UNITROL5000勵磁系統低勵限制優化整定方法研究

解 兵， 徐 珂， 羅凱明，劉建坤， 周 前

( 1. 國網海上風電并網聯合實驗室(國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院)，江蘇 南京 211103； 2.國網江蘇省電力有限公司調度控制中心，江蘇 南京 210024)

0 引言

低勵限制是勵磁調節器的一項重要功能，其目的是避免無功功率降低過多引起失步[1-4]。早期，低勵限制是根據機組的靜穩極限、端部熱穩定、機端電壓及失磁保護定值情況進行整定[5-6]，文獻[7]則要求低勵限制定值在機組進相能力范圍內整定，確保機組達到進相能力之前低勵限制動作，限制機組進一步進相。此外，近年來電網在低負荷期間的無功形勢越來越嚴峻，需要機組盡可能發揮進相能力[8-10]。因此，低勵限制整定應在機組進相能力曲線之上，且盡可能接近機組進相能力曲線，滿足電網對機組進相的需求。

在低勵限制功能驗證試驗時發現，ABB UNITROL5000型勵磁系統低勵限制的動作值和整定值有較大偏差，且偏差情況隨著機組工況變化而變化。目前，我國600 MW及以上容量的發電機組大多采用該勵磁系統，有必要針對該型勵磁調節器低勵限制動作特性開展研究，合理整定定值。

文中針對UNITROL5000勵磁系統兩種不同軟件版本勵磁調節器開展低勵限制動作特性研究，在此基礎上提出動作值接近進相能力為目標的低勵限制整定方法，并通過失磁保護校核，使得低勵限制實際動作值與實際進相能力接近，且與失磁保護配合合理。

1 UNITROL5000低勵限制動作特性

UNITROL5000勵磁系統低勵限制動作特性有兩種類型，一種是軟件版本較老的勵磁調節器，該勵磁調節器低勵限制動作后，無功有一個明顯上抬過程；另一種是軟件升級后的勵磁調節器，該勵磁調節器低勵限制動作后，無功保持平穩。為便于描述，文中將第一種類型的勵磁調節器簡稱為A型勵磁調節器，第二種軟件版本較新勵磁調節器簡稱為B型勵磁調節器。

經研究發現，不同工況下勵磁調節器低勵限制動作時比例積分微分控制器(proportion integral derivative，PID)輸出基本一致。其中A型勵磁調節器的PID輸出隨著無功降低呈上升趨勢，當PID輸出上升至1.4%后，低勵限制動作，并將無功上抬，同時PID輸出下降并穩定在0.4%附近；B型勵磁調節器低勵限制動作時無功保持穩定，PID輸出值上升至0.4%，并保持穩定。

A型勵磁調節器的低勵限制環節的PID控制原理如圖1所示。

圖1 A型低勵限制PID控制原理Fig.1 The control principle of type A excitation regulator′s proportion integral derivative

圖中：Q1—Q5為低勵限制的整定值；Q0為當前有功對應的低勵限制定值；U為當前運行電壓；IQ為當前無功電流分量；IP為當前有功電流分量；Xq為交軸同步電抗；k為低勵限制器增益；OPID為低勵限制PID輸出值，由圖1的控制原理推導出式(1)：

(1)

從式(1)看，Xq是固定的值，IQ與無功Q、電壓U相關，因此PID輸出值OPID只與U，P，Q以及k4個影響因素相關。為進一步了解單個影響因素對OPID的影響，文中以某臺百萬千瓦機組為例開展分析，該機組參數如下：SN=1167 MV·A，UN=27 kV，Xq=2.74 p.u.。先針對4個影響因素其中3個設定初始值，只改變1個定值，計算OPID分別為1.4%和0.4%時對應的無功數值Q，分別記作動作時無功和上抬后無功，并畫出曲線圖。其中影響因素Q0改變時，為明確反映無功動作值和定值的偏差情況，將此時的橫坐標改為無功偏差，即Q-Q0。文中設定的4個影響因素的初始設定值分別為：U=26 kV，k=1.5，P=500 MW，Q0=-100 Mvar，計算得出不同影響因子下低勵限制動作的無功情況，如圖2所示。其中圖(a)，(b)，(c)中藍線為動作時無功，紅線為上抬后無功；圖(d)中藍線為動作時無功偏差，紅線為上抬后無功偏差。

