ABB-UNITROL5000调节器在百万机组中的应用

ABB-UNITROL5000调节器在百万机组中的应用沈校（江苏南通电厂江苏南通226003）(JiangsuNantongPowerPlantNantongJiangsu226003)摘要：本文介绍了ABBUNITROL5000励磁调节器在江苏南通电厂1050MW机组中的应用。关键词：UNITROL5000、励磁调节UNITROL5000是瑞士ABB公司于1999年在上一代产品（UNITROLF和UNITROLP）的基础上研制开发的新型的励磁调节器。该调节器不仅保留了上一代产品的先进技术，例如：ARCnet网络技术，也增加了各种新型技术，例如：可控硅整流桥动态的、智能化的均流、低残压快速起励，以及完善的通讯功能和多种调试手段，如Windows界面的应用程序编程（GAD开发工程工具）的软件包以及CMT或ECT调试和维护工具包。江苏南通电厂（以下简称苏通厂）2×1050MW超超临界燃煤发电机组，为单元制结构，发电机为上海电气集团股份有限公司引进西门子公司技术制造隐极式、三相同步汽轮发电机，励磁系统为三机无刷励磁，发电机出口电压27kV，励磁调节器为ABB生产的UNITROL5000型数字励磁调节器。UNITROL5000经过十几年的应用，已经日臻完善，下面就其功能进行一个简要的介绍。1.系统概述图1是苏通厂励磁机的基本布置。永磁副励磁机产生三相交流电，通过AVR整流和控制提供一可变的直流电流给主励磁机励磁。在主励磁机转子感应的三相交流电经旋转整流桥整流后，通过转轴内的直流引线提供给发电机转子绕组。图1：旋转二极管无刷励磁系统（系统示意图）在三机励磁中，励磁电源取自永磁机。同步发电机的磁场电流经由G10、G20励磁调节器，主励磁机，旋转整流二极管供给。可控硅整流器G10、G20将交流电流转换成受控的直流电流。并网后，励磁系统可以在AVR模式下工作，调节发电机的端电压和无功功率，或者可以在一种叠加的模式下工作，如恒功率因数调节、恒无功调节等（上述两种调节方式主要用于水电厂）。此外，它也可以接受电厂的成组调节指令。灭磁设备的作用是将磁场回路断开并尽可能快地将磁场能量释放掉。灭磁回路主要由磁场断路器Q02、灭磁电阻R02和晶闸管跨接器F02（以及相关的触发元件）组成。苏通厂的励磁调节器采取双通道（G10和G20）的结构，如图2所示。一个通道主要由一个控制板（COB）、测量单元板（MUB）、高起始响应板（HGC）、冷却风扇等构成，形成一个独立的处理系统。每个通道含有发电机端电压调节、磁场电流调节、励磁监测/保护功能和可编程逻辑控制的软件。除励磁调节器外，一些接口电路如快速输入/输出（FIO）模块也被用来提供测量和控制信号的电隔离。UNITROL5000还具有强大的串行通讯功能。一方面，它可以通过串行通讯实现与电站监控系统的接口，支持Modbus,Modbus+和Profibus等协议。另一方面，在励磁系统内，控制和状态信号的交换是通过ARCnet网实现的。磁场断路器跳闸回路还附加了硬件回路。图2苏通厂UNITROL5000励磁系统原理图2.UNITROL5000励磁调节器2.1.总述苏通厂的励磁调节器型号为：A5T-O/C7P3-A250，含义分别是：A：双自动通道，每一个通道含手动控制；5：UNITROL5000系统；T：1+1冗余，100%冷备用；O：无附加功能；C7：整流桥型号；P：永磁发电机；3：整流器电源是3相的；A：低电压侧为交流开关；250：灭磁开关的额定电流。2.2.配置UNITROL5000型励磁调节器的核心是一块被称作COB的控制板。所有的调节和控制功能以及脉冲生成等均由COB实现。此外，还有一块带数字信号处理器（DSP）的测量单元板（MUB），用于快速处理实际的测量值。这两块板按上下层结构安装，并装入一个金属箱中，形成一个独立的调节通道。在这样的配置中，用一个扩展的高起始门极控制器用于磁场电流调节。