第十章发电厂自动装置

第十章发电厂自动装置第一节发电机励磁自动控制系统一、发电机励磁系统发电机励磁直接影响发电机、电厂和电网的安全稳定和经济运行，励磁控制系统是发电厂中极为重要的关键设备。其主要任务是向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流（电压），控制机端电压恒定，满足发电机正常发电的需要，同时控制发电机组之间的无功功率的合理分配，提高同步发电机并列运行的稳定性，以满足电力系统安全稳定运行的需要。随着发电机单机容量和电网规模的不断增大，发电机组及电力系统对励磁控制系统在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了愈来愈高的要求，相应地，励磁控制在理论上和实践上也在不断更新、发展和完善。近年来，数字式励磁控制系统已逐步取代模拟式励磁控制系统而成为同步发电机励磁控制系统的主流。二、励磁机控制系统功能要维持系统电压稳定，一方面要保证系统有足够的无功电源，另一方面还必须根据负荷的变化随时调整电源的无功输出，使电源发出的无功功率始终保持和负荷需要的无功功率平衡的需要。所以，在系统中运行着的发电机，无论在正常还是在事故的情况下，其励磁电流都要求迅速而精确地进行调节。为完成这一任务，必须采用励磁机控制装置，按要求及时对励磁电流进行调整。发电机的励磁机控制装置系统的作用如下：（1）电力系统正常运行时，维持发电机或系统某点电压水平。当发电机无功负荷变化时，一般情况下机端电压要发生相应变化，此时励磁自动调节装置应能及时自动调整发电机的励磁电流，维持机端或系统某点电压水平。（2）合理分配发电机间的无功负荷。发电机的无功负荷与励磁电流有着密切的关系，励磁电流的自动调节，要影响发电机间的无功负荷的分配，所以对励磁系统的调节特性有一定的要求。（3）在电力系统发生短路故障时，按规定的要求强行励磁。励磁系统响应速度越快，顶值励磁电压越高，强行励磁的效果就越好，从而大大提高系统在事故状态下的稳定性。（4）能够显著改善电力系统的运行条件。例如当电力系统发生短路，故障切除后，通过装置的调节作用使系统电压迅速恢复，从而大大改善电动机的自启动条件，否则，会由于电动机自启动时取用过多的无功电流，致使系统电压恢复太慢，容易造成甩负荷，并影响系统的正常工作。又如当系统中运行的其它发电机因故失去励磁时，允许其在短时间内做无励磁异步运行，此时发电机发出有功功率而吸收无功功率，会引起系统中出现大量无功功率缺额，使电压下降。这时就要求并列运行各机组的励磁装置自动增加励磁电流，多发无功功率，以维持电压水平。另外，当系统发生短路故障时，励磁自动调节装置会进行强励，使短路电流增大，提高继电保护装置的灵敏度，因而提高保护动作的正确性。（5）对于1000MW级发电机组，励磁自动调节装置还具有过励限制、低励限制等功能，使机组安全性得以提高。三、数字式电压控制器177调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的倍息，以产生相应的控制信号。控制信号经放大后控制励磁功率系统的输出，以得到所需要的励磁电流。玉环电厂电压控制器具有以下特点：(1)AVR采用数字式（DAVR），其性能可靠，并具有与DCS的硬接口和通讯接口。它有2个冗余主控制器A和B，分别接受来自不同的PT和CT二次侧的信号量，输出信号分别经脉冲放大器A和B放大后形成触发脉冲去控制可控硅整流器。当工作系统故障时，将自动切换至备用系统。每一个主控制器都包含手动励磁控制功能作为备用和用于调试的目的。（2）该励磁控制系统除了包括较完善的控制功能外还将有：自动启动和手动启动两种方式；用于硬件和软件的自诊断功能，能及时的检测出异常情况。主控制器将具有周期性地循环地记录参数的功能，至少包括32点开关量输入和8点模拟量输入，32点开关量输出和16点模拟量输出及（发电机电压、定子电流、有功功率、无功功率、发电机频率、励磁电压、励磁电流等）测量参数输出。具备故障记录功能，用于故障分析和试验分析。