摘 要: 励磁系统是同步发电机的重要组成部分。介绍了一种新型的基于可编程计算机控制
器(PCC)的双通道励磁调节器,详细介绍了PCC励磁调节器特点和软硬件系统设计的基本原理。
关键词: 同步发电机;励磁系统；PCC励磁调节器
1 引言
在电力系统中,提高和维持同步发电机运行的稳定性,是保证系统安全、经济运行的基本条件
之一[1 ] 。在众多改善同步发电机稳定运行的措施中,提高励磁系统的控制性能是公认的经济而有效的手段之一。近几年来,微机励磁调节器以其硬件结构简单、清晰、设备通用性好、标准化程度高、软件灵活、能够方便实现多种功能和满足各种控制规律的要求等优点,在许多电厂得到了广泛的应用。但随着电力系统自动化的发展,现有微机调节器逐渐显现一些缺点,主要有:
①通讯能力不强。目前,大部分厂家的励磁调节器与LCU或上位机之间都是通过RS-232、
RS-422/485等方式进行通讯。这些方式的低数据传输率和点对点的数据传输标准,以及在最低层
上的星型拓扑都不适应工业现场的控制或大规模应用。
②现有微机调节器内部的高速计数器的频率偏低,用于大型机组的励磁调节器为提高测量
精度通常自行设计测频和测相差模块,而自制的模块在现有的条件下很难保证其可靠性。
③人机界面和通讯功能不强也是现有调节器存在的一个问题。
为了解决上述问题,提出用一种新型的可编程控制器PCC(Programmble Computer Controller) 构成同步发电机励磁调节器,直接产生六相触发脉冲控制可控硅导通;通讯采用CAN总线方式；人
机界面采用大屏幕触摸屏;直接用PCC内部高速计数器测频率和相位差,使测频和测相差的精度
和可靠性都得到保证。
2 PCC励磁调节器的硬件配置
可编程控制器因早期主要应用于开关量的逻辑控制,故其最初被称为PLC( Programmable Logic Controller) 。随着计算机技术的发展,IPC( Industrial Personal Computer) 与PLC逐渐相结合,形成了PLC家族的新成员PCC。除了具有PLC的所有功能外,还有高速计数、ms 级触发信号、CAN接口等功能。本励磁调节器直接使用高速计数模块(TPU)对频率及其相位差进行测量,其最高计数频率大于4MHZ ,完全满足大型同步励磁发电机测频和相差要求；可控硅触发脉冲采用全数字方式形成,直接向可控硅发触发脉冲,有效地减少了时延,提高了响应速度。其配置图如1 所示。
图1 PCC 硬件配置
3 PCC 双通道励磁调节器基本结构及设计特点
3. 1 基本结构
本PCC励磁调节器主回路采用静态励磁方式的三相全控整流桥直接供给发电机励磁电流。
PCC励磁调节器随发电机运行工况的变化改变晶闸管的导通控制角。PCC双通道励磁调节器的基本结构如图2 所示。
图2 双通道励磁调节器基本结构
3. 2 设计特点
(1) 独特的测频测相系统。本励磁调节器的测频测相差是利用PCC的TPU功能,TPU是时间
处理单元(Time Processor Unit) 的缩写,它可对由开关信号引发的事件通过微秒级的分辨率,而本身不增加主CPU 的负荷,真正满足了高实时高精度的要求。
(2) 全数字脉冲触发系统。控制角由程序计算出后,可求出所需的延时计数值,当同步信号采
集进来时,在自然换流点(方波的上升沿) 到达的同时启动高速计数器,高速计数器计数值达到延
时计数值时发脉冲,然后依次通过PCC中TPU的链接功能推后T/6(T 为晶闸管共阳极的电压周期) 在其它输出端口发出脉冲。
(3) 双通道利用CAN 接口进行通讯和双机参数跟踪;切换采用无触点电路。
3. 3 冗余结构及可靠性
本双通道PCC励磁调节器结构是根据励磁调节器的信号处理特点将调节器从信号处理流向上分成三部分。即发电机电压电流信号测量、PCC控制算法及脉冲形成、可控硅触发脉冲放大三部分。每部分分别设置两套完全相同的部件实现冗余。因此整个系统是一种部件级的两模块并串联
型的冗余结构。在每部分的信号处理结果,都通过CAN通讯进行冗余信息交换;由于采用双模块并
