淺談瀑布溝電站勵磁與調速器控制系統的異同

李其源　湯文楨

摘要：勵磁控制系統與調速器控制系統是同步發電機穩定運行最重要的兩個控制系統。文章分別介紹了瀑布溝電站勵磁控制系統與調速器控制系統從硬件配置到軟件控制方面的異同，通過比較分析，為進一步掌握機組最重要的兩大控制系統有著很好的促進作用。

關鍵詞：電站；同步發電機；勵磁控制系統；調速控制系統；發電機組 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP39 文章編號：1009-2374（2016）26-0126-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.061

勵磁控制系統與調速器控制系統是同步發電機穩定運行最重要的兩個控制系統，它們是獨立的兩個控制系統，但又有著千絲萬縷的聯系。通過比較分析瀑布溝勵磁控制系統與調速器控制系統的異同，對比掌握兩個重要系統的作用與控制，為進一步優化勵磁與調速器控制提供依據。

1 瀑布溝勵磁控制系統介紹

瀑布溝勵磁系統由廣州電器科學研究院承建，采用瑞士ABB公司UNITROL 5000型靜態勵磁系統。勵磁調節器采取雙通道結構，一個通道主要由一個控制板（COB）和測量單元板（MUB）構成，形成一個獨立的處理系統。每個通道含有發電機端電壓調節、磁場電流調節、勵磁監測、保護功能和可編程邏輯控制的軟件。

2 瀑布溝調速器控制系統介紹

瀑布溝水電站整套調速器由武漢能事達電氣股份有限公司全權代理，采用雙比例伺服閥式微機調速器。微機調節器由北京ABB貝利控制有限公司提供，微機調節器由自動調節器和手動控制器組成。自動調節控制器（A和B）有相同的硬件配置，主要包括CPU模塊、DI模塊（兩個）、DO模塊、AI模塊、AO模塊和高速計數模塊。電手動微機控制器連接在以太網上，用來控制機械液壓系統的比例伺服閥A或B工作，主要包括CPU模塊、DI模塊、DO模塊、AI模塊、AO模塊。

3 勵磁系統與調速器系統關聯對比

勵磁系統與調速器系統關聯對比如表1所示：

4 瀑布溝勵磁控制系統與調速器控制系統的相同之處

第一，控制系統均采用雙套冗余配置，且兩套控制器完全獨立。（1）勵磁系統兩個通道是完全獨立的，每個通道具有自動電壓調節、PSS、各種限制、保護、監控及手動控制等軟件功能。兩臺主機同時運行：一套為主用工況，直接輸出勵磁調節的控制信號，一套備用工況，不輸出調節控制信號，但實時跟蹤、監視主用工況的主機，當主用主機故障時，備用主機自動轉為主用工況，以保障整個勵磁系統正常運行。（2）調速器控制器（A和B）有相同的硬件配置，通過以太網交換狀態和數據，構成交叉冗余雙微機控制器。當雙微機調節器均出現部分模塊故障時，這種交叉冗余控制結構可以容忍兩個單機的不同名模塊故障情況（容錯），交叉構成正常的調節器，使調速器能正常工作，實現真正的雙機冗余容錯結構。

第二，監控系統下發控制信號均采用下發脈沖的方式；重要的控制信號均采用開關量直接上傳下達的方式；與監控系統通信均通過轉換裝置UC7410。（1）瀑布溝調速器系統、勵磁系統作為一個獨立的控制系統，完全可以按照自身控制策略控制機組轉速、機端電壓。監控系統作為機組控制核心，系統地控制著機組的各個部分。對于重要的控制信號，如開機令、停機令、通道故障、調速器事故、勵磁系統限制動作等采用開關量直接上送下達的形式，避免因為通信故障造成誤動；（2）機組并網后，調速器增/減負荷（勵磁系統增/減無功）均采用監控系統下發開啟/關閉導葉開度（增加/減少勵磁電流）的寬脈沖列形式。有功負荷（無功負荷）調整到位情況以監控系統的有功負荷（無功負荷）反饋作為依據；（3）瀑布溝監控系統下位機為AB的控制器，勵磁與調速器與其通信存在通信規約的問題，都是通過通信轉換裝置UC7410進行與監控系統通信。

第三，控制系統中均有電氣開限限制作用。（1）機組開機后，調速器按照頻率模式自動維持轉速在50Hz。并網前，為了防止機組故障，導葉開度過大，轉速過高造成機組損傷，導葉電氣開限起作用，限制導葉開度過大。并網后，機組電氣開限全開，導葉大小根據機組負荷調整，并網信號以機組出口開關輔助接點為判據；（2）機組開機建壓后，勵磁系統按照自身控制策略維持機端電壓為額定電壓。并網前，為了防止機組故障，勵磁電流過大，機端電壓過高造成機組絕緣損傷，空載狀態勵磁電流限制起作用，限制勵磁電流過于增大。并網后，開限全開，勵磁電壓電流根據機組無功功率調整，并網信號以機組出口開關輔助接點為判據。

第四，控制形式均為PID控制+閉環控制。為解決控制系統精確度和穩定性的矛盾，引入了負反饋校正，形成閉環控制；為了消除誤差，采用PID控制形式。（1）瀑布溝調速器比例伺服閥自帶閥芯位置傳感器，主配帶有主配位移傳感器，接力器上的導葉開度傳感器，通過這三種傳感器構成了調速器三級反饋。調速器控制系統反饋為導葉開度偏差反饋，機組有功功率負荷反饋的閉環控制在監控系統控制程序中完成。（2）瀑布溝勵磁控制系統PID控制器的輸出電壓，即控制電壓作為可控硅門極控制單元的輸入信號。PID控制器的調節參數可以在兩組設定值中自動選擇，這取決于過勵限制或欠勵限制哪個限制功能是有效的。勵磁控制系統反饋為機組機端電壓偏差反饋，機組無功功率反饋的閉環控制在監控系統控制程序中完成。

