三调节器软件功能说明讲解.docx
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三调节器软件功能说明讲解
EXC9000用户手册
第3章
调节器软件功能说明
广州电器科学研究院
广州擎天电气控制实业有限公司
1．调节功能
1.1给定值调节与运行方式
利用开关量输入命令或者通过串行通讯，可控制励磁调节器给定值的增、减和预置。
给定值设有上限和下限。
给定值的调节速度可按国标的要求通过软件设定。
调节器内有电压给定和电流给定两个给定单元，分别用于恒机端电压调节方式和恒励磁电流调节方式。
当调节器接受到停机令信号时，就把给定值置为下限。
调节器接受到开机令信号时，就把初始给定值置为预置值。
人工的增、减磁操作就是直接对给定值大小进行调节，通过此种方式来调节发电机电压或无功。
恒机端电压调节方式称为自动方式，恒励磁电流调节方式称为手动方式。
发电机起励建压后，两种运行方式是相互跟踪的，即备用方式跟踪运行方式，跟踪的依据是两者的控制信号输出相等，且这种跟踪关系是不能人工解除的。
自动方式是主要运行方式，有利于提高系统的运行稳定性。
PSS和自动方式配合，可有效抑制系统有功的低频振荡。
手动方式是辅助运行方式，不允许长时间投入运行。
调节器上电或复位后，即默认转入自动方式。
两种运行方式之间可以人工切换，PT故障时自动由自动方式切换为手动方式。
1.2自动电压调节器AVR和励磁电流调节器FCR
自动电压调节器AVR用于实现自动方式调节，维持机端电压恒定，其反馈量为发电机端电压。
为使励磁系统有良好的静、动态性能，AVR采用两级超前／滞后校正环节，用传递函数描述的自动电压调节器数学模型如图3－1所示：
图3-1自动电压调节模型
说明：
Ugd
电压给定值，1%～120%
Ug
机端电压值，用于电压反馈
Ta
机端电压测量时间常数，不大于0.02S
Kp
即Kavr，AVR放大倍数
调试软件设定
TA1
AVR第1级超前/滞后环节时间常数
调试软件设定
TA2
调试软件设定
TA3
AVR第2级超前/滞后环节时间常数
调试软件设定
TA4
调试软件设定
UK
自动方式控制信号，范围：
860～7600
附加控制
一般为PSS输出的控制信号
励磁电流调节器FCR用于实现手动方式调节，维持励磁电流恒定，以励磁电流作反馈量。
FCR的数学模型只有一级超前／滞后校正环节。
附加控制对励磁电流调节器无效。
励磁电流调节器的数学模型如下图所示：
图3-2励磁电流调节模型
说明：
IL
励磁电流值,用于电流反馈
Igd
电流给定值
Tb
励磁电流滤波时间常数，不小于0.04S
调试软件设定
Ki
即Kair，FCR放大倍数
调试软件设定
TB1
FCR超前/滞后环节时间常数
调试软件设定
TB2
调试软件设定
UK2
手动方式控制信号，范围：
860～7600
FCR主要用于试验（如在设备的投运或维护过程中的发电机短路试验），或者是作为在AVR故障时（如PT故障）的辅助/过渡控制方式。
为了避免在手动方式下发电机突然甩负荷引起机端过电压，手动方式具有自动返回空载的功能。
在发电机断路器跳闸的情况下，一个脉冲信号传送给调节器，则立即把电流给定值置为空载励磁电流值。
调节器在手动方式下运行时，还设置了机端电压限制功能。
电压限制值与V／F电压限制值相同，可用调试软件进行修改。
1.3电力系统稳定器（PSS）
电力系统稳定器简称PSS，其作用：
a．提高电力系统静态稳定能力；
b．提高电力系统动态稳定能力；
c．阻尼电力系统低频振荡。
电力系统稳定器（PSS）的原理：
在励磁系统中采用ΔP、Δω、Δf等一个或两个信号作为附加反馈控制，增加正阻尼，它不降低励磁系统电压环的增益，不影响励磁控制系统的暂态性能。
电力系统稳定器（PSS）是EXC9000励磁调节器的一个标准软件功能。
我们开发的PSS，采用加速功率作反馈信号（即双变量ΔP、Δω），有效克服了采用单电功率反馈信号时的无功“反调”问题。
PSS的数学模型如下图所示，属于PSS2A模型。
图3-3PSS传递函数模型
说明：
V1
电角速度
V2
电功率Pe
TW1
隔直环节1时间常数
调试软件设定
TW2
