GEEX2100 第三代全数字化励磁控制系统.pdf

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1、GE能源集团EX2100第三代全数字化励磁控制系统2前言GE能源集团的优化与控制业务部门通过提供专业和优质的产品及服务，帮助用户解决目前广受关注的工厂性能优化及控制问题：通过预测性状态监测降低资产生命周期成本 通过先进控制系统提高设备运行灵活性，可靠性及效率 先进的钻探技术用于能源开采 全面的咨询和多种形式的合约式服务提高设备可靠性及有效维护 先进的燃煤发电厂燃料成本、效率及配比智能软件，为您实现收入最大化，成本最小化通过将这些解决方案整合在一起，我们不仅能够更轻松地满足您的需求，还为您提供更好的用户互动平台。我们的使命很简单：帮助用户获得投资收益最大化。依托GE全球配置的优质服务资源，优化与

2、控制业务370名员工在中国8个城市为您提供本地化服务，其中170名工程及服务专家随时为您提供专业支持，我们充分熟悉您的行业，深入了解您的需求。真正的本地化服务结合全球技术优势，不断为您提供新一代更为先进的产品和完整的解决方案，实现客户利益最大化。GE早在上世纪60年代就已经开始研制励磁控制系统，经过40多年的实践和经验积累，GE已经为全世界70多个国家和地区提供了近6000多套晶闸管励磁系统。EX2100是GE最新技术水平的励磁控制系统，广泛应用于新建或改造项目中蒸汽轮机、燃气轮机或水轮机拖动的发电机。3概述在过去的40年期间，GE生产制造了6000多套的晶闸管静态励磁系统，遍布全世界70多个

3、国家。EX2100是GE的第三代全数字化励磁控制系统。EX2100的主要特点是：性能显著提高，动态响应更快，调节品质更好；通过三重冗余（TMR）实现了真正的无扰切换；具有3选2的I/O表决与保护停机输出；五极刀闸实现功率整流桥在线维护（仅适用于100毫米系统）；采用GE统一的控制软件平台Toolbox/ToolboxST，随机提供EX2100仿真软件；上电后全面自诊断，故障显示以及更全面的桥路监测；保护功能的完善和提高；人机界面的改善以及全厂范围内系统的可连接性；与GE燃机控制系统无缝连接；通过业界广泛认可的标准通讯协议实现与第三方DCS或PLC数据通讯；满足用户要求，方便地通过GE Fanu

4、c VersaMax PLC进行硬接线I/O的扩展EX2100产品系列可根据不同的应用配置成从全静态到仅调压器控制等不同的励磁解决方案。基于晶闸管（SCR）的整流系统规格从42毫米、53毫米、77毫米以及100毫米，覆盖了目前几乎所有的励磁应用要求，包括：自并励静止励磁，最大到8000安培；自复励静止励磁，最大到2300安培；AlterrexTM调压器(仅42毫米系统)；无刷，直流旋转以及永磁机PMG励磁机调压器(仅42毫米系统)。EX2100还可配置成仅包括控制部分的数字前端（DFE），专门应用于上一代EX2000或其他晶闸管整流励磁系统的改造。应用EX2100数字前端DFE，用户在不需要更

5、换现有晶闸管整流柜的情况下即可拥有最新型的数字励磁控制系统。4EX2100系统硬件数字控制器EX2100的控制模块组件最多可具有6块通过VME总线背板连接在一起的卡件，这些卡件安插在VME机箱内，它们包括：主处理器板（ACLE）数字信号处理器板（DSPX）励磁系统主I/O板（EMIO）励磁系统选择器板（ESEL）励磁系统I/O总线ISBus通讯板（EISB）对于热备用（WBU）和多桥系统，EX2100的控制器具有冗余励磁控制的特点，为I/O表决、保护输出以及磁场接地检测配置了三重冗余（TMR）的控制，即M1（主控1），M2（主控2）和C（控制）。M1和M2是相互独立的控制，分别具有独立的自动和