两个通道是完全独立的，可以在线维护。一个通道运行时，另一个通道实时跟踪，若有故障，可以做到快速无扰切换。采用了诸如快速I/O卡等接口装置，用于电气隔离和信号转换。这些接口装置一般都放置在信号源相近的位置。励磁系统内的信号处理，若无需实时处理，则通过ARCnet网执行。2.3.主要的控制单元控制板（COB）COB(控制板)是系统的中央处理单元（图3）。它包括顺序控制软件，所有的控制回路（调节器）以及保护和监控功能。另外，所说的门极控制单元也包含在控制板中，用来产生并服务于功率整流桥的触发脉冲。在正常运行下，所有的参数值都存储在随机存储器（RAM）中。若需永久性保存，应用闪存（ROM）进行存储。在COB中集成了自动电压调节、各种限制、保护和控制功。COB所使用的CPU是增强型的微处理器AN80186AM，在32MHZ时钟下工作。一个专用的集成芯片（ASIC）负责交换和储存数据，控制脉冲生成、A/D和D/A转换以及与励磁系统内的其它装置接口（ARCnet网络控制器）。COB支持与本地控制单元（LCP）、手持编程器（SPA）、CMT和ECT工具的通讯。此外，它提供串行端口，具有自诊断功能（看门狗）。为了便于快速诊断和故障查找，COB配有一个七段数码显示管。图3COB板信号测量单元板（MUB）MUB板（信号测量单元板）是用来测量电机定子参数值的（图4）。MUB板由数字信号处理器（DSP）和IntelDSP56303构成。它能提供对实际测量值的快速处理、电气隔离以及信号转换。三相电机的电压和电流可以直接测量到。其他参数值：如有功功率、无功功率、频率和电流、电压的RMS值等需要通过这些信号量计算而来。同时还可以测量单相电机的数据值。还可以利用两个附加的输入值来感应连接线的电压和电流。MUB板也包含其他一些附加功能来提高信号处理速度，像：电力系统稳定器（PSS）及间接励磁系统中的旋转一级管监控功能。另外，还有电压互感器PT的监控功能。图4MUB板高起始响应板（HGC）在高起始响应板（HGC）上（图5），可产生用于静态整流器的触发式脉冲，并不断增大，最大限度地供给可控硅。三相静态整流器供电的频率因电源100Hz到500Hz不等而不同，苏通厂为400Hz。高起始响应板由6个计算触发角度的微型控制器和一个可编程的逻辑程序组成，该逻辑编程用于控制3相(6个脉冲)整流桥，带有6个输出段。图5HGC板快速输入输出板（FIO）FIO（快速输入输出）装置是双态模拟信号的集中式输入输出装置，图6。它用于连接励磁系统内的低压设备(例如，继电器，回路短路器等)。来自控制室的远程操作信号也通过FIO传输。FIO提供快速数据传输。不像其他连接到ARCnet(AII,DII,ROI)的输入输出设备，它直接连接COB板，并且传输数据延时不超过5ms。在双通道系统中，两个控制通道使用一个公共快速输入输出板FIO。仅占线通道能激励快速输入输出板FIO输出。为了提高的快速输入和输出的数量，最多2个快速输入输出板FIO可以并联使用。图6FIO板3.电压调节、监测和保护功能这部分介绍UNITROL5000的主要控制功能。3.1.概述自动电压调节器（AVR）的主要目的是精确地控制和调节同步发电机的端电压和无功功率。为了实现这个目的，磁场电压必须快速地对运行条件的变化作出反应，即响应时间不超过几毫秒。为此需要一个快速的控制器，它应当不断地将给定值与反馈值进行比较，在尽可能短的时间内进行调节计算，最终去改变可控硅整流器的触发角度。UNITROL5000型励磁调节器的调节周期相当之短，相对于模拟式励磁调节器而言，其延迟是可忽略的。调节计算完全由软件实现。模拟量信号如端电压和电流，通过模/数转换器被转换成数字信号，模/数转换器是测量单元板（MUB）的一部分。给定值及其上下限也是由软件实现的。3.2.发电机电压给定和调节给定调节利用数字输入命令或模拟输入信号或者通过串行通讯线路，可控制AVR给定值的增、减或预置。电压偏移时间，在上下限之间是可调整的，与控制点值范围无关。