低勵修正策略對電廠側自動電壓控制子站系統的影響及其應用

支曉晨 李玉齊 邱文俊 張順仁 陳曉儀

低勵修正策略對電廠側自動電壓控制子站系統的影響及其應用

支曉晨 李玉齊 邱文俊 張順仁 陳曉儀

（上海明華電力科技有限公司，上海 200090）

低勵動作導致自動電壓控制（AVC）子站系統退出，影響電廠安全、經濟運行。本文結合低勵限制原理與低勵修正依據，討論低勵修正對低勵限值及自動電壓控制-有功無功（AVC-PQ）定值的影響，通過分析低勵修正的工程實測數據，總結合理的低勵限值與AVC-PQ定值的設定策略，并通過專項試驗驗證其效果，在工程應用方面為電廠AVC子站系統運行優化提供有效參考。

低勵動作；低勵修正；低勵限值設定；自動電壓控制-有功無功（AVC-PQ）定值設定；工程應用

0 引言

低勵限制（under excitation limit, UEL）是發電機組自動電壓調節器（automatic voltage regulator, AVR）的重要輔助功能之一，其用途旨在避免機組深度進相導致定子鐵心端部發熱超過規定的耐熱極限與失穩問題，并發揮保護作用以降低機組失磁保護誤動作的風險[1-2]。

近年來，火電廠靈活性調節帶來的低負荷運行工況和深度進相運行工況日益增加，華東區域500kV發電廠頻繁發生因低勵限制器動作導致自動電壓控制（automatic voltage control, AVC）系統退出運行的情況。根據《華東區域發電廠并網運行管理實施細則》《華東區域并網發電廠輔助服務管理實施細則》（以下簡稱“兩個細則”），發電廠AVC系統退出運行會使電廠受到調度“兩個細則”的考核，給電廠帶來經濟損失。上述情況在深度進相、深度調峰，以及位于電網末端的電廠中尤為常見。因此，為使發電廠減少或免受考核、保證發電廠安全與經濟運行，解決低勵限制動作導致AVC退出的問題不容忽視。

針對上述問題，本文結合低勵限制器原理與低勵修正依據，討論低勵修正對低勵限制及AVC的有功無功（AVC-PQ）定值的影響，并通過對電廠低勵修正的工程實測數據進行分析，從機組運行的實際情況出發，總結低勵限值設定策略與AVC-PQ定值設置方法，并通過專項試驗驗證其在工程應用中的效果，以提升機組運行的經濟性與安全性，在工程應用方面為電廠AVC子站系統運行優化提供有效參考。

1 低勵限制

1.1 低勵限制器原理

低勵限制器是電壓調節器輔助控制單元的重要組成部分，可在其減少勵磁的同時使同步電機不超越定子端部鐵心發熱規定的熱穩定極限，或不越過靜態穩定極限。通常情況可設置其輸入量為：無功功率、有功功率、端電壓、電流，以及其他相關變量[3]。

其工作原理如下：根據當前觀測所得的端電壓、有功功率，以及所設置的限制曲線，可查表得知此時與之對應的無功功率最小允許值。該值相當于一個參考值，將參考值與實測所得無功功率比較，若其值比實測所得無功功率大，則由比例積分（PI）環節將兩者差值送至AVR中。當AVR輸入信號低于低勵限制的信號時，則低勵限制器動作[4]。

1.2 低勵限制器模型

根據文獻[4]可知，諸多因素影響著低勵限制器限制曲線的整定，一個較為合理的低勵限制器應該滿足如下要求：

1）低勵限制器能夠快速反應，靈敏動作。

2）低勵限制器不引發電壓或無功的較大波動，且不影響電壓閉環。

3）低勵限制器不影響系統的穩定性。

4）保證機端溫度在允許范圍內。

5）與電力系統穩定器（power system stablilizer, PSS）配合時，不抑制或不降低PSS本身的調節效果。

要同時滿足這些要求可能存在相互矛盾的情況，但要綜合考慮以上因素來設計合理的低勵限制器。

典型的低勵限制器原理模型如圖1所示[5]，根據查表曲線t=(t)，確定當前有功功率t對應的無功功率限制值，UEL環節的無功功率參考值ref由機端電壓t修正后求出，再與實測無功功率t作差，經過控制環節將UEL()輸出的UEL信號傳送至AVR電壓控制主環，以達到無功功率調節閉環的目的，防止無功功率過低。

