針對UN5000勵磁系統起勵問題的研究與優化

劉瑞，金文建，呂瑋

(上海上電漕涇發電有限公司，上海 201507)

勵磁系統是發電機調節電壓的核心，最早進入發電機勵磁系統市場的是ABB公司，其產品的穩定性得到了市場的廣泛認可。ABB公司的UN5000勵磁系統在國內占有很大市場。近幾年，由于硬件設備老化以及系統軟件邏輯存在問題，部分電廠出現了諸多問題，如發電機空載建壓時，機端電壓瞬間偏移，超過額定值115%，造成發電機組過勵磁現象，以及在發電機跳閘后沒有完全滅磁的情況下再次誤起勵現象，其中包括大型火電機組以及核電機組。

某大型百萬機組在使用UN5000勵磁調節系統啟動過程中，發電機組在啟動并網空載建壓時機端電壓出現瞬間過電壓，發電機過勵磁保護發信，隨即滅磁但在沒有完全滅磁情況下再次啟動勵磁，隨后勵磁系統故障，機組最后跳閘。通過對該次事件進行分析研究，提出一種新型的起勵邏輯。該邏輯可有效解決發電機使用UN5000勵磁系統在起勵過程中由于在偶爾出現的起勵時高強磁場電流，原始的斜坡邏輯無法抑制機端過電壓而造成的發電機組建壓時間短、起勵特性硬、發電機端出口電壓超調、發電機轉子勵磁電流一度達到強勵程度、嚴重損傷發電機轉子線圈以及對電網形成沖擊等現象。

1 UN5000勵磁起機過電壓現象及分析

上海某電廠發電機勵磁系統使用自并勵勵磁方式，其勵磁系統主要由勵磁單元、整流模塊、自動勵磁調節和勵磁變壓器這4個單元模塊組成，其原理圖見圖1[1-2]。

圖1 發電機自并勵勵磁系統原理圖

2019年7月21日23時，該電廠7號機組準備起機并網，在空載升壓機組建壓過程中勵磁系統出現高初始磁場電流，隨即定子過電壓，發電機過激磁報警，最后發電機保護跳閘。

為研究此次異常起勵情況調出了該機組正常啟動過程中發電機空載建壓時的勵磁調節圖。該機組在正常建壓過程中，勵磁系統在正常低初始磁場電流時，初始勵磁電流升到約54.4 A后，經0.5 s下降到階段低點后繼續通過斜坡邏輯緩慢上升，機端電壓Uc可以通過比例-積分-微分(PID)調節，最后斜坡將控制權移交給自動電壓調節器(Automatic Voltage Regulator， 簡稱AVR)，通過斜坡邏輯可靠控制電壓爬升，發電機機端電壓得到可靠控制達到額定值27 kV，整個起勵過程一般持續約10 s。7號發電機異常起勵時出現了高初始磁場電流，勵磁電流在0.5 s瞬間升到約143 A，原始斜坡邏輯使控制電壓Uc漂移(開環)。此時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，最終機端電壓高達30.2 kV。在這種情況下，機端輸出電壓沒有足夠的時間及時降低。勵磁電流后面又一次升高，一度升到165 A，隨即再次下降到階段低谷后又沿著斜坡最后上升到164 A。但此時機端輸出電壓卻在一直降低，判斷為此過程中勵磁機由于自身硬件原因在高強勵磁電流輸出情況下發生了故障，發電機保護滅磁動作，把勵磁機跳開，最后勵磁電流降為0 A，此次異常起勵共持續約17 s，機端電壓從0 V上升到30.2 kV僅用了約4 s。此次異常建壓時間短，電壓調節幅度大，多次出現超勵磁現象，給機組造成了嚴重的損傷[3-4]。

對比正常起勵和異常起勵的勵磁調節圖可以得出，在高初始磁場電流時原始斜坡邏輯使控制電壓Uc漂移，斜坡將控制權移交給AVR時，發電機機端電壓超過額定電壓。在這種情況下，Uc距離斜坡輸出太遠，沒有足夠的時間及時降低，會造成一系列異常起勵問題。

2 起勵邏輯研究以及修改方案

勵磁系統主要通過勵磁調節器控制，使用PID根據給定值和機端輸出電壓進行調節，是起勵調節的核心部分，原理圖如圖2所示[5-6]。

圖2 自動勵磁調節器內部主要環節圖

對比機端電壓給定值，利用PID計算控制，通過測量環節測量機端輸出電壓不斷調節，最終使機端輸出電壓達到給定值[7-11]。

2.1 建模研究原起勵邏輯在低、高初始磁場電流下情況

利用重新還原故障情境來分析具體故障產生原因，為此進行實驗室建模。試驗測試系統包括使用了實時發電機模型和UN5000勵磁系統。實驗室發電機數據見表1，試驗設備照片見圖3。

表1 實驗室發電機數據

圖3 試驗設備照片

模擬UN5000勵磁系統在低初始磁場電流和高磁場電流情況下的機端電壓和勵磁電流的變化曲線，見圖4和圖5。

圖4 低初始磁場電流下相關數據曲線圖

對比圖4和圖5可以得到，UN5000勵磁系統在起勵過程，在高初始磁場電流時原始斜坡邏輯使控制電壓Uc已經漂移，因此出現了發電機起勵時的異常建壓情況[12-13]。

圖5 高初始磁場電流下相關數據曲線圖

2.2 新起勵邏輯以及高初始磁場電流下模擬仿真

針對機組起勵高初始磁場電流時，ABB UN5000勵磁系統控制電壓Uc已經嚴重漂移情況，以及防止勵磁系統起勵在滅磁后沒有完全滅磁情況下，在原有系統中增加了兩個模塊。為防止高初始磁場電流下原始斜坡邏輯使控制電壓Uc漂移情況，新增加了一個INT模塊以及MULDIV模塊。對于解決滅磁沒有完成時再次投入勵磁情況，增加了一個閉鎖邏輯模塊。

為了防止系統在逆變滅磁以及跳閘后，由于機端電壓在沒有完全減到0 V時，再次發出啟動勵磁命令，因此考慮增加一段閉鎖程序。

為驗證新的起勵邏輯，模擬高初始磁場電流下的起勵過程，其起勵相關波形圖如圖6所示。

圖6 新邏輯起勵相關數據曲線圖

從圖6可以看出，磁電流曲線3的上升更為平穩，無需啟動開環調節器。從曲線4可以看出，3個PID增益在4 s的斜坡期間從0恢復到比例因子1，在勵磁開啟命令下觸發，需要在實際發電機上優化斜坡時間。

3 結語

本文對一起由于UN5000勵磁系統自動建壓過程中控制邏輯失效，易導致電廠起機失敗問題進行研究，最終通過對勵磁系統內部增設相應邏輯進行解決，并在實驗室得到相關驗證。該優化方法可為當前所有使用UN5000勵磁系統在起勵時出現異常升壓，以及系統滅磁未結束前防止再起勵問題提供參考,防止發電企業再次出現類似問題。這對維護發電機組可靠穩定運行避免發電機由于異常起勵受到大勵磁電流沖擊而損壞轉子線圈以及有效保障電力系統穩定具有極其重要的意義，非常值得各發電企業推廣應用[14-15]。