葉 添 鋅， 劉 新 城， 孫 新 志

(中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司，廣東 廣州 510860)

0 引 言

UNITROL 6800勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)品，它用于大型同步發(fā)電機(jī)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。它是瑞士ABB公司在UNITROL系列勵(lì)磁產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，吸收目前數(shù)字控制領(lǐng)域內(nèi)最先進(jìn)的研究成果和工藝，基于AC800PEC控制器平臺(tái)的電力電子控制器，它集成了一流的解決方案和設(shè)備，例如并聯(lián)運(yùn)行勵(lì)磁整流柜的動(dòng)態(tài)均流技術(shù)、發(fā)電機(jī)殘壓起勵(lì)、FPGA、以太網(wǎng)及光纖通訊、設(shè)備工具診斷等。

目前，國(guó)內(nèi)大型水電站如溪洛渡右岸水電站9臺(tái)770 MW機(jī)組、錦屏水電站14臺(tái)600 MW機(jī)組、大崗山水電站4臺(tái)650 MW機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)都選用了UNITROL 6800型勵(lì)磁系統(tǒng)。

近年來，電力系統(tǒng)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的功能要求越來越高，因此對(duì)限制器及PSS的功能測(cè)試顯得尤為重要，本文針對(duì)UNITROL 6800型勵(lì)磁系統(tǒng)，總結(jié)了其限制器及PSS的測(cè)試方法，以供從事勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)試的電站運(yùn)維人員借鑒和參考。

1 UNITROL 6800勵(lì)磁系統(tǒng)控制方式

錦屏一級(jí)、二級(jí)水電站使用的勵(lì)磁系統(tǒng)型號(hào)為A6S-0/U241-S4500。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制方式主要包括AVR自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)、手動(dòng)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)、以及相關(guān)的監(jiān)測(cè)及保護(hù)功能。[2]

1.1 AVR(自動(dòng)電壓調(diào)節(jié))功能

AVR(自動(dòng)電壓調(diào)節(jié))原理框圖如圖1, 其主要組成部分如下：

圖1 AVR(自動(dòng)電壓調(diào)節(jié))原理框圖

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

(2)AVR的設(shè)定：電壓設(shè)定值(疊加調(diào)節(jié)、跟蹤、復(fù)位等)，有功/無功功率補(bǔ)償(P調(diào)差、Q調(diào)差)，附加參考值，V/Hz限制器，軟啟動(dòng)，電壓限制；

(3)各限制模塊：最大勵(lì)磁電流限制器，最小勵(lì)磁電流限制器，定子電流過勵(lì)限制器 Igind，定子電流欠勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng))和PID2(專門用于AVR自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器)，可以通過調(diào)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(dòng)電流調(diào)節(jié)功能

手動(dòng)電流調(diào)節(jié)原理框圖如圖4。其主要由下列部分組成：手動(dòng)設(shè)定值(PQ限流器，V/Hz限流器，軟啟動(dòng)等)；手動(dòng)調(diào)節(jié)(PI控制器)。

圖4 手動(dòng)電流調(diào)節(jié)原理框圖

自動(dòng)方式是勵(lì)磁系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式，手動(dòng)控制方式可用于測(cè)試目的或用于后備控制模式以防AVR錯(cuò)誤操作。

1.3 監(jiān)測(cè)及保護(hù)功能

UNITROL6800勵(lì)磁系統(tǒng)有以下監(jiān)測(cè)和監(jiān)控功能可供選擇：接地故障監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測(cè)、勵(lì)磁溫度監(jiān)測(cè)、過電流監(jiān)測(cè)、過電壓監(jiān)測(cè)、PQ監(jiān)測(cè)、電壓/頻率監(jiān)測(cè)、同步選擇監(jiān)測(cè)、測(cè)量監(jiān)測(cè)、整流器監(jiān)測(cè)、輔助準(zhǔn)備監(jiān)測(cè)、電源監(jiān)測(cè)等。

