鱼跳电厂励磁技改方案.docx

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鱼跳电厂励磁技改方案

1设计方案

本技术方案提供的MEC-21B3DSP型微机励磁控制装置通过国家技术鉴定，并且取得良好现场运行效果。

根据鱼跳水电站水电站的机组容量，对比同类型、同容量机组的运行经验，同时为保证现场具有：

良好的运行性能指标、可靠的运行记录、美观合理的结构工艺以及更先进、简单、快速的控制方式，我们推荐采用MEC-21B3微机励磁控制器＋完全冗余的大功率整流柜＋高可靠性的灭磁过电压保护装置构成的自并激微机励磁系统。

MEC-21B3微机励磁控制器采用双自动通道结构，同时每一自动通道配有辅助手动控制单元，当某一通道故障时自动进行通道切换，也可以手动进行通道切换，只有当自动调节功能（AVR）全部故障时才会切换到手动控制方式运行。

人机界面采用液晶文本显示屏，可以在线修改、整定各种限制参数，现场试验十分方便。

该控制器适应电力系统朝大机组、大电网方向发展的需要，采用线性最优（其他控制方式可选）励磁控制方式，能有效提高电力系统的稳定性和发电机组的静稳极限，满足电力系统联网稳定运行的要求。

控制器以“功能完备、可靠性高、检修维护方便、操作简单直观”为设计思想，不但具有常规模拟式励磁控制器的全部调节、控制功能，而且具备常规控制器没有的许多控制、保护、限制、逻辑判断、自诊断、容错、在线整定、参数显示、与现地LCU通讯和开关量的调节、现场调试试验、故障录波等强大功能，其总体性能达到国际领先水平，是大、中型同步发电机励磁控制器的理想选择。

励磁系统的功率整流部分采用STR系列大功率整流装置，全冗余设计，由2个完全相同的三相全控可控硅整流桥并列运行，退出一桥可满足包括2倍强励的所有运行工况。

关键器件采用进口产品：

进口ABB可控硅元件，进口emb低噪音冷却风机。

为保证风机供电电源的持续性，采用双路交流供电模式。

灭磁及过电压保护装置保证在任何需要灭磁的工况下（包括发电机空载强励情况）可靠灭磁。

发电机正常停机采用逆变灭磁，事故停机采用磁场断路器，线性电阻及封触发脉冲的灭磁方式。

励磁系统灭磁回路设置有DMX2系列断路器。

励磁系统由1面调节器柜、1面功率灭磁（三相全控整流装置加灭磁及转子过压保护）共2面柜组成，结构紧凑简单。

整套装置具有调压精度高、速度快、操作简单、可靠性高、免维护以及运行稳定等特点。

同时本系统可以现地和远方进行机组的手自动开停机，与电站计算机监控系统有良好的通信接口，能够接收电站计算机监控系统的控制信号，并向电站计算机监控系统上传励磁系统有关信息。

