EXC9200励磁系统用户手册 第2章 系统组成及功能要点.docx
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EXC9200励磁系统用户手册第2章系统组成及功能要点
EXC9200励磁系统用户手册
第2章
系统组成及功能
中国电器科学研究院有限公司
广州擎天实业有限公司
2-1EXC9200型励磁系统配置
EXC9200型励磁系统可根据电站具体需求，进行定制化生产，在主调节器及控制回路不变的情况下，可以选择不通的调节器冗余裕度，配置不同型式的功率整流部件和灭磁回路器件，组成多样的型号规格，可适应不同的需求。
2-1.1型号规格
FJL—4VALSPADE2BIF
⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾（12）（13）
⑴：
励磁装置柜体数量
⑵：
调节器型号
V——EXC9200
⑶：
调节通道组合方式
T——双通道
D——三通道
⑷：
人机界面
L——液晶显示器
⑸：
柔性电制动
———无此功能
S——自并励接线，需独立的制动变压器
A——他励接线，无专门的制动变压器
⑹：
整流桥冗余方式
S——单桥，无冗余
R——冷备用
P——并联运行
⑺：
整流桥冷却方式
A——实芯铝散热器
H——热管散热器
⑻：
灭磁方式
A——交流灭磁
D——直流灭磁
R——冗余灭磁
⑼：
功率柜型号
代码
额定输出电流
强励电流
柜内整流桥数
A
500A
1000A
全控桥，一桥
D
1000A
2000A
全控桥，一桥
E
2000A
4000A
全控桥，一桥
F
3000A
5000A
a
全控桥，一桥
X
（10）功率柜数量
（11）灭磁电阻型式
A——线性电阻
B——非线性电阻
X——其它型式
（12）功率柜和灭磁柜的控制显示方式
I----HMI控制和显示方式，智能化
N----通用表计、按钮等控制和显示方式，常规化
（13）系统内部通信互连方式
F----光纤通信
C----CAN总线
2-1.2EXC9200型励磁系统组成
EXC9200型励磁系统主要由励磁调节器单元（调节柜）、功率单元（多个功率柜）、灭磁及过压保护单元（灭磁开关柜、灭磁柜、灭磁电阻柜等）、起励单元、励磁变压器等组成。
EXC9200型励磁系统可根据客户具体需求定制：
调节器可配置为双通道冗余或三通道冗余；功率柜可分为智能化功率柜和常规化功率柜；灭磁柜分为智能化灭磁柜和常规灭磁柜；系统内部通信方式可配置CAN总线方式，或者光纤通信方式。
EXC9200型励磁系统采用分布式控制方式，各控制板件具备CAN总线能力，或光纤点对点通信能力。
系统内部通信互连方式可选用两种方案之一：
一是采用CAN总线互连方式，二是采用光纤通信互连方式。
系统内部具有双CAN总线，一是调节器及开入开出板的连接采样专用CAN总线；二是调节器与其他控制板件间通过系统CAN总线进行信息交互。
系统内部光纤通信互连采用点对点通信方式，各控制板件的信息（不包括脉冲信号）通过光纤信息交互控制板进行通信，增加电磁抗干扰能力，提高系统信号传输的可靠性。
2-2励磁调节器单元
2-2.1调节通道
EXC9200励磁调节器利用多CPU协同工作方式，完善的看门狗机制，同时对同步信号、机端电压信号的多方位采样和检测，创造性地对通道的可用状态进行分级，使调节器热备用更加合理，更加智能。
通道的可用状态分为0、1、2、3共4个级别，3级最高，表示通道的所有输入都正常；0级表示必备的输入失效，通道不能正常运行。
调节通道的可用状态级别定义如下表：
通道状态级别
定义
工作方式
3
通道正常调节
自动/手动
2
PT故障
手动
0
R631动作且无同步信号
通道退出
发电机机端电压、同步信号正常时能维持通道正常调节，通道状态为3级；当出现PT故障时，励磁电流、同步信号正常时能维持手动方式，通道状态变为2级；R631信号（机端电压大于10%，或励磁电流大于4.5%）动作，检测到同步信号消失，则本通道优先级变为0，通道自动退出。
励磁调节通道具备自动方式和手动方式，通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立。
通过对同步电压、机端电压、机端电流和励磁电流等信号的独立采样，可以获得最佳的系统可靠性。
备用通道在脉冲输出级跟踪运行通道，保证通道间平稳、无扰动切换。
