ABB与GE的AVR性能比较

1、 ABB的Unitrol5000励磁系统功能与特点1、ABB的Unitrol5000的软件控制总图（参考AVR培训手册及整体功能简介）2、同步发电机运行功率图3、 Unitrol5000的软件控制模块（1） 给定值调整 可使用开关输入指令（如远方、就地调整指令，自动准同期调整指令，来自AVC的调整指令等），模拟输入信号（如来自燃气轮机的变频电源信号等），或串行通讯线路来实现AVR给定值的增、减或预置值的复位。给定值的上、下限及上下限幅之间的调整时间可分别整定。（2） 有功补偿（一般不用） 稳态有功补偿主要用于补偿输电线路上的电阻压降。（3） 无功补偿（无功电压调差） 稳态无功补偿主要用于补偿与

2、发电机相连的主变压器的电抗压降。 将发电机电压给定值与2个和稳态有功功率及无功功率成比例的信号相加，可补偿单元变压器和/或传输线路上由于输送有功功率或无功功率而引起的压降。相反，若将发电机电压给定值减去一个与稳态无功功率成比例的信号（实际指变压器高压恻），则可保证两台或多台并联发电机组间无功功率的合理分配，实现调差功能。Unitrol5000的可调补偿范围是-20%+20%额定机端电压（注：当机组所带无功功率在数值上等于额定视在功率Sn时，才能达到此值）。（4） V/Hz限制器为避免与发电机连接的主变压器铁芯过磁通饱和，AVR内设计了V/Hz限制器和特性曲线，若某一频率下电压给定值超过限制，则

3、在经过一段可调整的时间后，限制器将自动降低给定值，使发电机电压符合特性曲线的要求。（5） 软起励软起励功能用于防止机端电压的起励超调。励磁调节器接到开机令后即开始起励升压，当机端电压大于10%额定值后，调节器以预先可设定的速率增加给定值，使机端电压逐步升压到额定值。注意软起励模块（5）后的信号才是AVR实际的给定信号，PID环节将此信号与机端电压反馈信号Ug比较后，其差值作为PID调节的输入信号。（6） 跟踪模块每个控制卡（COB）中都含有一个自动电压调节器（AVR）和磁场电流调节器（FCR）。自动跟踪功能用于实现自动电压调节方式（自动方式）和磁场电流调节方式（手动方式）之间的无扰动切换。切换

4、可以是由PT断相故障引起的自动切换或是由就地控制盘（LCP）的人为切换。AVR与FCR的控制电压之差被用于后备调节器的跟踪控制，该跟踪控制无论对AVR还是FCR都是有保证的。对于具有双自动通道的励磁调节器，通常是从运行通道的自动方式切换至备用通道的自动方式，任何一个通道都可以工作在运行方式或备用方式，在不能切换到备用通道自动方式时，才切换到手动方式。若两个通道都不能正常运行，按目前多数情况下的配置，励磁系统将通过COB卡，切换到BFCR（EGC）工作方式。这种情况下模块（7）跟踪的是两通道输出的控制电压Uc。（8） （9）（10）综合为励磁调节的参数控制器，由（8）和（10）可构成低通竟比门，

5、而（9）和（10）可构成高通竟比门。 限制器竟比门（8）和（9）确定了过励限制或欠励限制对AVR的优先地位。为避免系统故障时两组限制器同时工作，可通过优先级设定选择过励限制器组或欠励限制器组优先作用。由物理行为分析可知，当AVR中过励限制（OEL）动作后，其调节特性是使励磁系统输出励磁电流降低到安全值，此时OEL的输出低于按差值（Uref-Ug)电压的输出；而欠励限制（UEL）动作后，其调节特性是使励磁系统输出励磁电流升高到安全值，此时UEL的输出高于按差值（Uref-Ug)电压的输出。下图对于理解AVR辅助限制环节工作原理有一定意义：由此图可见UEL和OEL是分别通过高通竟比门（HV Gat

6、e)和低通竟比门（LV Gate)后才进入到AVR的PID环节工作的。（11） PID控制器P-比例、I-积分、D-微分，任何一个闭环调节系统都必须经过PID的校正才能保证工作稳定，发电机励磁系统当然也不例外。本系统PID的输入是实际值和给定值的偏差，PID控制器的输出电压（即控制电压Uc)为门极控制单元（12）的输入信号。所谓门极控制单元就是可控硅整流器的移相触发单元。下图是PID环节的幅频特性，它表明，静态时AVR应有较高的增益，以保证调压精度，动态时应降低增益，以保证系统有足够的阻尼。系统故障时有足够的强励能力（交流励磁机励磁系统需要较高的暂态增益）。调节器可根据限制器动作情况自动选择P