1.1基本配置

针对鱼跳水电站机组容量，我们对单套发电机励磁系统基本配置如下表：

设备

名称

规格

型号

数

量

技术

说明

励磁变压器

励磁调节器

MEC-21B3微机励磁控制器

1屏

32位DSP数字式工业控制计算机

多CPU并行处理技术，主频150MHz

数字式双自动通道＋辅助手动控制单元，通道互为热备用，相互无扰动切换

彩色液晶中文显示屏，参数在线修改、诊断分析功能

全封闭式机箱，SMT表面贴装工艺，热插拔技术

网络互检技术、多种标准的网络及通讯接口

LOEC线性最优控制规律，其他、PID、PID+PSS等控制规律可选

电力系统稳定器－PSS2A

功率灭磁柜

FMB-600A

1屏

晶闸管型号：

进口ABB元件5STP07F1801

单桥输出能力：

600A长期/1200A强励

冷却方式：

强迫风冷，冷却风机1＋1冗余

供电方式：

交流双路供电

均流系数：

不小于0.9

高频脉冲列强触发脉冲，可控硅过流过压保护装置

高耐压脉冲变压器（15KV/1min）

可控硅整流元件分相组装，便于自由拆卸和检修

灭磁电阻容量：

2欧/3000W

智能起励控制装置（直流备用的起励方式）

断路器型号：

DMX2-800A/220V额定电流800A

柜体

W×D×H（mm）

2屏

调节器柜：

800×800×2260mm

功率灭磁柜：

800×800×2260mm

自动控制照明装置

1.2励磁系统原理图、布置图

1.3典型应用

三峡电源电站2×50MW机组励磁系统实物照片

云南大盈江二级2×50MW励磁系统设备实物图

葛洲坝电厂智能自适应控制器＋热管功率柜励磁系统

2励磁系统设备供货范围

本合同供货范围包括三套励磁设备，以及必要数量的备品备件和专用工具。

每套励磁设备包括下列部分：

（1）可控硅整流装置；

（2）带手动控制单元的双微机，彩色液晶显示器，双通道励磁调节器；

（3）灭磁装置；

（4）起励装置；（无需外部电池充磁）

（5）励磁系统控制和保护装置；

（6）励磁电压、电流变送器（供电站监控系统数据采集）；

（7）提供励磁柜之间，以及励磁柜与发电机、励磁变之间的交、直流连接电缆型号。

（8）备品备件和专用工具

3励磁设备性能保证值

技术文件提交微机励磁设备的性能保证值，并保证所提供的设备性能等于或优于所填写的性能指标。

3.1系统性能保证

励磁方式

可控硅自并励

额定励磁电流

512A

额定励磁电压

173V

励磁顶值电流

1024A

励磁顶值电流倍数

2倍

励磁顶值电压

428V

励磁顶值电压倍数

2倍

强励允许时间

20s～50s可调整

励磁系统电压响应上升时间

0.08s

励磁系统电压响应下降时间

0.10s

励磁系统手动控制单元调节范围

5～130%

电力系统稳定器（PSS）有效频率范围

0.2～2.0Hz

励磁系统年强迫停运率（FOR）

0.1%

励磁系统平均无故障间隔时间

50000h

3.2系统设备特性

励磁变压器

励磁变压器型式

三相户内式环氧

浇注干式

励磁变压器容量

250kVA

励磁变压器高压侧额定电压

10.5kV

励磁变压器低压侧额定电压

300V

励磁变压器接线方式

YD11

励磁变压器绝缘等级

F级80K

励磁变压器冷却方式

自冷

励磁变压器抗雷电冲击电压峰值

75kV

励磁变压器1min工频耐压幅值（原边/副边）

35kV/5KV

可控硅整流装置

可控硅功率整流桥支路数

1

整流功率柜数量

1面

整流功率柜外部尺寸（高×宽×深）

2260×800×800mm

整流功率柜冷却方式

强迫自冷

整流功率柜在冷却风机停运后可连续运行时间

60min

可控硅冷却器的材料及结构

铝散热器、压接式

可控硅组件型号及规格

5STP07F1801

可控硅功率整流桥结线形式

三相全控桥

可控硅功率整流桥每支臂并联可控硅数量

2个

可控硅功率整流桥并联组件均流系数

≥0.95

可控硅功率整流桥支臂快速熔断器型号及规格

106RSM400V/600A

单面整流功率柜额定电流（长期/强励）

600A/1200A

单面整流功率柜冷却风机数量

2个

整流功率柜冷却风机型号及规格

W2E-350