6、手动调节器功能；哪一个作为桥路的有效主控取决于运行人员的选择，或者由C来判断选择。在WBU系统中，M1控制桥路#1，M2控制桥路#2；在多桥系统中，处于主控状态的控制器ACLEM1DSPX M1ACLEM2DSPX M2DSPXCEthernet Data Highway(EGD,Modbus)Communicationwith Mark VI,HMICommunication acrossVME backplaneDPMDPMM1:Control Module Master#1M2:Future Control Module Master#2C:Future Control Module P

7、rotectionDPM:Dual-Ported MemoryEGD:Ethernet Global DataRedundant ControlISBus控制所有的整流桥路；而对于单一桥路冗余控制的EX2100励磁系统，M1和M2可同时控制桥路。M1和M2的硬件是完全相同的。C控制器负责M1/M2的切换，并为TMR I/O和保护功能提供第三个判决依据。5电源模块EX2100电源模块把来自电源分配模块的110/125 Vdc转换成EX2100控制系统板卡和框架所需要的各种电压。在冗余控制配置中，M1，M2和C都具有各自的电源模块；这些模块位于EX2100控制柜内控制框架下面的电源框架组件中。功率

8、转换模块（晶闸管SCR）EX2100静止励磁系统的标准功率转换模块是三相全波可逆变的晶闸管整流桥；它可提供正向和负向强励电压，从而达到最佳性能。负向强励为甩负荷以及灭磁提供了快速响应。每个整流桥都具有晶闸管保护回路，包括熔断器和其他滤波组件。EX2100的整流桥路根据需要可配置成多种选项：单桥（100毫米系统除外），双桥（WBU）或多桥（仅100毫米系统）。多桥系统有如下几种冗余方式：N+0，N2，3（两桥或三桥）N+1，N2，3（三桥或四桥）N+2，N1，2（三桥或四桥）根据整流可控硅元件的大小，EX2100系列的励磁电流输出能力如下：IGBT：最大35安培42毫米：35到500安培53/7

9、7毫米：500到2300安培100毫米：2300到8000安培对于EX2100 100毫米多桥系统，在每个功率整流柜上可选配一个5极分断设备（5极开关），它用来隔离桥路的交流和直流电源。配置了5极开关的功率整流柜使得电厂运行维护人员不影响机组在线运行的情况下即可对桥路的故障进行在线更换或维护。冷却风机输出能力小于110安培的晶闸管桥路通常为自然冷却；而大于110安培的桥路需要强制空气冷却。冷却风机可配置成冗余选项，便于在线维修和更换；风机电源也可具有自动切换的冗余选项。6机柜EX2100标准机柜（控制柜、直流/交流柜、整流柜、辅助柜）均为室内安装的金属机柜；设计工作环境温度0到40C（最高可满

10、足50C）。标准机柜外表面颜色为ANSI-70（浅灰）；内表面为多层镀锌板，以便提高接地性能。直流中断装置对于绝大多数应用，EX2100采用了在整流桥的直流正向输出端安装磁场直流接触器来控制励磁系统与发电机磁场的连接。直流接触器和灭磁模块一起实现内部磁场断路器功能，在发电机紧急跳闸的工况下安全消除储存在发电机磁场的能量。根据需要，EX2100还可在直流磁场的负端安装另外一个直流接触器。对于绝大多数应用，EX2100采用了在整流桥的直流正向输出端安装磁场直流接触器来控制励磁系统与发电机磁场的连接。直流接触器和灭磁模块一起实现内部磁场断路器功能，在发电机紧急跳闸的工况下安全消除储存在发电机磁场的能

