UNITROL5000勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制優(yōu)化整定方法研究

解 兵， 徐 珂， 羅凱明，劉建坤， 周 前

( 1. 國網(wǎng)海上風(fēng)電并網(wǎng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211103； 2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司調(diào)度控制中心，江蘇 南京 210024)

0 引言

低勵(lì)限制是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的一項(xiàng)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(lì)限制是根據(jù)機(jī)組的靜穩(wěn)極限、端部熱穩(wěn)定、機(jī)端電壓及失磁保護(hù)定值情況進(jìn)行整定[5-6]，文獻(xiàn)[7]則要求低勵(lì)限制定值在機(jī)組進(jìn)相能力范圍內(nèi)整定，確保機(jī)組達(dá)到進(jìn)相能力之前低勵(lì)限制動(dòng)作，限制機(jī)組進(jìn)一步進(jìn)相。此外，近年來電網(wǎng)在低負(fù)荷期間的無功形勢越來越嚴(yán)峻，需要機(jī)組盡可能發(fā)揮進(jìn)相能力[8-10]。因此，低勵(lì)限制整定應(yīng)在機(jī)組進(jìn)相能力曲線之上，且盡可能接近機(jī)組進(jìn)相能力曲線，滿足電網(wǎng)對(duì)機(jī)組進(jìn)相的需求。

在低勵(lì)限制功能驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，ABB UNITROL5000型勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制的動(dòng)作值和整定值有較大偏差，且偏差情況隨著機(jī)組工況變化而變化。目前，我國600 MW及以上容量的發(fā)電機(jī)組大多采用該勵(lì)磁系統(tǒng)，有必要針對(duì)該型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制動(dòng)作特性開展研究，合理整定定值。

文中針對(duì)UNITROL5000勵(lì)磁系統(tǒng)兩種不同軟件版本勵(lì)磁調(diào)節(jié)器開展低勵(lì)限制動(dòng)作特性研究，在此基礎(chǔ)上提出動(dòng)作值接近進(jìn)相能力為目標(biāo)的低勵(lì)限制整定方法，并通過失磁保護(hù)校核，使得低勵(lì)限制實(shí)際動(dòng)作值與實(shí)際進(jìn)相能力接近，且與失磁保護(hù)配合合理。

1 UNITROL5000低勵(lì)限制動(dòng)作特性

UNITROL5000勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制動(dòng)作特性有兩種類型，一種是軟件版本較老的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制動(dòng)作后，無功有一個(gè)明顯上抬過程；另一種是軟件升級(jí)后的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制動(dòng)作后，無功保持平穩(wěn)。為便于描述，文中將第一種類型的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器簡稱為A型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，第二種軟件版本較新勵(lì)磁調(diào)節(jié)器簡稱為B型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，不同工況下勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制動(dòng)作時(shí)比例積分微分控制器(proportion integral derivative，PID)輸出基本一致。其中A型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的PID輸出隨著無功降低呈上升趨勢，當(dāng)PID輸出上升至1.4%后，低勵(lì)限制動(dòng)作，并將無功上抬，同時(shí)PID輸出下降并穩(wěn)定在0.4%附近；B型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制動(dòng)作時(shí)無功保持穩(wěn)定，PID輸出值上升至0.4%，并保持穩(wěn)定。

A型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的低勵(lì)限制環(huán)節(jié)的PID控制原理如圖1所示。

圖1 A型低勵(lì)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(lì)限制的整定值；Q0為當(dāng)前有功對(duì)應(yīng)的低勵(lì)限制定值；U為當(dāng)前運(yùn)行電壓；IQ為當(dāng)前無功電流分量；IP為當(dāng)前有功電流分量；Xq為交軸同步電抗；k為低勵(lì)限制器增益；OPID為低勵(lì)限制PID輸出值，由圖1的控制原理推導(dǎo)出式(1)：

(1)

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

圖2 不同影響因素低勵(lì)限制動(dòng)作時(shí)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(lì)限制動(dòng)作值降低，到0.9 p.u.時(shí)，無功需降至-151 Mvar低勵(lì)限制才動(dòng)作，動(dòng)作后無功上抬至-105.5 Mvar；隨著機(jī)端電壓增大、增益減小，實(shí)際低勵(lì)限制動(dòng)作的值卻在不斷降低；隨著低勵(lì)限制定值降低，實(shí)際低勵(lì)限制動(dòng)作與定值的偏差值增加，可見，低勵(lì)限制定值越低，低勵(lì)限制越容易提前動(dòng)作。

B型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制環(huán)節(jié)的PID控制原理如圖3所示。

圖3 B型低勵(lì)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(lì)限制器PID輸出只是中間模塊公式不一樣，可推導(dǎo)出式(2)。

(2)

通過式(2)采用與A型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器同樣的分析方法，可得到B型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不同影響因素低勵(lì)動(dòng)作特性圖，如圖4所示。

