1、2000 年 8 月 UNITROL 5000 型励磁调节器功能说明目录功能说明1 系统概述2 机械设计3 UNITROLR 5000 型励磁调节器31 总述32 配置和机械设计33 主要的控制单元34 励磁系统内的通讯35 人-机界面351 手持编程器（SPA）352 现地控制面板（LCP）353 CMT 软件包调试和维护工具354 远程诊断36 与电站控制系统的控制接口361 常规控制接口（带有光电耦合输入和继电器输出）362 与电站控制系统的串行通讯4 电压调节、监测和保护功能41 概述42 电压给定和调节43 限制功能44 依赖于温度的场电流限制器45 叠加无功功率或功率因数控制46
2、电力系统稳压器47 APSS自适应电力系统稳定器48 手动控制49 监测和保护功能491 控制板（COB）的软件功能492 其它监测和保护功能5 可控硅整流器51 整流桥52 1+1 配置53 N-1 配置54 整流器接口单元（CIN）55 触发放大单元（GDI）56 电流传感器（CUS）57 整流器显示单元（CDP）6 灭磁7 起励功能说明前言UNITROL 5000 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。UNITROL 5000 不仅包含了它的前两代励磁调节器 UNITROL F 和 UNITROL P 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
3、究成果和工艺，如 DSP 数字信号处理技术。UNITROL 5000 系统由 UNITROL F 和 UNITROL P 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 调试和维护工具包。UNITROL P 的 ARCnet 网络技术也被移植到UNITROL 5000 中，用于励磁系统内各个部分的串行通讯。1 系统概述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无功功率根据图一所示的 UNITRO
4、L 5000 励磁系统的框图，整个系统可以分成四个主要的功能块： 励磁变压器( -T02 ) 两套相互独立的励磁调节器（-A10，-A20） 可控硅整流器单元 G31 -G33 起励单元（-R03，-V03，-Q03）和灭磁单元（-Q02，-F02，-R02）在静态励磁系统（常称自并励或机端励磁）中，励磁电源取自发电机机端。同步发电机的磁场电流经由励磁变压器 T02、磁场断路器 Q02 和可控硅整流器 G31G33 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G31G33 将交流电
5、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到10V20V 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 软起励过程。UNITROL 5000 的这种新的起励机理和设计，将在第七章中给以更详细的说明。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、恒无功调节等。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
6、相关的触发元件）组成。在第六章中还将详细介绍交流灭磁技术。根据系统的要求，励磁调节器可以采取单通道（-A10）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
7、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）。UNITROL 5000 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 12: 机械结构设计总体UNITROL 5000 励磁系统结构紧凑，它以 ABB 的模块化的低压配电系统 OJALA 为基础,它的功能单元完全模块化，并根据磁场电流的额定值和顶值参数而将其标准化, 通过引入智能化均流方法而方便了