圖2 不同影響因素低勵限制動作時無功特性Fig.2 Action characteristics of low excitation limiter with different influence factors

從圖2看出，隨著有功增大，低勵限制動作值降低，到0.9 p.u.時，無功需降至-151 Mvar低勵限制才動作，動作后無功上抬至-105.5 Mvar；隨著機端電壓增大、增益減小，實際低勵限制動作的值卻在不斷降低；隨著低勵限制定值降低，實際低勵限制動作與定值的偏差值增加，可見，低勵限制定值越低，低勵限制越容易提前動作。

B型勵磁調節器低勵限制環節的PID控制原理如圖3所示。

圖3 B型低勵限制PID控制原理Fig.3 The control principle of type B excitation regulator′s proportion integral derivative

從圖3看出，A、B型低勵限制器PID輸出只是中間模塊公式不一樣，可推導出式(2)。

(2)

通過式(2)采用與A型勵磁調節器同樣的分析方法，可得到B型勵磁調節器不同影響因素低勵動作特性圖，如圖4所示。

圖4 不同影響因素低勵限制動作時無功特性Fig.4 Action characteristics of low excitation limiter with different influence factors

從圖4看出，低勵限制動作值隨著不同影響因素變化而變化，趨勢跟之前版本A型勵磁調節器一致，但動作值相對于A型勵磁調節器提前了，接近于動作后上抬后的無功情況，而B型勵磁調節器低勵動作后，無功保持穩定。

2 UNITROL5000低勵限制整定方法

2.1 當前低勵限制整定方法

根據行業標準，低勵限制整定成為發電機進相試驗的一部分，且要求在實測的進相能力范圍內，整定低勵限制曲線。UNITROL5000低勵限制定值由5組有功和無功組成[11-13]，所有定值采用百分比形式，以額定容量為基準。整定低勵限制參數時，只能改變無功部分數值，有功部分是0至1平均分配的5組數據，無法修改。

一般機組開展進相試驗時，有功工況分別為額定有功PN的50%，75%，100%，而低勵限制的有功定值是視在功率SN的0，25%，50%，75%和100%，與試驗有功不一致，需要通過插值計算出定值。假設進相試驗時，機組在額定有功的50%，75%，100%時的進相能力分別為Q50%P，Q75%P，Q100%P，低勵限制在視在功率的0，25%，50%，75%和100%時的定值分別為Q1，Q2，Q3，Q4，Q5。首先根據試驗工況中75%PN和100%PN時進相能力曲線計算75%SN和100%SN下無功定值，如式(3)、(4)所示。

(3)

(4)

根據75%PN和50%PN時進相能力計算25%SN和50%SN下的定值，如式(5)、式(6)所示。0時的定值設置成與25%SN時定值一致，即：Q1=Q2。

(5)

(6)

勵磁調節器有功定值無法修改，因此不可避免出現低勵限制曲線與進相能力曲線不一致的地方。

2.2 優化的低勵限制整定方法

通過當前低勵限制整定方法，能保證低勵限制定值組成的曲線與機組進相能力曲線盡可能接近。但勵磁調節器動作值與整定值存在偏差，導致發電機組實際進相運行時，會因為低勵限制提前于定值而動作，從而導致機組無法充分發揮機組進相運行能力。如春節期間，江蘇電網某機組未進相至定值曲線就發生低勵限制經常性動作，同時電壓長期超上限運行。由于A型勵磁調節器低勵限制動作后有一個無功上抬過程，加劇了無功波動，不利于運行控制和進相能力穩定發揮，建議針對這部分勵磁調節器進行軟件升級，更新為B型勵磁調節器，使得低勵限制動作后無功保持穩定。

為實現動作值跟發電機進相能力接近，應先根據發電機進相能力算出動作值，再根據動作值以及進相試驗時機端電壓實際值等計算出整定值。對于UNITROL5000勵磁調節器，可根據式(3—6)算出對應5個有功的動作值，然后根據式(7)算出定值。

(7)

