大型发电机励磁系统研制.docx

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大型发电机励磁系统研制

大型发电机励磁系统的研制

汪大卫李宇俊

（东方电机控制设备有限公司四川德阳618000）

摘要：

本文通过对励磁系统特点的论述，介绍了新型励磁系统的优点，尤其是在励磁系统结构、控制器和软件设计上的进步。

关键词：

三通道控制器励磁调节器智能均流远程调试可视化编程

1引言

我国生产励磁系统的产品已有50多年的历史，在产业结构上已初步形成规模化、标准化的体系。

国内已有数家公司具备提供各种规格和型号励磁系统产品的能力，有些公司的产品还具有较强的市场竞争实力。

但这些产品的制造工艺、技术水平与国外知名厂家相比还存在一定的差距，而能够对大型发电机组提供全套励磁设备的厂家则为数不多。

目前由国内开发的励磁产品主要存在着一些问题。

首先，自主开发的控制器档次偏低，且更新换代比较困难。

虽然自主开发能使硬件成本降低，但由于开发队伍的局限，使得控制器的技术起点低，开发出来的控制器使用范围窄、可靠性和稳定性差、难以大量推广，不能形成一定的生产规模。

其次，自主开发系统的软件平台多数采用汇编语言或C语言。

使用这样的平台来进行软件产品的开发，不但费时费力，而且通用性差。

而国外则采用功能块图形化语言进行开发，开发速度快、周期短、通用性强。

国内不少项目采用散件进口，国内整机组装的途径生产励磁系统产品，这样将长期依赖外国公司并受制于人，产品的大部份利润将被国外公司或散件供货商所获得，我们无法掌握核心技术，也无法在控制设备领域掌握主动权。

我公司在引进三峡电厂水轮发电机组励磁设备的基础上开展了对大型发电机励磁系统的研制，希望能够通过项目的引进，掌握国外先进设计技术、制造工艺，进一步了解国外的最新标准，通过全球采购的模式，采购世界上一流的电器部件或组件以及核心控制器，这样使我们的技术始终保持在一个较高水平，同时又可提高产品的可靠性、降低制造成本。

通过开发系统的远程调试和维护工具软件，提高产品的竞争力，产生新卖点。

2研制的主要内容

2.1励磁系统由励磁调节器、晶闸管整流装置及灭磁装置组成,其中励磁调节器是整个系统的控制中心，而控制器则是调节器的核心。

通过对国际上各类控制器进行技术性能和价格的综合比对，选择一款具有较高性价比的核心控制器。

2.2通过研究ABB和Siemens公司励磁系统的控制软件，使用新型软件设计平台，将三峡励磁调节器的控制软件国产化；设计并完善励磁系统动态试验软件,以便于对装置进行调试和维护；开发基于Internet的励磁系统远程调试和维护工具软件，提高产品的竞争力。

2.3通过与专业研发公司合作，设计开发融通讯、脉冲触发、智能均流为一体的晶闸管整流装置专用控制器，提高晶闸管整流装置智能化和可靠性。

2.4对试验方法和手段进行改进，通过建立数字仿真系统，对大型发电机组进行仿真研究，通过试验来选取最佳的励磁调节参数。

2.5研究目前国际国内晶闸管整流装置所采用的各种冷却方式，针对大型机组的实际情况确定最佳冷却方式，提出结构设计方案。

3励磁系统研制

3.1励磁系统结构

3.1.1励磁系统的结构框图，见图1。

图1励磁系统框图

励磁调节器是整个系统的控制中心，励磁系统的可靠性及先进性在很大程度上取决于调节器，而控制器则是调节器的核心。

本设计方案设计了具有A、B、C三个控制通道的励磁调节器。

A、B控制通道是从信号采集到脉冲输出完全独立的两套主调节控制通道，C通道独立具备从励磁电流信号采集到脉冲输出功能。

工作时C通道实时自动监测发电机运行工况，当A、B通道均发生故障时，C通道将完成无扰动切换，以恒励磁电流方式独立完成所有的模拟和逻辑控制，满足发电机的基本运行，减少强迫停机率，提高系统的运行可靠性。