8、标准化的设计工作。整套设备由模块化的单元组成，这些模块化的单元根据预测在库存中储备。一个典型的励磁系统包括一个励磁调节器柜、一个交流开关柜、多个功率柜和一个灭磁柜等。见图二所示。智能化均流对机械设计的影响直到最近，多个并联的可控硅整流桥间的电流分配仍然还是一个问题。没有任何一个实际的方法是完全有效的，如交流开关位置的设计，在每个桥臂的交流侧套上磁环或用长分布电缆等。在实践中，最好的结果是各个整流桥的电流分配偏差小于额定励磁电流的10%。由于采取了智能化均流措施，近乎相等的电流流经各个整流桥，若额定励磁电流较大，就可以省去一个整流桥，因为不必考虑均流不平衡的问题。此外，交流开关柜的位置无须特别的
9、设计处理，这是因为不必考虑整流变次级线圈到整流桥的接线对均流的影响。因此，整流桥交流侧可以采用标准化的母排连接，简化了工艺，由于设计的标准化，材料的采购和制造变得越来越容易、生产周期越来越短。防护等级面板的防护等级符合 IEC529 及 DIN 400 50 标准。通常采用的防护等级有IP21 和 IP31。对于热带气候条件，设计时还特别考虑了柜体发热、表面防护和密封板等。柜体结构柜体包括钢底架、框架和包覆板。在柜的长度方向有独立的钢轨，以便可以移动柜体。柜体的框架是由 2 毫米厚的 C 型电镀槽钢构成的，具有足够的强度。框架上包覆 1.5 毫米厚的钢板，其作用是隔离和屏蔽（如防尘）。表面涂漆
10、在装配前，柜框架和钢板的表面要经过全面的涂漆处理： 前处理包括去油脂、冲洗、电镀及高压蒸气清洗； 用烘烤磁漆涂底漆； 用 RAL7032 光亮漆涂面漆涂层的总厚度达 555m（底漆+第一道和第二道面漆），而最外面的面漆是光滑的。更高一些的涂层厚度可根据要求提供。门把手门把手采用双销槽形式。作为可选件，可以提供带园柱形锁和双销的 T 型把手。主回路从交流输入到磁场断路器，包括整流桥间的相互连接，一直到直流输出回路都采用母排的形式。导线采用符合 IEC 228 等级 5 的标准的镀锡铜导线。导线的绝缘是阻燃的，不含PVC。这就意味着，即使在燃烧情况下，导线绝缘也不会产生有毒气体。各个印刷电路板之间
11、采用扁平电缆连接。导线线径标准导线线径如下： 控制回路： 1.0 mm2 测量回路：PT 回路： 2.5 mm2CT 回路： 2.5 mm2 辅助电源： 2.5 mm2 电力回路：符合相关国际标准的要求。导线颜色蓝色的电缆用于直流控制回路和及其衍生支路。黑色的电缆用于所有其它回路。接地线采用用黄/绿相间的导线。导线标号在接口端子处提供标号。端子测量和电源回路采用断开式端子，最大线径为 2.5mm2。控制和信号回路采用线夹式端子，线径为 2.5 mm2。部件的标识部件的标识符合标准 IEC 750 和 DIN 40719 第二部分。图 23. UNITROLR 5000 型励磁调节器31 总述U
12、NITROL 5000 型励磁调节器是基于微机控制的数字式控制系统，主要用于大型静态励磁系统的控制和调节。UNITROL 5000 的控制电路以 UNITROL F 和 UNITROL P 平台为基础，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、智能化的均流方法、残压起励、以及完善的通讯功能和多种调试手段。UNITROL 5000 还可用于供电电源频率为 162/3Hz 的励磁装置和供电电源取自于频率高达 500Hz 的交流励磁机的励磁装置。32 配置和机械设计UNITROL 5000 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
13、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，利用一个扩展的门极控制器（结构上是独立的 EGC ）作为备用通道，用于磁场电流调节。另外一种配置是采用两套调节器组成一个完全冗余的系统。两个通道是完全独立的，可以在线维护。每个通道可以控制一个或多个并联的整流桥，输出励磁电流可高达 10000A。采用了诸如快速 I/O 卡和功率柜接口板（CIN）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，比如功率柜接口板（CIN）安装在功率