圖1 典型低勵限制器原理模型

低勵限制在機組處于正常工況時是不起作用的，若勵磁呈下降趨勢并且得不到及時控制，將觸發低勵限制動作，甚至導致失磁保護動作。

1.3 低勵限制的功能特點

低勵限制即欠勵限制，是勵磁調節器的重要輔助環節，其作用是：避免勵磁電流過低時，機組進相過深導致機組失磁等惡劣影響甚至發生事故。電廠給機組配置低勵限制值，依據是調度根據機組進相試驗報告結果下達的低勵限制整定值，并在其基礎上留有一定的安全裕度[6-8]。

低勵限制器設置的限值合理，才能發揮較理想的作用，以保證良好的性能[9]。當勵磁水平較低時，低勵限制開始動作，定子電壓在機組越過規定的限制區之前被反向拉升，將機組無功控制在允許范 圍內。

1.4 低勵試驗的目的與內容

低勵試驗的目的：檢查并調整相關的設定值，檢查對應的低勵限制功能。根據DL/T 843—2010《大型汽輪發電機勵磁系統技術條件》[10]附錄B，欠勵限制的整定原則中指出：

1）欠勵限制（即低勵限制）的動作曲線是按機組的端部發熱條件，以及有功功率靜穩定極限兩者共同確定的。其中，根據系統的靜穩定極限條件來確定進相曲線時，應在最小運行方式下折算系統的等值阻抗，得到相應的低勵限制動作曲線。

當有深度進相情況時，在不超過制造廠商提供的-運行曲線前提下，一般可在靜穩極限值基礎上留10%左右的冗余儲備系數進行整定。

2）為了避免低勵限制回路在電力系統的暫態過程中動作，對勵磁調節造成影響，應在低勵限制回路中留有相應的延時時間。低勵限制在失磁或磁場電流過小時應優先動作，確保在限制無效時自動投入備用通道，以優先于失磁保護動作。

2 低勵修正

2.1 低勵修正依據

針對低勵限制（欠勵限制），有標準提出對其進行修正的技術依據，具體如下。

文獻[10]中E.5.6.3條指出：一般情況下，由于低勵限制的輸出與機端電壓有關，在機端電壓偏離額定值時應修正其動作值。

根據DL/T 1167—2019《同步發電機勵磁系統建模導則》[11]附錄B低勵限值模型：在有功功率一定時，機組在不同電壓水平下容許的進相能力不同，應按電壓水平進行修正。并給出了兩種不同模型下低勵限值修正公式。

2.2 低勵修正模型

根據標準[11]，兩種主要的低勵限制模型為：折線型低勵限制模型和圓周型低勵限制模型。

1）折線型低勵限制模型

折線型低勵限制模型可只含一段直線，也可含多段直線。每一段直線表示為

式中：K為斜率；C為截距。折線型低勵限制如圖2所示。

一般給定斜率和截距，或由二點法確定和，即

2）圓周型低勵限制模型

圓周型低勵限制模型動作線的圓心在軸上，如圖3所示。

圖3 圓周型低勵限制

給定、0時，圓弧公式表示為

給定兩點(1,1)、(2,2)時的圓弧公式為

3）低勵修正模型

由于在有功功率一定時，機組在不同電壓水平下容許的進相能力不同，應按電壓水平進行修正。

折線型低勵修正模型，其每條直線段的電壓修正式為

圓周型低勵修正模型，其電壓修正式為

式中：、為系數；t為發電機機端電壓。

3 低勵修正對低勵限制與PQ的影響

3.1 低勵修正對低勵限制的影響

低勵修正對低勵限制的影響主要有：

2）目前進相試驗存在退出低勵修正功能（如可選擇）測試的情況，所得低勵定值為修正之前的數值。而當機組正常運行時投入低勵修正功能，機組實際的進相能力小于進相報告給定的設定值，即進相報告提供的定值及低勵設定值均為set，機組運行時投入低勵修正功能，則實際的低勵限值為act。

3）低勵修正是勵磁系統固有算法（不同廠家算法不同），其算法不可現場配置，由于低勵限值與低勵修正為不同的功能，即便投入該功能進行試驗，低勵限值參數設定值也是修正之前的數值set，并非實際動作值act，導致進相報告的低勵設定值與低勵實際動作值存在偏差。

