第五章 UNITROL5000型励磁调节器 五稿 08926.docx

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第五章UNITROL5000型励磁调节器

第一节系统概述

UNITROL5000是UNITROL系列的第五代励磁调节器，用于同步发电机静止励磁系统。

UNITROL5000不仅包含了它的前两代励磁调节器UNITROLF和UNITROLP的核心技术。

同时还吸收了目前数字控制领域内最先进的研究成果和工艺，如DSP数字信号处理技术。

UNITROL5000系统由UNITROLF和UNITROLP平台升级而成。

增添了新的精巧的解决方案和手段，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调试和维护工具包、UNITROLP的ARCnet网络技术也被移植到UNITROL5000，用于励磁系统内各个部分的串行通讯。

静态励磁系统利用可控硅整流器通过控制励磁电流来调节同步发电机的端电压和无功功率。

如图5-1所示的UNITROL5000励磁系统的框图，整个系统可以分成四个主要的功能块：

1、励磁变压器（T02）

2、两套相互独立的励磁调节器（A10，A20）

3、可控硅整流器单元G31…G34

4、起励单元（R03，V03，Q03）和灭磁单元（Q02，F02，R02）

在静态励磁系统（常称自并励或视端励磁）中，励磁电源取自发电机机端。

同步发电机有励磁电流经由励磁变器-T02、磁场断路器-Q02和可控硅G31…G34供给。

励磁变压器将发电机端电压降低到可控硅整流器所要求的输入电压、在发电机端电压和场绕组之间提供电绝缘、与此同时起着可控硅整流器的整流阻抗的作用。

可控硅整流器G1234将交流电流转换成受控的直流电流If。

在起励过程开始时，充磁能量来源于发电机端残压。

可控硅整流器的输入电压达10V～20V后。

可控硅整流器和励磁调节器就可以正常工作了。

随之而来的是AVR控制的软起励

图5-1UNITROL5000励磁系统的框图

过程。

UNITROL5000的这种新的起励机理和设计将在以后有更详细的说明。

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、恒无动调节等。

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。

根据系统的要求，励磁调节器可以采取单通道（AI）的结构或者双通道（A10和A20）的结构。

一个通道主要由一个控制板（COB）和测量单元板（MUB）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。

在单通道结构中，利用一个被称为扩展的门极控制器（EGC）的分离单元作为备用通道，也就是一个手动通道。

除励磁调节器外，一些接口电路如快速输入／输出（FIO）模块和功率信号接口模块（PSI）也被用来提供测量和控制信号的电隔离。

此外，每个可控硅整流桥都配备一套整流器接口电路包括整流器接口单元（CIN）、门极驱动接口单元（GDI）和整流器显示单元（CDP）。

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。

第二节电压调节、监测和保护功能

一、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用压和无功功率。

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。

二、发电机电压给定和调节

1、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。

2、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。

3、V/HZ限制器

为了避免发电机组和励磁变压器的铁芯磁通过于饱和，在系统中配置了V/Hz限制器。

在调节器内预置了V/Hz特性曲线，如果发电机电压对某一频率而言太高了，则调节器自动地减小给定值以降低发电机电压使其符合V/Hz特性曲线。

4、软起励

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到额定值。

5、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。

在单通道附加手动通道的配置中手动通道（BFCR）自动跟踪控制板（COB）。

在控制板（COB）故障时，自动跟踪保证了从控制板（COB）切换到手动通道时波动较小。

6、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。

7、PID控制器

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UC作为门极控制单元（12）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。