11、量。根据需要，EX2100还可在直流磁场的负端安7轴电压抑制器轴电压抑制器是一个处理发电机对地磁场电压高频分量的滤波器；它把对地轴电压（由晶闸管换流而产生的）限制在小于5-7伏，零到峰值。如果对轴电压不进行有效控制，它会造成轴颈和轴承的损坏。EX2100 42毫米无刷励磁系统上不需要配置轴电压抑制器。跨接器（Crowbar）跨接器主要应用于水轮发电机组（隐极发电机）和某些蒸汽或燃气发电机组（绕线转子发电机）。当发电机发生滑极（发电机与电网失步）时，发电机定子感应出的高电压会反过来作用在发电机磁场上。如果该电压达到某个级别会对励磁系统以及/或者发电机磁场造成破坏。跨接器就是用来把这个感应电压限制

12、到不至于对励磁系统和发电机磁场造成破坏的水平之下。跨接器的硬件与灭磁模块的硬件相同，但是跨接器的放电晶闸管是反接的。跨接器的负载必须是一个电阻，该电阻可与快速灭磁电阻共享。除此之外，跨接器的功能、带吸收器的晶闸管以及导通传感器均与灭磁模块相同。当SCR的阳极到阴极电压超过某个特定值时跨接器晶闸管门极被触发；而它一旦导通，由发电机滑极感应的反向电流就具有了一个导通路径，因此发电机磁场和励磁输出的电压得以限制。跨接器和灭磁模块可合而为一，作为一个紧凑的模块提供给用户。起励模块起励模块在机组启动过程中提供大约10到15%空载磁场电流。EX2100标准的起励方式为直流起励；也可根据用户需要提供交流起励

13、。起励作用时间最长15秒；如果15秒后起励不成功，EX2100将终止启动步续，并显示“起励失败”。直流起励电源可以来自110/125 Vdc或220/250 Vdc厂用蓄电池，最大工作电流分别是375安和100安。交流起励模块接受单相交流输入，经变压器降压后约为27 Vac。额定工作电流为400安15秒。交流起励模块支持380，400，415和480 Vac交流电源输入。交流线路滤波器模块交流线路滤波器是用来抑制交流输入电源的瞬态变化噪声，从而确保EX2100对整流晶闸管的正确控制。它减轻功率转换晶闸管的应力，并且还吸收了晶闸管产生的瞬态干扰，以免对外部设备产生影响。灭磁回路灭磁回路的作用是在

14、过程中耗散掉磁场的能量。EX2100利用来自核心控制器的信号、磁场中断设备以及磁场过电压来触发一个晶闸管（相对于整流桥输出电压它是反向偏置的）；晶闸管与串联的磁场排放电阻为磁场能量的耗散提供了一个导通路径。8扩展I/O配置EX2100具有6个可编程的输入通道，以及4路通用 可编程的输出继电器。用户可利用这些I/O来控制并监视EX2100的运行。EX2100的6路输入用于启动、停止、增磁、减磁、自动、手动命令；输出则用来提供EX2100的状态指示。EX2100的额定输入为：-70Vdc(来自EX2100的湿电压）EX2100的额定输出为：-标称125Vdc(最小24Vdc)-电阻性负载-2A28

15、Vdc-电阻性负载-0.5A120Vdc如果用户需要更多的I/O，EX2100可利用GE Fanuc VersaMax PLC来扩展模拟量和开关量I/O。EX2100控制柜最多可布置7 VersaMax I/O模块。此外，EX2100还可提供可选的最多4路高速（高带宽）4-20 mA变送器输出，变送器安装在EX2100控制柜内，精度为0.5%，以2000 Hz的速率更新数据。EX2100数字信号处理器DSPX中的任何信号都可通过这些变送器输出到外部记录设备中，比如励磁电压、励磁电流、发电机无功/有功等等。每个变送器所对应的输出信号需要在订货时予以明确定义，然后在工厂加工生产EX2100时组态设

16、置。磁场接地检测发电机磁场接地检测器检测从PPT二次绕组的输入开始到整个励磁系统以及发电机磁场的整个磁场回路内任意一点的对地泄漏电阻，这是一个主动性有源检测系统，即它对地施加一个低电压，然后监测流过某个高阻抗接地电阻的电流。当存在PRV电阻时，即便EX2100并未运行（触发晶闸管），磁场接地检测器也可检测到系统任意地方发生了接地。而没有PRV电阻时，只有在EX2100工作的情况下才能检测到整流桥交流侧的接地。具有GE专利技术的磁场接地监测器具有三个主要特点：对地灵敏度恒定不变，不依赖于发电机磁场工作电压 不论发电机磁场接地点在何处，对地灵敏度恒定不变 磁场接地位置检测9EX2100人机接口就地

