300MW抽水蓄能水电机组励磁系统的研制

锄　理论与设计　３００　ＭＷ抽水蓄能水电机组励磁系统的研制　王　淳　哈尔滨电机厂有限责任公司（１　５００４０）　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｘｃｉｔｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　３００　ＭＷ　Ｐｕｍｐｅｄ－ｓｔｏｒａｇｅ　Ｈｙｄｒｏ－・ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｓｅｔ　ⅣＧ　Ｃ　ｕｎ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｍｏｔｏｒ　Ｆａｃｔｏｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．　摘要：针对抽水蓄能电站发电机运行特殊性，其　能于一身的综合性励磁装置。　励磁系统控制装置设计应适合各种运行工况及相应的　控制协调。为此，公司在ＨＷ１Ｔ．４型励磁系统基础上，吸　收了目前数字控制领域先进的研究成果和工艺，运用新　１　构成　的解决方案和手段，￣／ｉ］ＤＳＰ数字信号处理技术、同步双　脉冲触发信号生成、光纤通讯技术和智能化的调试手段　３００　Ｍｗ抽水蓄能机组励磁系统由励磁变压　等，研制开发了３００　Ｍｗ抽水蓄能水电机组用励磁系统。　器、起励变压器、数字式调节器、整流屏、电制动　关键词：励磁系统抽水蓄能水电机组　同步双脉　装置、灭磁及转子过电压保护屏和交流进线屏构　冲触发信号　成。系统采用自并励励磁方式。机组正常运行时　中图分类号：ＴＭ３０３文献标识码：Ａ　的励磁电源取自发电机机端，通过励磁变压器降　ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．１ｓｓｎｌ００６－２＊０７．２０１３．０２．００４　压，经晶闸管整流后送至励磁绕组。当机组抽水　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇａｉｎｓｔ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｓｐｅｃｉａｌｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｕｍｐｅｄ・・ｓｔｏｒａｇｅ　ｈｙｄｒｏ－ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｏｎ－－　起动和电气制动停机时，励磁电源取自高压厂用　ｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｃｉｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｈｏｕｌｄ　ｓｕｉｔ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｏｐ—　电，通过励磁变压器降压，经上述晶闸管整流后　ｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　供电，实施电气制动停机。　ｔｈｅ　ＨＷ１Ｔ－４　ｅｘｃｉｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｙ　ｏｕｒ　ｃｏｍｐａｎｙ　ａｎｄ　ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｆｅｌｄ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏ１．