整流功率柜噪声（离柜面1m处）

＜65dB

励磁调节器

励磁调节器型式

数字式32位微机励磁调节器

励磁调节器柜外部尺寸（高×宽×深）

2260×800×800mm

励磁调节器的信道设置

双自动控制通道＋辅助双手动控制单元

励磁调节器给定方式

数字给定

励磁调节器接口型式

硬件I/O接口和软件串行通讯接口

励磁调节器电源型式

交直流双路供电

励磁调节器微机机型

32位DSP

励磁调节器的性能保证（详细开列）

AVR调节范围

5～130%Un

FCR调节范围

5～130%IFn

励磁调节器调节精度优于

0.2%

AVR电压调差率范围

±30%（可调）

励磁系统突甩额定有功及无功负荷负荷后

电压超调量不大于额定值

10％

调节时间

＜3s

振荡次数

≤1～2次

励磁系统零起升压起励

电压超调量不大于额定值

无超调

调节时间

＜5S

振荡次数

无振荡

励磁调节器硬件配置

　CPU字长

32位

　主频

150MHz

RAM

3MB

通讯接口形式

485串口

励磁调节器维持正确工作在短时间内（不大于强励持续时间）工作电源电压允许波动范围

50-130%额定值

频率允许波动范围

35-80Hz

励磁系统的延迟时间

＜0.02s

灭磁及过电压保护

灭磁方式

正常停机逆变灭磁，事故停机采用磁场断路器，线性电阻及封触发脉冲的灭磁方式

转子过电压保护型式

ZnO电阻

灭磁及转子过电压保护柜数量

1面

功率灭磁及转子过电压保护柜外部尺寸（高×宽×深）

2260×800×800mm

磁场断路器型号及规格

DMX2-800A/220V

磁场断路器跳闸线圈个数

1个

磁场断路器操作电源电压

DC220V

磁场断路器合闸电流

<30A

磁场断路器跳闸电流

<1A

线性灭磁电阻型号及规格

2欧/3000W

3.3励磁系统可靠性

公司提供、生产的励磁系统各元件均留有充分裕度，经过合理的参数设计选型，各种电子元器件均采用军用级或工业级元件，关键部件采用进口元件，并经过严格检验程序和高温老化筛选，丛而提高整个装置的可靠性。

励磁系统平均无故障间隔时间（MTBF）不小于

50000h

励磁系统年强行退出比（FOR）

＜0.1%

励磁装置平均故障时间

＜2小时/年.

励磁系统的可使用率

自动

>99.9%.

自动+手动

99.99%

励磁系统的故障率

＜0.10次/台年.

非线性电阻使用寿命

＞10年

励磁装置退役前使用年限

＞20年

4对技术的响应和描述

4.1励磁系统基本要求

本电站发电机组励磁系统采用自并激静止可控硅整流励磁系统。

该系统包括以下各部分：

励磁电源变压器、三相全控桥可控硅整流装置、励磁调节器及辅助功能单元、起励装置、励磁回路断路器、灭磁装置及过电压保护装置、励磁系统测量控制和保护装置、电力系统稳定器等。

其系统原理图如下：

励磁系统原理图

（1）在励磁顶值电压倍数为2，励磁系统能够保证励磁顶值电流倍数为2，其允许时间不少于50秒。

（2）励磁系统电压响应时间：

a）上升（强行励磁）不大于0.08s。

b）下降（快速减磁，由顶值电压减小到零的时间）不大于0.10s。

（3）励磁系统保证当发电机励磁电压和励磁电流分别为发电机额定负载下的励磁电压和电流的1.1倍时能够长期连续运行。

（4）励磁系统保证发电机在各种运行工况（包括在规定的进相深度内进相运行）下稳定、安全地运行。

（5）励磁系统设有手动控制单元。

保证手动控制单元的调节范围下限不高于发电机空载励磁电压的5%，上限不低于发电机额定励磁电压的130%。

（6）卖方提供MEC-21B3型微机励磁控制器装设电力系统稳定器（PSS），其有效频率范围为0.2~2.0Hz。

（7）励磁系统在下列电源条件下保证发电机在额定工况下连续稳定地工作：

a）交流380/220V系统，电压偏差范围为额定值的±15%，频率偏差范围为额定值的-3Hz～+2Hz。

b）直流220V系统，电压偏差范围为额定值的-20%～+10%。

（8）保证当励磁电流在小于1.1倍额定励磁电流下长期运行时，励磁绕组两端电压的最大瞬时值不超过在交接验收时该绕组对地耐压试验电压幅值的30%；在任何实际可能的情况下，励磁系统保证励磁绕组两端过电压的瞬时值不超过出厂试验时绕组对地耐压试验电压幅值的70%。

