基于LabVIEW的燃氣輪機發電機組勵磁控制器測試系統設計

申春艷,楊 輝,趙 勇

(中國航發燃氣輪機有限公司,遼寧 沈陽 110000)

1 引 言

某型燃氣輪機發電機組由于其較高的發電品質的穩定性及可靠性,被作為常備應急電源之一。工作穩定性決定了供電質量的好壞,而對發電品質穩定性影響最大的因素是其發電勵磁結構。為了及時掌握燃氣渦輪發電機組各部分的工作狀態,需及時準確檢測各項參數,這是識別系統工作狀態及提前預警的前提。勵磁控制器是發電機不可或缺的部分,機組輸出電能參數(電壓、頻率、絕緣電阻等)質量的好壞與該系統工作狀態息息相關。勵磁控制器離線自檢和檢測輸入的電參數品質的能力高低決定了該系統整機調試的效率和正確性,進而實現各種運行方式所需的調節、限制保護和檢測判斷故障功能,從而保證供電系統的穩定性[1]。

隨著機組運行時間的不斷增加,器件老化率逐漸提高,勵磁控制系統的故障率也越來越高。本文將傳統的人工測試轉化為數字化檢測,完成了燃氣輪機發電機組的勵磁控制系統維修保障在線測試技術研究,實現了裝備現場維護時對部件級故障的在線快速定位,提升了裝備保障技術現場維修的技術能力[2]。

2 工作原理

勵磁控制系統是燃氣輪機發電機組的重要組成部分,由勵磁系統和勵磁控制器組成。燃氣輪機發電機根據客戶所需電力品質,規定勵磁系統的工作原則。發電機依靠燃氣輪機輸出動力,切割磁感應線產生符合要求的電力,發電機的磁場繞組需要直流電流才能建立磁感應場。勵磁控制器用于正常運行或事故時調節勵磁電流以滿足運行的需要,包括勵磁調節器、強行勵磁、強行減磁和自動滅磁等。

燃氣輪機發電機組發電品質為中頻電力,所以采用無刷中頻同步發電機。三級式無刷同步啟動發電機具有穩定、高效的優點,所以勵磁控制系統采用三級式無刷勵磁方式,如圖1所示。本方案的勵磁系統采用旋轉磁極式同步發電機,旋轉電樞式同步發電機作為主勵磁機,旋轉磁極式永磁同步發電機作為副勵磁機。方案中3個發電機同軸運行,是無刷勵磁方式中最重要的一種。

圖1 燃氣輪機發電機組勵磁系統框圖

該燃氣輪機發電機組勵磁發電保護系統通過主勵磁機轉子上裝有的旋轉整流器把三者集成在一起:通過旋轉整流器,主勵磁機電樞產生的交流電直接整流后給發電機勵磁繞組供電,勵磁控制器和控制保護電路的供電系統為副勵磁機,勵磁控制器通過控制副勵磁機的勵磁電流間接地調節主發電機的勵磁電流,達到調節輸出電壓的目的[3]。

勵磁控制系統的主要作用是維持發電機機端電壓,在并列運行的發電機間合理分配無功功率,提高電力系統的穩定性。勵磁控制器測試系統將現場輸入的操作和狀態信號通過物理及通信傳輸給勵磁控制器,勵磁控制器綜合各信號狀態進行邏輯判斷,進而實現各種運行方式所需的調節、限制保護和檢測判斷故障功能。

3 建立測試系統的意義

隨著燃氣輪機發電機組服役期的增加,其故障率明顯增加。同時,由于備件的引進渠道不暢使得價格昂貴,且不能保證供應,嚴重影響需求。勵磁控制系統作為發電機組電氣控制系統的重要組成單元之一,用于調整發電機勵磁,并檢測發電機輸出電能質量,自檢和檢測輸入的電參數(電壓、頻率、絕緣電阻等)時輸出相應的指令信號,保證發電機安全運行。勵磁控制系統發生故障將直接影響電力系統的穩定性,控制系統應能快速定位故障點,通過邏輯判斷能盡快采取相應措施進行保護,否則將出現供電異常,參數變化較大時甚至引起跳機故障。燃氣輪機發電機組中的故障保護項目主要包括:

(1)發電機故障。檢測到發電機組過流、輸出缺相或相序錯誤時,由指定測試口發出此故障信號,故障信號包括缺相、錯相、短路、絕緣電阻低。

(2)頻率低于標準值。交流頻率低于設定標準值時,由測試端口指定芯點發出此故障信號,保護不可逆。

(3)頻率高于標準值。交流頻率高于設定標準值時,由測試端口指定芯點發出此故障信號。

(4)頻率過高。交流頻率高于報警值時,由測試端口指定芯點發出此信號進行報警指示。

(5)絕緣電阻小。中頻發電機饋線對地絕緣電阻下降到設定保護值時產生報警信號。

(6)勵磁控制系統故障。勵磁控制系統檢測到自身故障時報警,由測試端口指定芯點輸出故障信號,包括線電壓升高、線電壓降低、電流過載等。另外,勵磁控制器通電自檢,檢測出故障時輸出報警信號。