隔直环节2时间常数
调试软件设定
TW3
隔直环节3时间常数
调试软件设定
TW4
隔直环节4时间常数
调试软件设定
Ks2
电功率积分计算值补偿系数
调试软件设定
T7
电功率积分时间常数
调试软件设定
Ks3
信号匹配系数
调试软件设定
M
陷波器阶数
调试软件设定
N
陷波器阶数
调试软件设定
T8
陷波器时间常数
调试软件设定
T9
陷波器时间常数。
T9=0时，陷波器输出为0
调试软件设定
Ks1
PSS增益
调试软件设定
T1
PSS超前/滞后环节1时间常数
调试软件设定
T2
调试软件设定
T3
PSS超前/滞后环节2时间常数
调试软件设定
T4
调试软件设定
PSS_uk
有效的PSS输出控制信号
USTmax
PSS输出正限幅值，+10％以下
调试软件设定
USTmin
PSS输出负限幅值，-10％以上
调试软件设定
PSS投入功率
默认40％，以发电机视在容量为基准
调试软件设定
PSS退出功率
默认35％，以发电机视在容量为基准
调试软件设定
PSS输出控制信号PSS_uk，通过图3-1中的附加控制端引入AVR相加点，与反馈电压Ug的相加方式一致。
通过调节器人机界面，可选择投入或退出PSS。
当选择投入PSS时，只有在发电机有功大于PSS投入功率后，PSS输出才有效。
当选择退出PSS时，则PSS输出无效，恒等于0。
1.4调节器工作模式
1.4.1发电模式
在发电模式下有前述的两种运行方式：
自动方式和手动方式。
（1）自动方式。
在图3-1自动电压调节模型的基础上增加了定子电流限制Qoegd、
欠励限制Quegd、强励限制和过励限制（通过励磁电流IL计算）、V/F限制VFgd、调差TCgd、PSS附加控制信号PSSgd（即PSS_uk）、试验信号Testgd等叠加控制信号。
总体控制框图如图3-4所示。
叠加方式有加“+”、减“-”两种方式。
图3-4发电模式下总体控制模型
（2）手动方式。
采用标准的恒励磁电流控制模型，见图3-2。
在发电模式下，两种运行方式可以手动选择。
在自动方式下发生PT故障时，调节器会自动从自动方式切换到手动方式。
可能的切换途径如下：
1）切换到自动方式
a）人工切换到自动方式；
b）由于PT故障导致软件切换到手动方式，并且开机令复归，系统恢复到自动方式；
c）系统重新上电；
d）系统从其它运行模式切换到发电模式；
2）切换到手动方式
a）人工切换到手动方式；
b）发生PT故障，软件自动切换到手动方式；
1.4.2电制动模式
电制动比机械制动具有制动力矩大、停机时间短、无环境污染、以及制动投入速度不受限制和设备维护检修方便等优点。
电制动一般在机组正常停机时投入。
在调节器内，增加了电制动模式，可与外部电制动操作、逻辑回路配合，实现电制动停机。
在电制动过程中，调节器通过控制调节，使得励磁系统向发电机励磁绕组提供一恒定的励磁电流，大小可根据需要用软件设定。
调节器在电制动模式下，控制调节的模型与手动方式是完全一致的，只是电流给定为电制动电流给定值，可通过调试软件设定。
对调节器来说，进入电制动模式的条件及常规顺序为：
（1）发电机已停机逆变灭磁，励磁电流为0；
（2）来电制动投入令；
（3）0.5s后再给开机令。
调节器退出电制动模式的常规顺序为：
（1）先撤除电制动投入令，调节器自动进行逆变灭磁；
（2）逆变灭磁5s后，再撤除电制动开机令；
（3）调节器检测到励磁电流为0时，即退出电制动模式，进入发电模式。
电制动过程中的必要逻辑操作，比如合短路开关、投入外部励磁电源等，一般由励磁系统配置的专用PLC逻辑控制回路完成。
PLC编程直观、简单，方便根据现场情况修改。
1.4.3恒控制角模式
这是调节器的一种开环调节方式，只能做为试验手段使用。
在励磁电源它励方式下，恒控制角模式可方便地用于发电机短路试验、发电机空载特性试验。
只能通过调试软件操作进入恒控制角模式。
对调节器来说，进入恒控制角模式的条件及常规顺序为：
（1）励磁电流为0；
（2）通过调试软件选择进入“恒控制角模式”的命令；
（3）通过调试软件选择“强制开机”的命令。
进入恒控制角模式后，调节器先进行初始化，使控制信号输出为最大，即Ukmax＝7600。