每個(gè)監(jiān)測(cè)和保護(hù)信號(hào)(事件)被配置為一組故障，最終啟動(dòng)了保護(hù)矩陣系統(tǒng)動(dòng)作。保護(hù)功能主要包括以下部分：直流過壓保護(hù)、交流過壓保護(hù)、接地故障保護(hù)、過電流保護(hù)、鏈路保護(hù)等。

2 UNITROL6800勵(lì)磁系統(tǒng)限制器

自動(dòng)方式下，勵(lì)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(lì)磁電流限制器Ifmin，定子電流限制器，最大勵(lì)磁電流限制器Ifmax。[1]

如下圖5是一個(gè)典型的帶各種限制的凸極同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行功率圖，機(jī)端電壓為一單位標(biāo)幺值。

圖5 凸極同步發(fā)電機(jī)功率圖

2.1 V/Hz限制

為了避免同步發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁變壓器過激磁而設(shè)置V/Hz限制器。對(duì)于一定頻率，如果AVR的設(shè)定點(diǎn)太高，設(shè)定值將按照預(yù)先設(shè)置的V/Hz限制器特性曲線平穩(wěn)地減少設(shè)置點(diǎn)。經(jīng)過一段調(diào)整延遲時(shí)間后限制器開始起作用。

V/Hz限制功能在自動(dòng)調(diào)節(jié)稱為V/Hz限制器，在手動(dòng)調(diào)節(jié)稱為V/Hz限流器。

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

圖6 V/Hz限制器延時(shí)周期計(jì)算表

2.2 電壓限制

這是設(shè)定點(diǎn)的最大限制值，默認(rèn)值是115%。

2.3 PQ限制器(欠勵(lì)限制器)

PQ限制器可以防止發(fā)電機(jī)工作超出實(shí)際穩(wěn)定限制區(qū)和失去同步。投入PQ限制器可保護(hù)發(fā)電機(jī)工作在穩(wěn)定范圍以內(nèi)。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(shí)定義六個(gè)無功功率值。

2.4 最小勵(lì)磁電流限制器Ifmin

最小勵(lì)磁電流限制器用于維持勵(lì)磁電流在最低水平。功率柜維持勵(lì)磁電流在一個(gè)預(yù)設(shè)的最低水平。最小勵(lì)磁電流限制器只能在并網(wǎng)時(shí)投入。如果最小勵(lì)磁電流限制器投入，實(shí)際勵(lì)磁電流和最小勵(lì)磁電流之間的差值計(jì)算，用于防止發(fā)電機(jī)過低勵(lì)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(jī)容性電流和感性負(fù)載過載，按照發(fā)電機(jī)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(lì)限制器Igind和定子電流欠勵(lì)限制器Igcap，前者動(dòng)作結(jié)果是減磁，后者是增磁。該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)發(fā)電機(jī)電流的有功分量無影響。因此，在Q=0調(diào)節(jié)可以使無功功率從Q變化為0，以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.6 最大勵(lì)磁電流限制器Ifmax

最大勵(lì)磁電流限制器有兩個(gè)不同的設(shè)定點(diǎn)，一個(gè)是為了限制瞬態(tài)最高電流(勵(lì)磁強(qiáng)勵(lì)限制)，另一個(gè)為了防止轉(zhuǎn)子熱過載(最大連續(xù)出力)。

3 各限制器的測(cè)試方法及步驟

3.1 V/Hz限制特性試驗(yàn)

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

發(fā)電機(jī)運(yùn)行在空載工況下，機(jī)組頻率變化在45 Hz-52 Hz范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)器處于CH1通道自動(dòng)方式，投入電壓/頻率限制器功能。設(shè)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(dòng)作信號(hào))；

通過增磁使機(jī)端電壓上升至110%左右，觀察應(yīng)該有V/Hz限制器動(dòng)作；再降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速至機(jī)端電壓開始下降，頻率至45Hz左右，也應(yīng)該發(fā)V/Hz限制器動(dòng)作信號(hào)；

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在47 Hz-52 Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，觀察V/Hz限制器動(dòng)作應(yīng)復(fù)歸，電壓應(yīng)無明顯波動(dòng)。

3.2 電壓限制器試驗(yàn)

