浅谈瀑布沟电站励磁与调速器控制系统的异同

李其源　汤文桢

摘要：励磁控制系统与调速器控制系统是同步发电机稳定运行最重要的两个控制系统。文章分别介绍了瀑布沟电站励磁控制系统与调速器控制系统从硬件配置到软件控制方面的异同，通过比较分析，为进一步掌握机组最重要的两大控制系统有着很好的促进作用。

关键词：电站；同步发电机；励磁控制系统；调速控制系统；发电机组 文献标识码：A

中图分类号：TP39 文章编号：1009-2374（2016）26-0126-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.061

励磁控制系统与调速器控制系统是同步发电机稳定运行最重要的两个控制系统，它们是独立的两个控制系统，但又有着千丝万缕的联系。通过比较分析瀑布沟励磁控制系统与调速器控制系统的异同，对比掌握两个重要系统的作用与控制，为进一步优化励磁与调速器控制提供依据。

1 瀑布沟励磁控制系统介绍

瀑布沟励磁系统由广州电器科学研究院承建，采用瑞士ABB公司UNITROL 5000型静态励磁系统。励磁调节器采取双通道结构，一个通道主要由一个控制板（COB）和测量单元板（MUB）构成，形成一个独立的处理系统。每个通道含有发电机端电压调节、磁场电流调节、励磁监测、保护功能和可编程逻辑控制的软件。

2 瀑布沟调速器控制系统介绍

瀑布沟水电站整套调速器由武汉能事达电气股份有限公司全权代理，采用双比例伺服阀式微机调速器。微机调节器由北京ABB贝利控制有限公司提供，微机调节器由自动调节器和手动控制器组成。自动调节控制器（A和B）有相同的硬件配置，主要包括CPU模块、DI模块（两个）、DO模块、AI模块、AO模块和高速计数模块。电手动微机控制器连接在以太网上，用来控制机械液压系统的比例伺服阀A或B工作，主要包括CPU模块、DI模块、DO模块、AI模块、AO模块。

3 励磁系统与调速器系统关联对比

励磁系统与调速器系统关联对比如表1所示：

4 瀑布沟励磁控制系统与调速器控制系统的相同之处

第一，控制系统均采用双套冗余配置，且两套控制器完全独立。（1）励磁系统两个通道是完全独立的，每个通道具有自动电压调节、PSS、各种限制、保护、监控及手动控制等软件功能。两台主机同时运行：一套为主用工况，直接输出励磁调节的控制信号，一套备用工况，不输出调节控制信号，但实时跟踪、监视主用工况的主机，当主用主机故障时，备用主机自动转为主用工况，以保障整个励磁系统正常运行。（2）调速器控制器（A和B）有相同的硬件配置，通过以太网交换状态和数据，构成交叉冗余双微机控制器。当双微机调节器均出现部分模块故障时，这种交叉冗余控制结构可以容忍两个单机的不同名模块故障情况（容错），交叉构成正常的调节器，使调速器能正常工作，实现真正的双机冗余容错结构。

第二，监控系统下发控制信号均采用下发脉冲的方式；重要的控制信号均采用开关量直接上传下达的方式；与监控系统通信均通过转换装置UC7410。（1）瀑布沟调速器系统、励磁系统作为一个独立的控制系统，完全可以按照自身控制策略控制机组转速、机端电压。监控系统作为机组控制核心，系统地控制着机组的各个部分。对于重要的控制信号，如开机令、停机令、通道故障、调速器事故、励磁系统限制动作等采用开关量直接上送下达的形式，避免因为通信故障造成误动；（2）机组并网后，调速器增/减负荷（励磁系统增/减无功）均采用监控系统下发开启/关闭导叶开度（增加/减少励磁电流）的宽脉冲列形式。有功负荷（无功负荷）调整到位情况以监控系统的有功负荷（无功负荷）反馈作为依据；（3）瀑布沟监控系统下位机为AB的控制器，励磁与调速器与其通信存在通信规约的问题，都是通过通信转换装置UC7410进行与监控系统通信。

第三，控制系统中均有电气开限限制作用。（1）机组开机后，调速器按照频率模式自动维持转速在50Hz。并网前，为了防止机组故障，导叶开度过大，转速过高造成机组损伤，导叶电气开限起作用，限制导叶开度过大。并网后，机组电气开限全开，导叶大小根据机组负荷调整，并网信号以机组出口开关辅助接点为判据；（2）机组开机建压后，励磁系统按照自身控制策略维持机端电压为额定电压。并网前，为了防止机组故障，励磁电流过大，机端电压过高造成机组绝缘损伤，空载状态励磁电流限制起作用，限制励磁电流过于增大。并网后，开限全开，励磁电压电流根据机组无功功率调整，并网信号以机组出口开关辅助接点为判据。

第四，控制形式均为PID控制+闭环控制。为解决控制系统精确度和稳定性的矛盾，引入了负反馈校正，形成闭环控制；为了消除误差，采用PID控制形式。（1）瀑布沟调速器比例伺服阀自带阀芯位置传感器，主配带有主配位移传感器，接力器上的导叶开度传感器，通过这三种传感器构成了调速器三级反馈。调速器控制系统反馈为导叶开度偏差反馈，机组有功功率负荷反馈的闭环控制在监控系统控制程序中完成。（2）瀑布沟励磁控制系统PID控制器的输出电压，即控制电压作为可控硅门极控制单元的输入信号。PID控制器的调节参数可以在两组设定值中自动选择，这取决于过励限制或欠励限制哪个限制功能是有效的。励磁控制系统反馈为机组机端电压偏差反馈，机组无功功率反馈的闭环控制在监控系统控制程序中完成。

