MEC5230自動勵磁調節器在華能玉環電廠的應用

ApplicationoftheMEC5230modelAutomaticExcitationRegulatorofHuanengYuhuanPowerPlant

摘要：本文詳細介紹了三菱公司的MEC5230型勵磁調節器的基本功能，結合試驗及使用情況，分析了該調節器的特性。Abstract:ThisthesisintroducesthebasicfunctionoftheMEC5230modelAutomaticExcitationRegulatorofMitsubishiElectricCorp..Combinewiththetestandapplication,analyzesthecharacteristicoftheRegulator.關鍵詞：

自動;勵磁;調節器;華能;玉環;應用Keywords：

Automatic;Excitation;Regulator;Huaneng;Yuhuan;Application華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT華能玉環電廠規劃設計為4×1000MW超超臨界燃煤發電機組，是我國“十五”期間重點項目。是國家“863”計劃中引進超超臨界機組技術，逐步實現國產化的依托工程。發電機組是由上海汽輪發電機廠和西門子聯合設計制造的水氫氫冷卻、無刷勵磁汽輪發電機組。本項目于2004年5月開工，2006年11月和12月#1、#2機組分別正式投產發電，目前機組運行良好。發電機參數：額定電壓Vn=27kV,額定容量Sn=1112MVA,額定電流In=23778A，額定功率Pn=1000MW,功率因素cosφ=0.9，轉子電壓Ufn=437V，轉子電流Ifn=5887A，空載額定轉子電壓Uf0=144V，空載額定轉子電流If0=1952A，強勵倍數1.8，強勵時間20s。主勵磁機數據：額定功率4500kW,額定電壓600V,額定電流7500A，頻率150Hz。永磁機數據：額定容量65kVA,額定電壓220V,額定電流195A，頻率400Hz。華能玉環電廠介紹

IntroductionofHuaneng

YuhuanPowerPlant華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT一、勵磁系統介紹

IntroductionofAVR發電機采用有輔助勵磁機的無刷勵磁系統,由永磁副勵磁機、主勵磁機、旋轉整流器、調節器等構成。調節器采用日本三菱公司生產的MEC5230型數字式自動勵磁調節器，另外配置一套手動勵磁調節器作為自動勵磁調節器的后備調節方式。采用無刷勵磁系統具有下列優點：（1）結構緊湊；（2）沒有滑環和炭刷，不需要進行這方面的維護工作，也不會因此發生故障，運行的可靠性提高了；（3）因為沒有炭粉和銅末引起電機繞組污染，故絕緣的壽命較長；（4）由于無滑環、炭刷，所以即使周圍環境中有易燃氣體存在，也不會因整流子、滑環和炭刷間產生火花而造成事故。因此，適于在條件較惡劣的環境中運行。但無刷勵磁系統取消了滑環和炭刷后也帶來了一些新問題，包括要求半導體元件的可靠性高，無法直接測量轉子電流、電壓及溫度，必須采用間接的特殊測量手段等。同時，由于無刷勵磁系統不可能采用常規的滅磁方法（即在發電機勵磁回路設置滅磁開關和滅磁電阻），所以快速滅磁一直未能得到很好的解決。華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT二、勵磁系統模型

ExcitationsystemtransferfunctiondiagramMELCO模型華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT三、調節器功能介紹

FunctionofAVR日本三菱公司1993年投運了MEC5000型系列微機勵磁調節器，采用32位微處理機的CPU卡，結合自行研制的專用控制板組成，具有結構緊湊、可靠性高的優點。調節器采用PID+PSS控制方式，各種控制、限制功能比較完善，裝置整體制造水平較高。在日本的核電站中應用廣泛。華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT1、裝置構成

StructureofAVR整套勵磁調節器由兩面柜組成柜1內為調節器的控制回路，包括直流電源單元、同步變壓器單元、維護面板（觸摸屏）、CPU單元、輔助PT和CT單元等，所有的單元均為雙重化配置。CPU單元由6種卡件組成，包括有CPU卡、實時跟蹤卡、模擬量輸入卡、觸發脈沖板、數字量輸入/輸出卡、電源卡，均為雙重化配置。與傳統意義上的整套調節裝置雙重化不同，采用的是卡件配置雙重化，除實時跟蹤卡外以，其余卡件均為2塊，位于同一層機箱內，兩塊卡件之間互為備用，工作卡件出現故障后，自動切換至備用卡件。

這樣，即使有不同類型的兩塊卡件同時出現故障，CPU單元也可以正常工作。柜2內為勵磁主電源回路，包括勵磁接地檢測器單元、可控硅整流橋單元（3個）、磁場斷路器。華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT2、工作方式

ModeofAVR（1）電壓恒定方式(VoltageConstant)

這種方式也稱為“自動方式”。合上磁場斷路器后，發電機機端電壓自動升至額定值（也可以進行設定）。在這種方式下，調節器自動保持發電機的機端電壓在額定值。（2）勵磁恒定方式(FieldConstant)

這種方式也稱為“手動方式”。在這種方式下，勵磁電流隨著運行人員的增/減磁操作而變化。（3）后備手動操作方式(BackManualOperation)

