解 兵， 徐 珂， 羅凱明，劉建坤， 周 前

( 1. 國網(wǎng)海上風電并網(wǎng)聯(lián)合實驗室(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院)，江蘇 南京 211103； 2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司調度控制中心，江蘇 南京 210024)

0 引言

低勵限制是勵磁調節(jié)器的一項重要功能，其目的是避免無功功率降低過多引起失步[1-4]。早期，低勵限制是根據(jù)機組的靜穩(wěn)極限、端部熱穩(wěn)定、機端電壓及失磁保護定值情況進行整定[5-6]，文獻[7]則要求低勵限制定值在機組進相能力范圍內整定，確保機組達到進相能力之前低勵限制動作，限制機組進一步進相。此外，近年來電網(wǎng)在低負荷期間的無功形勢越來越嚴峻，需要機組盡可能發(fā)揮進相能力[8-10]。因此，低勵限制整定應在機組進相能力曲線之上，且盡可能接近機組進相能力曲線，滿足電網(wǎng)對機組進相的需求。

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

文中針對UNITROL5000勵磁系統(tǒng)兩種不同軟件版本勵磁調節(jié)器開展低勵限制動作特性研究，在此基礎上提出動作值接近進相能力為目標的低勵限制整定方法，并通過失磁保護校核，使得低勵限制實際動作值與實際進相能力接近，且與失磁保護配合合理。

1 UNITROL5000低勵限制動作特性

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

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

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

圖1 A型低勵限制PID控制原理Fig.1 The control principle of type A excitation regulator′s proportion integral derivative

圖中：Q1—Q5為低勵限制的整定值；Q0為當前有功對應的低勵限制定值；U為當前運行電壓；IQ為當前無功電流分量；IP為當前有功電流分量；Xq為交軸同步電抗；k為低勵限制器增益；OPID為低勵限制PID輸出值，由圖1的控制原理推導出式(1)：

(1)

從式(1)看，Xq是固定的值，IQ與無功Q、電壓U相關，因此PID輸出值OPID只與U，P，Q以及k4個影響因素相關。為進一步了解單個影響因素對OPID的影響，文中以某臺百萬千瓦機組為例開展分析，該機組參數(shù)如下：SN=1167 MV·A，UN=27 kV，Xq=2.74 p.u.。先針對4個影響因素其中3個設定初始值，只改變1個定值，計算OPID分別為1.4%和0.4%時對應的無功數(shù)值Q，分別記作動作時無功和上抬后無功，并畫出曲線圖。其中影響因素Q0改變時，為明確反映無功動作值和定值的偏差情況，將此時的橫坐標改為無功偏差，即Q-Q0。文中設定的4個影響因素的初始設定值分別為：U=26 kV，k=1.5，P=500 MW，Q0=-100 Mvar，計算得出不同影響因子下低勵限制動作的無功情況，如圖2所示。其中圖(a)，(b)，(c)中藍線為動作時無功，紅線為上抬后無功；圖(d)中藍線為動作時無功偏差，紅線為上抬后無功偏差。

圖2 不同影響因素低勵限制動作時無功特性Fig.2 Action characteristics of low excitation limiter with different influence factors

從圖2看出，隨著有功增大，低勵限制動作值降低，到0.9 p.u.時，無功需降至-151 Mvar低勵限制才動作，動作后無功上抬至-105.5 Mvar；隨著機端電壓增大、增益減小，實際低勵限制動作的值卻在不斷降低；隨著低勵限制定值降低，實際低勵限制動作與定值的偏差值增加，可見，低勵限制定值越低，低勵限制越容易提前動作。

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

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

(2)

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

圖4 不同影響因素低勵限制動作時無功特性Fig.4 Action characteristics of low excitation limiter with different influence factors

從圖4看出，低勵限制動作值隨著不同影響因素變化而變化，趨勢跟之前版本A型勵磁調節(jié)器一致，但動作值相對于A型勵磁調節(jié)器提前了，接近于動作后上抬后的無功情況，而B型勵磁調節(jié)器低勵動作后，無功保持穩(wěn)定。

2 UNITROL5000低勵限制整定方法

2.1 當前低勵限制整定方法

根據(jù)行業(yè)標準，低勵限制整定成為發(fā)電機進相試驗的一部分，且要求在實測的進相能力范圍內，整定低勵限制曲線。UNITROL5000低勵限制定值由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。整定低勵限制參數(shù)時，只能改變無功部分數(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。

一般機組開展進相試驗時，有功工況分別為額定有功PN的50%，75%，100%，而低勵限制的有功定值是視在功率SN的0，25%，50%，75%和100%，與試驗有功不一致，需要通過插值計算出定值。假設進相試驗時，機組在額定有功的50%，75%，100%時的進相能力分別為Q50%P，Q75%P，Q100%P，低勵限制在視在功率的0，25%，50%，75%和100%時的定值分別為Q1，Q2，Q3，Q4，Q5。首先根據(jù)試驗工況中75%PN和100%PN時進相能力曲線計算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時進相能力計算25%SN和50%SN下的定值，如式(5)、式(6)所示。0時的定值設置成與25%SN時定值一致，即：Q1=Q2。

(5)

(6)

