呂 齊, 周華良, 朱宏超, 姜 雷, 楊志宏, 張 吉
(1. 哥倫比亞大學工程與應用科學學院, New York 10027, 美國; 2. 南瑞集團(國網(wǎng)電力科學研究院)有限公司, 江蘇省南京市 211106; 3. 國電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106; 4. 智能電網(wǎng)保護和運行控制國家重點實驗室, 江蘇省南京市 211106)
勵磁調(diào)節(jié)器作為發(fā)電機組的核心控制系統(tǒng),是保障機組及電網(wǎng)安全運行的關鍵要素,也是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行最經(jīng)濟、最優(yōu)先采用的手段[1-3]。隨著電網(wǎng)互聯(lián)程度提高以及快速勵磁廣泛應用,電網(wǎng)低頻振蕩問題愈加突出,頻率0.2 Hz左右甚至更低的低頻振蕩時有發(fā)生,已成為影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的最重要因素之一。傳統(tǒng)勵磁調(diào)節(jié)器使用IEEE 421.5規(guī)定的2B型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)(簡稱為PSS2B)在這種頻段的抑制效果并不理想,需要在勵磁系統(tǒng)中配置更寬工作頻率的新型PSS。
另外,勵磁調(diào)節(jié)器從傳統(tǒng)發(fā)電領域擴展到多種應用場合[4-5],如大型調(diào)相機、磁控電抗器,這些應用對勵磁調(diào)節(jié)器提出了新的要求。新一代調(diào)相機對勵磁系統(tǒng)的響應速度、強勵能力等要求遠高于常規(guī)勵磁[6],其中電壓響應時間小于40 ms、頂值電壓倍數(shù)不小于3.5、頂值電流倍數(shù)不小于2.5;磁控式高抗要求勵磁系統(tǒng)增加光纖實時通信能力[7-8]。隨著《智能水電廠公共信息模型技術規(guī)范》等標準的發(fā)布以及電廠智能化改造的加速,勵磁系統(tǒng)還需要具備符合IEC 61850-9-2標準的數(shù)字化采樣功能[9-10]。
以往發(fā)電機組對勵磁調(diào)節(jié)器的網(wǎng)源協(xié)調(diào)性能要求不高,但隨著電網(wǎng)規(guī)模擴大,勵磁調(diào)節(jié)器控制環(huán)節(jié)的網(wǎng)源協(xié)調(diào)性問題日益突出[11],國內(nèi)外多次大停電事故分析表明,若并網(wǎng)機組勵磁系統(tǒng)、電網(wǎng)保護等設備配置不合理,會引起保護誤動跳閘,導致事故停電范圍擴大,因此,解決此問題對于電網(wǎng)的安全可靠運行具有重要意義。
本文針對勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)展面臨的現(xiàn)實需求,從靈活通用的角度出發(fā),提出了能夠滿足勵磁控制多種應用場合的勵磁調(diào)節(jié)器平臺技術方案,在設計及實現(xiàn)的各個環(huán)節(jié)充分考慮了勵磁應用的可靠性和電磁環(huán)境適應性,構(gòu)建了全新的勵磁調(diào)節(jié)器應用平臺,此平臺對勵磁調(diào)節(jié)器的設計開發(fā)提供豐富的組件和統(tǒng)一的接口,使得勵磁調(diào)節(jié)器能夠在平臺上靈活快速地實現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)建與功能擴展。該平臺兼容模擬或數(shù)字采樣,具備多種通信方式以及智能診斷等功能,通過平臺共性模塊和共性技術的靈活組合與配置,快速實現(xiàn)了勵磁系統(tǒng)在核電站、抽水蓄能電站、磁控電抗器、大型調(diào)相機等工程上的穩(wěn)定應用。