（9）励磁系统配备与计算机监控系统接口的硬件和软件，接口分计算机串口通信和开关量接口两种方式。

保证励磁控制器能够接受电站计算机监控系统通过串行口下达的无功功率或电压设定值。

（10）保证励磁控制系统在受到现场任何电气操作、雷电、静电及无线电收发讯机等电磁干扰时不会发生误调、失调、误动、拒动等情况。

（11）保证励磁调节器在其交流工作电源电压短时间内幅值波动范围在55%～120%额定值、频率波动范围在35Hz～100Hz内，能够维持励磁系统正常工作。

（12）起励回路设有起励后自动退出和起励不成功的保护回路。

（13）励磁系统装设过电压过电流保护及励磁绕组回路过电压保护装置，电压互感器断线保护；功率柜冷却风机故障；电源消失及断相保护等装置。

4.2励磁设备

4.2.1励磁调节器

4.2.1.1概述

新一代DSP型微机励磁控制器继承了原MEC系列励磁调节器的核心精华技术，同时还吸收引进了目前数字控制领域内最先进的研究成果和工艺，如DSP数字信号处理技术，标准的欧洲卡架结构（4U）和针孔连接器，彻底取消了边缘金手指连接方式，具有抗强冲击和强震动的能力和多种通讯方式。

速度快，精度高，稳定可靠，工艺精良，深受用户好评。

DSP型MEC微机励磁控制器采用完全独立的双自动通道的结构。

各通道采用完全独立的电源，并有各自独立的相控单元。

当双机双自动通道故障时，自动切换到手动控制方式运行（FCR），AVR与FCR可手动/自动切换，可现地/远方控制切换。

调节系统能够做到可现地和远方调整电压，连续工作，保证励磁控制器对三个相的电压都敏感。

调节器控制原理采用线性最优，其他控制原理如：

PID、PID+PSS、LOEC等控制原理可以根据电力系统运行方式供买方选择。

DSP型MEC微机励磁控制器采用多CPU管理模式，具有面向对象的调节功能，每一通道有独立的励磁调节用电流互感器和电压互感器。

控制器所有板件均采用电路表面贴装工艺（SMT）。

由于采用高集成度的芯片，实现了“并行总线不出板”，因而其抗干扰性较采用“工业控制总线”的调节器要高。

本控制器硬件由显示屏、工控机、测量单元、逻辑控制单元和电源单元组成。

液晶显示屏，完成人机接口、各种参数设置、事件记录及监控系统的通讯等。

工控机硬件采用具有高抗干扰、高抗振动、标准机箱高度模板的DSP产品，该产品由专业工控机厂家按恶劣的工业现场条件特别设计，硬件设计合理，配置简单清晰，按励磁控制系统的要求双重化，可满足各种容量发电机励磁控制的要求。

测量单元、逻辑控制单元、及电源单元全部采用母板机箱结构，具有接线简单可靠的优点。

管理机可与励磁调节双通道进行信息交换，从而实现对发电机运行状态进行监视和记录，也可作为一个子站与电厂（站）主计算机管理系统进行联网，实现励磁设备自动化管理。

励磁控制器按国际标准柜设计，其外围接口符合传统设计要求。

如交流信号输入、开关量信号输入、装置直流电源、交流电源、异常信号输出、RS485、RS232通讯接口等皆符合现场常规要求。

4.2.1.2主要特点

（1）线性最优控制规律

与PID+PSS控制方式相比，最优励磁控制规律是全部状态量的最优的线性组合，这种组合能保证系统在过渡过程中各状态量对其稳态值的平方误差的积分最小，使其控制效果不受振荡频率的影响。

丛这一点上说线性最优控制规律具有有优于PID+PSS（PowerSystemStabilizer）的性能。

最优励磁控制器无论在系统发生一般频率的振荡（0.5~2Hz）或是超低频振荡（0.017~0.08Hz）或是次同步振荡（10~40Hz），均能有效地予以抑制，可使系统获得高动态稳定极限。