3.2 低勵修正對AVC-PQ定值的影響

若低勵限值曲線與進相能力曲線相距較近，當發生低勵限制時，很可能越過機組的進相能力曲 線[12-13]，對機組和電網造成重大傷害。

AVC系統的PQ定值依據進相報告的低勵限值設定：在低勵限值基礎上，結合AVC系統無功調節步長，留有一定裕度。在正常運行時，AVC系統的無功限制和反調功能會保證機組無功功率處于PQ定值之內。但是，若設定AVC-PQ定值時未考慮低勵修正的影響，會導致AVC-PQ定值與實際的低勵動作值之間裕度過小甚至存在交叉現象，當機組無功功率接近PQ定值的無功低限值時，一次無功調節的步長將同時越過PQ定值和低勵限值，導致低勵限制器動作，從而觸發AVC系統自動退出邏輯，使電廠面臨調度考核而造成經濟損失。

4 低勵限值和PQ定值設置及工程應用

為確保低勵限制器具有良好的動作特性，就必須設置合理的低勵限值?，F有的低勵限值整定方法考慮了機組的安全運行[14-16]，但未充分考慮低勵修正對機組進相能力的影響及與AVC-PQ定值的協調配合。

4.1 低勵限值設定策略

低勵限值的設定，應能充分保證機組進相深度，同時又不超過機組極限進相能力。對低勵限值的設定策略，分兩種情況加以分析。

情況一：在未建設AVC子站系統的電廠，進行進相試驗時，可分別測試低勵修正功能投入前后的低勵動作值，在設置低勵定值留無功裕度時，考慮低勵修正已帶來的無功裕度，無需重復留無功裕度。在確保安全的前提下，有效提升機組的進相能力。

情況二：在已投運AVC子站系統的電廠，低勵修正等同于在低勵限值的基礎上留有無功裕度，AVC-PQ定值在此裕度上進一步留有了無功裕度。AVC的限制和反調功能，以及低勵限制功能足以保證機組安全運行，故設定低勵限值時，可直接以進相試驗的數據設定，無需再留無功裕度，否則機組會損失較大的進相能力。

4.2 AVC-PQ定值設置方法

機組作為電網無功功率的主要提供者，在盡可能增大無功調節范圍的同時能否確保機組安全穩定運行，是電廠側AVC子站系統工作者需要考慮的問題[17-18]。

AVC的調節過程為：AVC發送增磁或減磁脈沖至分散控制系統（distributed control system, DCS），DCS通過邏輯判斷后將脈沖發送至AVR，AVR調節無功后，AVC通過采樣或遠動通信獲取調節后的無功變化量。

AVC從發出增磁或減磁指令到無功反饋，此過程需要幾秒甚至十幾秒。對AVC來說，無功調節是一個非線性的階躍量，其PQ定值的設定除了要考慮低勵修正功能對低勵設定值的影響，還需考慮AVC單次無功調節步長的影響。因此，機組AVC-PQ定值的設定，應考慮在低勵修正和無功調節步長的基礎上，留有一定裕度。

下面給出3種AVC-PQ定值設定方法。

方法1：在投入低勵修正功能的情況下，對實際低勵動作值進行測試，以實測低勵動作值為基準。考慮AVC系統無功調節步長和采樣延遲及刷新周期（留1.5倍的無功調節步長為裕度），設定PQ定值。

方法2：對于進相能力需求不高的發電廠，可在AVC系統設定PQ曲線時，考慮最大低勵修正系數。文獻[19]指出，進相運行須控制發電機機端電壓不低于90%額定電壓。以南瑞NES6100為例，機端電壓理論最低可達到額定值的90%，南瑞NES6100欠勵曲線平移使能計算公式為

式中：為低勵實際動作值；為低勵設定值；為偏移值；N為發電機額定端電壓；t為實時發電機端電壓。欠勵（低勵）狀態為負數，t＜N，故為正數，修正后曲線上移。

根據式（7），實際的低勵動作偏差值不會大于0.19倍的設定值，若以0.19倍的偏差值為基準設定PQ定值，此方法可確保機組安全穩定運行，但會使機組損失很大的進相能力。

方法3：為使修正后的低勵實際動作值達到進相試驗報告給出的進相深度，通過勵磁設備對應計算公式倒算低勵設定值的數據，以此為基礎設定AVC-PQ定值可使機組擁有最理想的進相能力。進相報告給出的低勵定值通常已在機組極限能力基礎上留出裕度，但若未留裕度或裕度留得不夠，此方法可能會影響機組的穩定運行。

4.3 工程應用

1）低勵曲線設定及工程應用

鑒于實際低勵動作值和理論計算值存在偏差，實際低勵動作值需要通過實測來獲得。為確保工程實測數據工況的全面性及完整性，特選取抽蓄機組作為測試對象，火電、核電機組等可參考抽蓄機組的發電工況進行分析。