17、操作盘（Keypad）就地操作盘安装在EX2100控制机柜的柜门上，可通过它来完成对EX2100的所有操作。就地操作盘上有数字表来显示系统重要参数，比如发电机有功功率和无功功率、励磁电流和电压、以及调节器平衡（零点平衡）；它还显示报警历史、系统状态设置、以及应用数据等用于诊断EX2100运行情况的信息，以便为电厂服务工程师提供系统和维修信息。就地操作盘可人为地禁止使用，并通过设置密码来防止无关人员在就地进行操作。远方/就地操作员控制接口（COI）COI为EX2100提供了方便的彩色LCD触摸屏接口，人机界面友好，可通过直观个彩色图形画面对EX2100进行远方或就地操作（取决于COI的安装位置）

18、，并显示EX2100相关报警及操作信息。COI通过光纤与EX2100控制器相互通讯，同时还根据用户在订货时的选项，提供可选的扩展功能，如记录事件顺序（SOE）、运行Toolbox控制软件以及历史数据库等。HMIHMI是一台运行在Windows XP下的工程师站，它安装有GE Toolbox/ToolboxST工具软件以及GE Fanuc Cimilicity画面组态工具包，不仅可用来实现对EX2100的组态编程、报警管理、在线维护与故障分析，还可以作为与外部第三方计算机或控制系统的通讯网关，支持OPC、Modbus等开放式通讯协议。10EX2100软件EX2100软件的主要特点是：高效能 结构

19、化设计 经检验和考核的可靠算法EX2100的主要软件功能如下图所示。?11?控制功能 机端电压自动调节器AVR 励磁电压/电流调节器FVR/FCR 软件实现的自动/手动参考值调整 自动/手动给定跟踪 恒无功/恒功率因数控制 无功电流补偿RCC 发电机磁场温度计算 基于IEEE PSS2B模型的电力系统稳定器（PSS）软件实现的集成化仿真功能限制功能 V/Hz限制 发电机励磁电流带载过励限制 发电机励磁电流空载过励限制 欠励限制 手动限制功能 定子电流限制 氢压或环境温度偏置补偿12功能强大的组态、维护与诊断软件工具-GE控制系统 ToolboxEX2100的调试与维护是在统一的GE控制系统软件

20、平台Toolbox上进行的。Toolbox是一个基于环境的应用软件工具包，具有丰富的诊断、趋势、快速录波以及逻辑强制功能，它不仅用于GE的燃机控制系统（Mark VI，Mark VIe）以及燃机变频启动（LS2100），同时也用于EX2100励磁控制。借助于Toolbox软件包，用户不仅可以组态应用程序、分配I/O、整定参数，还可以自行建立数学功能块进行动态数据分析。这些动态数据分析帮助用户在Toolbox环境下即可完成对手动/自动调节器、过励、欠励等功能的实时在线频率响应分析，而无需再连接的任何外部试验设备到EX2100。在Toolbox内还集成了EX2100的在线系统仿真器，它采用IEEE

21、最新公布的数学模型来精确地模拟发电机，可配置成很近似地描述发电机的实际运行状态。EX2100的软件仿真随Toolbox提供，可用于软件和定值检查，或者对电厂运行和维护人员进行定性地测试和培训。检测功能 晶闸管桥路导通 PT故障 冷却风扇故障 整流桥超温 起励故障 保护功能 V/Hz保护（24G）发电机过电压保护（59G）失励保护（40）发电机磁场电流过励保护 整流桥瞬时过流保护 灭磁保护13Toolbox软件主要特点：系统功能块图，直观实时地显示系统数据和运行状态 内置发电机模型，可模拟进行各个状态下的励磁试验 调试工作量少，用时较短，有效节省调试消耗 可独立进行频率分析，不需要外部测试设备