根據(jù)當前發(fā)展要求,新一代勵磁調(diào)節(jié)器應具備低頻振蕩抑制、主輔環(huán)協(xié)調(diào)控制、無功支撐、多場景支撐、智能診斷等多種功能。
PSS是提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性最經(jīng)濟的重要措施之一。為解決原動機增加有功時無功反調(diào)的問題,目前勵磁調(diào)節(jié)器普遍采用雙輸入PSS2B。然而隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大,導致低頻振蕩頻率低至0.1 Hz左右[12],PSS2B在這種低頻段表現(xiàn)為明顯的弱阻尼甚至負阻尼,對低頻振蕩的抑制作用有限。
以往勵磁控制系統(tǒng)的研究更多關注的是勵磁系統(tǒng)主環(huán)的特性,當電網(wǎng)或者發(fā)電機組發(fā)生故障時一般都伴隨著各種限制環(huán)節(jié)的作用,此時控制性能不再由主環(huán)決定,而取決于輔環(huán),所以在電網(wǎng)或者發(fā)電機組發(fā)生故障時勵磁控制未必能夠達到預定的效果[13]。只有發(fā)揮輔環(huán)的控制性能才能夠提高勵磁系統(tǒng)在電網(wǎng)或者發(fā)電機組發(fā)生故障情況下的調(diào)節(jié)性能,進一步提升勵磁系統(tǒng)可靠性,提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。
普通發(fā)電機的勵磁控制策略僅支持電壓閉環(huán),輸出的無功功率隨系統(tǒng)電壓而變化,而在同步調(diào)相機應用條件下,需要在正常穩(wěn)態(tài)運行時就將無功功率控制在某一設定值附近,以提高暫態(tài)情況下調(diào)相機的無功出力裕量,最大限度發(fā)揮調(diào)相機對交流電壓的支撐作用[14]。
隨著智能電網(wǎng)和特高壓輸電的發(fā)展,勵磁調(diào)節(jié)器的應用場合從傳統(tǒng)發(fā)電機拓展到了同步調(diào)相機、智能化電站、磁控式高抗等新領域,這對勵磁調(diào)節(jié)器的適應性提出了新要求。例如,對于智能化電站,勵磁調(diào)節(jié)器須具備數(shù)字化接口及IEC 61850通信能力;對于磁控式高抗,勵磁系統(tǒng)的電流給定值由上位機下發(fā),因此勵磁調(diào)節(jié)器需要具備滿足IEC 60044-8標準的雙向光纖通信能力等。多樣化的應用需求要求新一代勵磁調(diào)節(jié)器平臺具備非常靈活的硬件擴展能力、模塊化的軟件架構(gòu)以及高效的開發(fā)環(huán)境。
智能診斷功能實現(xiàn)勵磁調(diào)節(jié)器運行狀態(tài)的實時監(jiān)測,對于勵磁調(diào)節(jié)器的運行維護具有重要作用。以往勵磁調(diào)節(jié)器缺少錄波、事件記錄、時間管理等功能,狀態(tài)監(jiān)測手段欠缺,對勵磁系統(tǒng)運行狀態(tài)的診斷不夠完善。
新一代勵磁調(diào)節(jié)器平臺自下而上基于硬件平臺、軟件平臺、應用平臺三級層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建,如圖1所示。硬件平臺包括電源模塊、開入模塊、管理模塊、采樣模塊、同步脈沖模塊、開出模塊,其中管理模塊完成平臺管理功能,采樣模塊完成同步采樣、計算、控制以及分布式通信功能。軟件平臺包括模擬/數(shù)字采樣模塊、數(shù)據(jù)交互模塊、統(tǒng)一編程接口模塊、通信模塊、錄波模塊、監(jiān)控模塊、人機界面模塊、事件記錄模塊、時間管理模塊、調(diào)試接口模塊。
