摘 要: 勵磁系統是同步發電機的重要組成部分。介紹了一種新型的基于可編程計算機控制
器(PCC)的雙通道勵磁調節器,詳細介紹了PCC勵磁調節器特點和軟硬件系統設計的基本原理。
關鍵詞: 同步發電機;勵磁系統；PCC勵磁調節器
1 引言
在電力系統中,提高和維持同步發電機運行的穩定性,是保證系統安全、經濟運行的基本條件
之一[1 ] 。在眾多改善同步發電機穩定運行的措施中,提高勵磁系統的控制性能是公認的經濟而有效的手段之一。近幾年來,微機勵磁調節器以其硬件結構簡單、清晰、設備通用性好、標準化程度高、軟件靈活、能夠方便實現多種功能和滿足各種控制規律的要求等優點,在許多電廠得到了廣泛的應用。但隨著電力系統自動化的發展,現有微機調節器逐漸顯現一些缺點,主要有:
①通訊能力不強。目前,大部分廠家的勵磁調節器與LCU或上位機之間都是通過RS-232、
RS-422/485等方式進行通訊。這些方式的低數據傳輸率和點對點的數據傳輸標準,以及在最低層
上的星型拓撲都不適應工業現場的控制或大規模應用。
②現有微機調節器內部的高速計數器的頻率偏低,用于大型機組的勵磁調節器為提高測量
精度通常自行設計測頻和測相差模塊,而自制的模塊在現有的條件下很難保證其可靠性。
③人機界面和通訊功能不強也是現有調節器存在的一個問題。
為了解決上述問題,提出用一種新型的可編程控制器PCC(Programmble Computer Controller) 構成同步發電機勵磁調節器,直接產生六相觸發脈沖控制可控硅導通;通訊采用CAN總線方式；人
機界面采用大屏幕觸摸屏;直接用PCC內部高速計數器測頻率和相位差,使測頻和測相差的精度
和可靠性都得到保證。
2 PCC勵磁調節器的硬件配置
可編程控制器因早期主要應用于開關量的邏輯控制,故其最初被稱為PLC( Programmable Logic Controller) 。隨著計算機技術的發展,IPC( Industrial Personal Computer) 與PLC逐漸相結合,形成了PLC家族的新成員PCC。除了具有PLC的所有功能外,還有高速計數、ms 級觸發信號、CAN接口等功能。本勵磁調節器直接使用高速計數模塊(TPU)對頻率及其相位差進行測量,其最高計數頻率大于4MHZ ,完全滿足大型同步勵磁發電機測頻和相差要求；可控硅觸發脈沖采用全數字方式形成,直接向可控硅發觸發脈沖,有效地減少了時延,提高了響應速度。其配置圖如1 所示。
圖1 PCC 硬件配置
3 PCC 雙通道勵磁調節器基本結構及設計特點
3. 1 基本結構
本PCC勵磁調節器主回路采用靜態勵磁方式的三相全控整流橋直接供給發電機勵磁電流。
PCC勵磁調節器隨發電機運行工況的變化改變晶閘管的導通控制角。PCC雙通道勵磁調節器的基本結構如圖2 所示。
圖2 雙通道勵磁調節器基本結構
3. 2 設計特點
(1) 獨特的測頻測相系統。本勵磁調節器的測頻測相差是利用PCC的TPU功能,TPU是時間
處理單元(Time Processor Unit) 的縮寫,它可對由開關信號引發的事件通過微秒級的分辨率,而本身不增加主CPU 的負荷,真正滿足了高實時高精度的要求。
(2) 全數字脈沖觸發系統。控制角由程序計算出后,可求出所需的延時計數值,當同步信號采
集進來時,在自然換流點(方波的上升沿) 到達的同時啟動高速計數器,高速計數器計數值達到延
時計數值時發脈沖,然后依次通過PCC中TPU的鏈接功能推后T/6(T 為晶閘管共陽極的電壓周期) 在其它輸出端口發出脈沖。
(3) 雙通道利用CAN 接口進行通訊和雙機參數跟蹤;切換采用無觸點電路。
3. 3 冗余結構及可靠性
本雙通道PCC勵磁調節器結構是根據勵磁調節器的信號處理特點將調節器從信號處理流向上分成三部分。即發電機電壓電流信號測量、PCC控制算法及脈沖形成、可控硅觸發脈沖放大三部分。每部分分別設置兩套完全相同的部件實現冗余。因此整個系統是一種部件級的兩模塊并串聯
型的冗余結構。在每部分的信號處理結果,都通過CAN通訊進行冗余信息交換;由于采用雙模塊并
串聯冗余結構,這對系統可靠度的提高效果是顯而易見的。由于采用CAN總線進行冗余信息交換,可靠度高于系統其他部件,因此對整個系統的可靠度影響不大。此外,在軟件設計上也考慮了網絡發生故障的特殊情況,即當網絡發生故障時,整個系統自動轉入一機為主、一機熱備用的工作狀