1）双通道励磁调节器
励磁系统配置A、B两个调节通道，主从工作方式，A、B通道互为备用，系统可靠性高。
系统默认配置A通道为主通道，通道切换依据优先级进行，当备用通道优先级高于运行通道时，自动切换到备用通道运行。
2）三通道励磁调节器
励磁系统配置A、B、C三个调节通道，主从工作方式，A、B、C通道互为备用，最大化提高系统可用性。
系统默认配置A通道为主运行通道，B通道为主备用通道，C通道为后备用通道。
备用通道自动跟踪当前运行通道。
当主备用通道优先级比运行通道的优先级高时，将自动切换到主备用通道运行。
当后备用通道优先级比主备用通道优先级高时，后备通道自动上升为主备用通道。
2-2.2励磁调节器硬件配置及技术指标
EXC9200励磁调节器的CAN总线通信方案和光纤通信方案。
以三通道调节器为例，CAN总线通信方案系统配置示意图如下：
图2-1CAN总线通信方案系统配置图
以三通道调节器为例，光纤通信方案系统配置示意图如下：
图2-2CAN光纤通信方案系统配置图
2-2.2.1EXC9200调节通道
EXC9200调节通道由广州擎天实业有限公司自主开发，核心控制板EXC9200HPU和外部信号接口板EXC9200MSI采用叠层方式组成，结构紧凑。
调节通道独立采样机端电压、机端电流、系统电压和同步电压等模拟量，开机、停机、并网、逆变等开关量，以及通道切换等信号。
采用DIN导轨安装方式，方便快捷。
主要特性及技术指标
类别
参数
指标
控制器
32bitCPU@800MHz
64位双精度浮点运算
Spartan6@390MHz
25KLUTS
1GBDDR3
256MbNorFlash
128MbSPI-Flash
256KbEEPROM
16x16bit200KSPSADC
4x16bitDAC
通信
3路千兆以太网
2xRS232
2xFlexCAN
CAN总线方案
3对光纤通信
光纤通信方案
模拟量输入
同步电压
0~52V
机端电压
最大：
150V
机端电流
5A或1A
励磁电流
0~10V
测试信号：
白噪声等
-10V~+10V，4~20mA
模拟量输出
4路
0~10V
开关量输入
12路光电隔离24V信号
电流：
5mA
开关量输出
2路继电器接点信号
30VDC@2A
2路OC门信号
20mA@24V
脉冲信号
6路隔离脉冲信号
20mA@24V
结构
导轨安装
电源
24V
2-2.2.2开关量EXC9200-IOB板
开关量EXC9200-IOB板用于励磁系统调节器需要的输入开关量和调节器用于控制和操作的输出开关量。
主要特性及技术指标
类别
参数
指标
控制器
32bitARM@72MHz
512KByteFlash
64KbyteSRAM
通信
2路RS485
RS232
CAN
CAN总线方案
3对光纤通信
光纤通信方案
开关量输入
16路光电隔离24V信号
电流：
5mA
开关量输出
12路继电器接点信号
30VDC@2A
4路继电器接点信号
250VAC@8A
结构
导轨安装
电源
24V
2-2.2.3励磁电流采集EXC9200-FC板
励磁电流采样板EXC9200-FC是采集励磁CT的信号，通过信号调理和隔离处理，输出3路隔离的电压信号至调节器和1路过励保护动作的继电器接点信号。
主要特性及技术指标
类别
参数
指标
模拟量输入
3路
5A或1A
模拟量输出
3路隔离输出
0~10V
开关量输出
1路继电器接点信号
30VDC@2A
结构
导轨安装
电源
24V
2-2.2.4对外接口EXC9200-IIU板（CAN总线方案）
对外接口EXC9200-IIU板实现励磁系统内部状态、故障和报警灯等对外部监控系统的信号输出。
IIU板通过CAN总线接收励磁系统信息（包括故障信息、状态信息），通过继电器接点输出至电站监控系统，同时通过RS485串行通讯口与电站监控系统相连。
IIU板输出的继电器接点信号可通过组态软件灵活定义。
主要特性及技术指标
类别
参数
指标
控制器
32bitARM@72MHz
512KByteFlash
64KbyteSRAM
通信
2路RS485
RS232
CAN
开关量输入
5路光电隔离24V信号
电流：
5mA
3路无源光电隔离信号
5mA@24V
开关量输出
20路继电器接点信号
30VDC@2A
4路继电器接点信号
250VAC@8A
结构
导轨安装
电源
24V
2-2.2.5对外接口EXC9200-HIIU模块（光纤通信方案）