7、ID控制器的反馈参数，达到优化发电机控制性能的目的。上述参数选择器（10）从PID参数组中自动选择合适的参数，以增进同步发电机的稳定性。（13） 过励限制器（OEL）模块由磁场电流（If）限制（含强励顶值电流限制）和定子电流（Ig）限制组成,用户限制器暂未启用。（14） 欠励限制器（UEL）由P/Q限制器（常规意义上的欠励限制器）、定子电流（Ig）限制器和最小磁场电流限制器构成。*AVR限制器工作原理每个限制器都有其限制量和限制值，当限制量的数值达到限制值时，限制器动作，每个限制器都均产生一个限制量和限制值之间的偏差信号。过励限制器动作后，会把励磁减小到一个最大允许水平，而欠励限制器动作后，则

8、将励磁增加到所需的最小水平。在正常工况时，发电机运行在功率图允许的范围内，PID控制器的输入是机端电压的偏差信号act-ref(Uact-Uref),即主偏差信号。若运行工况变化使过励限制器偏差信号limt-低于主偏差信号，它的优先级将高于主偏差信号,这样PID控制器就得到各偏差信号中的最小值。这种原理也同样适用于欠励限制器，但方向相反。竟比逻辑门（8）和（9）分别比较过励限制器的偏差信号limt-、欠励限制器的偏差信号limt+和主偏差信号act-ref，以决定其优先权。为保证限制器动作后发电机的稳定运行，限制器分别匹配系数K用于偏差信号增益调整。同时参数选择器（10）还可以根据限制器的实际

9、动作情况自动改变电压调节器的PID参数。*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。该限制器有两个限制值：一个是强励顶值限制值，另一个是连续运行允许的过热限制值。与过热限制值关联的两个控制参数分别是转子等效加热时间和转子等效冷却时间。限制器的基本设置分列如下：强励顶值电流限制值Imax1/2过热限制值Itherm1/2转子等效过热时间常数Tequiv转子等效冷却时间常数Tcooling根据这些设定值，最大磁场电流限制器就能计算出转子绕组最大允许的加热能量Emax.限制器的功能和框图如下：工作原理： 同步发电机正常运行过程中（无限制器动作），最大磁场电流限制器的限

10、制值是强励顶值电流限制值Imax，即AVR可以在必要时提供强励顶值电流（注意只要If的实际值>Imax1/2，累加器的输出就为负值，故顶值限制是一直存在的）。在系统故障需要强励来排除故障时，若磁场电流的实际值超出过热限制值，调节器就会启动一个剩余功率积分器，将电流偏差值i2(其中i=Ifield-Itherm)对时间积分，其结果正比于励磁绕组的加热能量。若磁场电流持续高于过热限制值，则积分器的输出将会增加，当积分器的输出值超过Emax时，最大磁场电流限制器的限制值将从Imax降低到Itherm，上述工作由过热检测器通过设定值选择器的软开关切换完成。当磁场电流降低到Itherm以下时，剩余

11、功率积分器启动反向冷却积分，按冷却时间常数Tcooling降低其输出。如果系统继发故障，允许再次强励，若此时冷却时间尚未结束，剩余能量达到Emax所需的时间（即在此强励电流下允许运行的时间）比第一次强励时间要短。如果冷却时间已经结束（限制器复位，软开关回高值的原位），限制器将允许磁场电流在强励允许的正常时间段中保持顶值水平。本限制器的设计允许用外部信号干预过热限制值Itherm，如表示发电机冷却气体的温度信号，该信号可以被附加到过热限制值Itherm上。下图为最大磁场电流限制器在两种不同情况下的暂态特性。 情况1：预期电流Iprospective>Ifmax 情况2：预期电流Iprosp

12、ective>Iftherm过热限制器的动作延时时间t可表达为： *最小励磁电流限制器最小磁场电流限制器的主要任务是防止发电机失磁。该功能通常用于水轮发电机，它有可能在功率图的欠励侧做深度进相运行，即近于零励磁电流运行。在这种情况下，最小励磁电流限制器能保证励磁电流不小于最小限制值。该限制值是维持变流器正常工作所必须的，同时还可用于防止转子极靴过热。最小励磁电流限制器只有瞬时动作的最小限制值，其主要功能见前述框图。*定子电流限制器（过励侧和欠励侧）该限制器用于防止发电机定子绕组过热，在过励和欠励侧均有效。其工作原理与最大磁场电流限制器相似。主要差别在于定子电流限制器没有一个确切的最大定子

13、电流限制值，当时间趋于零时，限制值理论上可趋于无限大（Imax=)。通过适当的参数整定，可以得到接近定子绕组最大允许热能Emax的反时限特性。定子电流限制器分过励侧和欠励侧两部分，其限制量均为定子电流平均值。当发电机过励时，欠励侧定子电流限制器截止，反之亦然。通过检测负载的功率因数，可保证定子电流限制器双方向（过励和欠励）动作的正确性。显然定子电流限制器不能影响发电机有功电流分量，若发电机的有功电流分量高于定子电流限制器的定值，为避免误动作，限制器会自动将发电机无功功率调整到零。需要说明的是，在模块（14）也有定子电流限制器，但它与发电机转子侧的磁场电流变化趋势不同，在发电机进相运行时，当进相