（2）高速数字信号处理器DSP

交流采样技术、脉冲直接形成技术以及先进的控制策略，是微机励磁实现的关键性技术。

本控制器采用的控制芯片是美国TI公司生产的32位浮点型高速数字信号处理芯片（DSP），运行处理速度高，适应工业环境运行条件。

由于DSP芯片内集成了硬件乘法处理器，因此只要一个指令周期便可完成一次乘法运算，特别适用于自适应控制高速运算的要求。

同时，装置利用DSP数字信号处理器超强的数据处理能力，吸收大量的现场经验，并应用许多成熟的励磁原理及算法实现要求的励磁控制，极大的提高了励磁控制的快速性、可靠性和准确性，使得整机性能指标达到最佳。

（3）同步回路断线保护

独特的同步电路设计，保证了同步信号稳定、可靠。

主要表现在以下两个方面：

1）其一、在发电机电压从残压到130%额定电压范围内变化，同步方波始终稳定；

2）同步回路无论是在同步变压器原方还是在副方发生一相断线故障时，都能保证发电机在原工况下稳定运行，不受影响；

（4）脉冲直接形成技术

采用新一代专业数据处理器DSP的高速输出作为智能脉冲处理。

无需主控CPU干预，可以执行正常流程。

这种脉冲产生方式非常简单自然，硬件、软件均很简单，产生的脉冲稳定可靠。

（5）抗干扰、软硬件容错、自诊断功能

励磁调节器硬件上采用了行之有效的抗干扰措施，如电源噪声处理、电源地隔离、开关量光电隔离等，可通过3级电磁瞬变干扰。

同时采用大量容错技术使得系统更为可靠，如脉冲掉相处理、Watchdog、智能电源监测等；软件中对于开关量采用“二值”判断、模拟量梯度识别、数据合法性判别等大量的容错算法。

完善的自诊断及软、硬件容错技术，保证设备稳定可靠运行，防止人为误操作。

（6）电磁兼容性试验

电路设计采用先进的表面贴装技术（SMD），电子元器件功耗低，发热量小，可靠性高，不需进行额外的通风散热处理；在元器件选型中采用工业级或军用级产品；工艺结构采用标准欧式机箱；在各个方面的设计过程中充分发挥了屏蔽、接地、滤波、布线设计的作用，加强了对电源线路上的低频干扰的抑制能力，整体抗干扰能力通过国家三级抗扰度电磁兼容（EMC）性能测试。

同时电磁兼容性检验满足GB/T14958.9.10.13.14（idtIEC60255―22―3–4–1–2，evqIEC60255―5）、GB/T17626.5.6（idtIEC61000―4–5―6）等抗电磁干扰试验标准提出的要求。