14、柜内。励磁系统内的信号处理，若无需实时处理，则通过 ARCnet 网执行。基于 UNITROLR5000 的励磁系统配置灵活，用户有多种选择，如图 3 至图 9 所示。图上的缩写如下：AVR 自动电压调节器FCR 励磁电流调节器BFCR 备用励磁电流调节器UG 发电机端电压的测量信号IG 发电机端电流的测量信号IF 发电机场电流的测量信号控制器的两种状态是“on-line”（在线）和“stand-by”（备用）。图 3：D5E 型 带一个整流器的单通道控制器图 3 表示了一种最少配置的 UNITROLR5000 系统。主控制器，即控制板（COB），提供所有调节和控制功能（包括磁场电流调节功能）
15、。备用调节器-即扩展的门极控制器（EGC），跟踪主控制器并在主控制器故障时自动取代主控制器。在这种配置中采用无冗余的一个可控硅整流桥。图 4：D5T 型带全冗余双整流器的单通道控制器在这种配置中，即所谓的双配置，采用两个全冗余整流器。其中任何一个都可被选为“在线”整流器，而另一个则处于备用“状态”。这种配置通常用于额定输出电流小于2000A 的系统。图 5：D5S 型整流器 n-1 型配置，调节器为单通道如图 5 所示，在 D5S 配置中，所有整流桥都同时工作。在其中一个整流桥故障的情况下，该桥被自动截止，由其余的桥平稳地承接负载。可控硅整流器被设计成，在一个整流桥故障时，能够支持所有的工作条
16、件而无任何限制，被称作是 n-1 配置。图 6：A5E 型带单个整流器的全冗余双通道控制器图 7：A5T 型带双整流器的全冗余双通道控制器图 8：A5S 型整流器 n-1 型配置，调节器为双通道在图 6 至图 8 所示配置中，均采用了全冗余双通道控制器。每个通道都可以是“在线”或“备用”模式。除自动电压调节功能之外，每个通道还具有PSS、各种限制、保护、监控及手动控制等软件功能。图 9：整流器 n-1 型配置，带备用磁场电流调节器的全冗余双通道控制器这种配置冗余度最高。每个调节通道的配置也最为齐全，包括独立的磁场电流调节器等许多功能。33 主要的控制单元 控制板（COB）在 COB 中集成了自
17、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）和 CMT 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。典型的双通道配置如图 10 所示。此外，COB 还配有一个瞬时记录器和故障记录器。这些记录可通过 CMT 工具（调试和维护工具）处理。
18、故障记录器和瞬时记录器还可以与实时时钟保持同步。系统的特殊功能和优点在本说明书的各个部分中加以说明。 测量单元板（MUB）测量单元板（MUB）由数字信号处理器（DSP）和 IntelDSP 56303 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。在测量单元板（MUB）上能实现下述功能：- 滤波和数字化交流采样- 计算磁场电流和电压、可控硅整流器的输入电流和电压、有功和无功功率、功率因数和发电机的频率- 以加速功率和频率输入信号的电力系统稳压器（PSS），其控制算法以 IEEE Std. 421-2A 型为基础- 自适应电力系统稳压器（替代 PSS） 扩展的门极控制器（EGC）扩
19、展的门极控制器（EGC）在单通道配置中作备用通道，并在额定频率不同于50/60Hz 的系统中用于生成脉冲。在后者情况中，它的典型应用是配合供电电源频率高达 500Hz 的励磁装置生成脉冲。此外，它还用于铁路电网中发电机（16 2/3Hz）的励磁装置。EGC 连同 COB、MUB 一起安装在金属箱中，但结构上是独立的。EGC 还具有下述功能：- 磁场电流调节- 通道跟踪，以便在 COB 故障时实现平稳的切换- 备用瞬时过电流保护继电器（ANSI 50）- 备用反时限过电流继电器（ANSI 51）- 直流短路保护- 根据波形监测原理进行可控硅整流器导通监视- 自带电源 功率信号接口（PSI）功率信
20、号接口（PSI）用于电气隔离，以及在磁场测量信号被送到测量单元板（MUB）之前将它们转换。 励磁调节器的电源所有的电路板的供电电源取自于 24V 直流母线。24V 直流母线源自于两个全冗余电源组：1: 由直流源供电的 DC/DC 电源组2: 由励磁变压器的副边供电的 AC/DC 电源组34 励磁系统内的通讯励磁系统内的通讯是通过 ARCnet 网实现的,例如：这个内部的通讯线路被用于交换来自于或传递到可控硅整流器的控制和状态信号。此外，测得的数值和现地控制面板（LCP）的报警以及本地控制的命令也通过这条通讯线路发送。35 人-机界面351 手持编程器（SPA）多功能的手持编程器（SPA）用于服
