁系統，其中ABB UN5000勵磁在國內外使用尤為廣泛。近幾年國內電廠相繼出現發電機空載建壓時機端電壓瞬時超過115%，發變組保護短時報過激勵保護發信，甚至出現跳機現象，其中不乏大型火電機組甚至核電機組。

2019年7月21日23點44分，國內某電廠7號1 000 MW 機組UN5000 啟動過程中，發電機空載建壓時機端電壓瞬時過壓，發變組保護短時報過激勵保護發信號，隨后勵磁系統逆變滅磁，機端電壓沒有完全降低到零時，再次投入起勵命令起勵，此時勵磁電流值越限，勵磁機內部發生短路故障，發電機保護動作，機組跳閘。針對該事件進行相關研究，提出一種新型起勵邏輯，解決了建壓過程持續時間短、特性硬、機端電壓超調較大、勵磁機勵磁電壓強勵時間長、勵磁電流一度達到強勵電流，對機組安全有一定危害等問題，為以后相似故障提供快速處理的思路。

1 UN5000勵磁起機過電壓現象及分析

上述電廠發電機采用自并勵勵磁方式，其勵磁系統原理圖見圖1-1，包含起勵與滅磁、整流、自動勵磁調節以及勵磁變壓器四個模塊[1-3]。

圖1-1 同步發電機自并勵勵磁系統原理圖

該電廠機組正常啟動過程中，其勵磁電流、勵磁電壓以及機端電壓如圖1-2 所示，勵磁電流在0.5 s 內短時升到機端正常額定電壓所需的勵磁電流55A左右,此時電壓發生兩次階躍，勵磁電流也隨即下降，然后通過PID控制器調節勵磁電流，10 s左右使機端電壓緩慢上升到額定電壓27 kV。

圖1-2 同步發電機正常起勵勵磁調節圖

2019 年 7 月 21 日該電廠 7 號機組 UN5000 異常起勵時，其勵磁電流、勵磁電壓以及機端電壓見圖1-3。

圖1-3 同步發電機異常起勵勵磁調節圖

從圖1-3中可見，此次機組啟動過程中勵磁電流并沒有在升到55 A左右時隨即下降，而是持續上升且在0.5 s左右升到143 A 后才開始下降，在降低到階段低點后隨即在1 s左右上升到165 A，機端電壓也通過PID 調節上升到30.2 kV 超過額定電壓。勵磁電流再次快速下降，隨后沿一定斜率緩慢爬升直至164 A，但此階段機端電壓卻在持續下降，勵磁機判斷該過程內部發生了短路故障，隨即跳閘，勵磁電流降為0 A，該全過程共持續18 s左右。

基于對圖1-2 和圖1-3 進行分析，可知圖1-3在機組建壓過程中勵磁系統未能及時進入軟啟勵過程，而是直接以自動建壓目標電壓預設值進行了空載電壓階躍，與正?？蛰d建壓情況相比（正常建壓曲線見圖1-2），其建壓過程持續時間短、特性硬、機端電壓超調較大、勵磁機勵磁電壓強勵時間長、勵磁電流一度達到強勵電流，甚至造成了勵磁機故障對機組的安全將產生一定危害[4-6]。

2 起勵邏輯研究以及修改方案

勵磁系統是通過勵磁調節器進行調節，因此也是整個起勵過程最核心的控制調節部分。勵磁調節器主要由測量環節、PID 換算控制環節、附加控制環節以及脈沖放大環節等組成，如圖2-1 所示[7-8]。

圖2-1 自動勵磁調節器內部主要環節圖

根據給定電壓值，通過PID 算法控制，對測量電壓和機端電壓進行換算，根據差值調節勵磁電流大小，以調節發電機轉子繞組線圈磁場大小，不斷調節發電機機端出口電壓，使機端電壓達到給定值[9]。

在整個閉環控制環節中，勵磁電流調節始終會先于機端電壓響應，其主要受PID控制速度，脈沖放大環節時間，可控硅換流時間等影響[10-13]。因此在建壓過程中當勵磁電流先于機端電壓變化，勵磁系統在收到自動建壓指令后，延時20 ms將機端電壓引入軟起勵模塊，勵磁系統此時不會報勵磁限制。當建壓過程初期勵磁調節器內部出現短時起勵條件不滿足的情況，導致其軟起勵功能失去，此時軟件邏輯將電壓給定值直接切換至自動建壓目標值，導致硬起勵[14]。

針對此類事件，對ABB UN5000 起勵邏輯修改，增加INT 模塊，新增一個MULDIV 模塊，為避免在滅磁沒有完成時投勵磁，增加一個閉鎖邏輯。見圖2-2和圖2-3。

在圖2-2 起勵過程新邏輯中將積分器的輸出作為MULDIV模塊的MUL的輸入，將勵磁系統閉環控制的控制電壓12 110 作為MULDIV 的輸入，MULDIV 的輸出連接到5502，即將12 110 乘上積分器的輸出再除上 10 000（12507）后連接到5502。積分器的輸出是一個時間的函數，按照邏輯中所設定的參數，起作用是從起勵時刻開始，在4 s內將輸出增大到10 000 并保持。整個起勵過程，前4 s，5502接收到的值將因為積分器輸出的影響而縮減，4 s 后，因為積分器的輸出已經達到10 000，因此5502 接收到的值是實際的12 110 的值。新邏輯比之前邏輯優越的地方在于整個過程中5502 接收到的值都是12 110 的值，只是在初始的4 s 內該值被縮小。為了避免在系統逆變滅磁或跳閘后，機端電壓沒有完全降低到零時，再次投入起勵命令起勵，增加了一段閉鎖程序。圖2-3 中當10308（EXC OFF）由0變1時，MONO模塊會被觸發，輸出一個有TP 設定脈寬的脈沖，邏輯中為10 s，該脈沖通過或門輸出到5335，在脈沖持續階段，閉鎖系統再次起勵。

圖2-2 起勵過程新邏輯

圖2-3 滅磁結束前閉鎖再起勵

對于原始斜坡邏輯使控制電壓Uc 漂移（開環），當斜坡將控制權移交給AVR時，發電機可能已經超過額定電壓，在此情況下，Uc 距離斜坡輸出太遠，沒有足夠的時間及時降低。特別是對于高初始磁場電流和一倍定子過電壓情況，通過上述方式優化起機的勵磁邏輯，可以有效解決強磁起機時勵磁電流超額越限，機端過電壓問題。滅磁結束前閉鎖再起勵邏輯避免了勵磁機在起機過程中出現故障時，再次強行勵磁損壞設備問題。

3 結語

本文對一起ABB UN5000 勵磁系統起勵異常情況進行分析說明，通過對勵磁系統工作進行分析，提出一種新的起勵過程新邏輯以及滅磁結束前閉鎖再起勵方法，有效地解決相關勵磁系統異常起勵問題。為其它大型發電廠勵磁系統出現同類型問題提供解決問題的經驗指導，有效地改善了ABB UN5000 勵磁系統的可靠性，保證了發電機組以及電力系統的可靠穩定運行[15,16]。