低励修正策略对电厂侧自动电压控制子站系统的影响及其应用

支晓晨 李玉齐 邱文俊 张顺仁 陈晓仪

低励修正策略对电厂侧自动电压控制子站系统的影响及其应用

支晓晨 李玉齐 邱文俊 张顺仁 陈晓仪

（上海明华电力科技有限公司，上海 200090）

低励动作导致自动电压控制（AVC）子站系统退出，影响电厂安全、经济运行。本文结合低励限制原理与低励修正依据，讨论低励修正对低励限值及自动电压控制-有功无功（AVC-PQ）定值的影响，通过分析低励修正的工程实测数据，总结合理的低励限值与AVC-PQ定值的设定策略，并通过专项试验验证其效果，在工程应用方面为电厂AVC子站系统运行优化提供有效参考。

低励动作；低励修正；低励限值设定；自动电压控制-有功无功（AVC-PQ）定值设定；工程应用

0 引言

低励限制（under excitation limit, UEL）是发电机组自动电压调节器（automatic voltage regulator, AVR）的重要辅助功能之一，其用途旨在避免机组深度进相导致定子铁心端部发热超过规定的耐热极限与失稳问题，并发挥保护作用以降低机组失磁保护误动作的风险[1-2]。

近年来，火电厂灵活性调节带来的低负荷运行工况和深度进相运行工况日益增加，华东区域500kV发电厂频繁发生因低励限制器动作导致自动电压控制（automatic voltage control, AVC）系统退出运行的情况。根据《华东区域发电厂并网运行管理实施细则》《华东区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》（以下简称“两个细则”），发电厂AVC系统退出运行会使电厂受到调度“两个细则”的考核，给电厂带来经济损失。上述情况在深度进相、深度调峰，以及位于电网末端的电厂中尤为常见。因此，为使发电厂减少或免受考核、保证发电厂安全与经济运行，解决低励限制动作导致AVC退出的问题不容忽视。

针对上述问题，本文结合低励限制器原理与低励修正依据，讨论低励修正对低励限制及AVC的有功无功（AVC-PQ）定值的影响，并通过对电厂低励修正的工程实测数据进行分析，从机组运行的实际情况出发，总结低励限值设定策略与AVC-PQ定值设置方法，并通过专项试验验证其在工程应用中的效果，以提升机组运行的经济性与安全性，在工程应用方面为电厂AVC子站系统运行优化提供有效参考。

1 低励限制

1.1 低励限制器原理

低励限制器是电压调节器辅助控制单元的重要组成部分，可在其减少励磁的同时使同步电机不超越定子端部铁心发热规定的热稳定极限，或不越过静态稳定极限。通常情况可设置其输入量为：无功功率、有功功率、端电压、电流，以及其他相关变量[3]。

其工作原理如下：根据当前观测所得的端电压、有功功率，以及所设置的限制曲线，可查表得知此时与之对应的无功功率最小允许值。该值相当于一个参考值，将参考值与实测所得无功功率比较，若其值比实测所得无功功率大，则由比例积分（PI）环节将两者差值送至AVR中。当AVR输入信号低于低励限制的信号时，则低励限制器动作[4]。

1.2 低励限制器模型

根据文献[4]可知，诸多因素影响着低励限制器限制曲线的整定，一个较为合理的低励限制器应该满足如下要求：

1）低励限制器能够快速反应，灵敏动作。

2）低励限制器不引发电压或无功的较大波动，且不影响电压闭环。

3）低励限制器不影响系统的稳定性。

4）保证机端温度在允许范围内。

5）与电力系统稳定器（power system stablilizer, PSS）配合时，不抑制或不降低PSS本身的调节效果。

要同时满足这些要求可能存在相互矛盾的情况，但要综合考虑以上因素来设计合理的低励限制器。

典型的低励限制器原理模型如图1所示[5]，根据查表曲线t=(t)，确定当前有功功率t对应的无功功率限制值，UEL环节的无功功率参考值ref由机端电压t修正后求出，再与实测无功功率t作差，经过控制环节将UEL()输出的UEL信号传送至AVR电压控制主环，以达到无功功率调节闭环的目的，防止无功功率过低。