表面贴装工艺和标准机箱

（7）欧式针孔连接器

欧式针孔连接器采用四面弹簧压紧结构，全封闭防尘，接触好，可靠性高，彻底取消边缘金手指连接方式，具有抗强冲击和强震动的能力。

可以在极其恶劣的环境中使用，满足运动目标以及有剧烈震动场合对工控机的要求。

（8）双路供电电源

调节器电源部分采用冗余结构，交流380V，直流220V双路供电，交流优先，互为热备用。

当交、直流任意一路故障时，能自动地无扰动切换至另一路电源供电。

内部工作电源采用采用双路并行DC—DC模块，体积小、输出稳定、维护量少。

原理简图如下：

励磁调节器交直流双路供电示意图

（9）多种通讯方式

调节器具有柔性的智能接口，以接点-I/O开关量；串口-RS485、RS232、RS422等多种方式实现与电站计算机监控系统通信的功能。

保证当串行通信接口发生通信故障时，不会引起调节器产生过励或欠励，确保励磁电流维持在当前工作状态。

具体示意简图如下：

励磁系统与计算机监控系统双向通讯示意图

（10）定子电压、电流高精度多点采样技术。

（11）独特的同步回路及同步断线保护功能。

4.2.1.3主要功能

（1）三种控制算法可选

a）LOEC线性最优控制

b）PID+PSS控制

c）P、PI、PID控制

（2）五种调节运行方式

a）自动电压调节（AVR：

AutomaticVoltageRegulate）

b）恒无功运调节（RPR：

ReactivePowerRegulate）

c）励磁电流调节（FCR：

FieldCurrentRegulate）

d）恒alpha角（主要用于开环、短路试验以及线路融冰等）

e）恒功率因数运行方式（选用）

（3）主要控制功能

a）机组开停机时励磁系统的顺序操作

b）机组的起励控制

c）磁场断路器的合、分闸控制

d）微机通道故障自动切换控制

e）自动准同期和手动准同期控制

（4）四种开机升压方式

a）手动零起升压：

控制器接到升压指令后，自动将发电机电压调至最低点（如5%UFN可根据用户升压前设定），运行人员通过增磁命令逐步升高发电机机端电压，使机端电压零起上升。

这种方式主要是方便发电机大修后的试验（如空载耐压，发电机短路、干燥，线路融冰等）。

b）自动软起励升压：

调节器接到升压命令后，自动缓慢将发电机电压由最低点升高为设定值（如80%UFN），升压给定值可在线修改，在自动爬升的过程中，只要按一下增磁或减磁按钮，自动起励过程将退出，等待下一次操作。

c）自动给定值起励升压：

调节器接到升压指令后，自动将发电机电压调至额定值。

d）跟踪系统电压起励

跟踪系统电压起励方式可以达到快速并网的目的，起励值为系统电压的测量平均值，设置该起励方式起励后，如果系统电压变化，则调节器的给定电压跟着变化，此时的增减磁命令无效。

（5）辅助功能

a）PT断线检测

b）电力系统稳定器（PSS）

c）过励及最大励磁电流限制；

d）低励及最小励磁电流限制；

e）V/Hz限制；

f）AVR/FCR跟踪功能；

g）实现AVR和FCR间的无扰动切换；

h）自动电压跟踪功能:

机组同期并网前使机组电压迅速跟踪系统电压；

i）励磁调节器具有硬件和软件的自诊断功能；

j）强励（反时限）限制；

k）空载过电压保护；

l）正负调差和调差率大小选择；

m）可控硅整流柜快速熔断器熔断、停风时的励磁电流限制；

n）参数在线修改、辅助调试和试验功能；

o）脉冲自检测；

p）电源、硬件、软件故障检测和处理功能；

q）与电站计算机监控系统通讯功能；

r）软件数字整定和比较功能；

4.2.1.4技术要求

（1）励磁调节器为双微机、双通道励磁调节器并带有手动控制单元及辅助功能单元。

两路通道，正常时一路工作，另一路热备用，发生故障时，能自动地、无扰动地切换至备用通道并闭锁故障通道；当两路自动通道均发生故障时，可自动地、无扰动地切换至手动通道，由运行人员调节。

（2）微机励磁调节器功能可由软件模块实现，它至少包括以下内容:

恒定发电机机端电压的P、PI、PD、PID4种调节方式

欠励瞬时限制

正负调差和调差率大小选择

过励瞬时限制

发电机强励的反时限限制

最大励磁电流瞬时限制

电压/频率（V/F）限制

励磁用电压互感器断线的检测和保护

空载过电压保护

软件数字整定和比较功能

电源、硬件、软件故障检测和处理功能

与电站计算机监控系统现地机组LCU的通信功能

PSS功能

（3）在发电机空载运行状态下，自动励磁调节器和手动控制单元的整定电压变化速度不大于额定电压1%/s，不小于额定电压0.3%/s。

（4）微机调节器能在发电机空载额定电压的70%～110%范围内进行平滑、稳定的调节。

（5）手动控制单元保证下限不得高于发电机空载励磁电压的10%，上限不得低于额定励磁电压的130%（可调），并满足机组调试时零起升压的要求。

（6）微机励磁调节器保证发电机端电压调差率整定范围不小于±15%。

（7）微机励磁调节器应保证发电机机端调压精度优于0.5%。

（8）发电机空载运行，转速在0.95～1.05额定转速范围内的情况下突然投入励磁系统使发电机端电压从零上升到额定值时，超调量为0，调节时间不大于5s，振荡次数不超过2次。

（9）当发电机突然甩额定有功和无功负荷后，发电机电压超调量不大于10%额定值，调节时间不大于5s；振荡次数不超过2次。

4.2.1.5智能管理机

调节器配设大屏幕液晶平板显示器，内装设有励磁系统调试、监控软