控制系統將信號分為易失性故障信號和非易失性故障信號。勵磁控制器內部設置存貯功能,時刻存儲非易失性故障信號,并能夠在系統掉電時保持信號依然存在。在系統重新上電時,只有接收清除故障指令時,各故障信號復位,存貯器清零。

勵磁控制系統報警信號及故障信號較多,在進行維修時,不能高效定位故障點,大大增加了維修的難度和復雜度,所以急需研發一套自動測試設備。

4 測試系統的設計

根據系統特性,勵磁控制器測試系統采用模擬勵磁系統的3個信號模塊,分別是交流27V/800Hz電源、交流127V/400Hz電源、交流9.5V/400Hz電源。測試過程中將勵磁控制系統與發電機脫開,進行離線調試。采用測試臺的電源模擬發電機輸出和發電機勵磁電壓輸出,輸入設置的各種模擬故障信號,分別模擬過壓、過流、欠頻故障信息,檢查系統的保護功能,以驗證勵磁控制系統的各種保護功能是否符合系統要求,同時驗證機組在各種工作模式下勵磁系統所報故障信號,以便于維修保護。測試原理如圖2所示。

圖2 測試原理圖

勵磁控制器測試系統具有模塊的結構,分為硬件和軟件兩大部分。將各種故障信息、報警信息集成,系統的可擴展性好,方便后續的迭代升級。各模塊分別獨立設計,各模塊間互不影響,進一步保證了系統安全、可靠、穩定運行,且更便于后續維護。為了滿足測試需要,制定人性化的軟件人機交互界面,且界面簡潔,操作簡單,數據可高速傳輸,支持在線分析處理。

4.1 硬件設計

采用穩壓直流電源(24V直流電)代替燃氣輪機發電機組的控制系統提供給勵磁控制系統的電源和指令控制電源。靜止變頻電源1提供27V、800Hz電源,作為勵磁電源,模擬副勵磁機為勵磁系統提供的電源信號;靜止變頻電源2提供127V、400Hz電源,模擬同步發電機輸出的三相交流電;靜止變頻電源3提供9.5V、400Hz電源,模擬主勵磁機為同步發電機提供電流反饋,實現控制發電機勵磁電流大小,從而控制發電機的輸出電壓。

進行維修時,按要求設定程控電源輸出,為勵磁控制系統提供輸入,通過測試軟件測試勵磁系統輸出信號,給與不同的控制信號,采集勵磁控制系統輸出信息,判斷故障信息,定位故障點。進行測試時,通過測試軟件控制程控電源輸出信號,模擬機組不同運行狀態,監測勵磁系統的輸出狀態,以判斷勵磁控制系統的性能情況。

4.2 軟件設計

LabVIEW是通用化圖形界面開發軟件,具有開發周期短、設計簡便等特點。該測試系統采用LabVIEW的編程語言作為測控系統的開發環境,設計簡潔,人機交互界面友好,功能強大,程序框圖如圖3所示,界面如圖4所示,主要功能包括數據采集、實時顯示、自動存儲、回放、分析和自動判斷、電源電壓及頻率控制、報警及錯誤顯示,對測試過程和步驟進行自動化控制。

圖3 結構框架

圖4 監控界面

燃氣輪機發電機組的勵磁控制系統監控上位機根據測控需求,需同步執行多項任務,如直流電源控制程序、400Hz變頻電源控制程序、800Hz變頻電源控制程序、數據采集模塊程序、繼電器控制模塊程序等,且各任務間互不干擾。程序應用多線程技術,使得多個獨立的任務并發執行,從而極大地提高了程序的效率。同時,采用基于事件的狀態機設計模式,利用LabVIEW的事件結構+狀態機為框架實現用戶要求的功能。

5 結束語

基于LabVIEW的燃氣輪機發電機組勵磁控制系統測試臺現已成功應用于工廠測試中。該系統人機接口友好,運行穩定可靠,其使用大大縮短了測試時間,提高了部件維修效率,可以滿足現代化生產對測試的要求。結合中頻程控電源控制,可測試機組在不同工作狀況下勵磁控制系統的性能。整個系統包含了數據采集、信號處理以及用戶界面顯示和數據存儲等功能,該系統經過實際驗證,其運行穩定,可靠性高,效果良好,易于操縱和顯示,滿足用戶需求。本文提出的燃氣輪機發電機組勵磁控制系統測試設計方法和路徑可行,對類似工程應用具有一定的參考價值。