图1 典型低励限制器原理模型

低励限制在机组处于正常工况时是不起作用的，若励磁呈下降趋势并且得不到及时控制，将触发低励限制动作，甚至导致失磁保护动作。

1.3 低励限制的功能特点

低励限制即欠励限制，是励磁调节器的重要辅助环节，其作用是：避免励磁电流过低时，机组进相过深导致机组失磁等恶劣影响甚至发生事故。电厂给机组配置低励限制值，依据是调度根据机组进相试验报告结果下达的低励限制整定值，并在其基础上留有一定的安全裕度[6-8]。

低励限制器设置的限值合理，才能发挥较理想的作用，以保证良好的性能[9]。当励磁水平较低时，低励限制开始动作，定子电压在机组越过规定的限制区之前被反向拉升，将机组无功控制在允许范 围内。

1.4 低励试验的目的与内容

低励试验的目的：检查并调整相关的设定值，检查对应的低励限制功能。根据DL/T 843—2010《大型汽轮发电机励磁系统技术条件》[10]附录B，欠励限制的整定原则中指出：

1）欠励限制（即低励限制）的动作曲线是按机组的端部发热条件，以及有功功率静稳定极限两者共同确定的。其中，根据系统的静稳定极限条件来确定进相曲线时，应在最小运行方式下折算系统的等值阻抗，得到相应的低励限制动作曲线。

当有深度进相情况时，在不超过制造厂商提供的-运行曲线前提下，一般可在静稳极限值基础上留10%左右的冗余储备系数进行整定。

2）为了避免低励限制回路在电力系统的暂态过程中动作，对励磁调节造成影响，应在低励限制回路中留有相应的延时时间。低励限制在失磁或磁场电流过小时应优先动作，确保在限制无效时自动投入备用通道，以优先于失磁保护动作。

2 低励修正

2.1 低励修正依据

针对低励限制（欠励限制），有标准提出对其进行修正的技术依据，具体如下。

文献[10]中E.5.6.3条指出：一般情况下，由于低励限制的输出与机端电压有关，在机端电压偏离额定值时应修正其动作值。

根据DL/T 1167—2019《同步发电机励磁系统建模导则》[11]附录B低励限值模型：在有功功率一定时，机组在不同电压水平下容许的进相能力不同，应按电压水平进行修正。并给出了两种不同模型下低励限值修正公式。

2.2 低励修正模型

根据标准[11]，两种主要的低励限制模型为：折线型低励限制模型和圆周型低励限制模型。

1）折线型低励限制模型

折线型低励限制模型可只含一段直线，也可含多段直线。每一段直线表示为

式中：K为斜率；C为截距。折线型低励限制如图2所示。

一般给定斜率和截距，或由二点法确定和，即

2）圆周型低励限制模型

圆周型低励限制模型动作线的圆心在轴上，如图3所示。

图3 圆周型低励限制

给定、0时，圆弧公式表示为

给定两点(1,1)、(2,2)时的圆弧公式为

3）低励修正模型

由于在有功功率一定时，机组在不同电压水平下容许的进相能力不同，应按电压水平进行修正。

折线型低励修正模型，其每条直线段的电压修正式为

圆周型低励修正模型，其电压修正式为

式中：、为系数；t为发电机机端电压。

3 低励修正对低励限制与PQ的影响

3.1 低励修正对低励限制的影响

低励修正对低励限制的影响主要有：

2）目前进相试验存在退出低励修正功能（如可选择）测试的情况，所得低励定值为修正之前的数值。而当机组正常运行时投入低励修正功能，机组实际的进相能力小于进相报告给定的设定值，即进相报告提供的定值及低励设定值均为set，机组运行时投入低励修正功能，则实际的低励限值为act。

3）低励修正是励磁系统固有算法（不同厂家算法不同），其算法不可现场配置，由于低励限值与低励修正为不同的功能，即便投入该功能进行试验，低励限值参数设定值也是修正之前的数值set，并非实际动作值act，导致进相报告的低励设定值与低励实际动作值存在偏差。

3.2 低励修正对AVC-PQ定值的影响

若低励限值曲线与进相能力曲线相距较近，当发生低励限制时，很可能越过机组的进相能力曲 线[12-13]，对机组和电网造成重大伤害。

AVC系统的PQ定值依据进相报告的低励限值设定：在低励限值基础上，结合AVC系统无功调节步长，留有一定裕度。在正常运行时，AVC系统的无功限制和反调功能会保证机组无功功率处于PQ定值之内。但是，若设定AVC-PQ定值时未考虑低励修正的影响，会导致AVC-PQ定值与实际的低励动作值之间裕度过小甚至存在交叉现象，当机组无功功率接近PQ定值的无功低限值时，一次无功调节的步长将同时越过PQ定值和低励限值，导致低励限制器动作，从而触发AVC系统自动退出逻辑，使电厂面临调度考核而造成经济损失。