態,同時向外發出報警信號。
4 工作原理
4. 1 PID 控制算法
本勵磁調節器采取比例-積分-微分(PID)算法,它是依據古典控制理論的頻域法進行設計的,該方法成熟可靠,且有大量經驗可供借鑒。對于改善發電機的電壓靜態、動態性能該控制規律完全可以滿足要求。本勵磁調節器使用離散化的增量型數字PID控制,計算公式如下[3 ]
式中 T ---采樣周期; KP 、KI 、KD ---比例、積分和微分增益;e (k) ---調節偏差。
故在確定了KP 、KI 、KD 后,根據前三次測量值即可求出數字PID調節器輸出的增量。
4. 2 雙機切換
切換電路對雙通道勵磁系統尤其重要,本勵磁調節器主要采用模擬開關[4 ] 為主要切換部件,
把切換分為兩種類型:故障時切換和正常工作時手動切換；故障時切換就是當PCC檢測到故障時直接控制模擬開關的控制端,快速切換故障；正常工作切換就是兩機正常工作時接到外部切換命令時的切換,對這種切換,本勵磁調節器采用了專門的電路來保證脈沖不丟失和切換平穩,簡單工作原理如下:把A 套同步脈沖和B 套同步脈沖六倍頻[5 ] ,就可以找出它們的自然換流點的六個上升沿,當有切換命令時(假如由A 切換到B) ,在自然換流點的上升沿時控制模擬開關使脈沖無擾動的由A 套切換到B 套。
5 軟件設計
5. 1 軟件結構
PCC軟件設計有自己的優勢,其獨特的實時多任務分時操作系統可以將整個系統分成數個分別具有不同優先權的任務等級(TASK CLASS) 。因此,PCC能夠使軟件完成的各種復雜任務得到優化,而且能夠保證實時性的要求。整個系統軟件程序按功能分為以下幾個相對獨立的模塊:
(1) 系統初始化及自檢模塊;
(2) 開關量、模擬量采集模塊;
圖3 軟件結構圖
(3) 控制調節程序。包括發電機機端電壓調節,勵磁電流調節,無功P功率因數調節以及各種附加控制等所使用的控制規律的調節模塊;
(4) 移相及觸發脈沖模塊,包括控制角的延時觸發以及同步電壓信號的頻率測量;
(5) 勵磁限制、保護程序模塊;
(6) 雙機冗余信息交換及表決程序模塊;
(7) 與上位機通訊程序模塊。軟件程序結構框圖如圖3。
5. 2 軟件功能
PCC雙通道勵磁調節器軟件功能如下:
(1) 實現下列三種運行方式:恒機端電壓運行,恒無功負荷運行,恒功率因數運行；
(2) 輔助功能:欠勵磁瞬時限制功能；瞬時P延時過勵磁限制功能；定子電流過流反時限限制功能；伏P赫限制功能；PT 斷線檢測和保護功能；誤強勵檢測限制功能；空載過壓保護功能；雙機互相跟蹤,互相檢測并可無擾動互相切換功能；在線自檢功能；脈沖丟失及脈沖異常檢測功能。
6 結論
本勵磁系統經樣機試驗,技術性能指標如下:
(1) 空載調壓范圍70%～110%；
(2) 調壓精度小于0.5%；
(3) 頻率特性:頻率每變化1% ,發電機端電壓變化不大于額定值的正負0.25 %；
(4) 勵磁電壓響應時間:上升不大于0.08s ,下降不大于0.15s ；
(5) 10%階躍實驗:調節時間小于8s ,超調量小于10% ,振蕩次數小于3次；
(6) 切換快速平穩。
各項指標都滿足或優于勵磁國標,已經在一些小電站投入運行,受到了用戶的好評。
參考文獻:
[1] 樊俊,陳忠,涂光瑜,等.同步發電機半導體勵磁原理及應用[M].北京:電力工業出版社,1981.
[2] 齊蓉. 可編程計算機控制器原理及應用[M].西安:西北工業大學出版社,2002.
[3] 南海鵬.輪機發電機組PCC控制[M].西安:西北工業大學出版社,2002.
[4] 童本敏. 標準集成電路數據手冊CMOS4000[M].北京:電子工業出版社,1990 :1012118.
[5] 孫廣俊. 用CD4046組成的高倍鎖相倍頻器[J].國外電子元器件,1998,(2) :36237.
作者: 李維新(1975) ,男,陜西寶雞人,西安理工大學在讀碩士;南海鵬(1963) ,男,陜西乾縣人,西安理工大學教授,主要從事水力機械和電站控制設備方面的研究。
西安理工大學水利水電學院,陜西西安710048