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

2.2 優(yōu)化的低勵限制整定方法

通過當前低勵限制整定方法，能保證低勵限制定值組成的曲線與機組進相能力曲線盡可能接近。但勵磁調節(jié)器動作值與整定值存在偏差，導致發(fā)電機組實際進相運行時，會因為低勵限制提前于定值而動作，從而導致機組無法充分發(fā)揮機組進相運行能力。如春節(jié)期間，江蘇電網(wǎng)某機組未進相至定值曲線就發(fā)生低勵限制經常性動作，同時電壓長期超上限運行。由于A型勵磁調節(jié)器低勵限制動作后有一個無功上抬過程，加劇了無功波動，不利于運行控制和進相能力穩(wěn)定發(fā)揮，建議針對這部分勵磁調節(jié)器進行軟件升級，更新為B型勵磁調節(jié)器，使得低勵限制動作后無功保持穩(wěn)定。

為實現(xiàn)動作值跟發(fā)電機進相能力接近，應先根據(jù)發(fā)電機進相能力算出動作值，再根據(jù)動作值以及進相試驗時機端電壓實際值等計算出整定值。對于UNITROL5000勵磁調節(jié)器，可根據(jù)式(3—6)算出對應5個有功的動作值，然后根據(jù)式(7)算出定值。

(7)

式中，IP和IQ可通過對應的P和Q除以U獲得。

2.3 低勵限制與失磁保護的配合

一般情況下，開展進相試驗時已經針對進相試驗的方案工況進行失磁保護校核，試驗時獲得的機組進相能力已經事實證明不會引起失磁保護動作。由于低勵限制曲線整定后使得動作值與機組進相能力接近，因此可認為，低勵限制曲線在試驗有功工況范圍內滿足與失磁保護配合的要求。然而，低勵限制整定的有功區(qū)間為[0，SN]，而進相試驗時有功區(qū)間為[50%PN，100%PN]，低勵限制整定的范圍要大于試驗范圍，為確保整條低勵限制曲線與失磁保護相配合，仍需開展失磁保護校核工作，尤其需要關注0和25%SN時的校核情況。

對于隱極機，發(fā)變組的失磁保護的定值一般由2個定值組成，在電阻-電抗平面(R-X平面)上體現(xiàn)為一個阻抗圓，如圖5所示。目前大部分發(fā)變組失磁保護根據(jù)異步阻抗圓整定，當機組運行時的阻抗進入阻抗圓內時，失磁保護動作[14-18]。假設失磁保護定值分別為X1和X2，X1和X2是2個數(shù)值小于0的定值。

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

開展失磁保護校核時，根據(jù)低勵限制定值確定的有功、無功及進相運行時的機端電壓計算不同工況的阻抗值，計算公式如式(8)所示。

(8)

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

(9)

如果低勵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，需要相應調整低勵限制定值，滿足與失磁保護配合的問題。

3 實例分析

某600 MW機組勵磁調節(jié)器為B型勵磁調節(jié)器，該機組參數(shù)：SN=684 MV·A，UN=20 kV，cosφ=0.95，Xq≈Xd=2.155 p.u.。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，3個有功工況325 MW，490 MW，650 MW對應的進相能力分別為：-226 Mvar，-170 Mvar，-75 Mvar，進相至最深時，機端電壓均降至95%UN以下。

根據(jù)公式(3—6)可計算出低勵限制對應的5個有功點最貼近進相能力曲線的無功值。假設初始定值根據(jù)這個無功值來確定，則不同有功點的初始定值則為對應的無功值除以額定容量。由于勵磁調節(jié)器的動作偏差，根據(jù)進相試驗時電壓值，通過公式(2)計算出在當前定值下PID輸出值，根據(jù)動作特性推算出不同有功的動作值，計算結果如表1所示。

表1 低勵限制定值及對應動作值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限制定值后，實際機組在不同有功下的動作值均提前于進相能力曲線，不利于機組進相能力的充分發(fā)揮。

根據(jù)優(yōu)化算法，將接近進相能力曲線的無功值作為動作值，并以進相時的實際電壓進行計算，根據(jù)式(7)計算出優(yōu)化后的低勵限制定值(Q優(yōu)化定值1)，再針對優(yōu)化后的定值進行失磁保護核算。該機組失磁保護定值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 低勵限制優(yōu)化定值及計算結果Tab.2 The optimized low excitation limiter setting value and calculation results

由于0工況時半徑值小于1.05倍阻抗圓半徑值，需要針對有功為0時的定值進行調整，使之與失磁保護配合。調整時，取P=0，將式(9)取等號，計算無功值及對應定值，并記為優(yōu)化定值2。該定值與失磁保護配合合理，且該定值下動作值與機組進相能力更接近。

4 結語

針對UNITROL5000勵磁調節(jié)器低勵限制的動作值和整定值存在較大偏差、不利于電網(wǎng)低負荷期間機組進相能力發(fā)揮的問題，文中詳細分析ABB UNITROL5000勵磁調節(jié)器兩種類型的低勵限制動作特性，提出動作值接近機組進相能力為目標的整定方法，并根據(jù)機組失磁保護定值進行低勵限制校核，最后通過實例驗證方法的可行性。結果表明，通過該方法整定ABB勵磁調節(jié)器的低勵限制定值，既滿足與失磁保護配合，又能夠充分發(fā)揮機組實際進相運行能力。該整定方法可為工程實際中同類型勵磁調節(jié)器的低勵限制定值的合理整定提供參考。