當2塊CPU卡件均出現故障時，通過外部的增/減磁命令可進行勵磁調節。由于玉環電廠配置了一套手動勵磁調節器作為AVR的后備調節方式，2塊CPU卡件均出現故障時會自動切換到手動柜運行，本后備手動操作方式不使用。華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT3、基本限制功能

BasiclimitfunctionsofAVR（1）低勵限制功能MEL（MinimumExcitationLimiter）

MEL的作用是保護發電機不會因欠勵磁運行而失去穩定。自動勵磁調節器檢測到MEL的條件滿足時，程序中的下限限制器（即VAMIN）從-10pu變為正值以增加勵磁。MEL的曲線可以根據實際需要選擇直線特性或圓特性。如圖1所示。圖1華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT（2）過勵限制/保護功能OEL/OEP

（OverExcitationLimiter/Protection）過勵限制/保護功能作用是防止勵磁繞組過熱。如圖2所示，其動作曲線是反時限的，位于發電機勵磁繞組的過熱允許曲線以下。當OEL的延時時間達到后，裝置會發出報警，同時AVR中正側的限制器被限制住，以防止勵磁電流超過額定值。當勵磁電流小于額定勵磁電流的95%時，OEL報警和限制器自動復位。裝置里可以設定有載和空載兩組OEL定值，以滿足不同的運行方式。當OEP-1的延時達到時，裝置發出報警，同時AVR的運行方式自動轉換為手動方式。當OEP-2的延時達到時，裝置發出報警，同時機組跳閘。圖2華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT3、基本限制功能

BasiclimitfunctionsofAVR（3）電壓頻率限制/保護功能VFL/VFP(VoltageperFrequencyLimiter/Protection)電壓頻率限制/保護功能的作用是防止發電機、主變等設備過激磁。如圖3所示。它檢測發電機的電壓頻率比值，如果比值超過設定值，VFL功能向自動設定點發出減勵磁信號并報警。VFP-1/2功能可發出報警并輸出跳閘命令。圖3華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT3、基本限制功能

BasiclimitfunctionsofAVR（4）瞬時過流限制功能ICL（InstantCurrentLimiter）用于保護勵磁繞組瞬時過電流。如果勵磁電流超過設定點（I段限制），調節器將勵磁電流降低至額定電流并輸出報警。如果勵磁電流超過設定點（Ⅱ段限制），磁場斷路器跳閘。（5）定子電流限制功能SCL（StatorCurrentLimiter）調節器監視發電機的定子電流，當超過105％的額定電流時，通過改變電壓設定值，減少無功功率，將功率因數控制到1.0附近，從而將發電機電流限制在額定范圍內。華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT3、基本限制功能

BasiclimitfunctionsofAVR4、附加功能

AdditionalfunctionsforAVR（1）線路電壓降補償功能LDC(LineDropCompensator)圖4如果按圖4所示連接發電機，如果發電機無功功率滯后，由于主變壓器電抗的影響，系統電壓會有所降低。LDC功能用于補償此電壓降。如果滯后的無功功率增加，補償信號（）將加到自動電壓設定點上，LDC功能將提高發電機的電壓。華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT（2）交叉電流補償功能CCC（CrossCurrentCompensator）圖5該功能在國內又叫無功調差（率）功能。如果按圖5所示連接發電機，如果每臺發電機的電壓設定值不同，發電機之間會有交叉電流流過。CCC功能用于補償此交叉電流。如果滯后的無功功率增加，自動電壓設定點上會減去補償信號（），CCC功能將降低發電機的電壓。華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT4、附加功能

AdditionalfunctionsforAVR（3）電力系統穩定器功能PSS（PowerSystemStabilizer）

PSS的作用是向AVR回路提供一個補充控制信號，以提高電力系統的動態穩定性。（抑制電網振蕩的）電力功率信號被用作PSS的輸入信號。如圖6所示。圖6華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT4、附加功能

AdditionalfunctionsforAVR（4）自動無功/功率因數調節功能AQR/APFR(AutomaticQ/PowerFactorRegulator)

如圖7所示，AQR/APFR功能通過調整自動電壓給定值（90R），可以將Q（無功功率）/PF（功率因數）控制在恒定值。

AQR和APFR（a=0，b）的定值設定、投入或退出均可以在AVR柜上的維護面板觸摸屏上進行。圖7華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT4、附加功能

AdditionalfunctionsforAVRAVR具有以下的保護功能：（1）勵磁回路過電壓保護OVP（OverVoltageProtection）

在調節器的輸出端接了一只直流電壓繼電器，當直流電壓超過定值時，可延時動作于發信或跳閘。（2）發電機勵磁接地檢測器（GeneratorFieldGroundingDetector）如圖8所示，通過測量滑環，將發電機勵磁線圈的一極和大軸（接地點）引接至AVR柜，再通過專用的測量回路就可以測量出發電機勵磁繞組的對地電阻值。阻值低于設定值時，動作于信號或跳閘。5、保護功能

Functionofprotection圖8華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT（3）勵磁機勵磁接地檢測器（ExtiterFieldGroundingDetector）如圖9所示，通過專用的測量回路直接測量調節器的輸出對地之間的絕緣電阻值。阻值低于設定值時，動作于信號或跳閘。圖9華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT5、保護功能