22、可生成、显示波德图 强大的录波功能，可自动记录事故跳机时的数据波形 广泛的内置诊断功能 直观完善的保护功能14本地化的发电机励磁专业工程技术与现场服务 370名员工分布在中国8个城市为您提供本地化服务 170名工程及服务专家随时为您提供专业支持 专业队伍包括励磁系统工程设计、图纸以及现场电气布线设计、现场安装指导、现场调试、售后服务以及客户培训 位于美国科罗拉多州的Longmont总部、弗吉尼亚州的Salem工厂和中国上海的客户应用中心为您提供专业培训 客户应用中心为用户提供工厂运行仿真环境。您将充分熟悉所使用的技术，提高工厂运行效率及可靠性。先进技术的实践经验 用户特定的解决方案 更多的产品

23、及服务选择 全面利用GE全球最佳实践经验及资源EX2100工程服务15EX2100在中国的业绩EX2100作为GE在全球推出的最先进、最可靠的励磁控制系统，自2002年起为哈尔滨电机厂有限公司、上海汽轮发电机有限公司和东方电机股份有限公司配套提供了近100套系统。截至2008年底，GE公司已经为中国的火电、水电以及燃机电厂累计提供了160套EX2100励磁系统。下面是EX2100在国内火电和水电的业绩摘选。GE公司诚挚的欢迎各位专家领导到这些电厂参观指导。EX2100工程服务单机容量600MW600MW600MW600MW600MW600MW600MW600MW600MW600MW600MW6

24、00MW600MW600MW600MW600MW600MW600MW600MW600MW600MW600MW600MW350MW600MW600MW600MW1000MW600MW1000MW1000MW1000MW600MW数量221222422222222222221225222242222省份江苏山西广东河北福建广东内蒙湖北内蒙内蒙辽宁山西四川河南内蒙山西陕西辽宁山西河南安徽陕西广东云南宁夏山西山西广东江苏河南内蒙广东黑龙江电厂名称国电电力大同发电有限责任公司华能太仓发电有限责任公司华能汕头发电有限责任公司河北大唐王滩发电有限责任公司福建大唐国际宁德发电有限责任公司广东大唐国际潮州发电有

25、限责任公司内蒙古上都发电有限责任公司一、二期华能武汉阳逻发电有限责任公司华电包头发电有限公司内蒙古达拉特电厂四期国电电力大连庄河发电有限责任公司山西大唐阳城发电有限责任公司四川川南泸州发电有限责任公司南阳天益发电有限责任公司内蒙古京隆发电有限责任公司山西漳山发电有限责任公司陕西德源府谷发电有限责任公司一期华电辽宁铁岭发电有限责任公司同煤大唐塔山发电有限责任公司国电民权发电有限公司一期 国投安徽宣城发电有限责任公司华电陕西蒲城发电有限责任公司 广东河源发电有限责任公司云南澜沧江景洪水电站大唐国际大坝发电有限责任公司三期同华山西轩岗发电有限责任公司国电电力大同发电有限责任公司三期大唐国际潮州发电有

26、限责任公司二期江苏大唐国际吕四港发电有限责任公司中电投河南平顶山第二发电厂内蒙古克什克腾发电厂广东惠来发电有限责任公司黑龙江密山发电厂GE Energy 1800 Nelson Rd.Longmont,CO,80501-6324 USA Phone:+1-303-678-2600 Fax:+1-303-678-2601北京市朝阳区光华路1号嘉里中心18层，100020电话：(010)5822 3700传真：(010)8529 9136上海市闵行开发区文井路160号，200245 电话：(021)2403 6666传真：(021)6430 3165销售热线：+86-21-2403-6265服务热线：800-990-1099 400-818-1099服务邮箱：获取更多信息，请浏览我们的网址：www.ge-