基于UN5000 勵磁起機過電壓研究與優(yōu)化

劉 瑞 韓 可 官 健

1.上電漕涇發(fā)電有限公司

2.江蘇海宏電力工程顧問股份有限公司

0 引言

目前發(fā)電機組通常使用的勵磁系統(tǒng)為靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，其中ABB UN5000勵磁在國內(nèi)外使用尤為廣泛。近幾年國內(nèi)電廠相繼出現(xiàn)發(fā)電機空載建壓時機端電壓瞬時超過115%，發(fā)變組保護短時報過激勵保護發(fā)信，甚至出現(xiàn)跳機現(xiàn)象，其中不乏大型火電機組甚至核電機組。

2019年7月21日23點44分，國內(nèi)某電廠7號1 000 MW 機組UN5000 啟動過程中，發(fā)電機空載建壓時機端電壓瞬時過壓，發(fā)變組保護短時報過激勵保護發(fā)信號，隨后勵磁系統(tǒng)逆變滅磁，機端電壓沒有完全降低到零時，再次投入起勵命令起勵，此時勵磁電流值越限，勵磁機內(nèi)部發(fā)生短路故障，發(fā)電機保護動作，機組跳閘。針對該事件進行相關(guān)研究，提出一種新型起勵邏輯，解決了建壓過程持續(xù)時間短、特性硬、機端電壓超調(diào)較大、勵磁機勵磁電壓強勵時間長、勵磁電流一度達到強勵電流，對機組安全有一定危害等問題，為以后相似故障提供快速處理的思路。

1 UN5000勵磁起機過電壓現(xiàn)象及分析

上述電廠發(fā)電機采用自并勵勵磁方式，其勵磁系統(tǒng)原理圖見圖1-1，包含起勵與滅磁、整流、自動勵磁調(diào)節(jié)以及勵磁變壓器四個模塊[1-3]。

圖1-1 同步發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)原理圖

該電廠機組正常啟動過程中，其勵磁電流、勵磁電壓以及機端電壓如圖1-2 所示，勵磁電流在0.5 s 內(nèi)短時升到機端正常額定電壓所需的勵磁電流55A左右,此時電壓發(fā)生兩次階躍，勵磁電流也隨即下降，然后通過PID控制器調(diào)節(jié)勵磁電流，10 s左右使機端電壓緩慢上升到額定電壓27 kV。

圖1-2 同步發(fā)電機正常起勵勵磁調(diào)節(jié)圖

2019 年 7 月 21 日該電廠 7 號機組 UN5000 異常起勵時，其勵磁電流、勵磁電壓以及機端電壓見圖1-3。

圖1-3 同步發(fā)電機異常起勵勵磁調(diào)節(jié)圖

從圖1-3中可見，此次機組啟動過程中勵磁電流并沒有在升到55 A左右時隨即下降，而是持續(xù)上升且在0.5 s左右升到143 A 后才開始下降，在降低到階段低點后隨即在1 s左右上升到165 A，機端電壓也通過PID 調(diào)節(jié)上升到30.2 kV 超過額定電壓。勵磁電流再次快速下降，隨后沿一定斜率緩慢爬升直至164 A，但此階段機端電壓卻在持續(xù)下降，勵磁機判斷該過程內(nèi)部發(fā)生了短路故障，隨即跳閘，勵磁電流降為0 A，該全過程共持續(xù)18 s左右。

基于對圖1-2 和圖1-3 進行分析，可知圖1-3在機組建壓過程中勵磁系統(tǒng)未能及時進入軟啟勵過程，而是直接以自動建壓目標(biāo)電壓預(yù)設(shè)值進行了空載電壓階躍，與正?？蛰d建壓情況相比（正常建壓曲線見圖1-2），其建壓過程持續(xù)時間短、特性硬、機端電壓超調(diào)較大、勵磁機勵磁電壓強勵時間長、勵磁電流一度達到強勵電流，甚至造成了勵磁機故障對機組的安全將產(chǎn)生一定危害[4-6]。

2 起勵邏輯研究以及修改方案

勵磁系統(tǒng)是通過勵磁調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，因此也是整個起勵過程最核心的控制調(diào)節(jié)部分。勵磁調(diào)節(jié)器主要由測量環(huán)節(jié)、PID 換算控制環(huán)節(jié)、附加控制環(huán)節(jié)以及脈沖放大環(huán)節(jié)等組成，如圖2-1 所示[7-8]。

