基于LabVIEW的燃气轮机发电机组励磁控制器测试系统设计

申春艳,杨 辉,赵 勇

(中国航发燃气轮机有限公司,辽宁 沈阳 110000)

1 引 言

某型燃气轮机发电机组由于其较高的发电品质的稳定性及可靠性,被作为常备应急电源之一。工作稳定性决定了供电质量的好坏,而对发电品质稳定性影响最大的因素是其发电励磁结构。为了及时掌握燃气涡轮发电机组各部分的工作状态,需及时准确检测各项参数,这是识别系统工作状态及提前预警的前提。励磁控制器是发电机不可或缺的部分,机组输出电能参数(电压、频率、绝缘电阻等)质量的好坏与该系统工作状态息息相关。励磁控制器离线自检和检测输入的电参数品质的能力高低决定了该系统整机调试的效率和正确性,进而实现各种运行方式所需的调节、限制保护和检测判断故障功能,从而保证供电系统的稳定性[1]。

随着机组运行时间的不断增加,器件老化率逐渐提高,励磁控制系统的故障率也越来越高。本文将传统的人工测试转化为数字化检测,完成了燃气轮机发电机组的励磁控制系统维修保障在线测试技术研究,实现了装备现场维护时对部件级故障的在线快速定位,提升了装备保障技术现场维修的技术能力[2]。

2 工作原理

励磁控制系统是燃气轮机发电机组的重要组成部分,由励磁系统和励磁控制器组成。燃气轮机发电机根据客户所需电力品质,规定励磁系统的工作原则。发电机依靠燃气轮机输出动力,切割磁感应线产生符合要求的电力,发电机的磁场绕组需要直流电流才能建立磁感应场。励磁控制器用于正常运行或事故时调节励磁电流以满足运行的需要,包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等。

燃气轮机发电机组发电品质为中频电力,所以采用无刷中频同步发电机。三级式无刷同步启动发电机具有稳定、高效的优点,所以励磁控制系统采用三级式无刷励磁方式,如图1所示。本方案的励磁系统采用旋转磁极式同步发电机,旋转电枢式同步发电机作为主励磁机,旋转磁极式永磁同步发电机作为副励磁机。方案中3个发电机同轴运行,是无刷励磁方式中最重要的一种。

图1 燃气轮机发电机组励磁系统框图

该燃气轮机发电机组励磁发电保护系统通过主励磁机转子上装有的旋转整流器把三者集成在一起:通过旋转整流器,主励磁机电枢产生的交流电直接整流后给发电机励磁绕组供电,励磁控制器和控制保护电路的供电系统为副励磁机,励磁控制器通过控制副励磁机的励磁电流间接地调节主发电机的励磁电流,达到调节输出电压的目的[3]。

励磁控制系统的主要作用是维持发电机机端电压,在并列运行的发电机间合理分配无功功率,提高电力系统的稳定性。励磁控制器测试系统将现场输入的操作和状态信号通过物理及通信传输给励磁控制器,励磁控制器综合各信号状态进行逻辑判断,进而实现各种运行方式所需的调节、限制保护和检测判断故障功能。

3 建立测试系统的意义

随着燃气轮机发电机组服役期的增加,其故障率明显增加。同时,由于备件的引进渠道不畅使得价格昂贵,且不能保证供应,严重影响需求。励磁控制系统作为发电机组电气控制系统的重要组成单元之一,用于调整发电机励磁,并检测发电机输出电能质量,自检和检测输入的电参数(电压、频率、绝缘电阻等)时输出相应的指令信号,保证发电机安全运行。励磁控制系统发生故障将直接影响电力系统的稳定性,控制系统应能快速定位故障点,通过逻辑判断能尽快采取相应措施进行保护,否则将出现供电异常,参数变化较大时甚至引起跳机故障。燃气轮机发电机组中的故障保护项目主要包括:

(1)发电机故障。检测到发电机组过流、输出缺相或相序错误时,由指定测试口发出此故障信号,故障信号包括缺相、错相、短路、绝缘电阻低。

(2)频率低于标准值。交流频率低于设定标准值时,由测试端口指定芯点发出此故障信号,保护不可逆。

(3)频率高于标准值。交流频率高于设定标准值时,由测试端口指定芯点发出此故障信号。

(4)频率过高。交流频率高于报警值时,由测试端口指定芯点发出此信号进行报警指示。

(5)绝缘电阻小。中频发电机馈线对地绝缘电阻下降到设定保护值时产生报警信号。

(6)励磁控制系统故障。励磁控制系统检测到自身故障时报警,由测试端口指定芯点输出故障信号,包括线电压升高、线电压降低、电流过载等。另外,励磁控制器通电自检,检测出故障时输出报警信号。