三、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。

（一）UNITROLR5000励磁系统提供下述限制功能：

1、过励限制

（1）最大磁场电流限制器

（2）定子电流限制器（过励状态下）

2、欠励限制

（1）P/Q限制器

（2）定子电流限制器（欠励状态下）

（3）最小磁场电流限制器

（二）其它监测和保护功能

1、励用调节器自检功能

通过软件看门构实现自检功能。

特殊故障会显示在控制板（COB）的七段数码管上。

此外。

还有相应的电路监测调节器的工作电源。

2、可控硅整流器

具有下述功能监控可控硅整流器的工作；

（1）快速熔断器带有熔断指示；

（2）桥臂电流监测；

（3）风机监测；

（4）整流器温度监测；

（5）整流柜门位置监测；

（6）交流侧过压保护熔断器熔断指示。

3、交流侧过电压保护

置于每个整流桥的交流侧过电压保护回路吸收由晶闸管整流而引起的电压尖峰。

AC过电压保护主要由一个三相二极管整流桥和一个连楼在DC侧的电容组成。

对于高频过电压而言，电容代表一个低阻抗并且起滤波器的作用。

与电容并联的有一个放电电阻器，在电容放电时吸收能量。

这种用途的电容应能支持较高的di/dt。

二极管整流桥的AC侧由带接点指示的熔断器保护。

4、直流侧过电压保护

发电机端出现故障，如短路、错误的同步和／或异步运行。

会引起反向的感应磁场电流，该电流在转子回路中会产生过电压。

过电压必须被限制到足够安全的水平。

而且应低于整流器可控硅的峰值反向电压。

跨接器电路通常用于直流侧过压保护。

该电路采用雪崩二极管用于探测转子回路中的正向和反向过电压。

当雪崩二极管被击穿，相连的可控硅则被触发，立即将灭磁电阻器并联连接到转子回路上。

同时发出跳闸会使磁场断路器立即断开。

5、转子接地保护

转子接地保护的目的是监测转子绕组对地的绝缘水平。

如果这个功能被要求包含在励磁系统设备中，那么ABB将提供接地故障继电器型UNS3020。

测量原理基于WHETSTONE-BRIDGE，在这个桥路中由两个电容建立起测量桥的平衡；一个电容连接在正引线和地之间。

另一个连接在负引线和地之间。

利用这个继电器，不仅能探测到场绕组的隔离水平，而且还能探测到所有电力设备包括励磁变压器的次级线圈的隔离水平。

它由两个阶段或两个不同的水平组成，这两个在故障电阻和时间延迟方面都是分别可调的。

无论何时发出了接地故障报警，报警都会储存在继电器中，并用模块前面的复位按钮对报警作出应答。

该继电器在励磁接通时可以被测试。

可从独立的手册中了解更详细的情况。

第三节可控硅整流器

静态励磁系统的可控硅整流器应满足以下要求：

1、可控硅整流器应能连续提供1.1倍在额定励磁电流；

2、可控硅整流器应能提供用户所要求的短时（通常10～20秒）强励顶值电流；

3、可控硅整流器应能承受由于发电视端或主变高压侧上的三相短路而产生的感应电流；

4、可控硅的重复峰值反向电压以及重复峰值断开电压应不低于励磁变压器次级峰值电压的2.7倍。

5、根据系统对冗余度的要求。

可控硅整流器的配置可以是一个可控硅整流器（经济设计—没有冗余）、或者两个可控硅整流器（每个整流器允许独立工作双配置）、或者n-1型配置，即n个可控硅整流器并联，应故障退出一个可控硅整流器仍能满足1.1倍励磁电流和强励要求。