3.1.2励磁系统采用分层控制，如图2所示。

图2励磁系统分层控制图3.6

在励磁系统中，控制部份分成几个层次，以便于任务的分级管理。

最下层执行最基础的任务，主要包括脉冲调理放大、晶闸管触发、晶闸管整流装置的智能管理和灭磁。

其次的一层是控制层，这一层是励磁系统控制的核心层，主要包括采集信号、运算处理、脉冲输出、系统保护和逻辑控制，这些工作涵盖了调节器的基本功能。

再上一层是励磁系统的操作工作站，它主要是对系统的数据进行贮存、实现修改参数、图形显示、现地操作和试验录波和故障追忆等，进行远程调试维护时，Intel网也是通过该层接入的。

最顶层是电厂监控系统和远方控制系统层。

各层之间的通讯由工业以太网来完成，以保证各层之间的通讯良好。

3.2控制器

实践经验证明，具备高速运行指标、高可靠性的先进的工控机，才能满足励磁调节器的要求。

A、B控制通道的控制器选择了3UCompactPCI总线式控制器，它具有以下特点：

a）采用开放的工业标准与结构。

机箱采用抗电磁干扰技术设计，具有较高的电磁兼容能力，而且抗冲击、抗震动;

b）底板完全由无源器件组成，没有任何有源器件。

为板卡提供的垂直散热系统能保证板卡安全工作;

c）采用机箱后端走线的连接方式，非常方便板卡的插入和拔出，易于维护，极大减少了平均故障维修时间（MTTR）;

d）板卡采用满足欧洲标准的2mm针孔连接器，确保连接的绝对可靠，同时支持容错冗余和板卡的热拔插;

f）板卡的选择具备高实用性、通用性，配置灵活且具有很强的扩展性。

由于极高的系统宽带，坚固、模块化设计的欧规卡封装以及开放的软件支持使得CompactPCI总线式控制器成为国防、航空、通讯、电力系统自动化等应用领域的理想平台。

3.2.1电源系统

控制器内部电源为CPS-H325电源模块，输入电压24V，电源功率250W。

该电源兼容PICMG2.11规范，采用无风扇设计；抗干扰能力强、可靠性高、可进行热插拔，支持N+1冗余结构；具备过电压保护、 过温度保护、短路保护和状态指示，能自恢复。

3.2.2CPU模块

CPU模块为CPCI-3500A,兼容PICMG2.0规范。

采用无风扇设计，支持热插拨功能；低功耗、嵌入式CPUPentium-MMX166/266MHz，板载RAM256MB，数据处理速度快、可靠性高；内置双USB口，两串口、一并口，板载Intel8255910/100Mb以太网口；一个板载144MDiskOnChip。

3.2.3模拟量采样模块

模拟量采样模块为CPCI9112/R高速智能多功能A/D卡，它兼容PICMG2.0规范，可以通用于CPCI总线工控机上。

具备16路模拟量输入通道，12位分辨率，100kHz的A/D采样率，板载1KFIFO存贮器，实现智能采样，满足交流采样的通道数和精度要求；软件触发、定时触发、外部脉冲触发等三种触发功能，适应不同的要求；2路12位D/A通道，可用于自诊断或PSS调试输出。