对外接口EXC9200-HIIU模块实现励磁系统内部状态、故障和报警灯等对外部监控系统的信号输出。
HIIU板通过光纤点对点通信方式接收励磁系统信息（包括故障信息、状态信息），通过继电器接点输出至电站监控系统，同时通过网络或RS485通讯口与电站监控系统相连。
HIIU模块输出的继电器接点信号可通过组态软件灵活定义。
主要特性及技术指标
类别
参数
指标
控制器
32bitCPU@800MHz
64位双精度浮点运算
Spartan6@33MHz
25KLUTS
1GBDDR3
256MbNorFlash
128MbSPI-Flash
256KbEEPROM
16x16bit200KSPSADC
4x16bitDAC
通信
3路千兆以太网
2xRS232
2xFlexCAN
RS485
IRIG-B（DC）
对时
10对光纤通信
光纤通信方案
开关量输入
5路光电隔离24V信号
电流：
5mA
3路无源光电隔离信号
5mA@24V
开关量输出
24路继电器接点信号
30VDC@2A
结构
导轨安装
电源
24V
2-2.2.6多功能通信转换EXC9200MCB板
MCB板用于励磁系统内外通信协议转换，其中包括B码对时（RS485接口）、RS485通信。
主要特性及技术指标
类别
参数
指标
控制器
32bitARM@72MHz
512KByteFlash
64KbyteSRAM
2x128MByteSPI-Flash
通信
RS485
IRIG-B（DC）
B码对时
RS232
CAN
结构
导轨安装
电源
24V
2-2.2.7电厂PMU接口EXC9200PM板
PM板用于励磁系统和PSS的关键信号接入PMU装置，接受调度部门实时监测。
主要特性及技术指标
类别
参数
指标
控制器
32bitARM@72MHz
512KByteFlash
64KbyteSRAM
通信
RS485
RS232
CAN
3对光纤
光纤通信方案
模拟量输出
4路
4~20mA
结构
导轨安装
电源
24V
2-2.2.8人机界面――彩色液晶触摸屏
励磁调节柜的人机界面是实现励磁系统和操作人员进行交互的设备终端。
人机界面具有以下功能：
（1）显示
人机界面显示机组运行参数、重要状态信息等运行工况。
（2）命令操作
人机界面操作：
起励、残压起励功能投/退、通道跟踪投/退、系统电压跟踪投/退、PSS投/退等功能操作。
（3）参数整定和试验
系统配置IIU板时，可整定无功调差、欠励限制等参数。
系统配置HIIU模块时，可整定AVR、无功调差、PSS、欠励限制、过励限制等参数；阶跃试验和恒控制角试验。
（4）故障报警及追忆：
励磁系统故障或者异常状态即时报警，并记录其动作和复位时间，可追忆1000次信息。
2-2.2.9电源系统
交流供电电源为三相四线交流380V电源，两路独立供应互为备用，柜内设有自动切换装置。
交流电源主要用于提供风机电源、变送器电源、照明及加热器电源。
直流供电电源为DC220V或DC110V，建议独立提供起励电源、直流控制电源I段、直流控制电源II段。
如选用分合闸电流较大的灭磁开关，还要增加专用合闸电源。
直流24V操作电源由两路及以上的独立开关电源供电：
励磁系统内部的自用变压器及直流控制电源，经过两台及以上独立的DC24V开关电源并列供电，保证了供电可靠性，各开关电源均有独立的电源控制开关。
直流24V操作电源主要供应励磁装置的控制电路板，24V中间继电器，开入量回路及触发脉冲电源等弱电操作回路。
自用变压器的原边取自功率整流柜交流输入端（即阳极电源）。
一般情况下，当发电机机端电压大于80%额定电压以上时，自用变压器供电的DC24V电源即可正常工作。
2-2.3励磁调节器软件功能
2-2.3.1调节功能
2-2.3.1.1运行方式及其给定值调节
励磁调节器的调节通道具有两种运行方式：
自动方式和手动方式。
自动方式为恒机端电压调节，手动方式为恒励磁电流调节。
自动方式是主要运行方式，有利于提高电力系统的运行稳定性。
在自动方式下，附加了PSS环节，可有效抑制电力系统的有功低频振荡。
手动方式是辅助运行方式，不允许长时间投入运行。
励磁调节器上电或复位后，即默认转入自动方式。
两种运行方式之间可以人工切换，机端PT故障时由自动方式自动切换为手动方式。
发电机起励建压后，两种运行方式相互跟踪，即备用方式自动跟踪运行方式，跟踪的依据是两者的控制信号输出相等，且这种跟踪关系不能人工解除。