第五，控制過程中均存在動作延時的特性。（1）調速器系統控制機組轉子轉速，因為機組轉子質量較大，轉動慣量也較大，調整機組導葉開度后，機組相應變化過程存在一定的延時，這是調速器控制系統PID控制參數合理選擇的依據。（2）勵磁控制系統控制機組轉子繞組勵磁電流，因為機組轉子繞組為電抗特性，阻礙電流的變化，勵磁電壓變化后，機組轉子勵磁電流的變化過程同樣存在一定的延時，這是勵磁控制系統控制參數合理選擇的參考。

5 瀑布溝勵磁控制系統與調速器控制系統的不同之處

第一，調速器可以實現純機械控制。即控制系統完全斷電依然能控制，而勵磁系統失電則停機。（1）調速器系統存在附屬油壓系統，能夠存儲能量，為接力器開關導葉提供能量。調速器是電氣控制機械部分動作，當控制系統失電或故障失去控制能力時，可以人為動作手動控制閥實現純機械控制，開啟或關閉導葉；（2）瀑布溝勵磁系統是完全電氣控制，控制過程沒有任何人為機械動作的部分，當控制系統失電或故障失去控制能力時，則必須滅磁停機。兩套PLC控制器一套失電時，另一套正常工作，但當兩套PLC控制器同時失電時，勵磁系統會跳滅磁開關實現滅磁。

第二，開機過程的給定方式不同。（1）調速開機時，為了快速達到額定轉速，第一開機度導葉開度較大。監控系統的開機令下發到調速器，開度限制打開至第一開機度（當前水頭下的1.3～1.5倍空載開度），當機組頻率升至45Hz后，開限關至第二開機度（當前水頭下的1.2倍空載開度），當機組頻率升至47.5Hz后，機組啟動過程結束，調速器進入空載狀態；（2）勵磁系統在收到“勵磁投入”令后開始起勵，當機端電壓大于10%Ue轉入軟起勵過程，即調節器以一個可調整的速度逐步增加給定值使發電機電壓逐漸上升直到額定值，此過程中不存在電壓超過額定電壓的過程。

第三，調速器控制存在反向調節，開導葉時會造成瞬時水壓變小，負荷反而瞬時降低，隨后升高的瞬態過程。（1）調速器在動態過程中，當水輪機導葉關閉時，調節目標是減小水輪機力矩，但是由于引水系統水流減速、水流動能轉變為勢能、水輪機工作壓力短時上升，而導致水輪機力矩有短時段的增大。反之，當水輪機導葉開啟時，會導致水輪機力矩有短時段的減小。所以當水輪機導葉開啟或關閉時，都會產生與控制目標相反的逆向調節。隨著水輪機導葉開啟或關閉速度的增大，動態過程中的逆向調節增強，對系統的動態穩定和響應特性會帶來十分大的影響，故調速器控制調節必須考慮速度的問題。（2）勵磁系統自動電壓調節器（AVR）的主要目的是精確地控制和調節同步發電機的端電壓和無功功率。UNITROL 5000型勵磁調節器不斷地將給定值與反饋值進行比較，在盡可能短的時間內進行調節計算，最終去改變可控硅整流器的觸發角度。調節周期相當短，相對于模擬式勵磁調節器而言，其延遲是可忽略的。

第四，勵磁系統存在多個整流橋并列、智能均流等功能。（1）調速器系統動作導葉只控制油管是否接通壓力油。調速器系統動作元件為兩個接力器，并聯在操作油管上，它們同時動作，協同配合動作導葉控制環，從而實現導葉的開啟與關閉。（2）勵磁系統一般存在多個功率柜，每個功率柜為一個三相全控整流橋，實現交流變直流的作用。多個并聯的可控硅整流橋間的電流，最好的結果是轉子繞組勵磁電流平均分配各個整流橋。UNITROL 5000型勵磁系統采取了智能化均流措施，流經各個整流橋的電流近乎相等，所有整流橋都同時工作，其中一個整流橋故障的情況下，該橋被自動截止，由其余的橋平穩地承接負載。

第五，勵磁控制系統存在各種限制功能。（1）調速器系統導葉開啟或關閉過快會造成水錘現象，威脅機組的穩定安全，所以調速器開關導葉的速度必須受到限制。調速器系統的速度限制功能是通過分段關閉閥、主配壓閥等實現。主配壓閥的速度控制是通過閥體限位螺栓實現的，分段關閉閥是通過監控系統開出命令實現的；（2）勵磁系統針對不同的工況，為了保護發電機組及主變壓器的安全，設計了不同的限制器，主要包括欠勵限制器、過勵限制器、強勵限制器、定子電流限制器、V/Hz限制器等。

6 結語

通過對比分析勵磁控制系統與調速器控制系統的相同之處與不同之處，結合兩者的共性，同時針對各自的特點，在故障分析、規章制度的制定、控制策略的優化等方面有著很好的指導意義。

作者簡介：李其源（1984-），男，湖北黃岡人，國電大渡河瀑布溝水力發電總廠助工，研究方向：自動控制；湯文楨（1984-），女，湖北黃岡人，國電大渡河瀑布溝水力發電總廠助工，研究方向：自動控制。

（責任編輯：小 燕）