以硬件、軟件平臺為基礎,面向應用構(gòu)建同步采樣模塊、閉環(huán)控制模塊、冗余控制模塊、脈沖觸發(fā)模塊、智能診斷模塊等,可實現(xiàn)應用功能的靈活部署。
圖1 新一代勵磁調(diào)節(jié)器平臺技術方案Fig.1 Technology scheme of new excitation regulator platform
本方案實現(xiàn)并優(yōu)化了新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(稱為PSS4B)模型,依據(jù)幅相頻非線性擬合方程,提出了一種以相位補償兼顧增益為目標,跟蹤誤差最小化的優(yōu)化方法,計算各頻段PSS4B的參數(shù),確保在存在0.2 Hz以下振蕩模式的電網(wǎng)中,勵磁系統(tǒng)能夠提供有效的正阻尼。圖2是電網(wǎng)振蕩頻率為0.14 Hz條件下的抑制效果圖。由圖2可見,通過配置模型與參數(shù),PSS4B不但能夠在較高頻段提供比PSS2B更強的正阻尼,而且在較低頻段仍然能夠提供足夠的正阻尼,并且與無PSS相比,對0.2 Hz以下的低頻振蕩的抑制效果提高了3~5倍。
圖2 f=0.14 Hz條件下的振蕩抑制效果Fig.2 Oscillation suppression effect with f=0.14 Hz
受原動機驅(qū)動極限、發(fā)電機制造工藝及系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的制約,發(fā)電機正常運行時必須對定子電流進行限制。本設計開發(fā)了定子電流限制器,動作的時間特性符合GB/T 7064—2017《隱極同步發(fā)電機技術要求》;無功功率進入死區(qū)時,能維持勵磁調(diào)節(jié)器的控制穩(wěn)定;并且動作時不屏蔽PSS等其他輔環(huán)的作用。
本文設計采用國際電工委員會的反時限模型,實現(xiàn)了電壓/頻率(V/Hz)反時限模型、過勵限制(over excitation limiters,OEL)模型和定子電流限制(stater current limiters,SCL)反時限模型,既能滿足最新國標要求,又能實現(xiàn)與保護特性良好配合。
本文設計中欠勵限制器(under excitation limiters,UEL)實現(xiàn)了自適應變參數(shù)控制,與固定參數(shù)控制相比,無功功率恢復到限制值的調(diào)節(jié)時間由4.5 s縮短到1.5 s,電機的功角擺動幅度減小4°左右,電機的功角穩(wěn)定裕量顯著增加。
本設計實現(xiàn)了PSS與低勵限制的協(xié)調(diào)控制,當系統(tǒng)電壓突然升高時,勵磁系統(tǒng)既能快速地限制電機的進相深度,避免保護誤動跳機,又能提供正阻尼,有效地抑制有功功率的低頻振蕩。
設計采用大時間常數(shù)的比例—積分—微分(PID)控制配合主環(huán)快速PID控制,將兩種控制分別在兩個不同的頻域?qū)崿F(xiàn),避免了穩(wěn)態(tài)無功閉環(huán)控制對暫態(tài)電壓變化的影響,調(diào)相機勵磁系統(tǒng)主環(huán)控制模型如圖3所示。
圖3 調(diào)相機勵磁系統(tǒng)主環(huán)控制模型Fig.3 Chief loop control model of compensator excitation system