之后，可通过调试软件设置控制角，也可通过外部增、减磁操作来调整控制角。
调节器退出恒控制角模式的常规顺序为：
（1）先把励磁电流降为0；
（2）通过调试软件选择“退出强制开机”的命令；
（3）通过调试软件选择进入“正常模式”的命令，即退出恒控制角模式，进入发电模式。
1.4.4短路干燥模式
这也是调节器的一种辅助工作模式，只能做为试验手段使用。
在励磁电源它励方式下，短路干燥模式可方便地用于发电机短路试验、发电机空载特性试验。
只能通过调试软件操作进入短路干燥模式。
调节器在短路干燥模式下，控制调节的模型与手动方式是完全一致的。
对调节器来说，进入短路干燥模式的条件及常规顺序为：
（1）励磁电流为0；
（2）通过调试软件选择进入“短路干燥模式”的命令；
（3）通过调试软件选择“强制开机”的命令。
进入恒控制角模式后，调节器先进行初始化，转手动方式并置电流给定为0。
之后，可通过外部增、减磁操作来调节电流给定值。
调节器退出短路干燥模式的常规顺序为：
（1）先把励磁电流降为0；
（2）通过调试软件选择“退出强制开机”的命令；
（3）通过调试软件选择进入“正常模式”的命令，即退出短路干燥模式，进入发电模式。
1.5有功和无功功率补偿
为了补偿由单元变压器和/或传输线路上的有功或无功功率引起的电压降，将与静态的有功功率和无功功率成正比的信号叠加到发电机电压给定值。
功率补偿范围在-15%和+15%之间，且是可调的。
1.6调差
在励磁调节器自动方式下，为了保证多台并联运行的发电机组之间的无功功率合理分配或补偿单元制接线主变压器的电压降，调节器附加有无功调差功能。
采用合适的正调差值，可保证多台并联运行的发电机组之间的无功功率合理分配。
采用负调差，可补偿在单元制接线方式下主变压器的电压降。
调节器的调差值范围在-15%和+15%之间。
1.7叠加的无功功率或功率因数控制
无功功率控制或功率因数控制可视作对自动电压调节器的叠加控制。
在这两种情况下，控制信号来源于实际值和被选控制模式的控制值之间的差值，调节器根据差值的大小和正负自动调节自动电压调节器的电压给定值，最终使得差值减小到控制范围之内。
所选叠加控制模式及控制值可通过下述方式设定：
⏹通过人机界面；
⏹
通过监控系统的串行通讯。
图3-5无功功率控制和功率因数控制原理图
1.8软起励控制
正常情况下，发电机励磁系统是在励磁调节器自动方式下起励建压的。
软起励功能是为了防止在发电机起机建压过程机端电压的超调。
励磁调节器接收到开机令后，首先置自动方式的电压给定值为30％。
起励升压后，当机端电压大于30%额定值后，调节器再以一个可调整的速度逐步增加电压给定值使发电机电压逐渐上升到预置值，预置值是可以通过调试软件设定的，一般设定为发电机端电压的空载额定值。
下图是在300MW运行机组现场录制的软起励过程波形。
图3-6软起励过程录波图
1.9通道间的跟踪
通道间的跟踪是由调节器软件实现的，备用通道跟踪运行通道，跟踪的依据是两通道的调节输出（控制信号）相等。
不同于通道内的跟踪，这种跟踪关系是可通过人机界面人工投退。
自动跟踪功能保证了从运行通道到备用通道的平稳切换。
切换可能是由于故障引起的自动切换（如PT断相）或人工切换。
无论系统是采用双通道配置还是三通道配置，备用通道总是跟踪运行通道。
2．限制功能
2.1强励限制和过励限制
图3-7强励控制逻辑
说明：
OverExcLimit
过励限制值
调试软件设定
ForceExcLimit
强励限制值
调试软件设定
CoolingTimePreset
冷却时间
调试软件设定
ForceTime
最大强励允许时间
调试软件设定
上式中的Tq即为最大强励允许时间。
当励磁电流大于过励限制值时，开始进行强励反时限计算和计时，并发出“强励动作”报警信号，闭锁增磁操作；在此期间，励磁电流按强励限制值限制。
反时限到达后，励磁电流按过励限制值限制，发“过励限制”报警信号，并开始计时，直到冷却时间到达后，才允许再次强励。
2.2欠励限制
图3-8欠励限制模型
欠励限制采用曲线
，曲线见图3-9。
Q为实测无功值，Quelim与Q的差值经积分环节后，作为欠励限制的输出Quegd叠加于电压给定值Ugd，叠加方式是加即增磁作用，限制无功降低。
