UNITROL6800励磁系统的限制器及测试方法

叶 添 锌， 刘 新 城， 孙 新 志

(中国电器科学研究院有限公司广州擎天实业有限公司，广东 广州 510860)

0 引 言

UNITROL 6800励磁系统是瑞士ABB公司最新推出的UNITROL系列的第六代数字式静止励磁系统产品，它用于大型同步发电机静态励磁系统。它是瑞士ABB公司在UNITROL系列励磁产品的基础上，吸收目前数字控制领域内最先进的研究成果和工艺，基于AC800PEC控制器平台的电力电子控制器，它集成了一流的解决方案和设备，例如并联运行励磁整流柜的动态均流技术、发电机残压起励、FPGA、以太网及光纤通讯、设备工具诊断等。

目前，国内大型水电站如溪洛渡右岸水电站9台770 MW机组、锦屏水电站14台600 MW机组、大岗山水电站4台650 MW机组的励磁系统都选用了UNITROL 6800型励磁系统。

近年来，电力系统对励磁系统的功能要求越来越高，因此对限制器及PSS的功能测试显得尤为重要，本文针对UNITROL 6800型励磁系统，总结了其限制器及PSS的测试方法，以供从事励磁系统调试的电站运维人员借鉴和参考。

1 UNITROL 6800励磁系统控制方式

锦屏一级、二级水电站使用的励磁系统型号为A6S-0/U241-S4500。励磁调节器的控制方式主要包括AVR自动电压调节、手动励磁电流调节、以及相关的监测及保护功能。[2]

1.1 AVR(自动电压调节)功能

AVR(自动电压调节)原理框图如图1, 其主要组成部分如下：

图1 AVR(自动电压调节)原理框图

(1)PSS Adapter：电力系统稳定装置(PSS)；

(2)AVR的设定：电压设定值(叠加调节、跟踪、复位等)，有功/无功功率补偿(P调差、Q调差)，附加参考值，V/Hz限制器，软启动，电压限制；

(3)各限制模块：最大励磁电流限制器，最小励磁电流限制器，定子电流过励限制器 Igind，定子电流欠励限制器Igcap，PQ限制器；

(4)PID过滤器：比例积分微分滤波，包括PID1(专门用于静态励磁系统)和PID2(专门用于AVR自动电压调节器)，可以通过调整参数EnIntTypeAVRLim来选择，锦屏水电厂使用的是PID2。其传递函数如图2，特性曲线如图3；

图2 PID传递函数

图3 PID特性曲线

(5)最小/最大逻辑：用来选择限制器正确的输出。

1.2 手动电流调节功能

手动电流调节原理框图如图4。其主要由下列部分组成：手动设定值(PQ限流器，V/Hz限流器，软启动等)；手动调节(PI控制器)。

图4 手动电流调节原理框图

自动方式是励磁系统的主要运行方式，手动控制方式可用于测试目的或用于后备控制模式以防AVR错误操作。

1.3 监测及保护功能

UNITROL6800励磁系统有以下监测和监控功能可供选择：接地故障监测、转子温度监测、励磁温度监测、过电流监测、过电压监测、PQ监测、电压/频率监测、同步选择监测、测量监测、整流器监测、辅助准备监测、电源监测等。

每个监测和保护信号(事件)被配置为一组故障，最终启动了保护矩阵系统动作。保护功能主要包括以下部分：直流过压保护、交流过压保护、接地故障保护、过电流保护、链路保护等。

2 UNITROL6800励磁系统限制器

自动方式下，励磁系统提供了以下限制器功能：V/Hz限制，电压限制，PQ限制器，最小励磁电流限制器Ifmin，定子电流限制器，最大励磁电流限制器Ifmax。[1]

如下图5是一个典型的带各种限制的凸极同步发电机稳态运行功率图，机端电压为一单位标幺值。

图5 凸极同步发电机功率图

2.1 V/Hz限制

为了避免同步发电机和励磁变压器过激磁而设置V/Hz限制器。对于一定频率，如果AVR的设定点太高，设定值将按照预先设置的V/Hz限制器特性曲线平稳地减少设置点。经过一段调整延迟时间后限制器开始起作用。

V/Hz限制功能在自动调节称为V/Hz限制器，在手动调节称为V/Hz限流器。

V/Hz限制器延迟周期根据反时限曲线选择，如图6所示，图中x =If/ Iftherm，如果V/Hz限制器达到延迟时间，该函数将AVR设定值降低至V/Hz限制器的设定值。

图6 V/Hz限制器延时周期计算表

2.2 电压限制

这是设定点的最大限制值，默认值是115%。

2.3 PQ限制器(欠励限制器)

PQ限制器可以防止发电机工作超出实际稳定限制区和失去同步。投入PQ限制器可保护发电机工作在稳定范围以内。PQ限制器可以在有功值为P=0%,P=20%,P=40%,P=60%,P=80%和P=100%时定义六个无功功率值。

