基于UN5000 励磁起机过电压研究与优化

刘 瑞 韩 可 官 健

1.上电漕泾发电有限公司

2.江苏海宏电力工程顾问股份有限公司

0 引言

目前发电机组通常使用的励磁系统为静态励磁系统，其中ABB UN5000励磁在国内外使用尤为广泛。近几年国内电厂相继出现发电机空载建压时机端电压瞬时超过115%，发变组保护短时报过激励保护发信，甚至出现跳机现象，其中不乏大型火电机组甚至核电机组。

2019年7月21日23点44分，国内某电厂7号1 000 MW 机组UN5000 启动过程中，发电机空载建压时机端电压瞬时过压，发变组保护短时报过激励保护发信号，随后励磁系统逆变灭磁，机端电压没有完全降低到零时，再次投入起励命令起励，此时励磁电流值越限，励磁机内部发生短路故障，发电机保护动作，机组跳闸。针对该事件进行相关研究，提出一种新型起励逻辑，解决了建压过程持续时间短、特性硬、机端电压超调较大、励磁机励磁电压强励时间长、励磁电流一度达到强励电流，对机组安全有一定危害等问题，为以后相似故障提供快速处理的思路。

1 UN5000励磁起机过电压现象及分析

上述电厂发电机采用自并励励磁方式，其励磁系统原理图见图1-1，包含起励与灭磁、整流、自动励磁调节以及励磁变压器四个模块[1-3]。

图1-1 同步发电机自并励励磁系统原理图

该电厂机组正常启动过程中，其励磁电流、励磁电压以及机端电压如图1-2 所示，励磁电流在0.5 s 内短时升到机端正常额定电压所需的励磁电流55A左右,此时电压发生两次阶跃，励磁电流也随即下降，然后通过PID控制器调节励磁电流，10 s左右使机端电压缓慢上升到额定电压27 kV。

图1-2 同步发电机正常起励励磁调节图

2019 年 7 月 21 日该电厂 7 号机组 UN5000 异常起励时，其励磁电流、励磁电压以及机端电压见图1-3。

图1-3 同步发电机异常起励励磁调节图

从图1-3中可见，此次机组启动过程中励磁电流并没有在升到55 A左右时随即下降，而是持续上升且在0.5 s左右升到143 A 后才开始下降，在降低到阶段低点后随即在1 s左右上升到165 A，机端电压也通过PID 调节上升到30.2 kV 超过额定电压。励磁电流再次快速下降，随后沿一定斜率缓慢爬升直至164 A，但此阶段机端电压却在持续下降，励磁机判断该过程内部发生了短路故障，随即跳闸，励磁电流降为0 A，该全过程共持续18 s左右。

基于对图1-2 和图1-3 进行分析，可知图1-3在机组建压过程中励磁系统未能及时进入软启励过程，而是直接以自动建压目标电压预设值进行了空载电压阶跃，与正常空载建压情况相比（正常建压曲线见图1-2），其建压过程持续时间短、特性硬、机端电压超调较大、励磁机励磁电压强励时间长、励磁电流一度达到强励电流，甚至造成了励磁机故障对机组的安全将产生一定危害[4-6]。

2 起励逻辑研究以及修改方案

励磁系统是通过励磁调节器进行调节，因此也是整个起励过程最核心的控制调节部分。励磁调节器主要由测量环节、PID 换算控制环节、附加控制环节以及脉冲放大环节等组成，如图2-1 所示[7-8]。

图2-1 自动励磁调节器内部主要环节图

根据给定电压值，通过PID 算法控制，对测量电压和机端电压进行换算，根据差值调节励磁电流大小，以调节发电机转子绕组线圈磁场大小，不断调节发电机机端出口电压，使机端电压达到给定值[9]。

在整个闭环控制环节中，励磁电流调节始终会先于机端电压响应，其主要受PID控制速度，脉冲放大环节时间，可控硅换流时间等影响[10-13]。因此在建压过程中当励磁电流先于机端电压变化，励磁系统在收到自动建压指令后，延时20 ms将机端电压引入软起励模块，励磁系统此时不会报励磁限制。当建压过程初期励磁调节器内部出现短时起励条件不满足的情况，导致其软起励功能失去，此时软件逻辑将电压给定值直接切换至自动建压目标值，导致硬起励[14]。

针对此类事件，对ABB UN5000 起励逻辑修改，增加INT 模块，新增一个MULDIV 模块，为避免在灭磁没有完成时投励磁，增加一个闭锁逻辑。见图2-2和图2-3。

在图2-2 起励过程新逻辑中将积分器的输出作为MULDIV模块的MUL的输入，将励磁系统闭环控制的控制电压12 110 作为MULDIV 的输入，MULDIV 的输出连接到5502，即将12 110 乘上积分器的输出再除上 10 000（12507）后连接到5502。积分器的输出是一个时间的函数，按照逻辑中所设定的参数，起作用是从起励时刻开始，在4 s内将输出增大到10 000 并保持。整个起励过程，前4 s，5502接收到的值将因为积分器输出的影响而缩减，4 s 后，因为积分器的输出已经达到10 000，因此5502 接收到的值是实际的12 110 的值。新逻辑比之前逻辑优越的地方在于整个过程中5502 接收到的值都是12 110 的值，只是在初始的4 s 内该值被缩小。为了避免在系统逆变灭磁或跳闸后，机端电压没有完全降低到零时，再次投入起励命令起励，增加了一段闭锁程序。图2-3 中当10308（EXC OFF）由0变1时，MONO模块会被触发，输出一个有TP 设定脉宽的脉冲，逻辑中为10 s，该脉冲通过或门输出到5335，在脉冲持续阶段，闭锁系统再次起励。

图2-2 起励过程新逻辑

图2-3 灭磁结束前闭锁再起励

对于原始斜坡逻辑使控制电压Uc 漂移（开环），当斜坡将控制权移交给AVR时，发电机可能已经超过额定电压，在此情况下，Uc 距离斜坡输出太远，没有足够的时间及时降低。特别是对于高初始磁场电流和一倍定子过电压情况，通过上述方式优化起机的励磁逻辑，可以有效解决强磁起机时励磁电流超额越限，机端过电压问题。灭磁结束前闭锁再起励逻辑避免了励磁机在起机过程中出现故障时，再次强行励磁损坏设备问题。

3 结语

本文对一起ABB UN5000 励磁系统起励异常情况进行分析说明，通过对励磁系统工作进行分析，提出一种新的起励过程新逻辑以及灭磁结束前闭锁再起励方法，有效地解决相关励磁系统异常起励问题。为其它大型发电厂励磁系统出现同类型问题提供解决问题的经验指导，有效地改善了ABB UN5000 励磁系统的可靠性，保证了发电机组以及电力系统的可靠稳定运行[15,16]。