圖中KP,KI,KD分別為電壓主環(huán)控制PID參數(shù);KQ和TQ為穩(wěn)態(tài)無功控制環(huán)PI參數(shù);Uref為機端電壓參考值;U為機端電壓測量值;Tr為測量環(huán)節(jié)時間常數(shù);Qref為穩(wěn)態(tài)無功環(huán)無功功率參考值;Qm為無功功率測量值;Ifd為勵磁電流;KC為換相系數(shù);Efd為輸出勵磁電壓。本設計通過合理設置穩(wěn)態(tài)無功環(huán)時間常數(shù)TQ實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)控制和暫態(tài)控制之間的協(xié)調(diào)。穩(wěn)態(tài)時由無功閉環(huán)發(fā)揮主導作用;暫態(tài)時由電壓閉環(huán)實現(xiàn)快速強勵磁或強減磁。該控制策略簡單可靠。
為適應各種應用場合,本勵磁調(diào)節(jié)器平臺在硬件、軟件、應用三級架構(gòu)上均設計了相應的功能模塊與接口。針對普通應用場合,在傳統(tǒng)設計基礎上增加了支持全球定位系統(tǒng)/北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的對時模塊、錄波模塊、事件記錄模塊;針對數(shù)字化應用場合設計了適用于模擬或數(shù)字采樣的模塊、制造報文規(guī)范(MMS)通信模塊、面向通用對象變電站事件(GOOSE)通信模塊;針對調(diào)相機應用場合設計了具有無功支撐能力的閉環(huán)控制模塊;針對磁控電抗器應用場合設計了具備光纖通信接口的模塊。工程實施時只需投入相應的功能模塊即可滿足應用需求。
同步采樣模塊基本原理如圖4所示。
圖4 同步采樣模塊Fig.4 Synchronous sample module
同步采樣模塊同時支持本地集中式雙AD采樣和分布式數(shù)字化采樣兩種方式,本地AD采樣基于高速串行外設接口(SPI)實現(xiàn)[15],數(shù)字化采樣接口物理介質(zhì)采用光纖,通信協(xié)議采用IEC 60044-8或IEC 61850-9-2標準[16]。本地采樣和數(shù)字化采樣通過采樣控制信號(CNVT)進行同步,本地ADC在CNVT信號觸發(fā)下啟動,同時現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)通過光模塊向采集子單元發(fā)送采樣控制報文,采集子單元在收到采樣控制報文后完成采樣,并在固定時刻發(fā)回采樣值報文。FPGA收到所有采樣值后,通過硬中斷信號(INT)觸發(fā)數(shù)字信號處理器(DSP),DSP從FPGA讀取采樣值進行控制計算。
雙機實現(xiàn)冗余熱備用是保證勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)可靠性的關鍵功能之一,其設計原則是:以兩套勵磁調(diào)節(jié)器的狀態(tài)為依據(jù),避免不必要的切換;杜絕雙套為從,避免雙套為主。為保證切換的可靠性與快速性,采用獨立的FPGA芯片實現(xiàn)通道切換邏輯。每套勵磁調(diào)節(jié)器均輸出本套為主及本套故障兩個開出量,同時接收他套為主及他套故障兩個開入量。以當前A套為主運行,切換至B套的過程為例,如圖5所示,雙機切換流程如下。
當勵磁調(diào)節(jié)器收到手動切換命令或發(fā)生故障時,觸發(fā)雙套切換邏輯。此時,若B套正常,則將B套置主;若B套故障,則維持A套為主,不進行切換。為確保勵磁系統(tǒng)在切換過程中不失控,只有確保B套為主之后,A套才被置為從。
圖5 勵磁調(diào)節(jié)器雙機切換原理圖Fig.5 Schematic of excitation regulator for double-machine switching
為實現(xiàn)“無擾切換”,維持切換過程中勵磁電壓、勵磁電流的穩(wěn)定,兩套勵磁調(diào)節(jié)器之間還通過高速總線實時交互切換信息。