2.4 最小励磁电流限制器Ifmin

最小励磁电流限制器用于维持励磁电流在最低水平。功率柜维持励磁电流在一个预设的最低水平。最小励磁电流限制器只能在并网时投入。如果最小励磁电流限制器投入，实际励磁电流和最小励磁电流之间的差值计算，用于防止发电机过低励磁电流。

2.5 定子电流限制器

定子电流限制器限制发电机容性电流和感性负载过载，按照发电机无功工作区域，这两种定子电流限制又称为定子电流过励限制器Igind和定子电流欠励限制器Igcap，前者动作结果是减磁，后者是增磁。该励磁调节器对发电机电流的有功分量无影响。因此，在Q=0调节可以使无功功率从Q变化为0，以保护发动机。

2.6 最大励磁电流限制器Ifmax

最大励磁电流限制器有两个不同的设定点，一个是为了限制瞬态最高电流(励磁强励限制)，另一个为了防止转子热过载(最大连续出力)。

3 各限制器的测试方法及步骤

3.1 V/Hz限制特性试验

V/Hz曲线用来防止发电机在低频下的过电压。自动、手动模式的限制值整定在110%额定值；

发电机运行在空载工况下，机组频率变化在45 Hz-52 Hz范围内，调节器处于CH1通道自动方式，投入电压/频率限制器功能。设定参数LimiterGradient为1.1、LimiterVfn为1.1、Limiter_Release为True；

在ECT的Slow Trending中观察参数Ug、If、SFS_meas_fabs(频率)、STS_CIO5_bDigOut15(V/Hz限制动作信号)；

通过增磁使机端电压上升至110%左右，观察应该有V/Hz限制器动作；再降低发电机转速至机端电压开始下降，频率至45Hz左右，也应该发V/Hz限制器动作信号；

发电机转速在47 Hz-52 Hz范围内变化时，观察V/Hz限制器动作应复归，电压应无明显波动。

3.2 电压限制器试验

(1)首先测试给定值上下限限制是否正常，在空载状况下，设定好参数MaxRefValue为1.1、MinRefValue1为0.9、URefMax为1.15，慢慢增磁到机端电压为110%Ug时，无法继续增磁，给定值稳定在1.1，电压稳定在110%Ug，报给定上限信号动作。

同理，慢慢减磁到机端电压为90%Ug时，无法继续减磁，给定值稳定在0.9，电压稳定在90%Ug，报给定下限信号动作。观察参数STS_CIO3_bDigOut3(给定上限动作信号)、STS_CIO3_bDigOut4(给定下限动作信号)。

(2)其次在测试最大电压限制动作是否正常，在空载状况下，设定好 参 数 MaxRefValue 为1.15、MinRefValue1为0.9、URefMax为1.1，慢慢增磁到机端电压为110%Ug时，继续增磁无效，给定值可以继续增加到1.1，但此时电压稳定在110%Ug，并且报最大电压限制信号动作。

3.3 PQ限制器试验

PQ限制曲线根据六点拟合的方法得到，以下Q值QP00、QP02、QP04、QP06、QP08、QP10分别对应于PQ限制器动作额定有功P为0%、20%、40%、60%、80%、100%时对应的无功值。

在并网条件下，CH1通道自动方式运行，现地调整有功和无功至适当大小，记录此时无功功率实际值大小，在ECT中观察参数SFS_Meas_UgRel、SFS_Meas_IfRel、SFS_Meas_PRel、SFS_Meas_QRel、STS_CIO3_bDigOut10(PQ限制器动作信号)；现地减磁，无功降至PQ限制器动作，系统此时稳定运行，记录此时无功功率实际值大小。改变有功大小，观察PQ限制动作时对应的无功值是否与设定值对应。

3.4 最小励磁电流限制器Ifmin

发电机运行在空载工况下，调整软件相关参数，将参数MinFieldCurrent(励磁电流限制下限值)调至稍高于当前稳定运行IL值，然后投入最小励磁电流限制器，即Release_ifMinLim设为true，即会报If min动作，同时励磁电流会自动增磁到励磁电流限制下限值。观察参数STS_CIO3_bDigOut10(最小励磁电流动作信号)。

3.5 定子电流限制器

(1)定子电流限制器分为过励侧和欠励侧两种，动作的结果是使得Q趋近于0。

发电机运行在负载工况下，参数MaxThermalStatorCurrent(定子电流限制标幺值)调至稍低于当前稳定运行Ig标幺值，I Equivalent(标幺值)要调至稍高于当前稳定运行Ig标幺值；

观察参数SFS_Meas_UgRel、SFS_Meas_IgRel、SFS_Meas_PRel、SFS_Meas_QRel。

一段时间，即会报Ig定子电流限制动作，定子电流的无功分量会减小，无功也减小，如果MaxThermalStatorCurrent(定子电流限制标幺值)足够低，则会减到为0。