圖4 不同影響因素低勵(lì)限制動(dòng)作時(shí)無功特性Fig.4 Action characteristics of low excitation limiter with different influence factors

從圖4看出，低勵(lì)限制動(dòng)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(lì)磁調(diào)節(jié)器一致，但動(dòng)作值相對(duì)于A型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器提前了，接近于動(dòng)作后上抬后的無功情況，而B型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)動(dòng)作后，無功保持穩(wěn)定。

2 UNITROL5000低勵(lì)限制整定方法

2.1 當(dāng)前低勵(lì)限制整定方法

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，低勵(lì)限制整定成為發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)的一部分，且要求在實(shí)測的進(jìn)相能力范圍內(nèi)，整定低勵(lì)限制曲線。UNITROL5000低勵(lì)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(zhǔn)。整定低勵(lì)限制參數(shù)時(shí)，只能改變無功部分?jǐn)?shù)值，有功部分是0至1平均分配的5組數(shù)據(jù)，無法修改。

一般機(jī)組開展進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)，有功工況分別為額定有功PN的50%，75%，100%，而低勵(lì)限制的有功定值是視在功率SN的0，25%，50%，75%和100%，與試驗(yàn)有功不一致，需要通過插值計(jì)算出定值。假設(shè)進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組在額定有功的50%，75%，100%時(shí)的進(jìn)相能力分別為Q50%P，Q75%P，Q100%P，低勵(lì)限制在視在功率的0，25%，50%，75%和100%時(shí)的定值分別為Q1，Q2，Q3，Q4，Q5。首先根據(jù)試驗(yàn)工況中75%PN和100%PN時(shí)進(jìn)相能力曲線計(jì)算75%SN和100%SN下無功定值，如式(3)、(4)所示。

(3)

(4)

根據(jù)75%PN和50%PN時(shí)進(jìn)相能力計(jì)算25%SN和50%SN下的定值，如式(5)、式(6)所示。0時(shí)的定值設(shè)置成與25%SN時(shí)定值一致，即：Q1=Q2。

(5)

(6)

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器有功定值無法修改，因此不可避免出現(xiàn)低勵(lì)限制曲線與進(jìn)相能力曲線不一致的地方。

2.2 優(yōu)化的低勵(lì)限制整定方法

通過當(dāng)前低勵(lì)限制整定方法，能保證低勵(lì)限制定值組成的曲線與機(jī)組進(jìn)相能力曲線盡可能接近。但勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)作值與整定值存在偏差，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組實(shí)際進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，會(huì)因?yàn)榈蛣?lì)限制提前于定值而動(dòng)作，從而導(dǎo)致機(jī)組無法充分發(fā)揮機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行能力。如春節(jié)期間，江蘇電網(wǎng)某機(jī)組未進(jìn)相至定值曲線就發(fā)生低勵(lì)限制經(jīng)常性動(dòng)作，同時(shí)電壓長期超上限運(yùn)行。由于A型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制動(dòng)作后有一個(gè)無功上抬過程，加劇了無功波動(dòng)，不利于運(yùn)行控制和進(jìn)相能力穩(wěn)定發(fā)揮，建議針對(duì)這部分勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行軟件升級(jí)，更新為B型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，使得低勵(lì)限制動(dòng)作后無功保持穩(wěn)定。

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)作值跟發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力接近，應(yīng)先根據(jù)發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力算出動(dòng)作值，再根據(jù)動(dòng)作值以及進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)機(jī)端電壓實(shí)際值等計(jì)算出整定值。對(duì)于UNITROL5000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，可根據(jù)式(3—6)算出對(duì)應(yīng)5個(gè)有功的動(dòng)作值，然后根據(jù)式(7)算出定值。

(7)

式中，IP和IQ可通過對(duì)應(yīng)的P和Q除以U獲得。

2.3 低勵(lì)限制與失磁保護(hù)的配合

一般情況下，開展進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)已經(jīng)針對(duì)進(jìn)相試驗(yàn)的方案工況進(jìn)行失磁保護(hù)校核，試驗(yàn)時(shí)獲得的機(jī)組進(jìn)相能力已經(jīng)事實(shí)證明不會(huì)引起失磁保護(hù)動(dòng)作。由于低勵(lì)限制曲線整定后使得動(dòng)作值與機(jī)組進(jìn)相能力接近，因此可認(rèn)為，低勵(lì)限制曲線在試驗(yàn)有功工況范圍內(nèi)滿足與失磁保護(hù)配合的要求。然而，低勵(lì)限制整定的有功區(qū)間為[0，SN]，而進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)有功區(qū)間為[50%PN，100%PN]，低勵(lì)限制整定的范圍要大于試驗(yàn)范圍，為確保整條低勵(lì)限制曲線與失磁保護(hù)相配合，仍需開展失磁保護(hù)校核工作，尤其需要關(guān)注0和25%SN時(shí)的校核情況。