每个可控硅整流器都是由模块化的部件构成的一个独立单元，各个模块化部件在本节中详细说明。

一个可控硅整流器出现了故障。

并不会影响其它并联的可控硅整流器的工作。

一、电力电子元件

每个可控硅整流器由一个全控整流桥组成，包括6个双侧冷却的可控硅。

每个可控硅上串联一个快速熔断器。

它的主要目的是将分支与有故障的可控硅隔开，因而保护其它可控硅及其快熔免受破坏。

快熔一旦熔化，通过一个弹簧起动一个微动开关（熔断器的一个组成部分）用于指示报警。

为了减少整流过程中尖峰电压，采用了一个RC吸收回路。

该回路连接到整流桥的AC侧．它还吸收来出现在可控硅整流桥副边的过电压。

脉冲变压器是门极驱动接口单元（GDI）的一个组成部分。

用于主回路和控制回路之间的电气隔离。

可控硅的散热采用交流电动机驱动离心式风机进行强迫风冷。

通过测量可控硅整流器的温度而间接地监测风机的故障，这是整流器接口单元（CIN）的一个功能。

冗余的双风机强追风冷可作为选择方案提供。

离心式风机安装在风机盒内，便于拆装。

自然冷却方式主要适用于机械保护等级为IP20的系统中。

然而，如果要求有较高的防护等级，则必须安装有门风机，它的主要作用是在柜内产生空气对流。

并联工作的可控硅整流器问电流的平均分配。

是由智能化均流机构来保证的，这是整流器接D单元（CIN）的一个软件功能。

为此，需安装霍尔传感器用于单个整流桥输出电流测量。

同时，霍尔传感器还用于桥臂电流监测。

利用可调的双档热传感器来监测可控硅整流器的温度。

二、双配置结构

双配置结构由两个独立的可控硅整流器组成每个可控硅整流器能满足所有的运行工况，保证了100％的冗余度。

同时只有一个整流器处于工作状态，而另一个整流器的触发脉冲被截止。

整流器接口单元（CIN）探测到主可控硅整流器（在线整流器）故障，该整流器的脉冲即被截止。

同时，备用整流器的脉冲被放开并投入运行。

三、N-1配置结构

N-1配置结构是指同时有三个或以上的可控硅整流器并联工作．当其中一个娃整流桥退出，可以满足所有的运行工况。

整流器接口单元〔CIN）监测可控硅整流器的工作状况，并负责故障评价。

例如，如果在不同的可控硅整流器中的两只晶闸管出现故障（但这两只晶闸管应属于不同的分支），励磁系统仍能保持运行。

只有在处于同一分支的两个或以上的晶闸管出现故障时，才会起动跳闸。

有了这种功能，励磁系统就可以达到较高的工作效率。

四、整流器接口单元（CIN）

整流器接口单元（CIN）是一个独立的控制和调节装置，并且与门极驱动接口（GDI）、电流传感器（CUS）和整流器显示单元（CDP）配合使用，它是整流柜的一个组成部分。

它的主要功能是向门极驱动接口单元（GDI）发送一系列触发脉冲，用于三相全控整流桥的工作。

此外，该装置还包括以下功能：

1、在控制板（COB）和门驱动接口（GID）之间为触发脉冲和控制信号提供电气隔离。

2、测量整流桥的输出电流，并监测输出电流。

这些信号还用于本地整流器显示（CDP）。

3、提供与ARCnet网络接口与控制板（COB）连接。

4、监控可控硅整流器部件的状态，如熔断器、温度等。

这些信号被逐次地通过ARCnet网发送到控制板（COB）。

5、传送来自控制板（COB）的命令，如脉冲截止/导通，风机接通等。

6、调节并联运行的晶闸管整流桥间的电流分配，并使其最优化，即所谓的智能化均流。

五、门极驱动接口单元（GDI）

门极驱动接口单元（GDI）用于放大脉冲，使之与晶闸管触发的必需的水平相匹配，脉冲变压器是该装置的一部分。

然而，对于隔离水平超过5KV的专用类型，脉冲变压器是独立提供的，并且单独地安装到晶闸管整流桥上。

六、电流传感器（CUS）

电流传感器用于测量晶闸管整流桥的分支电流。

它的输出信号直接连接到整流器接口单元（CIN）。

七、整流器显示单元（CDP）

整流器显示器单元（CDP）安装在柜门上，指示整流器的工作状况。

它提供以下功能：

1、利用LED显示每个晶闸管支臂的导通状态。

有故障的支臂可在其指定的LED上显示出来。

2、利用LED显示整流器接口单元（CIN）的状态，或CIN故障信号。

3、显示整流器输出电流。

第四节灭磁

ABB的标准解决方案是交流灭磁，它包括安装于整流桥交流侧的磁场断路器、晶闸管跨接器、灭磁电阻以及脉冲截止回路等（ABB采用HPB60型灭磁开关（见图5-2），瑞士制造。

此开关属于高速单极直流空气开关，无极性，带磁吹和过流速断功能。

其特点是设计简单、高绝缘、高可靠性、使用寿命长、维护量小）。

如有需要，磁场断路器也可以置于整流桥的直流侧，但是由于以下的原因，ABB一般不采用此方案。

图5-2HPB60型灭磁开关

首先，在整流器内部出现短路的情况下。

它能可靠地将整流器从电源上断开，防止事故扩大。

此外，从电源侧断开为检修和维护提供了更安全的保证。

交流灭磁方案一般用于励磁电流小于4500A的发电机组。

对于更大的励磁电流，还是采用直流灭磁方案。

当收到来自发电机保护或者来自内部的励磁保护跳闸命令。

在断开交流磁场断路器的同时截止脉冲并触发晶闸管跨接器以接通灭磁电阻。

由于采取了脉冲截止的措施，励磁变副边交流电压被叠加到磁场断路器的电弧电压上，可以缩短灭磁时间。

如采用直流灭磁方案，则采取逆变的措施而不是脉冲截止。

灭磁电阻的设计要考虑磁场断路器的电弧电压和励磁绕组允许的最大电压以及励磁绕组中的可能的最大灭磁能量。

第五节起励

UNITROL5000正常能够从残压起励。

在起励过程中，在可控硅整流器的输入端仅需要约10V－20V的电压即可正常工作。

如果电压低于10V－20V，可控硅整流器就会被连续地触发（二极管工作模式）以达到该值。

然而，如果在几秒内残压起励失败，则起动备用起励回路（-R03，-V03，-Q03）。

这个备用回路设计用于达到所需要的10V－20V电压。

在机端电压达到发电机电压的10％时，备用起励回路自动退出，立即开始软起励过程并建压到预定的电压水平。

整个起励过程和顺序控制是通过AVR软件实现的。

由于备用起励回路仅需要一个较小的电流，这对电站的蓄电池电源系统没有冲击。