提供16点昀长240秒故障参数记录，故障参数可在PC上进行波形显示。（3）AVR的调压范围自动电压调节器的调压范围：发电机空载时能在20％～110％额定电压范围内稳定平滑调节；发电机额定负载时能在85％～110％额定电压范围内稳定平滑调节；整定电压的分辨率不大于额定电压的0.2%。手动调节范围从10％空载励磁电流到110％额定励磁电流值。将提供自动跟踪系统以允许在自动和手动之间进行无扰动切换。（4）AVR的主要功能AVR具有下列标准控制功能：发电机电压自动控制（AC）发电机励磁电压自动控制（DC）过励磁限制（OEL）低励磁限制（MEL）AVR至少设有下列附加功能：无功电流补偿（CCC）线路阻抗压降补偿（LDC）电力系统稳定器（PSS，IEEE421-2A）；V/Hz限制；无功功率自动调节（AQR）功率因数自动调节（APFR）定子电流限制（限制过励或欠励工况下定子过流）监视和操作功能：用CRT上的模拟仪表和数字值显示发电机电压、定子电流、有功功率、无功功率、发电机频率、励磁电压、励磁电流、AVR输出、自动（AC）电压设定（90R）和手动（DC）电压设定（70E）参数和励磁系统框图；A/B主控制器状态显示：CPU：A系统-B系统模拟量输入：运行系统-备用系统开关量I/O：运行系统-备用系统178触发脉冲发生：运行系统-备用系统单个的报警显示；MEL、OEL、PSS等控制参数调整AVR/MVR控制方式切换自诊断功能自动跟综和AVR至MVR的无扰动切换基本硬件和软件故障诊断（时钟信号丢失、奇偶校验错误、WDT、误计时、误记存等）模拟输入零序检测、不平衡检测、高/低限检测（包括PT断线）脉冲发生器同步信号丢失、脉冲信号丢失设有发电机转子绕组接地和励磁机励磁绕组接检测、保护装置。（5）AVR满足DL/T650-1998中抗电磁干扰试验要求。AVR柜一般采用自然通风，如采用强迫通风，冷却风机故障时仍可保证AVR正常运行。柜体的保护接地和工作接地分开。AVR柜体的防护等级为IP54。（6）电源AVR装置设有两套独立、可靠的直流稳压电源，由交流电源整流和110V直流电源（厂用110VDC系统）并列供电。（7）可控硅整流组件配置两套可控硅整流组件。每套可控硅整流组件包括6个可控硅、6个脉冲变压器、6个带微型监控开关的快熔、1套交流过电压浪涌吸收回路。（8）灭磁装及过电压保护：励磁机励磁回路配备直流断路器加电阻的灭磁装置。以下简要介绍数字电压控制器的功能特点。图10-1-1数字电压控制器通道的方块图1．冗余数字电压控制器为2通道结构（如图10-1-1）。当电压控制器在自动方式时,两个通道179都相等并工作在正常运行情况下。当需要如调试、工作/维护或在特殊情况下,它们可切换至闭环电流控制运行(手动)方式。每个通道彼此间电气独立且有各自的电源，也就是说可以将一个通道切换至无压状态，例如需进行检修工作。通道1或者通道2总工作于关合励磁电源部分。由操作盘OP选择主通道，并切换相应的触发脉冲和励磁回路通道输出的实际值。被动通道在所有运行模式下自修正，以确保在通道切换时无扰切换（在所有运行点）。为了与控制室通讯，所有对应的数字输入和输出通过接口模块或通讯板送到两个通道。通道间的数据传送通过一个串行口连接。2．实际值测量和调制发电机电压、电流的三相信号通过模/数转换器从SIMADYND处理器模块读入。在矢量计算块中，由软件通过α、β和零序（Zero）系统决定V、I、P、Q、f、iW和IB的量值。在空载或短路试验时，通过将U和I与正常值标准化，将有功和无功的量值自动标准化，在系统带负荷时没必要进行标准化。U和I（零序系统）的矢量和的量值用于监测实际值的传送。图10-1-2发电机电压闭环控制的实际值调制通道3．闭环电压控制（见图10-1-2）电压设定点包括发电机电压值的设定点和定子电流限制信号。总的信号在P控制器内与电压的实际值比较。与有功或无功电流成比例的信号可加至电压实际值（固定偏差）。偏差受昀大选择器的控制（参考低励限制），并送至PID控制器。被动通道的操纵量跟踪主动通道的操纵量而修正。