说明：
Kue
欠励限制曲线斜率Kue
调试软件设定
Bue
欠励限制曲线偏移量Bue
调试软件设定
Ti
欠励限制调节速度Ti
调试软件设定
30%
欠励限制输出最大值30%
0%
欠励限制输出最小值0%
Quegd
欠励限制输出调节值，与电压给定值Ugd相加
欠励限制有效条件为：
发电机出口断路器合且当前无功值小于0。
当欠励限制条件不满足时，欠励限制不起作用。
欠励限制动作时，调节器发“欠励限制”报警信号，闭锁减磁操作。
图3-9欠励限制和定子电流限制曲线
2.3定子电流限制（正无功限制）
图3-10定子电流限制模型
说明：
Koe
定子电流限制曲线斜率Koe
调试软件设定
Boe
定子电流限制曲线偏移量Boe
调试软件设定
Ti
定子电流限制调节速度Ti
调试软件设定
30%
定子电流限制输出最大值30%
0%
定子电流限制输出最小值0%
Qoegd
正无功限制输出调节值，与电压给定值Ugd相减
定子电流限制采用直线计算公式：
，曲线见图3-9。
Q为实测无功值，Qoelim与Q的差值经积分环节后，作为定子电流限制的输出Qoegd叠加于电压给定值Ugd，叠加方式是减即减磁作用，限制无功增大。
定子电流限制有效条件为：
发电机出口断路器合且当前无功值大于0。
当定子电流限制条件不满足时，限制不起作用。
定子电流限制动作时，调节器发“A（B）套定子电流限制动作”报警信号，闭锁增磁操作。
2.4V/F限制
图3-11V/F限制模型
说明：
Kue
欠励限制曲线斜率Kue
调试软件设定
Bue
欠励限制曲线偏移量Bue
调试软件设定
Tvf
V/F限制调节速度
调试软件设定
20%
V/F限制输出最大值20%
0%
V/F限制输出最小值0%
VFgd
V/F限制输出调节值，与电压给定值Ugd相减
计算公式为：
。
Ug为实测的发电机电压；F（%）为实测的电压频率，以额定频率50Hz为基准的百分数表示。
Uglim即为可设定的V/F限制值。
V/F限制的输出VFuegd叠加于电压给定值Ugd，叠加方式是减即减磁作用，限制电压升高。
V/F限制有效条件为：
发电机出口断路器分、开机令存在且Ug>40％。
当V/F限制条件不满足时，限制输出恒为0。
V/F限制起作用时，调节器发“V/F限制动作”报警信号，闭锁增磁操作。
2.5低频
图3-12低频模型
低频动作前提条件为：
发电机出口断路器分、定子电流小于等于10%、无电制动信号、有开机令同时存在。
当前提条件成立且机端电压频率低于45Hz时，低频动作；当前提条件成立且电压频率大于47.5Hz时，低频信号复归。
低频动作后，调节器控制励磁系统进行逆变灭磁，并发“低频”报警信号。
3.故障检测及判断
3.1同步故障
判断条件为：
（Utb+15%20%）
其中：
Ug
机端电压
Utb
同步电压
R632
>40%机端电压
即以下三个条件同时满足时，发同步故障：
同步电压比机端电压（标么值）低15%；
机端电压大于40%；
同步电压大于20%。
以上判断条件连续存在3个定时调节周期时，就发出同步故障。
同步故障动作后，调节器通过I/O板发出同步故障信号；通过通讯接口向外发出同步故障信号；闭锁看门狗信号输出，使调节器监视单元监测到调节器故障，发出通道切换指令。
3.2低励磁电流
判断条件为：
本通道运行情况下，定子电流大于10％&&励磁电流小于空载励磁电流的20%。
低励磁电流故障动作后，调节器通过通讯接口向外发出低励磁电流故障信号。
3.3励磁变副边CT故障
判断条件为：
本通道运行情况下，（Ug>80%）&&（IL<10%）&&同步系数不为零
即以下三个条件同时成立时，发励磁变副边CT故障：
机端电压大于80%；
励磁电流小于10%；
同步系数不为零。
励磁变CT故障动作后，调节器通过通讯接口向外发出励磁变副边CT故障信号。
3.4PT故障
判断条件如下：
Average=Ug/1.2;
（（Ug>10%）&&（（Ua20%））||
（（Ug<5%）&&（IL>20%））
其中：
Average
0.83Ug
Ug
机端电压
Ua
机端a相电压
Ub
机端b相电压
Uc
机端c相电压
Utb
同步电压
IL
励磁电流
