小水电站并网控制.docx
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小水电站并网控制
电力系统及其自动化
小水电厂准同期并网设计报告
利用单片机将一个小水电站的准同期并网机组启停、励磁控制、转速控制四个功能集于一体的自动化装置设计。
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目录
一系统概要1
1.1系统简介1
1.2系统总结构图1
二原动机的调速控制2
2.1原动机调速的原理及目的2
2.2调速器的主要环节2
2.2.1测频电路2
2.2.2频率比较环节2
2.2.3控制器2
2.2.4执行机构3
2.3调速系统方框图3
2.4控制器程序结构框图4
三发电机的励磁控制4
3.1励磁系统与励磁调节原理4
3.2励磁调节器的原理框图5
3.3励磁调节器的设计6
3.4励磁控制器的程序流程图7
四发电机组启停控制8
4.1开机过程8
4.2正常停机控制8
4.3紧急停机过程8
4.4开停机控制器的设计8
五准同期并网控制10
5.1准同期并网的原理10
5.2准同期控制器的设计10
六参考文献10
一系统概要
1.1系统简介
该系统主要利用单片机实现对发电机组的的启停、励磁控制、转速控制、准同期并网的控制。
发电机并网主要有准同期并网与自同步并网两种。
根据国家规定,成长运行的情况下,采用准同期并网的方式,在故障情况下,可以采用自同步并网的方式。
该系统采用准同步并网,准同步并网的在操作时冲击电流可以很小,对电网不会产生太大的扰动,不会损伤发电机组。
该系统分为两个部分,包括发电机组的启停、励磁控制、转速控制和准同期并网控制。
控制方式总体上采用分布式控制方式,即每个模块都有自己独立的控制器,才通过一个主控制器进行协调控制和人机的交互。
1.2系统总结构图
图1-1系统总体结构框图
二原动机的调速控制
2.1原动机调速的原理及目的
原动机调速主要是调节发电机发出电的频率。
应为该系统输出的主要是发电机发出的电的频率,所以,以发电机发出电的频率作为反馈信号与电网的频率进行比较,把比较结果的频差信号的正、负用于控制电动机的转向和频差信号的大小用来控制电动机,调节导水机构的速度,进而达到控节水轮发电机转速的目的,使发电机频率在允许误差以内的水平上稳定运行。
由于是小水电厂,调速系统调节的是水轮机的转速。
水轮机调速器主要是通过控制导水叶接力器(桨叶接力器)接力器的操作油量来控制导水叶(桨叶)的开度大小进而控制水轮机过水流量的大小来调整水轮机的转速。
由于涉及到水轮机等机械部分,对水轮机调速的具体实现不做讨论。
2.2调速器的主要环节
2.2.1测频电路
测频电路可以通过隔离变压器直接从电网获得频率信号来实现,这在小容量的水电厂应用比较广泛。
从隔离变压器获得的信号,经过一对二极管后,变成了方波信号,然后再对方波信号进行再加工利用。
最终将频率信号变为可疑直接利用的电压信号。
2.2.2频率比较环节
即将发电机发出的电的频率与电网频率进行比较,然后根据所得的结果对原动机进行控制。
2.2.3控制器
根据比较的结果发出控制信号,并与主控制器进行通信。
2.2.4执行机构
控制器发出的控制信号通过借口电路放大后驱动执行机构,在通过执行机构对水轮机进行控制。
2.3调速系统方框图
图2-1调速系统方框图
2.4控制器程序结构框图
图2-2
三发电机的励磁控制
3.1励磁系统与励磁调节原理
微机励磁调节器与传统的模拟式励磁调节器一样,也要实现同步发电机的外特性。
励磁控制系统的三大基本任务是:
稳定电压,合理分配无功功率和提高电力系统稳定性。
如图4-1所示,外特性曲线是具有一定斜率δ(调差系数)和一定给定电压Ug(等于空载机端电压)的一条直线。
Uf代表发电机机端电压,Iw代表发电机输出无功电流。
Uf与Iw的交点必须落在外特性曲线上。
在一定Uf下,增大或减小Ug可使曲线平行上移或下移,从而增大或减小无功电流。
Ug
图3-1
不变时,机端电压波动,要引起无功电流的波动,Uf升高Iw要减小,Uf降低Iw要增大。
发电机无功电流的改变是通过调节发电机转子的励磁电流来实现的。
3.2励磁调节器的原理框图
图3-2励磁调节器的原理框图
3.3励磁调节器的设计
图中示出了按给定发电机外特性进行调节的闭环系统。
由发电机机端电压互感器P.T和定子电流互感器C.T来的信号,经无功电流测量单元变换和无功电流计算单元计算,得到发电机机端电压和无功电流的对应值Uf和Iw。
调差计算是使系统静态特性具有一定的调差率,即满足图1的曲线。
调差计算输出与Uf及给定电压Ug比较,得到偏差值e=Ug-Uf-δIw(式中δ为调差系数),PID调节的目的是e趋于0。
根据PID计算输出值的大小来改变可控硅的控制角。
当触发脉冲的控制角减小时,输出到发电机励磁线圈的电流就增大,反之则减小。
为了解决响应的快速性与调节的稳定性之间的矛盾,本调节器采用了变增益的PID调节规律。
实践证明,效果良好。
PID计算算式为:
△Yk=Kb〔KP(ek-ek-1)+Kiek+Kd(ek-2ek-1+ek-2)〕,式中△Yk为输出增量,KP、Ki、Kd分别为比例、积分和微分系数,Kb为变增益因子(为ek的函数),ek、ek-1、ek-2分别为本次、上一次和上二次的偏差值。