自动方式和手动方式的给定值，可由外部开入量命令来控制其预置值、增磁和减磁操作。
给定值设有上限和下限。
给定值的调节速度可按国标的要求通过软件设定。
当调节器接受到外部停机令信号时，就把给定值置为下限。
调节器接受到外部起励信号时，就把初始给定值置为预置值。
外部的增、减磁操作就是直接对给定值大小进行增加或减少，通过此种方式来调节发电机电压或无功。
2-2.3.1.2自动方式AVR和手动方式FCR的数学模型
自动方式调节，即AVR，用于维持机端电压恒定，其反馈量为发电机端电压。
为使励磁系统有良好的动态性能，AVR采用两级超前／滞后校正环节，其数学模型由下图2-3所示：
图2-3自动方式AVR数学模型
参数说明：
Ugd
自动方式电压给定值，1%～120%
Ug
机端电压测量值，％
Ta
机端电压测量时间常数，不大于20ms
交流采样时间
Kavr
AVR内部放大倍数
调试软件设定
TA1
AVR第1级超前/滞后环节时间常数
调试软件设定
TA2
调试软件设定
TA3
AVR第2级超前/滞后环节时间常数
调试软件设定
TA4
调试软件设定
UK
自动方式输出，范围：
-10000～+10000
标幺值-1～+1
PSS_uk
为PSS输出的控制信号
手动方式调节，即FCR，用于维持励磁电流恒定，其反馈量为励磁电流。
FCR的数学模型只有一级超前／滞后校正环节。
手动方式是辅助运行方式，没有叠加附加控制。
手动方式的数学模型如下图2-4所示：
图2-4手动方式FCR数学模型
参数说明：
Igd
手动方式电流给定值，0～120％
以额定励磁电流为基准
IL
励磁电流测量值,％
以额定励磁电流为基准
Tb
励磁电流滤波时间常数，不小于40ms
调试软件设定
Kair
FCR内部放大倍数
调试软件设定
TB1
FCR超前/滞后环节时间常数
调试软件设定
TB2
调试软件设定
UK2
手动方式输出，范围：
-10000～+10000
标幺值-1～+1
手动方式主要用于试验（如在设备的投运或维护过程中的发电机短路试验），或者是作为在AVR故障时（如PT故障）的辅助/过渡控制方式。
为了避免在手动方式下发电机突然甩负荷引起机端过电压，手动方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，位置信号传送给调节器，则立即把电流给定值置为空载励磁电流值。
励磁调节器在手动方式下运行下，还设置了机端电压限制功能。
电压限制值与V/F电压限制值相同，可用调试软件进行修改。
2-2.3.1.3余弦移相功能
励磁系统的功率整流单元普遍采用三相全控桥整流器。
三相全控桥整流器本身的输入输出特性是非线性的，但具有典型的余弦特性。
利用此余弦特性，在励磁调节器中设置反余弦移相环节，理论上可使得三相全控桥整流器与励磁调节器的输出成线性比例，从而保证励磁系统整体的数学模型是线性的，即在不同工况下励磁系统放大倍数均为恒定值。
反余弦移相环节的处理方法如下图所示：
图2-5反余弦处理
Utb为同步电压，在发电机空载额定状态下校准标幺值为1。
励磁调节器内产生的可控硅移相触发控制角计算
。
励磁调节器即按α角去控制三相全控整流器的输出。
2-2.3.1.4励磁系统放大倍数
励磁系统的调节部分包括励磁调节器和功率整流单元。
在励磁调节器自动方式下，励磁系统的整体放大倍数为AVR内部放大倍数Kavr乘以功率整流单元的放大倍数KFD。
即：
励磁系统放大倍数
AVR内部放大倍数Kavr可以通过调试软件整定。
在普遍应用的自并励静止励磁系统中，功率整流单元（三相全控整流器）的放大倍数KFD可按下式估算：
KC为整流器换弧压降系数，其估算方法如下：
其中：
US—励磁变二次电压，单位V；uk—励磁变标称短路电压，单位％；
SN—励磁变额定容量，单位VA；USN—励磁变额定二次电压，单位V；
IFDB—励磁电流基准值，单位A；
RFDB—转子电阻基准值，单位Ω；（励磁系统建模规定：
转子电阻基准值可取为额定励磁电压除以额定励磁电流。
）
UFDB—励磁电压基准值，
，单位V。
2-2.3.1.5电力系统稳定器（PSS）及其数学模型
电力系统稳定器简称PSS，其作用：
◆提高电力系统静态稳定能力；
◆提高电力系统动态稳定能力；
◆阻尼电力系统低频振荡。
电力系统稳定器（PSS）的原理：