ｔｈｅ　ｅｘｃｉｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　３００　ＭＷ　２　运行　ｐｕｍｐｅｄ・・ｓｔｏｒａｇｅ　ｈｙｄｒｏ・－ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｅｔ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　ｓｕｃｈ　ｎｅｗ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ａｎｄ　ｍｅａｎｓ　ａｓ　ＤＰＳ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　３００　Ｍｗ抽水蓄能机组按以下方式运行：发　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｄｏｕｂｌｅ—　电滞相（第１象限）、发电进相（第Ⅱ象限）、电动　ｐｕｌｓｅ　ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌ，ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　进相（第Ⅲ象限）、电动滞相（第Ⅳ象限）。常规　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ．　水轮发电机的运行极限曲线只分布在第１象限和　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｘｃｉｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｐｕｍｐｅｄ－・ｓｔｏｒａｇｅ　ｈｙｄｒｏ－・　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｄｏｕｂｌｅ－ｐｕｌｓｅ　Ｔｒｉｇｇｅｒ－　第Ⅱ象限，而抽水蓄能机组的运行极限曲线占据　ｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌ　了４个象限。励磁系统必须满足机组的全部运行　工况。　抽水蓄能机组运行工况多、转换频繁，决定　当抽水蓄能机组作为发电机运行时，励磁系　了其励磁装置具有许多与常规励磁装置不同的　统的作用与常规水电机组相同。　要求和功能，它是集发电、电动和电制动等多功　当抽水蓄能机组作为电动机运行时，其端电　《电机技术》２０１３年第２期・１１・　理论与设计　压取决于电网，作为抽水水泵的电动机，主要从　系统输入电能和输出机械能以拖动不同的负载。　此时励磁调节通常采用恒功率因数调节方式，可　ＨＷＬＴ。４型励磁系统数据采集采用直流采　样，直流采样是把交流信号经过整流电路转化　为直流信号。直流采样容易实现，便于滤波，但　是无法实现实时信号的采集，而交流采样改善了　直流采样这一缺点。交流采样是将二次测得的电　压、电流经高精度的ＰＴ、ＣＴ变成计算机可测量的　交流小信号，然后再送入计算机进行处理。由于　以按系统电压变化或负载变化相应的调节励磁　电流，也可按需要采用恒励磁电流或恒无功调节　方式。当采用恒励磁电流调节方式时，无功随有　功的增加而减少。因此，当同步电动机拖动的有　功负载较稳定或变化不大时，采用恒励磁电流方　这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而　式为宜。当拖动的负载急剧变化时，采用恒无功　实时性好，相位失真小。其缺点是算法复杂，对　调节方式，可以使同步电动机励磁电流随有功负　ＡＤ的转换精度要求高。随着计算机及集成电路　载的增加而增大，使同步电动机向电网输送的无　技术的快速发展，交流采样的缺点已逐步得到　功功率保持不变，而使电网电压不致发生大的波　克服，交流采样呈现出取代直流采样的趋势。　动现象。当抽水蓄能机组作为抽水水泵运行时，　本系统采用ＤＳＰ实现对电压、电流等电力参　系统处在低谷负载期间，系统电压变化较大，而　数的交流采样。通过试验调试证明采用交流采　且拖动的负载即抽水时的扬程是缓慢变化的。　样方法进行数据采集，通过傅立叶变化算法运算　此时，采用恒功率因数方式调节，可以根据系统　后获得的电压值、电流值和相位角等参数的精确　电压变化和负载的变化相应增加或减少励磁电　度、稳定性和同步性都得到提高。　流。在无功功率发生变化的过程中，可以保持电　３．１采样原理　动机的功率因数在Ｊ叵值水平，使之在经济节能的　电压有效值为：　条件下达到最佳的功率输出。　Ｕ＝４２（ＵＲＥ２＋　Ｍ　）　当机组作为调相运行时，不论在发电还是抽　水工况下，均可采用恒电压调节方式，随电网电　Ｅ＝￣ａｋＣＯＳ　Ｋ　２７ｃ　压变化，自动增加或减少输出无功，以维持电网　电压。在负载处于深度低谷时期，也可自动进入进　ＵＩＭ＝￣　ｎ　相运行，吸收电网多余无功，防止电网电压过高。　