3.2.4脉冲形成模块

脉冲形成模块为CPCI8554/R，32位总线的10通道定时/计数器，它兼容PICMG2.0规范，可以通用于CPCI总线工控机上。

4块板载82C54可编程芯片，满足脉冲形成的要求；10通道16位减法计数器，8MHz系统时钟，满足移相范围和精度的要求；抗干扰滤波电路可以防止谐波的影响。

3.2.5数字I/O模块

数字I/O模块为CPCI7432/R多通道光电隔离开入、开出板，它兼容PICMG2.0规范，可以通用于CPCI总线工控机上。

具有独立的32路输入和32路输出光电隔离通道；隔离绝缘电压达2500V。

3.3外围电路

外围电路主要包含模拟信号处理和逻辑信号的处理。

模拟信号处理模块主要致力于信号的转换和传输，模拟信号变送的关键是隔离器件要集成度高、快速交流采样和高精度。

特别需要注意的是由于同步信号上有很大的干扰毛刺，所以对干扰毛刺滤波和抑制是非常重要的。

另外，励磁电压和电流是含有交流分量的变量，特别是励磁电压属高压系统，部件的电气耐压能力又是一个大问题，变送起来就很困难。

根据电磁规律作用选取合适的电气变送部件可以解决这个问题。

逻辑信号的处理也需要考虑滤波和适应不同现场的要求。

外部系统提供的电压不一致，因此逻辑处理也要分别对待，外围逻辑信号的采集和转换采用模块化设计，可减少故障，方便联接。

3.4励磁系统软件

励磁系统软件是整个励磁系统控制的核心，主要包括微机系统软件、基础软件、应用软件、调试软件和开发软件。

3.4.1微机系统软件

对微机系统软件的要求是可靠性高、运行速度快和起动时间短，具有中断功能、分时任务调度功能、磁盘管理功能、串口通讯功能、以太网通讯功能和文件管理功能。

根据上述要求，我们对微机系统软件进行了二次开发，实现定时1ms中断，作为系统的基本时钟；将任务分成1ms、5ms、10ms、20ms、40ms、100ms等不同的任务群，进行分时任务调度，确保既能高速地执行关键任务，又可以使多种任务在有限的时间里不冲突，合理调配；实现多看门狗功能，以便系统死机时，能够迅速重新起动；实现快速重起，使起动时间限制在200ms以内；实现系统格式化，满足对DOC芯片的要求；实现各种通讯接口功能，如RS232、RS485、RS422和以太网等。

3.4.2基础软件

基础软件具备功能完备、设计简捷、运行可靠、维护和调试方便的特点。

3.4.2.1数据结构：

根据不同的功能要求，每一个功能分配一个组，每一个组安排100个数组变量，共设计了100个组。

这100个组以及其中任何一个变量都是全局变量，可以由任何功能调用，也可以调试软件修改和观察，使得整个应用软件就成为可视化软件，做到变量可观察、参数可修改。

100个组分成二大类，一类是变量，另一类是参数。

变量类只可观察，不可修改；参数类可观察，可修改。

3.4.2.2功能块：

功能块是为完成一些功能而设计的基本函数，它主要由输入信号、输出信号和函数体组成，功能块编程的优点是程序一目了然，可靠性高。

我们编写了40多个功能块，主要包括积分、微分、最大值、最小值、数据转换、滤波、特定的逆函数、多路开关、单稳电路、R-S触发器、正弦、余弦、UVW到dq轴坐标变换、频率测量、线性插值、波形发生器、三相交流采样、有功和无功测量、开关投延时功能、开关切延时功能、低门坎触发器、高门坎触发器、PI调节器、PID调节器、计数器、存贮器、录波器等，上述功能均由功能块实现。

3.4.2.3信号处理：

自动电压调节器的任务是精确高速控制发电机机端电压和无功功率，因此机端电压要实时与给定电压进行比较，经调节计算后，输出相应脉冲去迅速调整同步发电机励磁电压。

通过对发电机的机端电压、机端电流、电网电压、励磁电压、励磁电流以及发电机的频率进行数据采集和数字化，通过数字化和相应的计算，得到机端电压、机端电流、机端频率、有功功率、无功功率、励磁电压和励磁电流。

机端电压是三相交流量，首先对其进行数字滤波，然后进行坐标变换，得到相应的d、q分量，最后乘得发电机电压有效值；机端电流的处理与机端电压相同，不仅要测量机端电流的有效值，还要测量相对于机端电压的相位角；有功功率和无功功率是通过将机端电压、电流变换到d、q坐标系后求得，这比传统算法精度要高，响应速度快；机端频率的测量采用电压信号经累计计算而得，而没有采用中断响应的方法，提高了可靠性；励磁电压和励磁电流信号是由霍耳变送器的感应信号，经过数字滤波、校标、去除偏置影响后得到的。

3.4.3应用软件

对基础软件进行模拟信号数字化后，通过十个程序来完成励磁的各种控制、调节功能，分别是给定计算、限制器、叠加控制、自动电压调节器、励磁电流调器、跟踪、多机通讯、人-机接口、远程监控、功率柜控制和智能均流。