控制系统将信号分为易失性故障信号和非易失性故障信号。励磁控制器内部设置存贮功能,时刻存储非易失性故障信号,并能够在系统掉电时保持信号依然存在。在系统重新上电时,只有接收清除故障指令时,各故障信号复位,存贮器清零。

励磁控制系统报警信号及故障信号较多,在进行维修时,不能高效定位故障点,大大增加了维修的难度和复杂度,所以急需研发一套自动测试设备。

4 测试系统的设计

根据系统特性,励磁控制器测试系统采用模拟励磁系统的3个信号模块,分别是交流27V/800Hz电源、交流127V/400Hz电源、交流9.5V/400Hz电源。测试过程中将励磁控制系统与发电机脱开,进行离线调试。采用测试台的电源模拟发电机输出和发电机励磁电压输出,输入设置的各种模拟故障信号,分别模拟过压、过流、欠频故障信息,检查系统的保护功能,以验证励磁控制系统的各种保护功能是否符合系统要求,同时验证机组在各种工作模式下励磁系统所报故障信号,以便于维修保护。测试原理如图2所示。

图2 测试原理图

励磁控制器测试系统具有模块的结构,分为硬件和软件两大部分。将各种故障信息、报警信息集成,系统的可扩展性好,方便后续的迭代升级。各模块分别独立设计,各模块间互不影响,进一步保证了系统安全、可靠、稳定运行,且更便于后续维护。为了满足测试需要,制定人性化的软件人机交互界面,且界面简洁,操作简单,数据可高速传输,支持在线分析处理。

4.1 硬件设计

采用稳压直流电源(24V直流电)代替燃气轮机发电机组的控制系统提供给励磁控制系统的电源和指令控制电源。静止变频电源1提供27V、800Hz电源,作为励磁电源,模拟副励磁机为励磁系统提供的电源信号;静止变频电源2提供127V、400Hz电源,模拟同步发电机输出的三相交流电;静止变频电源3提供9.5V、400Hz电源,模拟主励磁机为同步发电机提供电流反馈,实现控制发电机励磁电流大小,从而控制发电机的输出电压。

进行维修时,按要求设定程控电源输出,为励磁控制系统提供输入,通过测试软件测试励磁系统输出信号,给与不同的控制信号,采集励磁控制系统输出信息,判断故障信息,定位故障点。进行测试时,通过测试软件控制程控电源输出信号,模拟机组不同运行状态,监测励磁系统的输出状态,以判断励磁控制系统的性能情况。

4.2 软件设计

LabVIEW是通用化图形界面开发软件,具有开发周期短、设计简便等特点。该测试系统采用LabVIEW的编程语言作为测控系统的开发环境,设计简洁,人机交互界面友好,功能强大,程序框图如图3所示,界面如图4所示,主要功能包括数据采集、实时显示、自动存储、回放、分析和自动判断、电源电压及频率控制、报警及错误显示,对测试过程和步骤进行自动化控制。

图3 结构框架

图4 监控界面

燃气轮机发电机组的励磁控制系统监控上位机根据测控需求,需同步执行多项任务,如直流电源控制程序、400Hz变频电源控制程序、800Hz变频电源控制程序、数据采集模块程序、继电器控制模块程序等,且各任务间互不干扰。程序应用多线程技术,使得多个独立的任务并发执行,从而极大地提高了程序的效率。同时,采用基于事件的状态机设计模式,利用LabVIEW的事件结构+状态机为框架实现用户要求的功能。

5 结束语

基于LabVIEW的燃气轮机发电机组励磁控制系统测试台现已成功应用于工厂测试中。该系统人机接口友好,运行稳定可靠,其使用大大缩短了测试时间,提高了部件维修效率,可以满足现代化生产对测试的要求。结合中频程控电源控制,可测试机组在不同工作状况下励磁控制系统的性能。整个系统包含了数据采集、信号处理以及用户界面显示和数据存储等功能,该系统经过实际验证,其运行稳定,可靠性高,效果良好,易于操纵和显示,满足用户需求。本文提出的燃气轮机发电机组励磁控制系统测试设计方法和路径可行,对类似工程应用具有一定的参考价值。