21、务和维护的目的。这个面板具有现地操作、设定参数以及应用程序编程的功能。励磁系统的数据（如：发电机端电压、场电流和电压）参数设定和报警可显示出来。此外，它也具有故障记录仪的功能。报警是实时显示的。面板是通过薄膜键来控制的。通过光纤电缆将其与控制板（COB）连接起来。352 现地控制面板（LCP）现地控制面板（LCP）具有优良的人机界面，可用于对励磁系统进行现地操作和监视。也可将其安装于电站中控室内，用于远方控制。面板提供下述功能： 显示分辨率为 240*64，可同时显示 8*40 个字符。它可同时显示 8 个模拟量信号，或者以棒图的形式同时显示 4 个模拟量信号（显示比例从 0 到 120%）。
22、在 LCP 上可显示多达 32 个信号。通过功能键可设置显示模式，通过滚动键或翻页键进行信号选择，用光标键可选中某个显示量。 报警通知在出现警报的情况下，励磁系统的报警显示先于测量信号的显示。所显示的报警内容包括报警序号和 40 个字符的警报描述正文，LCP 可按时间先后顺序同时显示 8 个报警信息。如果出现 8 个以上的报警，可通过操作滚动键来显示。最多可以显示80 个报警信息。在报警功能键上有一个报警指示灯，每次发生报警时它就闪烁。按确认键之后，若警报还存在，指示灯始终发亮。警报消失后，报警指示灯自动熄灭。 信号和报警信息的打印 LCP 内存储的信息可通过其串行接口 RS-232 打印出来
23、。 所选模式的指示 每个被选模式键都配有一个指示灯，用以指示该模式被选中。 现地操作 LCP 上有 16 个功能键用于操作，每个键都配有一个 LED 用以指示该键的状态。353 CMT调试和维护工具CMT 是基于 Windows 专用调试软件，用于 UNITROL 5000 系统的测试、调试和维护。CMT 可作为一个单独的软件包来购买，也可以装入 PC 机中（最好是手提电脑）。随同该软件一并提供一块 PCMCIA 卡和一条光纤电缆，用于连接到控制板（COB）。CMT 具有以下功能：l 模拟现地控制面板对调节器进行操作，参见图 13。图 13 用 CMT 模拟现地控制面板（LCP）提供录波功能，
24、用于调试过程中的波形记录和调整 AVR 的调节参数。事实上，它取代了常规的测试设备如示波器、录波仪等。CMT 可同时显示 6 个测试信号的波形，包括提供信号的缩放比例以及它们的扫描速度。所有的波形可储存、打印。配合调节器控制板（COB）提供故障录波功能，记录故障瞬时测量信号的变化过程，以便于事后更好的分析。CMT 可同时记录 6 个测量信号（6 个通道），类似于图 13 所示的录波功能。每个通道的采样数量为 1000 个，记录时间取决于扫描速度。故障录波功能可以由故障本身触发，或者当触发信号达到设定值之后才触发。采样信号随后被保存到控制板（COB）的缓冲存储器中。触发事件、触发信号电平、故障前
25、时间以及故障后时间等都可通过 CMT 设置。触发时间被记录在时间轴上，这个时间是由一个精确的内部石英定时器来确定的，该定时器是控制板（COB）的一个组成部分。通过每小时外部给予的一个脉冲，使石英定时器可以与外界时钟保持同步 。 配合调节器控制板（COB）提供事故记录功能，可记录多达 100 个事故及时间。也可通过手持编程器（SPA）来获取事故记录。 实时显示软件框图，如逻辑控制、PID 调节、限制器、保护和监测等功能模块。这有助于实时地观察某一个具体的功能模块的输入和输出信号，并能修改系统参数（如AVR 参数）。 具有编程功能，能够修改应用程序。354 远程诊断可通过公用电话网（或通过卫星）对
26、前一节所述的 CMT 工具进行远程控制。为达到远程诊断的目的，应提供两台个人电脑：一台是主 PC 机，另一台是远程 PC 机，两台电脑均装有 CMT 工具、通讯软件和调制解调器。ABB 可以提供远程诊断包，包括服务协议。36 与电站控制系统的接口361 常规 I/O 接口方式（利用光电耦合输入和继电器输出）数字量和模拟量命令以及一些状态信号是通过快速输入/输出板（FIO）传递的。每个快速输入/输出板（FIO）包括：- 16 个带光电隔离的数字量输入信号，用于 24V 回路。- 18 个输出继电器，带有转换接点用于状态指示和报警。- 4 个多功能模拟量输入，输入信号为 10V 或20 mA- 4