输出算式为:
Yk=Yk-1+△Yk,式中Yk,Yk-1分别为本次和上一次的输出。
微机励磁调节器的调节算法相当于模拟型励磁调节器的综合放大单元,但性能大大优于后者。
它决定了励磁调节器的性能指标。
由于采用上述的变增益算法,调节器的调节特性对于对象参数的变化不敏感,现场调试时,易获得较好的动态特性。
为了便于现场修改PID参数,设置了一只8位地址开关,用于选择预先存储在程序存储器中的PID参数。
PID参数共有256种组合,可任意组合。
微机励磁调节器是一种全数字式的调节器。
由于机端电压、无功电流、励磁电流等通过A/D转换器转换成数字量,电压给定值Ug、励磁电流给定值Ilg等采用数字式方式给定。
因此,给定值增减准确,且可方便地实现恒电压、恒励磁电流两种运行方式之间互相跟踪,做到运行中无波动切换运行方式。
相比之下,模拟式励磁调节器用电位器设定给定值,由于存在磨损,会造成给定值增减不平滑,甚至出现跳跃。
图3-3数字PID控制示意图
对于励磁电路,采用他励点电路。
图3-4有副励磁机的他励可控硅励磁
3.4励磁控制器的程序流程图
图3-5增量式PID控制程序计算框图
四发电机组启停控制
4.1开机过程
当开机条件具备时(断路器跳位,无电气故障等),若按下开机指令,启动调速器(如果调速器启动失败,则跳出开机过程)。
当调速器升速至95%额定转速,若灭磁开关合闸,励磁装置合起励开关(起励过程一般小于5s,若大于20s,则起励失败,由励磁装置跳起励开关)。
当机端电压大于40%额定电压时,跳起励开关。
当机端电压为95%额定电压时,进行并网调节,直到并网条件满足,合并网断路器。
并网后,调速器和励磁器进入负载运行状态。
至此,开机过程结束。
4.2正常停机控制
正常停机包括发电机卸掉负载后的停机和故障情况下的停机。
发停机指令给调速器,调速器自动卸掉负载进入空载状态,之后断路器跳闸,机组解列。
当转速降至80%额定值时,励磁逆变灭磁(若小于3%转速则灭磁结束,否则自动跳灭磁开关,设故障标志以阻止下次开机)。
当转速降至35%额定值时,机组制动装置启动制动,直至转速降为5%额定值,解除制动。
到机组完全停机后,复归制动回路。
至此,正常停机过程结束。
当机组转速大于115%额定值,调速器启动失败,励磁器故障以及电气事故时,启动事故停机。
此时,断路器跳闸,跳灭磁开关。
之后,发出事故停机信号(信号保持,应手动解除),进入停机过程。
4.3紧急停机过程
当机组转速达到140%额定值或紧急停机按钮按下时,启动紧急停机过程。
此时,断路器跳闸,跳灭磁开关。
之后,发出紧急停机信号(信号保持,应手动解除),进入停机过程。
4.4开停机控制器的设计
根据整个系统的结构,考虑到开停机的控制主要是一些逻辑控制,所以开停机的过程主要由主控制器来实现。
开停机的程序流程图如下:
图4-1开机过程流程图
五准同期并网控制
5.1准同期并网的原理
将同步发电机并入电力系统的合闸操作通常采用准同期并列方式。
准同期并列要求在合闸前通过调整待并机组的电压和转速,当满足电压幅值和频率条件后,根据“恒定越前时间原理”,由运行操作人员手动或由准同期控制器自动选择合适时机发出合闸命令,这种并列操作的合闸冲击电流一般很小,并且机组投入电力系统后能被迅速拉入同步。
根据并列操作的自动化程度不同,又分为手动准同期、半自动准同期和全自动准同期三种方式。
正弦整步电压是不同频率的两正弦电压之差,其幅值作周期性的正弦规律变化。
它能反映两个待并系统间的同步情况,如频率差、相角差以及电压幅值差。
线性整步电压反映的是不同频率的两方波电压间相角差的变化规律,其波形为三角波。
它能反映两个待并系统间的频率差和相角差,并且不受电压幅值差的影响,因此得到广泛应用。
手动准同期并列,应在正弦整步电压的最低点(同相点)时合闸,考虑到断路器的固有合闸时间,实际发出合闸命令的时刻应提前一个相应的时间或角度。
自动准同期并列,通常采用恒定越前时间原理工作,这个越前时间可按断路器的合闸时间整定。
准同期控制器根据给定的允许压差和允许频差,不断地检查准同期条件是否满足,在不满足要求时闭锁合闸并且发出均压均频控制脉冲。
当所有条件均满足时,在整定的越前时刻送出合闸脉冲。
断路器合闸的理想条件为:
(1)两电压幅值相等;
(2)两电压角频率相等;(3)合闸瞬间的相位角为零。
5.2准同期控制器的设计
准同期并网的控制和发电机启停控制一样,主要是一些逻辑控制,特别适合单片机来实现,所以与其一起整合在主控制器上,结合励磁控制和转速控制,一起来协调真个系统的运行。
当主控制器半段当前系统运行状态符合系统并网的条件时,主控制器在适当地时刻发出一个并网信号,从而实现整个系统的并网发电过程。
六参考文献
[1]于海生计算机控制技术北京清华大学出版社
[2]电力系统动模实验指导书长沙中南大学信息科学与工程学院
[3]张淑惠小型水电站自动调速装置河北河北工程技术高等专科学校
[4]尚磊数字式自准同期并网装置的研制广西大学
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- 水电站 并网 控制
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