式中，IP和IQ可通過對應的P和Q除以U獲得。

2.3 低勵限制與失磁保護的配合

一般情況下，開展進相試驗時已經針對進相試驗的方案工況進行失磁保護校核，試驗時獲得的機組進相能力已經事實證明不會引起失磁保護動作。由于低勵限制曲線整定后使得動作值與機組進相能力接近，因此可認為，低勵限制曲線在試驗有功工況范圍內滿足與失磁保護配合的要求。然而，低勵限制整定的有功區間為[0，SN]，而進相試驗時有功區間為[50%PN，100%PN]，低勵限制整定的范圍要大于試驗范圍，為確保整條低勵限制曲線與失磁保護相配合，仍需開展失磁保護校核工作，尤其需要關注0和25%SN時的校核情況。

對于隱極機，發變組的失磁保護的定值一般由2個定值組成，在電阻-電抗平面(R-X平面)上體現為一個阻抗圓，如圖5所示。目前大部分發變組失磁保護根據異步阻抗圓整定，當機組運行時的阻抗進入阻抗圓內時，失磁保護動作[14-18]。假設失磁保護定值分別為X1和X2，X1和X2是2個數值小于0的定值。

圖5 發電機異步邊界阻抗圓Fig.5 The curve of asynchronous circles

開展失磁保護校核時，根據低勵限制定值確定的有功、無功及進相運行時的機端電壓計算不同工況的阻抗值，計算公式如式(8)所示。

(8)

在R-X平面上計算阻抗值到圓心的距離r，如式(9)所示，考慮的失磁保護的安全裕度，一般距離是半徑的1.05倍以上，即認為該定值與失磁保護相配合。

(9)

如果低勵限制定值確定的阻抗值到圓心的距離不足半徑的1.05倍時，需要相應調整低勵限制定值，滿足與失磁保護配合的問題。

3 實例分析

某600 MW機組勵磁調節器為B型勵磁調節器，該機組參數：SN=684 MV·A，UN=20 kV，cosφ=0.95，Xq≈Xd=2.155 p.u.。根據試驗數據，3個有功工況325 MW，490 MW，650 MW對應的進相能力分別為：-226 Mvar，-170 Mvar，-75 Mvar，進相至最深時，機端電壓均降至95%UN以下。

根據公式(3—6)可計算出低勵限制對應的5個有功點最貼近進相能力曲線的無功值。假設初始定值根據這個無功值來確定，則不同有功點的初始定值則為對應的無功值除以額定容量。由于勵磁調節器的動作偏差，根據進相試驗時電壓值，通過公式(2)計算出在當前定值下PID輸出值，根據動作特性推算出不同有功的動作值，計算結果如表1所示。

表1 低勵限制定值及對應動作值Tab.1 The fist low excitation limiter setting value and the action value

從表1可看出，將接近能力曲線的無功值作為低勵限制定值后，實際機組在不同有功下的動作值均提前于進相能力曲線，不利于機組進相能力的充分發揮。

根據優化算法，將接近進相能力曲線的無功值作為動作值，并以進相時的實際電壓進行計算，根據式(7)計算出優化后的低勵限制定值(Q優化定值1)，再針對優化后的定值進行失磁保護核算。該機組失磁保護定值X1=-0.126 p.u.，X2=-2.11 p.u.，根據式(8)、(9)，算出R-X平面上的阻抗點到圓心的距離是阻抗圓半徑的倍數(定值1阻抗圓半徑倍數)，如表2所示。

表2 低勵限制優化定值及計算結果Tab.2 The optimized low excitation limiter setting value and calculation results

由于0工況時半徑值小于1.05倍阻抗圓半徑值，需要針對有功為0時的定值進行調整，使之與失磁保護配合。調整時，取P=0，將式(9)取等號，計算無功值及對應定值，并記為優化定值2。該定值與失磁保護配合合理，且該定值下動作值與機組進相能力更接近。

4 結語

針對UNITROL5000勵磁調節器低勵限制的動作值和整定值存在較大偏差、不利于電網低負荷期間機組進相能力發揮的問題，文中詳細分析ABB UNITROL5000勵磁調節器兩種類型的低勵限制動作特性，提出動作值接近機組進相能力為目標的整定方法，并根據機組失磁保護定值進行低勵限制校核，最后通過實例驗證方法的可行性。結果表明，通過該方法整定ABB勵磁調節器的低勵限制定值，既滿足與失磁保護配合，又能夠充分發揮機組實際進相運行能力。該整定方法可為工程實際中同類型勵磁調節器的低勵限制定值的合理整定提供參考。