4 低励限值和PQ定值设置及工程应用

为确保低励限制器具有良好的动作特性，就必须设置合理的低励限值。现有的低励限值整定方法考虑了机组的安全运行[14-16]，但未充分考虑低励修正对机组进相能力的影响及与AVC-PQ定值的协调配合。

4.1 低励限值设定策略

低励限值的设定，应能充分保证机组进相深度，同时又不超过机组极限进相能力。对低励限值的设定策略，分两种情况加以分析。

情况一：在未建设AVC子站系统的电厂，进行进相试验时，可分别测试低励修正功能投入前后的低励动作值，在设置低励定值留无功裕度时，考虑低励修正已带来的无功裕度，无需重复留无功裕度。在确保安全的前提下，有效提升机组的进相能力。

情况二：在已投运AVC子站系统的电厂，低励修正等同于在低励限值的基础上留有无功裕度，AVC-PQ定值在此裕度上进一步留有了无功裕度。AVC的限制和反调功能，以及低励限制功能足以保证机组安全运行，故设定低励限值时，可直接以进相试验的数据设定，无需再留无功裕度，否则机组会损失较大的进相能力。

4.2 AVC-PQ定值设置方法

机组作为电网无功功率的主要提供者，在尽可能增大无功调节范围的同时能否确保机组安全稳定运行，是电厂侧AVC子站系统工作者需要考虑的问题[17-18]。

AVC的调节过程为：AVC发送增磁或减磁脉冲至分散控制系统（distributed control system, DCS），DCS通过逻辑判断后将脉冲发送至AVR，AVR调节无功后，AVC通过采样或远动通信获取调节后的无功变化量。

AVC从发出增磁或减磁指令到无功反馈，此过程需要几秒甚至十几秒。对AVC来说，无功调节是一个非线性的阶跃量，其PQ定值的设定除了要考虑低励修正功能对低励设定值的影响，还需考虑AVC单次无功调节步长的影响。因此，机组AVC-PQ定值的设定，应考虑在低励修正和无功调节步长的基础上，留有一定裕度。

下面给出3种AVC-PQ定值设定方法。

方法1：在投入低励修正功能的情况下，对实际低励动作值进行测试，以实测低励动作值为基准。考虑AVC系统无功调节步长和采样延迟及刷新周期（留1.5倍的无功调节步长为裕度），设定PQ定值。

方法2：对于进相能力需求不高的发电厂，可在AVC系统设定PQ曲线时，考虑最大低励修正系数。文献[19]指出，进相运行须控制发电机机端电压不低于90%额定电压。以南瑞NES6100为例，机端电压理论最低可达到额定值的90%，南瑞NES6100欠励曲线平移使能计算公式为

式中：为低励实际动作值；为低励设定值；为偏移值；N为发电机额定端电压；t为实时发电机端电压。欠励（低励）状态为负数，t＜N，故为正数，修正后曲线上移。

根据式（7），实际的低励动作偏差值不会大于0.19倍的设定值，若以0.19倍的偏差值为基准设定PQ定值，此方法可确保机组安全稳定运行，但会使机组损失很大的进相能力。

方法3：为使修正后的低励实际动作值达到进相试验报告给出的进相深度，通过励磁设备对应计算公式倒算低励设定值的数据，以此为基础设定AVC-PQ定值可使机组拥有最理想的进相能力。进相报告给出的低励定值通常已在机组极限能力基础上留出裕度，但若未留裕度或裕度留得不够，此方法可能会影响机组的稳定运行。

4.3 工程应用

1）低励曲线设定及工程应用

鉴于实际低励动作值和理论计算值存在偏差，实际低励动作值需要通过实测来获得。为确保工程实测数据工况的全面性及完整性，特选取抽蓄机组作为测试对象，火电、核电机组等可参考抽蓄机组的发电工况进行分析。