3.4.3.1给定计算：

给定计算时接受几个方面的信号，实现预定值、增减磁、最大最小给定值限制、软起励、无功调差、有功调差等功能。

给定计算可以使发电机初始化电压在任意预置值或者跟踪电网电压差值，考虑到限制发电机升压时超调或振荡，使发电机平衡缓慢升压，设计了软起励，并且起励时间可调，使发电机升压过程无超调；考虑到无功分配的问题，为保证两台机或多台机并联运行时，能够使无功功率合理分担，实现调差运算；给定接受增、减磁命令，调整给定稳定增、减；给定值设有上下限门坎，防止过压和失步事故，并有报警指示。

3.4.3.2限制器：

限制器主要包含过定子电流限制器、过励磁电流限制器、最小励磁电流限制器、P/Q限制器、V/Hz限制器、PSS电力系统稳定器等。

过定子电流限制器是用于防止定子电流过流的反时限过流限制器。

进相过流时，如果定子电流有功分量不变，只有增加励磁，才能使无功电流分量有效值减小；滞相过流时，只有减小励磁，才能使无功电流分量有效值减小。

该限制器作用原理是将定子电流有效值进行热积累，积累的速度按照实际发电机定子过流热积累的情况而定。

一旦热积累超过容许值，则定子电流给定值由最大值降到热允许值，其输出信号加入到信号综合点上，将定子电流拉回到允许值以下，然后开始散热计算，以便下一次的热积累。

过励磁电流限制器是用于防止转子励磁电流过流过热的反时限过流限制器。

其作用原理与定子电流限制器基本相同，只是它只有一个方面动作，就是过励时采取励磁电流调节并减小到允许值以内。

如果在过励时，机端出现短路，则可以释放过励限制，使励磁系统强励。

最小励磁电流限制器是在发电机正常运行时，不允许由于励磁电流太小，而使发电机失去稳定运行。

因此为励磁系统设计一个最小励磁电流限制器，其允许的最小励磁电流称为最小励磁电流给定。

用该给定与实际的励磁电流进行比较，当励磁电流小于该给定时，限止器动作，自动增加励磁电流，以防止发电机运行失去稳定。

P/Q限制器用于当发电机进相过深时进行必要的限制运行，否则，会产生失步和端部绕组过热。

根据发电机运行的功率圆图，设计了P/Q进相限制曲线，正常运行时，限制器不动作，一旦进相并进入限制曲线，限制曲线上对应于有功的相应无功值作为给定，调节器转为无功调节，使发电机的无功功率不会低于限制曲线，从而保证系统稳定和发电机的可靠运行。