在励磁系统中采用ΔP、Δω、Δf等一个或两个信号作为附加反馈控制，增加正阻尼，它不降低励磁系统电压环的增益，不影响励磁控制系统的暂态性能。
电力系统稳定器（PSS）是EXC9200励磁调节器的一个标准软件功能。
我们开发的PSS，采用加速功率作反馈信号（即双变量ΔP、Δω），有效克服了采用单电功率反馈信号时的无功“反调”问题。
PSS的数学模型如下图所示，属于PSS2B模型（两级超前-滞后环节是PSS2A型，三级超前-滞后环节是PSS2B型）。
PSS输出控制信号PSS_uk，通过图2-1中的附加控制端引入AVR相加点，与电压给定值Ugd的相加方式一致。
所以，PSS功能只有在励磁调节器处于正常的自动方式下才起作用。
通过调节器人机界面，可选择投入或退出PSS。
当选择投入PSS时，只有在发电机有功大于PSS投入功率后，PSS输出才有效。
当选择退出PSS时，则PSS输出无效，恒等于0。
图2-6PSS2B传递函数模型
参数说明：
V1
电角速度Δω
V2
电功率Pe
TW1
隔直环节1时间常数
调试软件设定
TW2
隔直环节2时间常数
调试软件设定
TW3
隔直环节3时间常数
调试软件设定
TW4
隔直环节4时间常数
调试软件设定
Ks2
电功率积分计算值补偿系数
调试软件设定
T7
电功率积分时间常数
调试软件设定
Ks3
信号匹配系数
调试软件设定
M
陷波器阶数
调试软件设定
N
陷波器阶数
调试软件设定
T8
陷波器时间常数
调试软件设定
T9
陷波器时间常数。
T9=0时，陷波器输出为0
调试软件设定
Ks1
PSS增益
调试软件设定
T1
PSS超前/滞后环节1时间常数
调试软件设定
T2
调试软件设定
T3
PSS超前/滞后环节2时间常数
调试软件设定
T4
调试软件设定
T5
PSS超前/滞后环节3时间常数
调试软件设定
T6
调试软件设定
PSS_uk
PSS输出控制信号
USTmax
PSS输出正限幅值，+10％以下
调试软件设定
USTmin
PSS输出负限幅值，-10％以上
调试软件设定
PSS投入功率
默认40％，以发电机视在容量为基准
调试软件设定
PSS退出功率
默认35％，以发电机视在容量为基准
调试软件设定
2-2.3.1.6电制动模式
电制动比机械制动具有制动力矩大、停机时间短、无环境污染、以及制动投入速度不受限制和设备维护检修方便等优点。
电制动一般在机组正常停机时投入。
在EXC9200励磁调节器内，增加了电制动模式，可与外部电制动操作、逻辑回路配合，实现电制动停机。
在电制动过程中，励磁调节器通过控制调节，使得励磁系统向发电机励磁绕组提供一恒定的励磁电流。
在电制动模式下，电制动电流给定值可通过调试软件设定。
2-2.3.1.7恒控制角模式
恒控制角模式是励磁调节器的一种开环调节方式，只做为试验手段使用。
在励磁电源为它励方式（比如：
励磁电源通过励磁变取自厂用电系统）下，恒控制角模式可用于发电机短路试验、发电机空载特性试验。
通过调试软件或屏幕操作进入恒控制角模式。
2-2.3.1.8无功调差
在励磁调节器自动方式下，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或补偿单元制接线主变压器的电压降，调节器附加了无功调差功能。
采用合适的调差系数，可保证多台并联运行的发电机组之间的无功功率合理分配。
采用负调差系数，可部分补偿在单元制接线方式下主变压器的电压降。
励磁调节器的调差系数范围在-20.0%和+20.0%之间。
无功调差的调节模型如下图所示。
Ktc为调差系数，可通过调试软件和人机界面整定。
Tc为调差时间常数，通过调试软件设定。
Q为实测无功值，是以发电机视在容量为基准的标么值。
TCgd作为无功调差的输出叠加于电压给定值Ugd上，叠加方式是加。
图2-7无功调差制模型
发电机并网前、后，调差环节都起作用。
2-2.3.1.9软起励控制
正常情况下，发电机励磁系统是在励磁调节器自动方式下起励建压的。
软起励控制功能是为了防止在发电机起励建压过程机端电压出现较大的超调。
励磁调节器接收到开机令后，首先置自动方式的电压给定值为30％。
起励升压后，当机端电压大于30%额定值后，调节器再以一个可调整的速度逐步增加电压给定值到预置值，使发电机电压逐渐上升。
预置值和软起励调整速度，是可以通过调试软件设定的，一般设定为在5～10s内使发电机端电压达到空载额定值。
下图是现场试验录制的典型软起励过程波形。
图2-
升级会员 