(1)首先測(cè)試給定值上下限限制是否正常，在空載狀況下，設(shè)定好參數(shù)MaxRefValue為1.1、MinRefValue1為0.9、URefMax為1.15，慢慢增磁到機(jī)端電壓為110%Ug時(shí)，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(bào)給定上限信號(hào)動(dòng)作。

同理，慢慢減磁到機(jī)端電壓為90%Ug時(shí)，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(bào)給定下限信號(hào)動(dòng)作。觀察參數(shù)STS_CIO3_bDigOut3(給定上限動(dòng)作信號(hào))、STS_CIO3_bDigOut4(給定下限動(dòng)作信號(hào))。

(2)其次在測(cè)試最大電壓限制動(dòng)作是否正常，在空載狀況下，設(shè)定好 參 數(shù) MaxRefValue 為1.15、MinRefValue1為0.9、URefMax為1.1，慢慢增磁到機(jī)端電壓為110%Ug時(shí)，繼續(xù)增磁無效，給定值可以繼續(xù)增加到1.1，但此時(shí)電壓穩(wěn)定在110%Ug，并且報(bào)最大電壓限制信號(hào)動(dòng)作。

3.3 PQ限制器試驗(yàn)

PQ限制曲線根據(jù)六點(diǎn)擬合的方法得到，以下Q值QP00、QP02、QP04、QP06、QP08、QP10分別對(duì)應(yīng)于PQ限制器動(dòng)作額定有功P為0%、20%、40%、60%、80%、100%時(shí)對(duì)應(yīng)的無功值。

在并網(wǎng)條件下，CH1通道自動(dòng)方式運(yùn)行，現(xiàn)地調(diào)整有功和無功至適當(dāng)大小，記錄此時(shí)無功功率實(shí)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(dòng)作信號(hào))；現(xiàn)地減磁，無功降至PQ限制器動(dòng)作，系統(tǒng)此時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，記錄此時(shí)無功功率實(shí)際值大小。改變有功大小，觀察PQ限制動(dòng)作時(shí)對(duì)應(yīng)的無功值是否與設(shè)定值對(duì)應(yīng)。

3.4 最小勵(lì)磁電流限制器Ifmin

發(fā)電機(jī)運(yùn)行在空載工況下，調(diào)整軟件相關(guān)參數(shù)，將參數(shù)MinFieldCurrent(勵(lì)磁電流限制下限值)調(diào)至稍高于當(dāng)前穩(wěn)定運(yùn)行IL值，然后投入最小勵(lì)磁電流限制器，即Release_ifMinLim設(shè)為true，即會(huì)報(bào)If min動(dòng)作，同時(shí)勵(lì)磁電流會(huì)自動(dòng)增磁到勵(lì)磁電流限制下限值。觀察參數(shù)STS_CIO3_bDigOut10(最小勵(lì)磁電流動(dòng)作信號(hào))。

3.5 定子電流限制器

(1)定子電流限制器分為過勵(lì)側(cè)和欠勵(lì)側(cè)兩種，動(dòng)作的結(jié)果是使得Q趨近于0。

發(fā)電機(jī)運(yùn)行在負(fù)載工況下，參數(shù)MaxThermalStatorCurrent(定子電流限制標(biāo)幺值)調(diào)至稍低于當(dāng)前穩(wěn)定運(yùn)行Ig標(biāo)幺值，I Equivalent(標(biāo)幺值)要調(diào)至稍高于當(dāng)前穩(wěn)定運(yùn)行Ig標(biāo)幺值；

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

一段時(shí)間，即會(huì)報(bào)Ig定子電流限制動(dòng)作，定子電流的無功分量會(huì)減小，無功也減小，如果MaxThermalStatorCurrent(定子電流限制標(biāo)幺值)足夠低，則會(huì)減到為0。

(2)以錦屏二級(jí)#2為例：

①當(dāng)前運(yùn)行工況：P=441MW，Ig=0.66，Q=16.19MVar，If=1932.29A，此時(shí)在CH1通道自動(dòng)方式下遲相側(cè)運(yùn)行。

