大容量火力發電機組ABB勵磁系統典型異常分析

徐皎峰

（中電神頭發電有限責任公司，山西 朔州 036011）

0 引言

ABB UNITROL系列勵磁系統在我國各大電廠中有廣泛的應用，其中UNITROL 5000為其早期型號，在當今階段，已經逐漸被 UNITROL 6800系統所取代。UNITROL 6800為ABB公司所生產的第6代產品，主要用于對同步發電機靜態勵磁系統電壓進行調節，該勵磁系統具有運行可靠性高、連通性優越等很多優點，是行業內的一款標桿產品。勵磁系統作為火力發電企業中一個關鍵的系統，對火力發電機組的正常運轉有十分重要的作用，因此，該文針對ABB UNITROL 6800勵磁系統常見的故障類型進行分析和研究具有十分重要的現實意義。

1 ABB勵磁系統簡介

1.1 同步發電機自并勵勵磁系統

對大容量的火力發電機組來講，最常用的一種勵磁方式就是自并勵勵磁。其工作原理為通過控制可控硅整流橋來導通觸發角，進而通過控制發電機轉子繞組來調節發電機電磁場電流大小，達到對發電機端口電壓和無功功率的大小進行調節的作用，使發電機組功率始終處在既定水平上。一般來講，自并勵勵磁系統主要是由起勵和滅磁單元、可控硅整流橋柜單元、自動勵磁調節器以及勵磁變壓單元4個部分組成，同步電機自并勵勵磁系統的工作原理如圖1所示。

圖1 同步發電機自并勵勵磁系統工作原理圖

1.2 ABB UNITROL 6800勵磁系統

ABB UNITROL 6800勵磁系統是由瑞士ABB公司所生產的UNITROL系列的第5代產品，是一種同步發電機自并勵勵磁系統。UNITROL 6800型號的勵磁系統集成了歷代UNITROL系統的優點和技術，采用了先進設備設施和數字技術，因此擁有十分優越的性能。

某火力發電企業的1#大容量火力發電機組所采用的勵磁調節器的結構如圖2所示。由圖2可以看出，該勵磁調節器共計包括2套結構完全相同的控制通道，并且這2套控制通道彼此之間是相互獨立的。在UNITROL 6800勵磁系統工作期間，系統程序設定控制通道1為工作的主通道，控制通道2為工作的備用通道[1]。2套控制通道的工作流程如下：在正常工作狀態下，控制通道1會自動開展采樣、信號處理、指令發送等工作，與此同時控制通道2同樣也會進行采樣、處理的工作，并且控制通道2還肩負對控制通道1的工作狀態進行監控的任務，以便在出現故障的第一時間內，系統能夠自動進行控制通道的快速切換[2]。其具體的工作流程為主控板通過光纖和采樣板進行連接，而各個開入以及開出板、整流橋接口板主要負責對信息數據的采集、處理傳輸工作。數字式勵磁電壓調節器的具體參數見表1。

表1 數字式勵磁電壓調節器參數

圖2 UNITROL 6800勵磁系統結構原理圖

2 勵磁系統故障案例分析

2.1 故障描述

某火力發電廠白班值班人員在早上08：29：25，發現2#發電機組有功功率為758 MW，無功功率為-334 Mvar，當即決定要對2#機組手動增加勵磁，而在操作人員尚未來得及進行增加勵磁操作時，2#機組無功功率降低至-549.77 Mvar，發變組保護A屏顯示“失磁II段保護動作”，之后發變組停止工作，機組跳閘[3]。機組故障后，經過檢查發現，在勵磁系統保護動作之后，發變組保護除了顯示“失磁II段保護動作”信號外無其他跳閘信號，機組進相頗深[4]。通過調閱當天發電機組有功功率、無功功率的相關數據，整理見表2。

由表2數據可以看出，在勵磁系統跳閘前的20 min時間內，發電機組的電壓、無功功率和勵磁電壓都出現了降低的趨勢，同時有功功率開始呈現出上升趨勢，但卻在上升至763.37 MW之后就維持該數據不變，而勵磁電流則一直都保持在一個穩定的狀態。技術人員先對勵磁調節器進行了檢查，顯示面板正常，然后對勵磁系統進行檢查，在出現跳閘故障之前，勵磁系統一直處于手動模式下運行。經了解得知，這是因為在當日凌晨，值班人員發現發電機組的進項較多，而為了提升發電機組的無功功率，操作人員將自動電壓控制模式切換為手動通道。在切換為手動運行后，勵磁系統的無功功率增加了-30 Mvar，之后勵磁系統就一直保持在手動通道模式運行，直至跳閘故障發生[5]。由此可知，此次故障的主要原因是在手動運行方式下，發電機組的進相過深，引起失磁保護動作而造成跳閘。

表2 發電機組跳機前6 h電氣量部分數據

2.2 原因分析

2.2.1 故障機組的相關參數

故障機組為一款QFSN-1000-2-27 型發電機，采用的為ABB UNITROL 6800勵磁調節器，其發電機參數見表3。

表3 大電機技術參數

2.2.2 失磁保護動作分析

對該機組失磁保護進行判斷的依據是測量發電機的阻抗，因此，值班人員所監視的數據一般都是發電機組的有功功率、無功功率等電氣量。對失磁保護動作行為進行判斷應先對定值進行映射，為了對失磁保護動作的定值進行判定，該文設定U=23.50kV，經該機組的失磁保護定值映射至功率平面如圖3所示。