對(duì)于隱極機(jī)，發(fā)變組的失磁保護(hù)的定值一般由2個(gè)定值組成，在電阻-電抗平面(R-X平面)上體現(xiàn)為一個(gè)阻抗圓，如圖5所示。目前大部分發(fā)變組失磁保護(hù)根據(jù)異步阻抗圓整定，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的阻抗進(jìn)入阻抗圓內(nèi)時(shí)，失磁保護(hù)動(dòng)作[14-18]。假設(shè)失磁保護(hù)定值分別為X1和X2，X1和X2是2個(gè)數(shù)值小于0的定值。

圖5 發(fā)電機(jī)異步邊界阻抗圓Fig.5 The curve of asynchronous circles

開展失磁保護(hù)校核時(shí)，根據(jù)低勵(lì)限制定值確定的有功、無功及進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的機(jī)端電壓計(jì)算不同工況的阻抗值，計(jì)算公式如式(8)所示。

(8)

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

(9)

如果低勵(lì)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(shí)，需要相應(yīng)調(diào)整低勵(lì)限制定值，滿足與失磁保護(hù)配合的問題。

3 實(shí)例分析

某600 MW機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為B型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，該機(jī)組參數(shù)：SN=684 MV·A，UN=20 kV，cosφ=0.95，Xq≈Xd=2.155 p.u.。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，3個(gè)有功工況325 MW，490 MW，650 MW對(duì)應(yīng)的進(jìn)相能力分別為：-226 Mvar，-170 Mvar，-75 Mvar，進(jìn)相至最深時(shí)，機(jī)端電壓均降至95%UN以下。

根據(jù)公式(3—6)可計(jì)算出低勵(lì)限制對(duì)應(yīng)的5個(gè)有功點(diǎn)最貼近進(jìn)相能力曲線的無功值。假設(shè)初始定值根據(jù)這個(gè)無功值來確定，則不同有功點(diǎn)的初始定值則為對(duì)應(yīng)的無功值除以額定容量。由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)作偏差，根據(jù)進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)電壓值，通過公式(2)計(jì)算出在當(dāng)前定值下PID輸出值，根據(jù)動(dòng)作特性推算出不同有功的動(dòng)作值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 低勵(lì)限制定值及對(duì)應(yīng)動(dòng)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(lì)限制定值后，實(shí)際機(jī)組在不同有功下的動(dòng)作值均提前于進(jìn)相能力曲線，不利于機(jī)組進(jìn)相能力的充分發(fā)揮。

根據(jù)優(yōu)化算法，將接近進(jìn)相能力曲線的無功值作為動(dòng)作值，并以進(jìn)相時(shí)的實(shí)際電壓進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)式(7)計(jì)算出優(yōu)化后的低勵(lì)限制定值(Q優(yōu)化定值1)，再針對(duì)優(yōu)化后的定值進(jìn)行失磁保護(hù)核算。該機(jī)組失磁保護(hù)定值X1=-0.126 p.u.，X2=-2.11 p.u.，根據(jù)式(8)、(9)，算出R-X平面上的阻抗點(diǎn)到圓心的距離是阻抗圓半徑的倍數(shù)(定值1阻抗圓半徑倍數(shù))，如表2所示。

表2 低勵(lì)限制優(yōu)化定值及計(jì)算結(jié)果Tab.2 The optimized low excitation limiter setting value and calculation results

由于0工況時(shí)半徑值小于1.05倍阻抗圓半徑值，需要針對(duì)有功為0時(shí)的定值進(jìn)行調(diào)整，使之與失磁保護(hù)配合。調(diào)整時(shí)，取P=0，將式(9)取等號(hào)，計(jì)算無功值及對(duì)應(yīng)定值，并記為優(yōu)化定值2。該定值與失磁保護(hù)配合合理，且該定值下動(dòng)作值與機(jī)組進(jìn)相能力更接近。

4 結(jié)語

針對(duì)UNITROL5000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制的動(dòng)作值和整定值存在較大偏差、不利于電網(wǎng)低負(fù)荷期間機(jī)組進(jìn)相能力發(fā)揮的問題，文中詳細(xì)分析ABB UNITROL5000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩種類型的低勵(lì)限制動(dòng)作特性，提出動(dòng)作值接近機(jī)組進(jìn)相能力為目標(biāo)的整定方法，并根據(jù)機(jī)組失磁保護(hù)定值進(jìn)行低勵(lì)限制校核，最后通過實(shí)例驗(yàn)證方法的可行性。結(jié)果表明，通過該方法整定ABB勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的低勵(lì)限制定值，既滿足與失磁保護(hù)配合，又能夠充分發(fā)揮機(jī)組實(shí)際進(jìn)相運(yùn)行能力。該整定方法可為工程實(shí)際中同類型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的低勵(lì)限制定值的合理整定提供參考。