V/Hz限制器为了防止发电机低频下出现过激磁，限制给定，使发电机退出过激磁，防止过热事故。

PSS电力系统稳定器是为了增加发电机的正阻尼，防止和抑制电力系统低频振荡而设计的电力系统稳定器。

算法采用IEEE-42/2A型模型，输入信号是转速偏差和电功率，经过隔直、去扭振、求加速功率以及超前、滞后环节，得到的阻尼信号，加到自动电压调节环节中。

3.4.3.3叠加控制：

当电厂需要发电机工作在恒无功方式或恒功率因数方式时，采用叠加控制。

其作用原理是根据实际无功功率与给定的偏差，产生增减磁信号，作用到电压给定，使机端电压调整到期望的输出无功值上。

3.4.3.4自动电压调节器功能：

自动电压调节器功能由两部分组成，分别是信号综合和PID调节。

信号综合是解决调节器与限制器的控制权问题。

正常的控制是对发电机电压的闭环调节，形成闭形调节回路。

但是当发电机运行在极限条件下，又要限制发电机的正常调节,限制与调节会产生矛盾。

为了克服这一矛盾，设计了信号综合程序，它的作用原理是竞比门，即由大值门和小值门组成。

过励时，小值门输出；低励时，大值门输出。

这样调节与限制是无波动切换，相当于是几个不同闭环控制回路的自动切换。

闭环控制回路不同时，调节参数也自动切换。

这样很好的解决了限制器投、切问题，防止因投、切产生的波动。

PID调节是非常成熟的调节规律，但要解决数字积分过饱和与积分投退、积分初始值确定和参数的调整等问题。

我们采用的算法是自动消除积分过饱和，防止超调。

对于积分的投退，采用按照发电机偏差和起励等逻辑来控制，编程采用二级转逆函数，使PID的传递函数模块更准确，参数更精确。

3.4.3.5励磁电流调节功能：

其控制对象是励磁电流，是调节励磁电流的闭环控制系统。

在励磁电流调节时，大部分的限制器均已退出，它主要运用在发电机调试阶段和紧急情况的应急使用。

该调节功能采用PI调节，由于PI参数可调整，因而稳定性较好。

3.4.3.6跟踪功能：

调节器设计为三通道，共五个闭环系统，其中有二个电压闭环调节和三个电流闭环调节。

当一个闭环主控时，其它闭环要跟踪主控闭环。

为了使从电压闭环切换到励磁电流闭环，或从一个通道切换到另一个通道的闭环之间切换无波动，设计了跟踪功能，该功能主要包括控制权的确定、控制电压和发电机运行的跟踪。

备用闭环在保证控制电压不变的情况下，随时调整给定，确保切换后维持发电机状态不变。

3.4.3.7多机通讯：

三个调节通道要实时保持通讯，一方面知道对方的工作情况，另一方面可以判断对方是否出现故障或事故。

通讯的内容主要是控制方式、励磁电压和电流、发电机电压和电流、控制电压以及各种逻辑状态。

根据其它通道传来的信息，可以实现通道之间的跟踪、故障判断和通道切换。

3.4.3.8人-机接口：

人-机接口即为显示控制工作站，由一台平板电脑完成。

人-机接口实现操作命令、显示发电机状态、显示和调整控制参数；显示各通道采集的发电机状态量、显示功率柜和灭磁柜的状态和故障；进行试验和录波；进行事故追忆。

人-机接口是操作和调试励磁的工具，也是维护和诊断系统的工具。

3.4.3.9远程监控：

每一个控制通道，通过RS485网，接受监控的命令和无功给定值，也可以将监控系统要求的信息传递给监控系统。

3.5晶闸管整流装置专用控制器

晶闸管整流装置专用控制器的核心是PC104，它是一种高品质、开放式总线结构的嵌入式PC模块。

具有超小尺寸、超低功耗、宽温特性、高可靠、功能强大、方便使用的优点。

PC104包括中央控制模块SCM6231、模拟量采集模块ADT600、数字I/O模块CDT2000。

中央控制模块SCM6231采用增强型高性能的嵌入式486作CPU，工作频率50M～133MHz，8M的板载RAM，工业标准BIOS；具有4个串口、1个并口、1个以太网口。

模拟量采集模块ADT600具有16个单端模拟输入通道，12位分辨率、A/D采样转换时间为10μS、±10V模拟量输入完全满足交流采样的通道数和精度要求。

数字I/O模块CDT2000安装4片82C54,具有12个独立的16位、8MHz定时/计数器,可以实现触发脉冲精确移相的精度要求；48通道数字量I/O可以直接与外部设备或信号相连。

PC104与相应的外围电路构成的晶闸管整流装置专用控制器，具有体积小、可靠性高、外形美观的特点。

专用控制器通过对整流桥中每个桥臂晶闸管的电流进行瞬时采样、分别测量、数字计算，由调节柜主控制器通过综合比较后发出控制信号，实现每个桥臂电流的均流和晶闸管整流柜间的智能均流。

该控制器还通过Earthnet与主控制器进行实时通讯，完成起动、停止、切换等逻辑控制；对本整流柜的晶闸管、快速熔断器、冷却风机等进行实时的状态监测，对脉冲进行故障判断，还显示每个整流桥的电流和状态，使得晶闸管整流装置实现智能化。