第五，控制过程中均存在动作延时的特性。（1）调速器系统控制机组转子转速，因为机组转子质量较大，转动惯量也较大，调整机组导叶开度后，机组相应变化过程存在一定的延时，这是调速器控制系统PID控制参数合理选择的依据。（2）励磁控制系统控制机组转子绕组励磁电流，因为机组转子绕组为电抗特性，阻碍电流的变化，励磁电压变化后，机组转子励磁电流的变化过程同样存在一定的延时，这是励磁控制系统控制参数合理选择的参考。

5 瀑布沟励磁控制系统与调速器控制系统的不同之处

第一，调速器可以实现纯机械控制。即控制系统完全断电依然能控制，而励磁系统失电则停机。（1）调速器系统存在附属油压系统，能够存储能量，为接力器开关导叶提供能量。调速器是电气控制机械部分动作，当控制系统失电或故障失去控制能力时，可以人为动作手动控制阀实现纯机械控制，开启或关闭导叶；（2）瀑布沟励磁系统是完全电气控制，控制过程没有任何人为机械动作的部分，当控制系统失电或故障失去控制能力时，则必须灭磁停机。两套PLC控制器一套失电时，另一套正常工作，但当两套PLC控制器同时失电时，励磁系统会跳灭磁开关实现灭磁。

第二，开机过程的给定方式不同。（1）调速开机时，为了快速达到额定转速，第一开机度导叶开度较大。监控系统的开机令下发到调速器，开度限制打开至第一开机度（当前水头下的1.3～1.5倍空载开度），当机组频率升至45Hz后，开限关至第二开机度（当前水头下的1.2倍空载开度），当机组频率升至47.5Hz后，机组启动过程结束，调速器进入空载状态；（2）励磁系统在收到“励磁投入”令后开始起励，当机端电压大于10%Ue转入软起励过程，即调节器以一个可调整的速度逐步增加给定值使发电机电压逐渐上升直到额定值，此过程中不存在电压超过额定电压的过程。

第三，调速器控制存在反向调节，开导叶时会造成瞬时水压变小，负荷反而瞬时降低，随后升高的瞬态过程。（1）调速器在动态过程中，当水轮机导叶关闭时，调节目标是减小水轮机力矩，但是由于引水系统水流减速、水流动能转变为势能、水轮机工作压力短时上升，而导致水轮机力矩有短时段的增大。反之，当水轮机导叶开启时，会导致水轮机力矩有短时段的减小。所以当水轮机导叶开启或关闭时，都会产生与控制目标相反的逆向调节。随着水轮机导叶开启或关闭速度的增大，动态过程中的逆向调节增强，对系统的动态稳定和响应特性会带来十分大的影响，故调速器控制调节必须考虑速度的问题。（2）励磁系统自动电压调节器（AVR）的主要目的是精确地控制和调节同步发电机的端电压和无功功率。UNITROL 5000型励磁调节器不断地将给定值与反馈值进行比较，在尽可能短的时间内进行调节计算，最终去改变可控硅整流器的触发角度。调节周期相当短，相对于模拟式励磁调节器而言，其延迟是可忽略的。

第四，励磁系统存在多个整流桥并列、智能均流等功能。（1）调速器系统动作导叶只控制油管是否接通压力油。调速器系统动作元件为两个接力器，并联在操作油管上，它们同时动作，协同配合动作导叶控制环，从而实现导叶的开启与关闭。（2）励磁系统一般存在多个功率柜，每个功率柜为一个三相全控整流桥，实现交流变直流的作用。多个并联的可控硅整流桥间的电流，最好的结果是转子绕组励磁电流平均分配各个整流桥。UNITROL 5000型励磁系统采取了智能化均流措施，流经各个整流桥的电流近乎相等，所有整流桥都同时工作，其中一个整流桥故障的情况下，该桥被自动截止，由其余的桥平稳地承接负载。

第五，励磁控制系统存在各种限制功能。（1）调速器系统导叶开启或关闭过快会造成水锤现象，威胁机组的稳定安全，所以调速器开关导叶的速度必须受到限制。调速器系统的速度限制功能是通过分段关闭阀、主配压阀等实现。主配压阀的速度控制是通过阀体限位螺栓实现的，分段关闭阀是通过监控系统开出命令实现的；（2）励磁系统针对不同的工况，为了保护发电机组及主变压器的安全，设计了不同的限制器，主要包括欠励限制器、过励限制器、强励限制器、定子电流限制器、V/Hz限制器等。

6 结语

通过对比分析励磁控制系统与调速器控制系统的相同之处与不同之处，结合两者的共性，同时针对各自的特点，在故障分析、规章制度的制定、控制策略的优化等方面有着很好的指导意义。

作者简介：李其源（1984-），男，湖北黄冈人，国电大渡河瀑布沟水力发电总厂助工，研究方向：自动控制；汤文桢（1984-），女，湖北黄冈人，国电大渡河瀑布沟水力发电总厂助工，研究方向：自动控制。

（责任编辑：小 燕）