27、 个多功能模拟量输出，输出信号为 420 mA- 3 个温度测量回路用于励磁变压器温度测量，测温电阻为 PTC 或PT100每个系统最多可配置两块快速输入/输出板（FIO），这对于大多数系统要求是足够用的。在要求有更多的数字量输入和输出的情况下，可以增加数字量输入接口（DII）和继电器输出接口（ROI）。这两个接口由 ARCnet 网控制。标准的接口信号定义如表 1。表 1：标准的远方控制、状态和报警信号表外来命令信号 状态和报警信号- 励磁 起动 - 励磁 ON- 励磁 停止 - 磁场断路器 合闸 - 磁场断路器 ON- 磁场断路器 分闸 - 磁场断路器 OFF- 发电机断路器 合闸 - A
28、UTO（自动） ON（开） - AUTO（自动） ON- MANUAL（手动） ON（开） - MANUAL（手动） ON- 叠加控制(恒无功或恒功率因数控制) ON（开） - 叠加控制(恒无功或恒功率因数控制) ON- 叠加控制(恒无功或恒功率因数控制) OFF（关） - 给定 增 - 给定 MAX（最大）- 给定 减 - 给定 MIN（最小）- 现地控制 ON- 过励限制 动作- 欠励限制 动作- 跟踪到位 自动/手动- 备用控制器（BFCR），如有配备 ON- 报警信号 ON- 发电机转速 80% 励磁系统还提供了两个独立的内部跳闸信号用于发电机保护。来自发电机保护的两个跳闸信号应直接作
29、用于磁场断路器的跳闸回路。362 串行通讯方式除了常规的 I/O 接口方式，UNITROL 5000 型励磁系统还可配有串行通讯方式用于与更高层次的、不同规约的控制系统通讯。所有运行所需要的信号包括转换的模拟量信号，都可以通过这种方式接收或发送。可利用下述串行接口中的一种来实现与另一个智能系统的串行通讯： NMBA-01，Modbus 适配器 NMBP-01, Modbus Plus 适配器 NMBA-02, Profibus 适配器 AC70BAS, Advant如有要求还可以提供其它规约，这要经过协商。4电压调节、监测和保护功能这部分介绍 UNITROL 5000 的主要控制功能。41 概
30、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。UNITROL 5000 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。图 15 给出了 UNITRO L
31、5000 的全部软件功能。为了更好地理解这些软件功能，我们将它们分成了不同的功能模块，并在后面加以简短的功能说明。功能模块内的号码与文字说明的号码是相对应的。42 发电机电压给定和调节给定调节（1）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（2）(3)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
32、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（4）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。软起励（5）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（6）自动跟踪功能保证了从自动电压控制模式(
33、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。（7）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。限制器的优先权（8）（9）限制功能的优先权是指过励限制
34、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 控制器（11）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。43 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 16 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 16