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

③一段時(shí)間后即報(bào)IG ind Limiter動(dòng)作信號(hào)，觀察參數(shù)STS_CIO4_bDigOut6。

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

圖7 定子電流限制器動(dòng)作

3.6 最大勵(lì)磁電流限制器Ifmax

發(fā)電機(jī)運(yùn)行在負(fù)載工況下，調(diào)整軟件相關(guān)參數(shù)，將參數(shù)MaxThermalFeildCurrent(過勵(lì)限制值)、MaxFieldCurrent(過勵(lì)保護(hù)值)均調(diào)至稍高于當(dāng)前穩(wěn)定運(yùn)行IL值，MaxFieldCurrent要高于MaxThermalFeildCurrent。

然后增磁至過勵(lì)限制動(dòng)作，報(bào)If max信號(hào)，觀察參數(shù)STS_CIO3_bDigOut9(最大勵(lì)磁電流動(dòng)作信號(hào))。

4 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)及其試驗(yàn)步驟

4.1 PSS

PSS的目的是利用發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)PSS試驗(yàn)步驟

4.2.1 試驗(yàn)條件

被試機(jī)組應(yīng)處于正常、穩(wěn)定運(yùn)行，繼電保護(hù)投入，勵(lì)磁系統(tǒng)無報(bào)警；

被試機(jī)組有功功率應(yīng)大于 80%額定值，無功功率應(yīng)小于20%額定值；

被試機(jī)組的調(diào)頻、AGC 和自動(dòng)無功功率調(diào)整功能應(yīng)暫時(shí)退出。

4.2.2 試驗(yàn)步驟

(1)測(cè)試接線：將機(jī)端電壓Ug，機(jī)端電流Ig，勵(lì)磁電壓Uf，勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)AI；

圖8 PSS2B原理框圖

(2)測(cè)試前修改PSS測(cè)試參數(shù)值：設(shè)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(bǔ)償相頻特性測(cè)試：在程序中將白噪聲疊加至調(diào)節(jié)器自動(dòng)方式輸出點(diǎn)上，在頻譜分析儀上調(diào)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(cè)量勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償相頻特性(ΔUt/ΔUs)，通過讀點(diǎn)獲取相頻特性，即在0.1-2.0Hz范圍內(nèi)，每隔0.1Hz(頻譜分析儀X軸)讀取對(duì)應(yīng)相角(Y軸)；

(4)PSS參數(shù)設(shè)置：根據(jù)無補(bǔ)償相頻特性用專用程序算出PSS參數(shù)，當(dāng)參數(shù)不滿足要求時(shí)適當(dāng)調(diào)整，PSS 輸出的力矩向量對(duì)應(yīng)Δω軸在超前10°～滯后45°。最終確定錦屏二級(jí)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(yàn)：用負(fù)載階躍法確定PSS增益及驗(yàn)證PSS效果。將PSS切除，進(jìn)行1～4%的電壓階躍試驗(yàn)，同時(shí)啟動(dòng)錄波，記錄有功功率的擺動(dòng)幅值和次數(shù)。將PSS投入，同樣工況下重復(fù)以上試驗(yàn)，錄波觀察，有功功率的擺動(dòng)幅值和次數(shù)應(yīng)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(shí)觀察勵(lì)磁系統(tǒng)的變化，直到出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象為止，此時(shí)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(diào)試驗(yàn)：PSS投入，調(diào)速器快速增、減有功功率，觀察無功是否存在反調(diào)現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

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

本文結(jié)合了我公司錦屏一級(jí)、二級(jí)水電站600 MW機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)過程中的實(shí)際情況，詳細(xì)介紹了UNITROL 6800型數(shù)字式自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中的控制方式和限制器，以及全面總結(jié)了各種限制器的測(cè)試方法及注意事項(xiàng)，并詳細(xì)探討了PSS的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)步驟及參數(shù)的整定，這對(duì)從事勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)試的電站運(yùn)維人員具有很好的指導(dǎo)和借鑒意義，為大型水電站的靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)的功能測(cè)試提供了很好的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 李基成. 現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用(第二版). 北京. 中國(guó)電力出版社. 2009