14、深度增加时，磁场电流一直是下降的，定子电流开始也是下降的，但进相深度继续增加时，定子电流反而会增加，发电机运行的V型曲线清楚的表明了这一点，上图中iglead就反映了该情况。* P/Q限制器 P/Q限制器的本质是一个欠励限制器，用于防止发电机进入不稳定运行区域 。该限制器的限制曲线由五个有功功率点（P=0，P=25%，P=50%，P=75%，P=100%）和五个无功功率设定值确定。曲线与发电机的定子电压水平有关，发电机电压变化时，限制曲线随之偏移。*叠加控制模块（15）恒无功调节和模块（16）恒功率因数调节可视为对AVR的叠加控制。当这两种调节方式之一被投入运行时，其给定值与实际值的偏差值就形

15、成了控制信号，通过积分器作用到AVR的相加点。由于原AVR的PID调节机理并未改变，仅仅是将电压给定值换成无功或功率因数给定值，故称这种控制为叠加控制。又由于叠加控制的最终结果因控制速度及特性等不易满足电网要求，故相关的标准中都禁止大机组使用这种方式。模块（17）为手动给定，模块（18）为手动运行时的PI控制器，模块（19）可以是与无功限制有关的对应磁场电流限制，但是使用该功能时需要发电机CT和PT测量信号的支持。*PSS功能电力系统稳定器PSS是Unitrol5000测量单元板MUB的一个标准软件功能，PSS通过引入附加反馈信号来抑制同步发电机的低频振荡，提高电网的稳定性。PSS的控制算法基

16、于双输入型的PSS模型IEEE Std.421-Type 2A。附加反馈信号为机组的加速信号，由电功率信号和转子角频率信号综合而成。PSS的数学模型见下图：4、 Unitrol5000的软件监视与保护1） PT故障检测 比较发电机端电压和励磁变二次电压，当差值超过15%额定值后，进行切换控制。2） 过流保护 有反时限和瞬时过流两种，特性类似最大磁场电流，但定值略高。3） 失磁保护（P/Q保护） 发电机运行点超过稳定极限时，动作于跳闸灭磁，一般将P/Q限制曲线左移10%来实现。4） 过激磁保护（V/Hz继电器) 当机端电压超过允许值，且在预设的规定时间内未返回，则动作于跳闸灭磁。5、 硬件设计的

17、保护1） 可控硅整流桥具有熔断器保护、导通监视、冷却流量及风机监视、温度监视、门闭锁监视等。2） 交流侧过压保护。3） 直流侧过压保护。4） 转子接地保护。6、 ABB励磁系统的相对设计特点1） 软件逻辑控制严谨，参数设置灵活方便，数学模型与实测一致；2） AVR电压控制主环采用串联PID结构，手动环采用磁场电流闭环控制，辅助限制环节参数易于调整和控制；3） 可控硅整流桥采用智能均流，便于监视也提高了可靠性。缺陷和不足：1） 过励反时限特性与国标要求不一致；2） 不能在线测量励磁系统无补偿频率特性。另：电厂问题简单解答1） 低励限制与失磁保护的配合问题（a) 阻抗平面转换到P-Q平面：P=（U

18、t2R）/（R2+X2）；Q=（Ut2X）/（R2+X2）；（b)由发电机进相试验4个条件确定低励限制特性。2） 励磁系统V/Hz特性与保护的配合 主要由升压主变压器的过激磁特性确定，适当考虑1%2%的电压级差。3） OEL特性要求 按照： 确定。4） 发变组跳励磁开关仅用110V以上电压等级普通中间继电器的空接点即可，不用经大功率继电器，因为励磁系统二次回路设计中已考虑使用了转换继电器。5） 美国GE励磁做短路、空载试验时，没有特别的要求，只要注意AVR此时是电压开环运行，且用磁场电压作为控制输出，但作为软件操作有一定技巧。6） GE报警信号时间准确性问题，入网检测时发现GE的报警信息在时间上总是首先指向外部，因此电厂中应充分利用DCS系统或故障录波器。7） 上都发电厂#4机DCS报警画面常发励磁系统总故障报警，但查看就地励磁系统调节器报警记录并无当前报警信息。首先应确定AVR至DCS的电缆是否会受到外部信号干扰，若电缆可靠，在检查有无出口继电器等中间环节，若均无问题，则应和制造厂技术人员一起用AVR强制指令从根源处传动此信号，以期解决问题。8）GE简单原理见后叙述。 GE的EX2100励磁系统功能与特点1