其中：ａｋ～第ｋ．１个时间间隔的电压采样瞬时值；　在上述几种运行方式下，当电网发生故障导　一１个周期的采样点数。　致电压下降时，励磁系统具有强励功能。　电压相位角为：　另外，抽水蓄能机组无论运行在发电机还是　电动机状态下，在机组与电网解列后的停机过程　ａｒｃｔｇ（　）　中，均需要进行电气制动。在电制动时，为保证短　电流有效值为：　路的定子电流恒定，励磁调节可采用恒定子电流　Ｉ＝　＿＿　或恒励磁电流调节方式，以适应制动时的工况要　求。　Ｅ＝￣ａｋＣＯＳ　Ｋ　２兀　此外，当抽水蓄能机组采用静止变频器ＳＦＣ　或同步背靠背起动时，一般采用恒励磁电流调节　ＩＩＭ＝￣　ｉｎ　２尢　方式。在静止变频器ＳＦＣ起动时，励磁电流给定　电流相位角为：　值保持恒定。　一　（　）　３　交流采样　・１２・２０１３年第２期《电机技术》　理论与设计　ｉ、　一电流相位角和电压相位角，单脉冲　双脉冲第一通道输出波形为单脉冲第一通　是宽度较窄的方脉冲。　道和第二通道输出的异或；第二通道输出波形为　３．２硬件和软件　第二通道和第三通道输出的异或．．．・而第六通道　本系统将测量的电压、电流经高精度的ＰＴ、　输出波形为单脉冲第六通道和第一通道输出的　Ｃ　Ｔ变成±５　Ｖ的交流小信号。模拟量经过高精　异或。　度Ａ／Ｄ转换器变成数字量以后送入Ｄ　ＳＰ进行运　４．３模块功能　算处理。为了提高运算速度，本系统采用定点运　模块除能生成双脉冲之外，还能实现脉冲闭　算。系统的采样频率为１　ｋＨｚ，在额定频率５０　Ｈｚ　锁、脉冲丢失检测、输入脉冲测频等功能。　时，一个信号周期可采集２０个点。在系统的软件　４．４软件编程　设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清　使用研华公司的ＫＷ—Ｍｕｌｔｉｐｒｏｇ进行编程，　晰，便于今后进一步扩展系统的功能。　可调节脉冲触发角及脉冲宽度。　４　同步双脉冲触发信号　５　光纤通讯　ＨＷＬＴ一４型励磁系统同步触发信号完全通　ＨＷＬＴ一４型励磁系统的两工控机间通讯采　过硬件实现，结构复杂，对元器件的参数及可靠　用ＲＳ２３２串口通讯技术。改进后的系统采用光纤　性要求比较高。改进后的系统通过模块化结构、　通讯技术，实现调节器内部和调节器与远方ＤＣＳ　软件编程实现了同步双脉冲信号触发，方法简　的通讯。与传统的ＲＳ２３２串口通讯技术相比，光　单，便于调试，提高了系统的可靠性。　纤通讯拥有以下优点。　４．１脉冲模块　（１）抗干扰性强　脉冲模块采用的是北京研华兴业电子科技　光纤传输中的载波是光波，它频率极高，远　有限公司生产的ＡＰＡＸ．５０８１Ｓ。　远高于一般电波通讯所使用的频率，所以不受干　４．２脉冲形成　扰，尤其是强电干扰。同时由于广播受束于光纤　输入６路触发源为±ｌ２　Ｖ的方波信号，占空比　之内，因此无辐射，对环境无污染。　为５０％，频率为５０　Ｈｚ，经过光电隔离输入。每一　（２）安全性高　路接收到一个触发源信号时，上升沿作为延时计　光纤采用的玻璃材质，不导电、防雷击，不　数的起点，按延时计数值进行延时（注：计数器　会像传统电路因短路或接触不良而产生火花。　工作时钟频率２　ＭＨｚ）。即当延时计数器（１６　ｂｉｔ）　（３）重量轻，机械性能好　计数到延时计数值时，输出一次脉冲（单或双脉　光纤细小如丝，重量相当轻，即使是多芯光　冲，宽度可程控）；当接收到又一个触发源信号　缆，重量也不会因为芯数增加而成倍增加。　时，重复以上动作。触发一次输出一次脉冲，如无　使用光纤通讯技术不仅提高了信息传输量，　触发信号就不输出脉冲。延时计数值可程控，可　也大大减少了屏间接线，使屏内布线清晰，提高　通过软件设置单双脉冲的选择。单脉冲形成的要　了系统运行可靠性和装置的整体工艺水平。　求如图ｌ。　参　考　文　件　［１］ＤＬ／Ｔ　５２０８－２００５．抽水蓄能电站设计导则［Ｊ］．　［２】李基成．现代同步发电机励磁系统设计及应用［Ｍ］．第２版．北　京：中国电力出版社，２００９．　ＴＩ＝８０。×２０ｍｓ／３６０。＝４．４４４ｍｓ＝４４４　４．０ｕｓ（可程控７０　一９０。）　（收稿日期：２０１２．１０—２６）　Ｔ２为延时计数值时间（１６　ｂｉｔ计数器工作时钟频率２　ＭＨｚ）（可程控）　图ｌ单脉冲形成示意图　作者简介：王淳，女，１９６３年生，本科，工程师，自动化专业，现从事　发电机励磁系统设计工作。　《电机技术》２０１３年第２期・ｌ３・