由圖3可以看出，發電機電壓下降至23.50 kV時，失磁保護工作曲線呈現出了向上平移的趨勢，圖3中標記點和機組跳機時的工作狀況保持一致，由此可知失磁保護動作正常。

圖3 失磁保護定值功率平面映射

2.2.3 無功功率變化分析

在該機組故障之前，隨著有功功率的增加，發電機無功功率在不斷減小，。隨著有功功率的增加，相同有功功率變化量ΔP所對應的無功功率變化量ΔQ的數據見表4。在有功功率為763.37 MV時，ΔQ/ΔP急劇變大，最終導致了發電機組失磁保護動作。

表4 機組故障期間ΔQ/ΔP值

2.2.4 有功功率變化分析

結合表2數據，在故障發生前的6 h內，發電機有功功率呈現出逐漸增加的趨勢，待其增加至763.37 MW時，AGC指令大于763.37 MW，發電機組需要繼續增加有功功率。但經過15 s之后，發電機有功卻依然保持不變[4]。對ABB UNITROL-6800型勵磁調節器來講，手動通道也可以稱之為恒勵磁電流控制模式，在這種模式下發電機的勵磁電流為恒定值，而發電機有功功率卻一直在增加，此時發電機功角為90°，對應的有功功率如公式（1）所示。

式中：Eq為發電機內電勢；Ut為電網電壓；xd為電機與電網之間的電抗。

如果發電機功角繼續增加，那么發電機組靜態穩定狀態將會被打破，出現滑行失步，而有功功率變化量ΔP最后歸零的原因便在于此。

3 勵磁系統優化措施

根據上述對勵磁系統故障的分析可知，造成系統出現非停的原因有很多，在此該文結合ABB UNITROL-6800勵磁系統的特性和大功率火力發電機組的運行特征針對勵磁系統進行了優化。

3.1 優化勵磁調節器PT慢熔邏輯

ABB公司所生產的UNITROL-6800勵磁調機器原有的PT斷線判斷功能靈敏度不足。通常情況下，該判斷機制都是在機端三相電壓平均值與三相同步電壓平均值大于15%之后才判定為PT斷線，但在實際使用時，這會造成PT出現熔絲慢熔，無法做到對故障的精準判斷[6]。電廠技術人員對該勵磁調節器進行仔細分析，并與ABB公司技術相關人員進行多次溝通，提出了該勵磁調節器PT慢熔優化方案，并實施了邏輯測試工作，其具體的PT慢熔方案邏輯如圖4所示。

圖4 PT慢熔邏輯

對備用通道測量的發電機電壓標幺值和運行通道測量的發電機電壓標幺值進行做差，如果兩者之間的偏差大于所設定的3%偏差值，那么系統會自動判斷為啟動，并在延時2 s之后切換至備用通道。

對運行通道同步電壓標幺值，即可控硅陽極電壓標幺值和運行通道經過測量得出的發電機電壓標幺值進行做差，如果兩者之間的偏差大于所設定的3%的偏差值，那么系統也會自動判定為啟動，并在延時2 s之后切換至備用通道。

在勵磁系統正常運行過程中，上述2個判斷依據只要有一個生效，即可觸發PT慢熔報警，并同時將系統切換至備用通道運行，一直到最后切換至手動通道運行。

3.2 添加增減磁指令防黏連功能

為了避免因增減磁指令繼電器發生節點黏連而導致的機組跳閘，該次針對勵磁系統的優化還添加了增減磁指令防黏連功能，并對其運行邏輯進行了測試。其具體的黏連邏輯如下：1）在增減磁命令＜500 ms的情況下，勵磁系統將會以實際增減磁命令的脈寬時間為標準。2） 在增減磁命令＞500 ms的情況下，勵磁系統則只會接受500 ms的脈沖寬度。3） 待上一次的增減命令消失之后，勵磁調節器才會重新開始接受新的勵磁增減命令。

3.3 優化勵磁調節器報警邏輯

通過對上述故障進行分析可知UNITROL-6800勵磁調節器的電源模塊采用的是型號為QUINT-PS 24DC/10的電源，這種電源最顯著的特性之一就是在其輸出電壓小于額定電壓的90%的情況下，其中一對接點“DC OK”會同時釋放LED聲光燈變色報警信號。而此時UNITROL-6800勵磁調節器卻不能對該電源模塊運行是否正常進行檢測。針對此問題，該電廠的技術人員結合機組運行特征在系統中添加了對該型號電源模塊異常進行報警的裝置。

4 結語

ABB UNITROL 6800勵磁系統是一種具有優異性能的新一代勵磁產品，為了確保火力發電企業中的大容量火力發電機組正常運行，在最大程度上降低因系統非停對火電廠造成的影響，需要針對ABB勵磁系統進行深入研究，并結合自身實際使用情況來對其進行升級和改造，以提升其運行穩定性和效率。