35、 典型的凸极同步发电机功率圆图UNITROLR 5000 励磁系统提供下述限制功能：（13）过励限制 最大磁场电流限制器（图 17） 定子电流限制器（过励状态下）（图 19） （14）欠励限制 P/Q 限制器（图 20） 定子电流限制器（欠励状态下）（图 19） 最小磁场电流限制器（图 17）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
36、程中，发电机在功率图的允许范围内工作。PID 控制器的输入是机端电压偏差信号act-ref （Uact-Uref）即主误差信号。如果由于某些运行的原因，过励限制器的误差信号 lim-变得低于主误差信号，那么它就优先于主误差信号。也就是说，在这种特殊的情况下，PID 控制器将收到最低的误差信号。这种原理也同样适用于欠励限制的情况，但显然在另一个方向上。过励限制器的误差信号 lim-、欠励限制器的误差信号 lim+和主误差信号act-ref都输出到逻辑门（8）和（9），决定这些信号的优先权。为了在限制器起作用时使发电机能稳定的运行，每个限制器误差信号的增益可以单独地与一个最优值 K 相匹配。此外，
37、由参数选择器（10）来设定自动电压调节器的 PID调节参数。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。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。从以上内容可以列出下述基本的设定值： 强励顶值电流限制值 Imax 1/2 过热限制值 Itherm 1/2 转子的等效过热时间常数 Tequiv 转子的等效冷却时间常数 Tcooling有了这些设定值，最大磁场电流限制器就能够计算励磁绕组最大允许的热能Emax。该限制器的参数设定值和功能框图如图 17 所示。图 17
38、最大和最小磁场电流限制器工作原理：在同步发电机正常运行过程中（无限制器在起作用），最大磁场电流限制器的有效的控制点是强励顶值电流限制值 Imax。这说明 AVR 无论何时需要时都能达到强励顶值电流。现在假定，出现了某一个系统故障，为了消除故障需要强励，只要励磁电流的实际值超出过热限制值，那么调节器就会起动一个过剩电力积分器，它将该电流偏差值 i2（其中 i=Ifield-Itherm）积分，这个积分的结果与励磁绕组的热能成正比。如果励磁电流高于过热限制值一定时间，那么积分器的输出值i2dt=E 将会增加。积分器的输出值一超过 Emax，最大磁场电流限制器的限制值将被从 Imax 减小到Ithe
39、rm。通过一个过热探测器可以探测到这种条件。如果励磁电流降到它的正常值（在 Itherm 值以下），那么积分器的输出将开始随着冷却时间常数Tcooling 降低。如果系统中出现了另一个故障，强励电流在冷却时间结束之前再次高于Itherm，那么在这个强励电流下所允许的时间显然比第一个故障中的时间短，因为将会较早地达到 Emax 值。如果冷却时间已经结束（重新设定）了，那么限制器将仅允许励磁场电流在强励允许时间段中保持在顶值水平。过热限制值 Itherm 可受到外部信号的影响，如代表发电机冷却空气温度的信号。该信号被附加到过热限制值 Itherm 上。最大磁场电流限制器在两种不同情况下的限制特性如
40、图 18 所示。图 18：最大磁场电流限制器的限制特性 情况一：IfPROSPECTIVE Ifmax 情况二：IfPROSPECTIVE Iftherm由下述表达式给出热限制器的激活时间：t = (Imax1/2 0.9)2/(If 0.9)2 Tequiv最小磁场电流限制器最小磁场电流限制器的主要任务是防止失磁。这个功能通常用于水轮发电机组，它有可能在较深的进相状态下运行，对应的励磁电流有可能接近于零。在这种情况下，最小磁场电流限制器确保励磁场电流不小于最小限制值。该限制值对于维持正常的可控硅整流是有必要的，此外，它可防止转子极靴过热。最小磁场电流限制器只有一个最小限制值，并且立即起作用。
41、该限制器的主要参数设定和功能框图如图 17 所示。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（Imax=无穷大）。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 Emax。图 19 在过励和欠励运行模式下的定子电流限制器两个限制器的实际值是定子电流的平均值。当发电机过励时，欠励限制器被截止，反之亦然。通过考虑到负载功率因数，一个逻辑电路保证了定子电流限制器在两个方向