勵磁調(diào)節(jié)器閉環(huán)控制模塊原理見附錄A圖A1。當電網(wǎng)或者發(fā)電機組發(fā)生故障時,各種限制環(huán)節(jié)隨之發(fā)揮作用,勵磁系統(tǒng)的控制性能不再簡單地由主環(huán)決定,而是取決于輔環(huán)和主環(huán)的協(xié)調(diào)配合。通過提升輔環(huán)控制性能,該勵磁調(diào)節(jié)器顯著提升了勵磁系統(tǒng)在電網(wǎng)或者發(fā)電機組發(fā)生故障時的調(diào)節(jié)性能,提高了勵磁系統(tǒng)的可靠性。該勵磁調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了UEL自適應變參數(shù)控制,電機的功角穩(wěn)定裕量顯著增加,實現(xiàn)了PSS與低勵限制的協(xié)調(diào)控制。
脈沖觸發(fā)模塊由脈沖計算模塊、脈沖發(fā)生模塊、功率放大模塊、脈沖回讀模塊、脈沖比較模塊組成。脈沖計算模塊輸出脈沖產(chǎn)生時刻,脈沖發(fā)生模塊根據(jù)此時刻,在檢測同步電壓過零點的基礎上經(jīng)過精確延時后輸出脈沖,功率放大模塊將弱電脈沖信號轉(zhuǎn)換成適合驅(qū)動晶閘管的標準脈沖信號,脈沖回讀模塊將晶閘管驅(qū)動信號采集后輸出到脈沖比較模塊,用于確認觸發(fā)脈沖的正確性。
脈沖比較模塊的原理是:以同步電壓為基準,實時檢測回讀的脈沖相位及數(shù)量與原始脈沖是否一致,進而判斷脈沖是否存在錯誤。若脈沖存在異常,可精確定位至某一相,并在人機界面給出告警信號。
勵磁系統(tǒng)及設備的運行狀態(tài)監(jiān)測對提升勵磁調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性和可維護性具有重要作用,因此,本勵磁調(diào)節(jié)器充分利用自有采樣回路及傳感器對電源電壓、采樣基準、核心模塊溫度、光功率等信息進行采集,同時對CPU負荷進行了實時統(tǒng)計,并對以上狀態(tài)量進行合理性判斷,輸出報警或閉鎖信息。
同時勵磁調(diào)節(jié)器在運行中實時監(jiān)測機端電壓、同步電壓的頻率、相位、相序,若偏差超出允許范圍,可定位至某一相,并在人機界面給出告警信號。
本勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)置1 GB大容量存儲器,可脫離工控機獨立存儲100組波形,在開機、停機、故障、限制、試驗等工況下可自動錄波。基于專用波形查看工具,可以快速分析波形的階躍上升時間、振蕩次數(shù)、調(diào)節(jié)時間、阻尼比等關鍵參數(shù),為試驗與故障分析提供依據(jù)。
為防止勵磁采樣回路及數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,系統(tǒng)主要考慮采取以下設計:①雙AD相互比較,基準源監(jiān)視;②AD采樣數(shù)據(jù)傳輸增加循環(huán)冗余校驗(CRC)功能;③基于采樣控制信號對FPGA內(nèi)部SPI接口進行同步復位;④混合采樣值傳輸增加和校驗功能。
為保證觸發(fā)角度的正確性,避免處理器模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)總線異常導致的失控,勵磁調(diào)節(jié)器主DSP將觸發(fā)角度數(shù)據(jù)寫入FPGA后,必須經(jīng)過回讀校驗無誤后才確認生效。若回讀的角度與寫入值不一致,則丟棄本次角度,沿用之前的觸發(fā)角度?;刈x角度若連續(xù)多次錯誤,主設備輸出觸發(fā)角度寫入故障告警,啟動雙套切換流程,保證運行的可靠性。
可靠的同步信號是勵磁調(diào)節(jié)器準確發(fā)出觸發(fā)脈沖的基礎。勵磁調(diào)節(jié)器采用了二階主動式巴特沃斯濾波器,可以有效地濾除勵磁變副邊電壓中的高次諧波,消除換相缺口,準確捕捉同步信號過零點,確保觸發(fā)脈沖的準確性。