3.6晶闸管整流装置的冷却

3.6.1晶闸管整流装置的冷却方式

目前，晶闸管的冷却普遍采用强迫风冷和整流柜内部密闭水冷两种方式，对于小功率元件也有采用自然冷却和热管冷却的。

在几种冷却方式中，以强迫风冷为主，强迫风冷也有集中冷却和独立冷却之分。

采用风冷的国外知名生产厂家有ABB、西门子、ALSHTOM、罗尔斯-罗易斯等公司，国内厂家也绝大部分采用强迫风冷的冷却方式。

虽然均为风冷系统，但设计上也有区别。

ABB公司在冷却系统中采用双风机结构，风机置于柜底，独立冷却。

西门子是将风机装于柜顶，双风机互为备用，加拿大GE公司的整流柜风冷有特色，专门有一个风冷柜，由2台主备工作的风机抽风，通过风道走廊送到各柜体供风，冷却效果好，属集中冷却，但体积庞大，不方便水电站机旁柜体布置。

整流柜内部密闭水冷是将各个整流柜单独密闭，在每个整流柜内安装水冷却器，通过柜内的循环风机使气流强迫流过功率元件和水冷却器，由冷却器的冷却水将整流柜产生的热量带走。

这种冷却方式的优点是热风不会直接排到安装励磁设备的工作小间，造成小间内的环境温度升高的热污染，另外冷却空气只在整流柜内部进行密闭循环，外界的粉尘不会进入柜内，确保晶闸管和其他电气元件表面的洁净，这是一种可以用于大型发电机组励磁系统的良好冷却方式。

3.6.2冷却水流量及水冷却器的选择

水冷却器及冷却水流量的选择应根据柜内的发热量情况而定。

实际使用时，如某整流柜内部发热损耗为9.1KW，冷却水所需的水量Q可根据热平衡方程式求得：

Q=3600×P×K1×K2/（C×R×△T）=7.8（m3/h）

式中：

P—风道总发热功率取P=9.1（kW）

C—水的比热容kJ/（kg·k）取C=4.2kJ/（kg·k）

R—水的密度kg/m3取R=1000kg/m3

T—水的进出口水温差k取△T=5k

K1—整流柜发热系数取K1=2

K2—换热器换热系数取K2=2.5

通过技术对比，选用TLS型铜管穿铝片式高效换热器，规格如下：

型号TLS4×20×600

水冷却器面积600×800mm2

管束层数4

水压试验压力1.2MPa，

工作压力0.6MPa，最大工作压力：

0.8MPa。

有效通流面积S=1.767×10-4×20=0.0035m2

计算该型水冷却器冷却水的通流量Q’如下：

Q’=S×V×3600=12.6（m3/h）

式中：

S—水的通流面面积取S=0.0035m2

V—水的流速m/s，当水压为2kg/cm2时，取V=1m/s

通过计算可以得出，当冷却水水压为2kg/cm2（△P=2×105Pa），每个换热器冷却水流量可以达到12.6m3/h，完全能满足整流柜的冷却要求。

水质为适当沉淀净化的普通江水。

4结语

a）在多通道系统设计上，一般只提供A、B双通道系统，缺乏独立的手动通道C，一旦两套工控机都出现故障，就会迫使发电机停机。

我们在系统设计时,设计了C通道，C通道的系统总线和模块结构也完全区别并独立于A、B通道，使故障在不同的通道产生不同结果，不至于出现系统同时瘫痪的可能。

高速以太网的通讯，使系统冗余能力提高，资源共享。

b）新型CompactPCI控制器具有功能强大、软件支持能力强、安全可靠且结构简洁、运行维护方便等众多优点，大大提高了励磁调节器和整个励磁系统的可靠性，同时为实现励磁系统的远程调试和远程维护提供了有效的控制平台。

c）励磁系统软件是整个励磁系统控制的核心，通过对软件的优化升级和进行可视化编程、调试，增强了软件的功能，提高了安全性和运行速度，人－机接口功能的扩展为励磁系统的远程调试维护奠定了良好的基础。

d）在晶闸管整流装置内设置专用控制器，使励磁调节器和晶闸管整流装置可以通过网络进行通讯，大量的控制信号和状态信号通过网络进行交换，减少了柜间连线，使得系统更加简洁，同时实现晶闸管整流装置的智能均流、智能检测和实时监控功能，使得晶闸管整流装置进入智能化时代。