Functionofprotection當外部觸發條件滿足時（如磁場斷路器異常分閘），通過實時跟蹤卡件，AVR可以記錄16點的故障信息。6、錄波功能

Eventrecorderfunction華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT四、調試過程

Testprocedure1、靜態測試項目（Itemsofstatictest）（1）可控硅整流回路輕負載試驗（ThyristorRectifierLight-loadTest）試驗接線如圖10所示。在維護面板觸摸屏上可選擇輕負載試驗模式，然后設定不同的手動勵磁給定值，通過記錄磁場電壓來檢查可控硅整流回路工作是否正常。圖10華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT（2）保護功能試驗（Protectionfunctiontest）使用試驗儀器加入各種模擬量，分別校驗OEP、ICL、VFP等保護的動作情況，均動作良好。2、空載試驗項目(TestsperformedduringgeneratorNo-loadoperation)

主要進行了以下幾個項目的測試工作：（1）短路試驗(Shortcircuittest)（2）手動方式下的發電機空載升壓試驗

(Generatorvoltagebuilduptest--FieldConstant)（3）手動方式和自動方式雙向切換試驗

(FieldConstant--VoltageConstantChangeOverTest)（4）階躍響應試驗(Stepresponsetest)（5）過勵限制（OEL）試驗(OELtest)（6）電壓頻率限制(VFL)試驗(Volt/HertzLimitertest)（7）自動方式下的發電機空載升壓試驗(Generatorvoltagebuilduptest--VoltageConstant)（8）通道（卡件）切換試驗(Channelchangeovertest)（9）AVR至手動調節柜切換試驗(Manualcubiclechangeovertest)（10）滅磁試驗(Excitationextinguishtest)（11）勵磁系統建模試驗(PSSmodeltest)華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT四、調試過程

Testprocedure通過對模型進行空載階躍仿真計算并與現場實測結果對比，以檢驗該模型參數的可信度。進行發電機空載10%、5%給定階躍響應的現場實測，結果見表1。和仿真計算結果進行了比較，證明三菱公司所提供的模型參數具有良好的可信度，可供電力系統仿真計算使用。表1華能玉環電廠1號機空載電壓給定階躍響應試驗通道階躍量超調量最大值時間上升時間振蕩次數實測+10%19.4%0.760.46s1.5次詳細模型仿真+10%17.0%0.790.47s1.5次實測+5%25.1%0.730.44s1.5次詳細模型仿真+5%17.0%0.790.461.5次華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT四、調試過程

Testprocedure3、帶載試驗項目(TestsperformedduringgeneratorOn-loadoperation)

依次進行了以下幾個項目的測試工作：（1）低勵限制（MEL）試驗（MELtest）玉環電廠的MEL限制曲線使用的是圓弧類型曲線，分別在800MW、1000MW進行了低勵試驗，試驗結果和計算結果一致。

（2）PSS整定、校核及反調試驗（PSStest）PSS模型如圖11所示：圖11華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT四、調試過程

Testprocedure經試驗確定了PSS的整定參數后，進行了有無PSS階躍響應試驗，以檢驗PSS的作用。分別在PSS退出和投入的情況下，進行±4%的階躍響應試驗，記錄機端電壓Ug、有功功率P和無功功率Q的動態過程，見圖12～15。分析數據見表2。表2PSS投入前后機組工況條件Vt(kV)Q(MVar)PSS退出+4%階躍前26.1074.32+4%階躍后27.12225.94PSS投入+4%階躍前13.3770.13+4%階躍后13.87223.78華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT四、調試過程

Testprocedure圖12CH1通道，無PSS的負載階躍響應圖13CH1通道，新PSS參數下的負載階躍響應圖14CH2通道，無PSS的負載階躍響應圖15CH2通道，新PSS參數下的負載階躍響應由PSS校核性結果可得有功功率波動特征，見表3。試驗表明，PSS投入后，阻尼比有明顯提高，振蕩次數明顯減少，表明PSS作用正確。表3PSS投入前后機組有功功率波動特征狀態頻率f(Hz)阻尼比D(%)無PSS，4%階躍1.188.71新參數下有PSS，4%階躍1.1319.74電廠設定可能出現的正常發電機有功功率最大調整速度為15MW/分，在PSS投入情況下，在DCS上將發電機有功從950MW快速減少到900MW再從900MW快速上升到930MW，發電機無功功率的上升或下降很小，說明PSS反調的影響在正常范圍內，錄波圖見圖16、17。華能玉環電廠

HUANENGYUHUANPOWERPLANT四、調試過程

Testprocedure圖16CH1通道，發電機有功從950MW快速減少到900MW時PSS反調響應圖17CH1通道，發電機有功從900MW快速上升到930MW時反調響應

PSS試驗表明，PSS有較好的阻尼低頻振蕩作用，在0.2Hz～2.0Hz頻率范圍內相位補償符合要求，有較好的穩定裕量。PSS功能及參數正常，可以投入運行。（3）定子電流限制（SCL）試驗（SCLtest