圖2-1 自動勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部主要環(huán)節(jié)圖

根據(jù)給定電壓值，通過PID 算法控制，對測量電壓和機端電壓進行換算，根據(jù)差值調(diào)節(jié)勵磁電流大小，以調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組線圈磁場大小，不斷調(diào)節(jié)發(fā)電機機端出口電壓，使機端電壓達到給定值[9]。

在整個閉環(huán)控制環(huán)節(jié)中，勵磁電流調(diào)節(jié)始終會先于機端電壓響應(yīng)，其主要受PID控制速度，脈沖放大環(huán)節(jié)時間，可控硅換流時間等影響[10-13]。因此在建壓過程中當(dāng)勵磁電流先于機端電壓變化，勵磁系統(tǒng)在收到自動建壓指令后，延時20 ms將機端電壓引入軟起勵模塊，勵磁系統(tǒng)此時不會報勵磁限制。當(dāng)建壓過程初期勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部出現(xiàn)短時起勵條件不滿足的情況，導(dǎo)致其軟起勵功能失去，此時軟件邏輯將電壓給定值直接切換至自動建壓目標(biāo)值，導(dǎo)致硬起勵[14]。

針對此類事件，對ABB UN5000 起勵邏輯修改，增加INT 模塊，新增一個MULDIV 模塊，為避免在滅磁沒有完成時投勵磁，增加一個閉鎖邏輯。見圖2-2和圖2-3。

在圖2-2 起勵過程新邏輯中將積分器的輸出作為MULDIV模塊的MUL的輸入，將勵磁系統(tǒng)閉環(huán)控制的控制電壓12 110 作為MULDIV 的輸入，MULDIV 的輸出連接到5502，即將12 110 乘上積分器的輸出再除上 10 000（12507）后連接到5502。積分器的輸出是一個時間的函數(shù)，按照邏輯中所設(shè)定的參數(shù)，起作用是從起勵時刻開始，在4 s內(nèi)將輸出增大到10 000 并保持。整個起勵過程，前4 s，5502接收到的值將因為積分器輸出的影響而縮減，4 s 后，因為積分器的輸出已經(jīng)達到10 000，因此5502 接收到的值是實際的12 110 的值。新邏輯比之前邏輯優(yōu)越的地方在于整個過程中5502 接收到的值都是12 110 的值，只是在初始的4 s 內(nèi)該值被縮小。為了避免在系統(tǒng)逆變滅磁或跳閘后，機端電壓沒有完全降低到零時，再次投入起勵命令起勵，增加了一段閉鎖程序。圖2-3 中當(dāng)10308（EXC OFF）由0變1時，MONO模塊會被觸發(fā)，輸出一個有TP 設(shè)定脈寬的脈沖，邏輯中為10 s，該脈沖通過或門輸出到5335，在脈沖持續(xù)階段，閉鎖系統(tǒng)再次起勵。

圖2-2 起勵過程新邏輯

圖2-3 滅磁結(jié)束前閉鎖再起勵

對于原始斜坡邏輯使控制電壓Uc 漂移（開環(huán)），當(dāng)斜坡將控制權(quán)移交給AVR時，發(fā)電機可能已經(jīng)超過額定電壓，在此情況下，Uc 距離斜坡輸出太遠，沒有足夠的時間及時降低。特別是對于高初始磁場電流和一倍定子過電壓情況，通過上述方式優(yōu)化起機的勵磁邏輯，可以有效解決強磁起機時勵磁電流超額越限，機端過電壓問題。滅磁結(jié)束前閉鎖再起勵邏輯避免了勵磁機在起機過程中出現(xiàn)故障時，再次強行勵磁損壞設(shè)備問題。

3 結(jié)語

本文對一起ABB UN5000 勵磁系統(tǒng)起勵異常情況進行分析說明，通過對勵磁系統(tǒng)工作進行分析，提出一種新的起勵過程新邏輯以及滅磁結(jié)束前閉鎖再起勵方法，有效地解決相關(guān)勵磁系統(tǒng)異常起勵問題。為其它大型發(fā)電廠勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)同類型問題提供解決問題的經(jīng)驗指導(dǎo)，有效地改善了ABB UN5000 勵磁系統(tǒng)的可靠性，保證了發(fā)電機組以及電力系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行[15,16]。