如果校准了同步电压系数，则利用同步电压与机端电压进行判断，如果同步电压大于20%时，机端电压比同步电压小10%，则发PT故障；如果没有校准同步电压系数，则利用三相电压与电压平均值进行判断，如果机端电压大于10%，且A、B、C三相电压中的任一相低于机端电压的0.83倍，则发PT故障。
在励磁电流大于20%且机端电压小于5%时，也发PT故障。
以上判断条件连续存在3个定时调节周期时，就发出PT故障，并切换到手动运行方式，在判断条件不成立后，延时2S复归PT故障；同时调节器监视单元会切换励磁调节器到备用通道运行。
3.5调节器故障
CPU复位、程序跑飞、DSP出错或者进行模型测试时，闭锁状态指示信号输出，如果此时机端电压大于40%，则发调节器故障。
4．防错功能
4.1检测容错
包括模拟量检测容错和开关量检测容错等，如对PT断线的检测，增、减磁接点防粘连，油开关信号容错，开停机信号容错等。
4.2控制容错
包括过励限制动作限制增磁，欠励限制动作限制减磁，防止空载误强励，过励/欠励优先权判断，PSS输出故障等。
5.其它功能
5.1R631信号
R631为机端电压大于10%额定值信号，但为了闭锁异常情况下可能出现的错误操作，加入了电流判断条件，即：
动作条件：
机端电压大于10%&&转子电流大于4.5%；
复归条件：
机端电压小于8%。
5.2R632信号
R632为机端电压大于40%额定值信号。
动作条件：
机端电压大于40%；
复归条件：
机端电压小于38%。
5.3开机令输出
发电模式：
动作：
R631&&开机令输入存在
复归：
R631复归
电制动模式：
无输出。
恒控制角模式：
可以通过调试软件强制输出和撤消。
短路干燥模式：
可以通过调试软件强制输出和撤消。
5.4复位
开机令消失时，执行复位操作。
操作包括：
a如果是由于PT故障切换到恒励磁电流运行方式，自动切换到自动方式。
b电压给定值预置
c电流给定值预置为0
5.5通道跟踪
只有在发电模式下通道跟踪才有效，通道跟踪投入条件为：
通道跟踪设置投入&&R631信号存在。
5.6内部跟踪
只有在发电模式下内部跟踪才有效，备用运行方式跟踪主用运行方式。
5.7系统电压跟踪
系统电压跟踪条件为：
系统电压跟踪功能投入、本通道运行、系统电压大于80%、发电机出口断路器分且定子电流小于10%。
5.8恒Q控制
有效条件：
恒Q功能投入、本通道运行、发电机出口断路器合且定子电流大于10％额定值。
如果定子电流限制器、强励、过励三者中任一个动作，则恒Q控制能减磁，但不能增磁。
如果欠励或者低励磁电流动作，则恒Q控制能增磁，但不能减磁。
恒Q控制给定值可以通过通讯设置为指定值，也可以直接以当前无功值作为给定值。
当有增减磁操作时，PQ控制给定值自动更新为当前无功值，即恒Q控制投入时，增减磁操作直接操作无功给定值。
恒Q功能自动退出条件：
手动运行、解列或者恒PF投入。
控制精度为：
±1%
5.9恒PF控制
有效条件：
恒PF功能投入、本通道运行、发电机出口断路器合且定子电流大于10％额定值。
如果定子电流限制器、强励、过励三者中任一个动作，则恒PF控制能减磁，但不能增磁。
如果欠励或者低励磁电流动作，则恒PF控制能增磁，但不能减磁。
恒PF控制给定值可以通过通讯设置为指定值，也可以直接以当前功率因数作为给定值。
当有增减磁操作时，PPF控制给定值自动更新为当前无功值。
恒PF功能自动退出条件：
手动运行、解列或者恒Q投入。
5.10人工操作增减磁
增磁允许条件：
V/F限制、过励限制、强励限制、定子电流限制都没有动作；
减磁允许条件：
欠励限制、低励磁电流都没有动作；
防粘功能：
增磁、减磁分别具备4秒的防粘功能，如果某一个命令持续时间超过4秒，则动作无效，直到动作复归后，下次动作才会有效。
如果增磁、减磁都处于正常状态，则二者同时动作时，操作无效。
6.调节器逻辑流程图
6.1开机流程
6.2停机流程
6.3主CPU程序及中断服务流程
6.4DSP采样程序及中断服务流程
6.5通道切换流程
6.6通道跟踪流程
6.7系统电压跟踪流程
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