發(fā)電機機端電壓互感器(TV)斷線是電廠常見故障之一,同時TV斷線也是誤強勵發(fā)生的主要誘因之一。本系統(tǒng)勵磁調(diào)節(jié)器從以下三方面進行設計,保證正確應對TV斷線。
1)單套TV斷線:加快主備機切換,在1.6 ms內(nèi)完成主備平穩(wěn)切換,避免機端電壓上沖過高甚至跳機,保證切換過程中控制的可靠性。
2)增添負序電壓、電壓電流相關性等判據(jù),可以準確判斷單TV單相、多相斷線;雙TV單相、多相斷線等故障模式。
3)通過綜合定子電流條件,正確區(qū)分機端三相短路與雙TV三相斷線引起的電壓突降。
為了提高轉(zhuǎn)子電流的采樣可靠性,本勵磁調(diào)節(jié)器同時采集兩路直流轉(zhuǎn)子電流進行冗余判斷。在軟件處理方面采用以下策略。首先,判斷輸入直流電流分流計信號的有效性,如果超出合理范圍,則輸出相應的通道故障并告警;其次,勵磁調(diào)節(jié)器通過采集機端電壓、有功功率、無功功率等信息,計算得到轉(zhuǎn)子電流的理論參考值。若實際采集的通道間差別過大,則使用與理論值接近的通道值;最后,若兩路信號均與理論值差別過大,則告警,退出與轉(zhuǎn)子電流相關的限制功能,如最小勵磁電流限制、最大勵磁電流限制、過勵限制等。
當遠方離散控制系統(tǒng)(DCS)或者自動電壓控制(AVC)系統(tǒng)的增減磁繼電器發(fā)生節(jié)點粘連時,勵磁調(diào)節(jié)器不應持續(xù)增磁或減磁。在空載、負載工況下,勵磁調(diào)節(jié)器可針對電壓、電流給定值分別設置單次增減最大變化量、增減步長、增減間隔時間、給定最大值、給定最小值等參數(shù),從而兼顧空載試驗對增減磁速度的要求以及負載工況下對增減磁精度的要求;通過靈活設置不同工況下的增減磁速率,勵磁調(diào)節(jié)器與AVC增減磁脈寬實現(xiàn)了良好配合。
2017年4月21日,三峽水電站左岸8號發(fā)電機組采用NES-6100勵磁調(diào)節(jié)器完成了勵磁系統(tǒng)國產(chǎn)化改造,順利通過各項試驗,成功并網(wǎng)發(fā)電。由附錄A圖A4看出,發(fā)電機甩負荷過程中,定子電壓超調(diào)量約為5%額定值,未發(fā)生振蕩,此技術指標優(yōu)于行業(yè)標準中電壓超調(diào)量不大于15%額定值,振蕩次數(shù)不超過3次,調(diào)節(jié)時間不超過5 s的規(guī)定[17-18]。
由附錄A圖A5看出,發(fā)電機定子電壓上升時間0.23 s,調(diào)節(jié)時間0.83 s,未發(fā)生振蕩。此技術指標優(yōu)于行業(yè)標準中電壓上升時間不大于0.5 s,振蕩次數(shù)不超過3次,調(diào)節(jié)時間不超過5 s的規(guī)定[14-15]。
新一代勵磁調(diào)節(jié)器NES-6100 2013年在葛洲壩電廠成功投運。截至2017年9月,已經(jīng)在田灣核電站、三峽水電站、仙居抽水蓄能電站、鴛鴦湖火力電廠等數(shù)百臺機組投入運行。目前所有設備運行正常,應用效果良好。此外,該勵磁調(diào)節(jié)器平臺已在安哥拉磁控電抗器及扎魯特換流站調(diào)相機等項目上獲得了應用,取得了良好的效果。
針對勵磁調(diào)節(jié)器在工程應用中的新問題,本文總結(jié)了勵磁調(diào)節(jié)器在低頻振蕩抑制、主輔環(huán)協(xié)調(diào)控制等方面的需求,研制了新一代勵磁調(diào)節(jié)器平臺。該平臺能夠靈活適應調(diào)相機勵磁、抽水蓄能機組勵磁、磁控電抗器勵磁等多種應用場景,在三峽水電站、扎魯特換流站調(diào)相機等大型工程中得到了應用。平臺系統(tǒng)能夠通過改變軟、硬件配置,擴展到電力電子領域等其他應用場合。該平臺在智能診斷、圖形化編程等方面的功能仍需繼續(xù)完善。
附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。