測試對象為華東電網某抽水蓄能電站1號機組，機組額定參數見表1；勵磁設備型號為南瑞NES6100；低勵修正功能為“欠勵曲線平移使能”（記為En）。

表1 1號機組額定參數

測試方法：在進相試驗時，分別測試En退出和投入情況下的低勵動作值。

（1）1號機組低勵限值設定

根據機組的實際情況，考慮低勵修正產生的無功裕度，1號機組低勵限值設定見表2。

表2 1號機組低勵限值設定

（2）1號機組低勵計算及測試結果

分別計算和測試En=0與En=1時，低勵理論與實測動作值見表3。

表3 低勵理論與實測動作值　單位: Mvar

1號機組測試結果表明，低勵修正功能的投退對實際低勵動作值影響較大。投入低勵修正功能后，機組實際低勵動作值會大于低勵設定值，即投入低勵修正功能后機組的實際進相能力變小。

2）AVC-PQ定值設置及工程應用

本測試中，該抽水蓄能電站1號機組AVC無功調節步長為5Mvar左右，考慮無功波動和通信延遲，以1.5倍無功調節步長（即7.5Mvar）為裕度設定AVC-PQ定值（注：抽蓄機組在抽水、發電調相及抽水調相工況時，有功功率恒定不變，故此三種工況下低勵定值和AVC-PQ定值為一條直線）。下面就方法1、方法2、方法3的工程應用加以分析。

（1）方法1

在低勵實際動作值的基礎上，以1.5倍無功調節步長設定，結果見表4。

表4 方法1機組AVC-PQ定值　單位: Mvar

（2）方法2

不考慮低勵修正的具體影響，直接以最大修正（0.19倍）為基礎，設置AVC-PQ定值，結果見表5。

表5 方法2機組AVC-PQ定值　單位: Mvar

（3）方法3

以低勵設定值作為修正后的低勵實際動作值為基礎，設定AVC-PQ定值，同時根據公式倒算出低勵設定值，以該計算值作為低勵設定值，結果見表6。

表6 方法3機組AVC-PQ定值　單位: Mvar

根據工程應用結果驗證分析：

方法1保留了機組一定的進相能力，同時保證機組安全運行。該方法適用于對進相能力有一定需求，但其網架結構比較薄弱、電壓無功波動較大的電廠，如未經超高壓環網直接接入特高壓的電廠。

方法2使機組可安全運行，但損失了較大的進相能力。該方法適用于對機組進相能力要求不高的電廠，如在電網中處于不作為電壓支撐節點的電廠，或在該廠兩側均有電壓支撐節點的情況。

方法3使機組擁有最大的進相能力。該方法適用于對機組進相能力需求較高的電廠，但對其電壓無功的穩定性要求較高，以確保機組安全運行，如作為電壓支撐節點接入超高壓環網的電廠。

實際工程中應根據方法1、方法2、方法3的適用約束條件，視具體情況采用合適的方法。

5 結論

本文針對低勵限制動作導致AVC子站系統退出運行的問題，總結了低勵限值與AVC-PQ定值的設定策略，并通過專項試驗驗證了其效果很好，在安全穩定與經濟運行的前提下充分發揮了機組的進相能力，在工程應用方面為電廠AVC子站系統運行優化提供了有益參考。

目前，華東抽蓄電站AVC子站的建設已全面開展，未來將進一步加強AVC子站在抽蓄、光伏等新能源領域工程應用方面的研究工作。

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Influence of low excitation correction strategy on automatic voltage control substation system at power plant side and its application

ZHI Xiaochen LI Yuqi QIU Wenjun ZHANG Shunren CHEN Xiaoyi

(Shanghai Minghua Electric Power Science & Technology Co., Ltd, Shanghai 200090)

Low excitation action leads to the exit of automatic voltage control (AVC) substation system, which affects the safe and economic operation of power plant. Based on the principle of low excitation limit and the basis of low excitation correction, this paper discusses the influence of low excitation correction on low excitation limit and AVC-PQ setting. Through the analysis of the measured data of low excitation correction, the reasonable setting strategy of low excitation limit and AVC-PQ setting is summarized, and its beneficial effect is verified through special tests. In the aspect of engineering application, it provides an effective reference for the operation optimization of power plant AVC substation system.

low excitation action; low excitation correction; low excitation limit setting; automatic voltage control (AVC) - PQ value setting; engineering application

2021-07-21

2021-08-11

支曉晨（1988—），男，本科，工程師，主要從事電力檢測與故障診斷、自動電壓控制（AVC）、新能源、繼電保護，以及自動化調試等方向工作。