测试对象为华东电网某抽水蓄能电站1号机组，机组额定参数见表1；励磁设备型号为南瑞NES6100；低励修正功能为“欠励曲线平移使能”（记为En）。

表1 1号机组额定参数

测试方法：在进相试验时，分别测试En退出和投入情况下的低励动作值。

（1）1号机组低励限值设定

根据机组的实际情况，考虑低励修正产生的无功裕度，1号机组低励限值设定见表2。

表2 1号机组低励限值设定

（2）1号机组低励计算及测试结果

分别计算和测试En=0与En=1时，低励理论与实测动作值见表3。

表3 低励理论与实测动作值　单位: Mvar

1号机组测试结果表明，低励修正功能的投退对实际低励动作值影响较大。投入低励修正功能后，机组实际低励动作值会大于低励设定值，即投入低励修正功能后机组的实际进相能力变小。

2）AVC-PQ定值设置及工程应用

本测试中，该抽水蓄能电站1号机组AVC无功调节步长为5Mvar左右，考虑无功波动和通信延迟，以1.5倍无功调节步长（即7.5Mvar）为裕度设定AVC-PQ定值（注：抽蓄机组在抽水、发电调相及抽水调相工况时，有功功率恒定不变，故此三种工况下低励定值和AVC-PQ定值为一条直线）。下面就方法1、方法2、方法3的工程应用加以分析。

（1）方法1

在低励实际动作值的基础上，以1.5倍无功调节步长设定，结果见表4。

表4 方法1机组AVC-PQ定值　单位: Mvar

（2）方法2

不考虑低励修正的具体影响，直接以最大修正（0.19倍）为基础，设置AVC-PQ定值，结果见表5。

表5 方法2机组AVC-PQ定值　单位: Mvar

（3）方法3

以低励设定值作为修正后的低励实际动作值为基础，设定AVC-PQ定值，同时根据公式倒算出低励设定值，以该计算值作为低励设定值，结果见表6。

表6 方法3机组AVC-PQ定值　单位: Mvar

根据工程应用结果验证分析：

方法1保留了机组一定的进相能力，同时保证机组安全运行。该方法适用于对进相能力有一定需求，但其网架结构比较薄弱、电压无功波动较大的电厂，如未经超高压环网直接接入特高压的电厂。

方法2使机组可安全运行，但损失了较大的进相能力。该方法适用于对机组进相能力要求不高的电厂，如在电网中处于不作为电压支撑节点的电厂，或在该厂两侧均有电压支撑节点的情况。

方法3使机组拥有最大的进相能力。该方法适用于对机组进相能力需求较高的电厂，但对其电压无功的稳定性要求较高，以确保机组安全运行，如作为电压支撑节点接入超高压环网的电厂。

实际工程中应根据方法1、方法2、方法3的适用约束条件，视具体情况采用合适的方法。

5 结论

本文针对低励限制动作导致AVC子站系统退出运行的问题，总结了低励限值与AVC-PQ定值的设定策略，并通过专项试验验证了其效果很好，在安全稳定与经济运行的前提下充分发挥了机组的进相能力，在工程应用方面为电厂AVC子站系统运行优化提供了有益参考。

目前，华东抽蓄电站AVC子站的建设已全面开展，未来将进一步加强AVC子站在抽蓄、光伏等新能源领域工程应用方面的研究工作。

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Influence of low excitation correction strategy on automatic voltage control substation system at power plant side and its application

ZHI Xiaochen LI Yuqi QIU Wenjun ZHANG Shunren CHEN Xiaoyi

(Shanghai Minghua Electric Power Science & Technology Co., Ltd, Shanghai 200090)

Low excitation action leads to the exit of automatic voltage control (AVC) substation system, which affects the safe and economic operation of power plant. Based on the principle of low excitation limit and the basis of low excitation correction, this paper discusses the influence of low excitation correction on low excitation limit and AVC-PQ setting. Through the analysis of the measured data of low excitation correction, the reasonable setting strategy of low excitation limit and AVC-PQ setting is summarized, and its beneficial effect is verified through special tests. In the aspect of engineering application, it provides an effective reference for the operation optimization of power plant AVC substation system.

low excitation action; low excitation correction; low excitation limit setting; automatic voltage control (AVC) - PQ value setting; engineering application

2021-07-21

2021-08-11

支晓晨（1988—），男，本科，工程师，主要从事电力检测与故障诊断、自动电压控制（AVC）、新能源、继电保护，以及自动化调试等方向工作。