有功和无功功率补偿为了补偿由单元变压器和/或传输线路上的有功或无功功率引起的电压降，将与静态的有功功率和无功功率成正比的信号叠加到发电机电压给定值。同时，为了保证多台并联运行的发电机组之间的无功功率合理分配，还必须附加调差功能，具体实现方法是将发电机电压给定值减去与静态无功功率增加成正比的信号。功率补偿范围和调差范围在-20%和+20%之间，且是可调的。V/Hz限制器软起励功能是为了在起励时防止机端电压超调。励磁接收到开机令后即开始起励升压，当机端电压大于10%额定值后，调节器以一个可调整的速度逐步增加给定值使发电机电压逐渐上升直到额定值。自动跟踪自动跟踪功能保证了从自动电压控制模式（AUTO）到磁场电流调节模式（MANUAL）的平稳切换。切换可能是由于故障引起的自动切换（如PT断相）或人工切换。在单通道系统中，AVR的控制信号与FCR的控制信号之间的差值被用作调节器的跟踪控制。在双自动通道配置中，跟踪通常是指两个独立的自动通道之间的跟踪，跟踪信号来源于运行通道控制信号和备用通道控制信号的差值。若两个通道都不能正常工作时，励磁系统就会发出跳闸命令。限制器的优先权限制功能的优先权是指过励限制或欠励限制的优先权。为了避免两个限制器同时处于激活状态（只有在故障情况下才会出现），可设定一个优先标志，选择哪组限制器（过励限制或欠励限制）先起作用。PID控制PID控制器的输入是实际值和给定值之差。PID控制器的输出电压，即是所谓的控制电压作为门极控制单元的输入信号。PID控制器的调节参数可以在两组设定值中自动选择，这取决于哪个限制功能是有效的。这有助于同步发电机的瞬时稳定性。3.3.限制器功能限制器的目的是维护发电机的安全稳定运行，以避免由于保护继电器的动作而出现的事故停机。图7给出了在额定端电压下凸极同步发电机的典型功率圆图及对应的运行限值。图7典型的凸极同步发电机功率圆图UNITROLR5000励磁系统提供下述限制功能：过励限制最大磁场电流限制器；定子电流限制器（过励状态下）。欠励限制P/Q限制器；定子电流限制器（欠励状态下）；最小磁场电流限制器。限制器工作原理所有限制器都有一个实际值和一个预置值，实际值代表被限制的数值，而限制器应在预置值处激活(即起作用)。每个限制器都产生一个误差信号△，来源于实际值和预置值之间的差值。当过励限制器起作用时，它将把励磁减小到最大允许的水平上，而当欠励限制器起作用时，它将把励磁增加到所需要的最小水平上。在正常运行过程中，发电机在功率图的允许范围内工作。具有反时限特性的最大磁场电流限制器最大磁场电流限制器用于防止转子回路过热。它主要有两个不同的设定值，一个是强励顶值电流限制值，另一个是连续运行允许的过热限制值。过热限制附加两个控制参数分别代表转子过热和冷却的等效时间。定子电流限制器这个限制器在过励和欠励运行范围内防止发电机定子绕组过热。它的工作原理与最大场电流限制器的工作原理相似。在工作中的主差值与峰值极限（最大定子电流）的设定值有关，没有一个确定的值。理论上，限制曲线对于工作时间接近于零来讲可能达到一个无限大值。通过适当的确定参数，可以获得反时限特性，接近于定子绕组的最大允许的热能。P/Q限制器P/Q限制器本质上是一个欠励限制器，用于防止发电机进入不稳定运行区域。可以用五个无功功率值对应五个有功功率水平(P=0%，P=25%，P=50%，P=75%，P=100%)来设定限制曲线。限制曲线与发电机的电压水平有关，发电机电压变化时，限制特性随之偏移。4.结语自苏通厂两台1050MW的机组投运以来，UNITROL5000励磁调节器一直都运行正常。该型号调节器作为世界先进水平的励磁系统，在励磁控制领域内，率先使用了许多新技术和新器件，创新点非常多，整套系统无论从硬件、软件还是工艺结构设计方面，均有很多自己独到的特点，故自推向市场以来，以其可靠稳定的运行，先进的设计方法和理念赢得了国内众多用户。限于篇幅，在本文仅对其设计方面的一些特点作一简单分析介绍，其所采用