42、上（过励和欠励）的正确动作。显然，定子电流限制器不能影响有功电流。如果有功电流的数值达到高于定子电流限制器的控制点值的水平，那么为了避免限制器的错误动作无功功率被调整到接近于零。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。图 20 P/Q 限制器44 依赖温度的场电流限制器对于一些励磁系统而言，有必要提供一个磁场电流和/或定子电流限制器，这个限制器依赖于冷却介质的温度。
43、典型的应用是在汽轮机的励磁系统中，在这种应用中冷气体的温度在某些情况下可以变化。结果，最大允许的磁场电流应当被减小。对冷却介质温度的评价是发电机监控设备的一部分。因此，一个控制信号（通常为 4 20 mA）被进一步引入到依赖于温度的 AVR 限制回路中。ABB 的 GT13E2 型汽轮机的典型依赖温度的磁场电流限制器特性如图 21 所示。图 21 依赖温度的磁场电流限制器45 叠加的无功功率或功率因数控制无功功率控制（15）或功率因数控制（16）可视作对自动电压调节器的叠加控制。无功功率（Q 或 Var）控制的调节功能如图 22 所示，而功率因数（Cosphi）控制的调节功能如图 23 所示。
44、在这两种情况下，控制信号来源于实际值和被选控制模式的控制点值之间的差值。另外，控制信号通过一个积分器作用到自动电压调节器的求和点上。图 22 无功功率控制框图图 23 功率因数控制框图所选叠加控制模式的工作点可通过下述方式设定： 通过现地控制面板（LCP）或手持编程器（SPA）； 通过远方增、减命令； 通过远方一个毫安信号设定； 通过远方的串行通讯连接。46 电力系统稳定器（PSS）电力系统稳定器（PSS）是 UNITROLR5000 系统的一个标准功能。这个功能包含于测量单元板（MUB）的软件中。PSS 的目的是通过引入一个附加的反馈信号，以抑制同步发电机的低频振荡，有助于整个电网的稳定性。
45、PSS 的控制算法是以 IEEE Std.421-2A 为基础的。附加的反馈信号为机组的加速功率（由电功率信号和转子角频率信号综合而产生的）。PSS 的数字模型如图 24 所示。图 24 电力系统稳定器数字模型47 APSS-自适应电力系统稳定器自适应电力系统稳定器（APSS）可用于替换 PSS。APSS 用于抑制电力系统中长期存在的有功功率低频振荡。对于以前定义的一种电力系统的线性模型，APSS 的作用是提高整个系统的阻尼特性。APSS 具有调整自身参数的功能。图25 给出了 APSS 的功能框图。APSS 采用了电力系统的 3 次幂线性模型算法，它在稳压质量和计算时间之间提供了一种折衷。在
46、运行过程中通过使用控制器对模型参数进行估算。调节算法计算闭环的特征方程。此外，APSS 实施了一种称之“白噪声”的编程算法，产生一种随机的采样序列，平均值为零且量值相当小。在系统稳定时需要这个信号，即如果电力系统达到适当的稳定状态，那么参数不能从几乎恒定的电力系统输出信号中识别出来。图 25 APSS 功能框图48 手动控制手动控制模式（18）主要用于调试（如在设的投运或维护过程中），或者是作为在 AVR 故障时（如 PT 故障）的备用控制模式。当手动控制模式下运行时，UNITROLR5000 以同步发电机的磁场电流作为反馈量进行调节。手动控制模式的给定功能（17）与 AVR 控制模式的给定功
47、能相同。可调整最大和最小给定值。在手动模式下运行时，磁场电流的给定值可以通过增、减命令来控制。为了避免在手动模式下突然甩负荷引起的过电压，手动模式具有自动返回空载的功能。在发电机断路器跳闸的情况下，一个脉冲信号传送给调节器，使手动给定值立即恢复到预定值，该预定值一般与同步发电机空载励磁电流的90100%相对应。在需要所谓的手动限制（19）的情况下，手动控制的最小和最大控制点可以按照作为当前有功和无功功率水平的函数，或发电机实际电压的函数来计算。对于手动限制功能，需要从发电机的 PT 和 CT 所测得的数值。一个自动跟踪控制器（6）保证了从自动模式向手动模式切换时无扰动。在自动模式下运行时，来自于自动模式和手动模式的控制信号之差，被用于自动跟踪。合成点的输出处的合成误差信号被作用到具有 PI 特性的滤波回路上。PI 滤波器的输出作用于信号选择器（20）上，该信号选择器把 AVR（自动模式）的 Uc 信号或场电流控制器的 Uc 信号发送到门控制单元，发送哪个信号取决于在逻辑控制中已经选取了哪种控