(2)以锦屏二级#2为例：

①当前运行工况：P=441MW，Ig=0.66，Q=16.19MVar，If=1932.29A，此时在CH1通道自动方式下迟相侧运行。

②修改参数如下：MaxThermalStatorCurrent改为0.64，I Equivalent改为0.8。

③一段时间后即报IG ind Limiter动作信号，观察参数STS_CIO4_bDigOut6。

(4)定子电流限制 动 作 后 工 况 为：Q=7.61 MVar，定子电流Ig=0.65。测试波形如下图7：

图7 定子电流限制器动作

3.6 最大励磁电流限制器Ifmax

发电机运行在负载工况下，调整软件相关参数，将参数MaxThermalFeildCurrent(过励限制值)、MaxFieldCurrent(过励保护值)均调至稍高于当前稳定运行IL值，MaxFieldCurrent要高于MaxThermalFeildCurrent。

然后增磁至过励限制动作，报If max信号，观察参数STS_CIO3_bDigOut9(最大励磁电流动作信号)。

4 电力系统稳定器(PSS)及其试验步骤

4.1 PSS

PSS的目的是利用发电机的励磁提高电力系统阻尼。锦屏电站PSS2B模型框图如下图8：

4.2 UNITROL6800励磁系统PSS试验步骤

4.2.1 试验条件

被试机组应处于正常、稳定运行，继电保护投入，励磁系统无报警；

被试机组有功功率应大于 80%额定值，无功功率应小于20%额定值；

被试机组的调频、AGC 和自动无功功率调整功能应暂时退出。

4.2.2 试验步骤

(1)测试接线：将机端电压Ug，机端电流Ig，励磁电压Uf，励磁电流If接入WFLC录波仪，将频谱分析仪的白噪声输入接至励磁系统AI；

图8 PSS2B原理框图

(2)测试前修改PSS测试参数值：设置参数Input signal CIO3 AI1为1，Input signal CIO3 AI1 scale factor为0.05，Input signal Limit(for both input signals)[pu]为1.0，QMin为-0.2，QMax为0.2，PMin为0.65，PMax为0.85，UgMin为0.95，UgMax为1.05；

(3)无补偿相频特性测试：在程序中将白噪声叠加至调节器自动方式输出点上，在频谱分析仪上调节白噪声的输入幅值为50mV左右，ECT中观察白燥声加入量SFS_CIO3Analn 1。开始测量励磁系统无补偿相频特性(ΔUt/ΔUs)，通过读点获取相频特性，即在0.1-2.0Hz范围内，每隔0.1Hz(频谱分析仪X轴)读取对应相角(Y轴)；

(4)PSS参数设置：根据无补偿相频特性用专用程序算出PSS参数，当参数不满足要求时适当调整，PSS 输出的力矩向量对应Δω轴在超前10°～滞后45°。最终确定锦屏二级3#的PSS参数：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阻尼效果校核试验：用负载阶跃法确定PSS增益及验证PSS效果。将PSS切除，进行1～4%的电压阶跃试验，同时启动录波，记录有功功率的摆动幅值和次数。将PSS投入，同样工况下重复以上试验，录波观察，有功功率的摆动幅值和次数应减少。在PSS参数整定好并且PSS投入的情况下，逐渐增大PSS的增益，同时观察励磁系统的变化，直到出现不稳定现象为止，此时的KS1值，即为PSS临界增益。最终取PSS临界增益的1/3～1/5做为PSS放大倍数KS1的整定值。

(6) PSS反调试验：PSS投入，调速器快速增、减有功功率，观察无功是否存在反调现象。

5 结 语

随着电力系统对励磁系统的功能要求越来越高，因此对其限制器及PSS的功能测试显得尤为重要。UNITROL?6800型励磁系统自推向市场以来，在国内逐步被众多大中型水、火电厂用户所采用，具有一定的市场影响力，从其实践使用来看，该型不愧为具有世界先进水平的励磁系统。

本文结合了我公司锦屏一级、二级水电站600 MW机组励磁系统设备现场投运过程中的实际情况，详细介绍了UNITROL 6800型数字式自并励励磁系统中的控制方式和限制器，以及全面总结了各种限制器的测试方法及注意事项，并详细探讨了PSS的现场试验步骤及参数的整定，这对从事励磁系统调试的电站运维人员具有很好的指导和借鉴意义，为大型水电站的静态励磁系统的功能测试提供了很好的参考依据。

参考文献：

[1] UNITROL? 6800 Functional Description. ABB. 2010.11

[2] DLT583-2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件.国家发展和改革委员会发布. 2006.9

[3] 李基成. 现代同步发电机励磁系统设计及应用(第二版). 北京. 中国电力出版社. 2009