串联冗余结构,这对系统可靠度的提高效果是显而易见的。由于采用CAN总线进行冗余信息交换,可靠度高于系统其他部件,因此对整个系统的可靠度影响不大。此外,在软件设计上也考虑了网络发生故障的特殊情况,即当网络发生故障时,整个系统自动转入一机为主、一机热备用的工作状
态,同时向外发出报警信号。
4 工作原理
4. 1 PID 控制算法
本励磁调节器采取比例-积分-微分(PID)算法,它是依据古典控制理论的频域法进行设计的,该方法成熟可靠,且有大量经验可供借鉴。对于改善发电机的电压静态、动态性能该控制规律完全可以满足要求。本励磁调节器使用离散化的增量型数字PID控制,计算公式如下[3 ]
式中 T ---采样周期; KP 、KI 、KD ---比例、积分和微分增益;e (k) ---调节偏差。
故在确定了KP 、KI 、KD 后,根据前三次测量值即可求出数字PID调节器输出的增量。
4. 2 双机切换
切换电路对双通道励磁系统尤其重要,本励磁调节器主要采用模拟开关[4 ] 为主要切换部件,
把切换分为两种类型:故障时切换和正常工作时手动切换；故障时切换就是当PCC检测到故障时直接控制模拟开关的控制端,快速切换故障；正常工作切换就是两机正常工作时接到外部切换命令时的切换,对这种切换,本励磁调节器采用了专门的电路来保证脉冲不丢失和切换平稳,简单工作原理如下:把A 套同步脉冲和B 套同步脉冲六倍频[5 ] ,就可以找出它们的自然换流点的六个上升沿,当有切换命令时(假如由A 切换到B) ,在自然换流点的上升沿时控制模拟开关使脉冲无扰动的由A 套切换到B 套。
5 软件设计
5. 1 软件结构
PCC软件设计有自己的优势,其独特的实时多任务分时操作系统可以将整个系统分成数个分别具有不同优先权的任务等级(TASK CLASS) 。因此,PCC能够使软件完成的各种复杂任务得到优化,而且能够保证实时性的要求。整个系统软件程序按功能分为以下几个相对独立的模块:
(1) 系统初始化及自检模块;
(2) 开关量、模拟量采集模块;
图3 软件结构图
(3) 控制调节程序。包括发电机机端电压调节,励磁电流调节,无功P功率因数调节以及各种附加控制等所使用的控制规律的调节模块;
(4) 移相及触发脉冲模块,包括控制角的延时触发以及同步电压信号的频率测量;
(5) 励磁限制、保护程序模块;
(6) 双机冗余信息交换及表决程序模块;
(7) 与上位机通讯程序模块。软件程序结构框图如图3。
5. 2 软件功能
PCC双通道励磁调节器软件功能如下:
(1) 实现下列三种运行方式:恒机端电压运行,恒无功负荷运行,恒功率因数运行；
(2) 辅助功能:欠励磁瞬时限制功能；瞬时P延时过励磁限制功能；定子电流过流反时限限制功能；伏P赫限制功能；PT 断线检测和保护功能；误强励检测限制功能；空载过压保护功能；双机互相跟踪,互相检测并可无扰动互相切换功能；在线自检功能；脉冲丢失及脉冲异常检测功能。
6 结论
本励磁系统经样机试验,技术性能指标如下:
(1) 空载调压范围70%～110%；
(2) 调压精度小于0.5%；
(3) 频率特性:频率每变化1% ,发电机端电压变化不大于额定值的正负0.25 %；
(4) 励磁电压响应时间:上升不大于0.08s ,下降不大于0.15s ；
(5) 10%阶跃实验:调节时间小于8s ,超调量小于10% ,振荡次数小于3次；
(6) 切换快速平稳。
各项指标都满足或优于励磁国标,已经在一些小电站投入运行,受到了用户的好评。
参考文献:
[1] 樊俊,陈忠,涂光瑜,等.同步发电机半导体励磁原理及应用[M].北京:电力工业出版社,1981.
[2] 齐蓉. 可编程计算机控制器原理及应用[M].西安:西北工业大学出版社,2002.
[3] 南海鹏.轮机发电机组PCC控制[M].西安:西北工业大学出版社,2002.
[4] 童本敏. 标准集成电路数据手册CMOS4000[M].北京:电子工业出版社,1990 :1012118.
[5] 孙广俊. 用CD4046组成的高倍锁相倍频器[J].国外电子元器件,1998,(2) :36237.
作者: 李维新(1975) ,男,陕西宝鸡人,西安理工大学在读硕士;南海鹏(1963) ,男,陕西乾县人,西安理工大学教授,主要从事水力机械和电站控制设备方面的研究。
西安理工大学水利水电学院,陕西西安710048