控制器输出的值作为设定点，计算门装置的触发角度。门装置输出三相整流桥的触发脉冲；振荡衰减装置的信号加至电压控制器输入设定点；正常运行时，发电机电压控制设定点的量程为95％～105％。在“非闭锁运行”时，这些限制解除，也就是说发电机电压（闭环）可控量程为0～125％；电压设定点上限限制的减少由V/f限制实现；发电机电压设定点可在脉冲被禁止时设定到一定的初始值：Š当机器启动时：至100％固定值；或至外接电源实际值（必须在90％以上）；Š非闭锁运行时：至0％；Š当再次切换通道时：至工作通道的设定点；发电机电压设定值也可通过同期装置的升/降信号控制。1）闭环无功功率和功率因数控制闭环无功功率和功率因数控制作为电压控制器的高水平控制器（可用软件参数化），此时的工况为：发电机已并网；闭环电压控制投入；它可无扰动地从控制室投入，将瞬时的实际值作为设定点。可从控制室通过升/降按钮或H1母线调节设定点；闭环控制的死区为±1％。当越过死区时，发电机电压设定点的设定脉冲产生；对闭环功率因数控制，无功功率的设定点作为功角φ的设定点，与有功功率成正比；所180以无功功率对应有功功率受控且P/Q的比率保持常数；如果闭环无功功率或功率因数控制投入，电压的设定点不能直接改变。当发电机与电网分离或切换到手动操作时，该闭环控制被禁用；此外，当发电机电流降至20％以下时，控制退出，然后再次无扰动投入。通常控制投入时有约8秒延时；4、限制1）定子电流限制发电机的昀大视在功率所需的定子电流决定定子电流限制的响应值。它包括过励和欠励两个区域的控制回路，该限制在±10％无功电流时存在死区。当超过响应值时，限制生效但有延时，更确切地说，该时间与参考响应值的过电流的绝对值成反比。干涉生效后，由于过励限制至少延时10秒，干涉信号执行时，就像设定值的正负修正值。2）V/f限制该限制功能用于防止互感器饱和，并在V/f保护响应前干涉；V/f限制线性减少电压设定值，90％的设定值对应的频率约为41Hz。图10-1-3V/f限制3）欠励限制欠励限制的作用是在欠励的区域内，保证发电机在电网上稳定运行所需的昀小励磁，并适当限制无功功率；当欠励限制响应时，闭环电压控制由昀大选择所替代并失效；功率曲线图上的限制特性C（图10-1-4）存储在软件特性模块内，对应有功电流输出适当的无功电流，当电压增加时，特性曲线向欠励区域移动。可根据发电机和电网的供电参数设定相应的值；将对应于有功电流得到的曲线上的无功电流的值与实际值作比较，差值送入P放大器；当越过特性曲线时，偏差信号增加励磁电流，相应的信息输出到控制室；当系统调试时，特性曲线可镜像至过励区域，此时，生效的干涉信号和发电机设定值模块的方向也要改变。181图10-1-4典型的功率曲线图2）过励限制过励限制功能实际上限制瞬时过励电流，其昀大允许值约为150％；过励的持续时间及其随后减至的值，防止励磁绕组热过负荷。可通过两种不同的方法实现：一种为使用固定的特性控制过励限制；另一种为使用“热成象”技术（可选件）。过励限制特性控制：当励磁电流110％额定值时，它通过延时使用补充的设定值和适当减少励磁电流来干涉；励磁电流越限越多，减少的动作实现的越早（如图10-1-5）；图10-1-5延时过励限制当响应值降低后，过励值重新释放，与偏差成反比，昀大为150％；也就是说，当过励限制响应后，完整的过励值并非马上可用。第二节数字式同期装置一、工作原理发电机的并列方式主要有两种，即准同期并列方式和自同期并列方式。火力发电厂大容量机组通常采用准同期方式。准同期并列方式是在发电机并列以前已励磁，当发电机的频率、电压、相位与运行系182统的频率、电压、相位均近似相同时，将发电机的出口断路器合闸，完成并列操作。这种操作的优点是在正常情况下，并列时的冲击电流较小，不会使系统电压降低，缺点是并列操作时间长，并且如果合闸时机不准确，可能发生非同期并列事故，造成设备损坏。因此，对准同期并列操作的技术要求较高，必须由有一定经验的运行人员来执行。准同期并列按并列过程的自动化程度，可分为手动准