电气工程及其自动化专业毕业论文

- I -可控励磁发电系统综合性实验的设计摘要现代电力系统的发展，对同步发电机励磁控制提出了更高要求。发电机在正常工作情况下，负载总在不断地变化着。而不同容量的负载，以及负载的不同功率因数，对同步发电机励磁磁场的反映作用是不同的，要维持同步发电机端电压为一定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随时调节同步发电机的励磁。在各类电站中，励磁系统是保证同步发电机正常工作，提高电网稳定水平的关键设备。同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面都起着十分重要的意义。本文主要对可控励磁发电系统进行了实验设计，首先对可控励磁发电系统做了相关简介并探讨了可控励磁发电系统的国内外未来发展形势。本文着重在可控励磁系统中的过励限制方面作了重点分析，并设计了相关的一个过励限制特性试验，对过励限制系统加深了了解。关键词 电力系统；励磁控制系统；过励限制- II -目录摘要 .IAbstract .第 1 章 绪论 .11.1 发电机励磁控制系统简介 .11.2 励磁控制系统的作用 .21.2.1 维持发电机端电压在给定水平 .21.2.2 提高电力系统的静态稳定性 .21.2.3 改善电力系统的暂态稳定性 .31.2.4 改善电力系统的动态稳定性 .41.2.5 在并列运行的发电机间合理分配无功功率 .51.3 自动励磁调节器的组成及功能 .51.3.1 基本工作电路 .51.3.2 辅助工作电路 .51.4 同步发电机励磁控制方式研究现状 .61.4.1 基于单变量控制方式 .61.4.2 基于现代控制理论的多变量控制方式 .61.4.3 非线性多变量励磁控制方式 .81.4.4 智能控制方法 .91.5 国外研究及发展状况 .10第 2 章 励磁系统的过励限制 .132.1 过励限制的主要特性 .132.2 限制过程 .132.3 级差 .142.4 以励磁机磁场电流作为过励限制控制量的过励限制整定 .152.5 无发电机转子过负荷保护的处理 .152.6 过热量的释放和再次过励的条件 .152.7 过励保护 .162.7.1 顶值电流保护 .162.7.2 过励反时限保护 .162.7.3 过励报警信号 .16第 3 章 可控励磁发电系统实验装置操作及维护 .173.1 实验装置操作说明 .173.2 实验的基本要求 .18- III -3.3 可控励磁发电系统操作运行及检测维护 .193.3.1 可控励磁自动调节系统的投入运行的操作步骤 .193.3.2 自动 手动控制切换操作要点 .203.3.3 可控励磁自动调节系统的正常运行要点 .203.3.4 励磁调节装置的退出及停机操作要点 .213.3.5 可控励磁自动调节装置的检查与维护 .223.4 控励磁发电系统常见故障及处理方法 .233.4.1 灭磁开关 QFG 的常见故障及处理方法 .233.4.2 调试中常见故障及处理方法 .233.4.3 起励中常见故障及处理 .243.4.4 空载运行中的常见故障及处理方法 .263.4.5 负载运行中的常见故障及处理方法 .26第 4 章 过励限制特性实验 .304.1 可控励磁发电系统过励限制电路原理及其工作特性 .304.2 实验设备 .314.3 实验内容与步骤 .32结论 .35致谢 .36参考文献 .37附 录 A .38附 录 B .47- 1 -第 1 章 绪论1.1 发电机励磁控制系统简介同步发电机的励磁装置是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机的励磁电源的一套系统。励磁装置一般由两部分组成，一部分用于向发电机提供直流电流以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分;另一部分用于在正常运行或发电机发生故障时调节励磁电流以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分(或称控制单元，亦称励磁调节器)。 同步发电机的运行特性与它的气隙电势 Eq 值的大小有关，而 Eq 的值是发电机励磁电流 IL 的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性。因此对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实施控制的重要内容之一。电力系统正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的稳定性及可靠性的方面都起着重要的作用。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成。如图 1-1 所示。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流;励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。励磁功率单元自 动励磁调 节器I gIU励磁系统U gY HL H图 1-1 同步发电机励磁控制系统构成示意图在电力系统发展初期，同步发电机容量较小，励磁电流通常由与发电- 2 -机组同轴的直流发电机供给，即直流励磁机方式。随着发电机容量的提高，所需励磁电流也随之增大，而直流励磁机由于存在机械整流环，功率过大时制造存在困难，因此在大容量的发电机组上很少采用。同步发电机半导体励磁系统中的直流励磁电流是通过把交流励磁电源经半导体整流后得到的。根据交流励磁电源的不同种类，同步发电机半导体励磁系统又可分为两大类：1.他励半导体励磁系统这类励磁系统采用与主发电机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，经二极管、晶闸管或全控功率器件进行整流后，供给发电机励磁；这类励磁系统由于交流励磁电源取自轴功率，即主发电机之外的独立电源，故称为他励半导体励磁系统，简称他励系统。用作励磁电源的同轴交流发电机称为交流励磁机。2.自励半导体励磁系统这类励磁系统通常采用变压器提供交流励磁电源，励磁变压器接在发电机机端或厂用电母线上。因励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电力系统，故这种励磁方式称为自励励磁系统，简称自励系统。1.2 励磁控制系统的作用1.2.1维持发电机端电压在给定水平在发电机正常运行条件下，励磁系统应维持发电机机端（或指定控制点）电压在给定水平。通常当发电机负荷变化时，发电机机端电压将随之变化，这时，励磁系统将自动的增加或减少发电机的励磁电流，使机端电压维持在一定的水平上，保证有一定的调压精度。当机组甩负荷时，通过励磁系统的快速调节作用，应限制机端电压不致过分升高。维持发电机机端（或制定控制点）电压在给定水平上是励磁控制系统最基本和最重要的作用。1.2.2提高电力系统的静态稳定性当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行特性称为电力系统的静态稳定性。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率。这需要解决许多技术问题。而其中最重的和最基本的困难之一是同步发电机只具有较小的静态稳定性。但由于自动励磁的调节装置的出现，使这一问题得到了圆满的解决。我们知道，对于一条交流输电线路，在不计电阻损耗的前提下，其上流动的有功功率 P 与线路两端电压 、 ，线路电抗 X 间的关系为：1U- 3 -（1-1 ）12sinUPX其中， 为两端电压之间的电角度差。在 = 时线路达到所能输送的极 90o限功率，即 12m对于单机无穷大母线系统，不考虑凸极效应和定子电阻。发电机送出的有功功率 P 可用以下两式表示（1-2）sinqseq EqdTLEUX（1-3）itsUt UtTL式中： 为 Eq 与 Us 间的电角度差； 为 Ut 与 Us 间的电角度差；X d 为t发电机同步电抗；X t 为变压器电抗；X L 为线路电抗； Eq 为发电机空载电动势（励磁电动势） ；U t 为发电机机端电压；Us 为无穷大母线电压。在发电机不进行励磁调节，即 Eq=Eq0 不变的条件下，极限功率角为= ，线路所能传送的静稳极限功率为：Eq90o（1-4）mEqqsdTLUPX当有励磁调节器，并且具有足够能力维持发电机端电压为恒定不变时，极限功率角为 = ，此时线路所能输送的静稳极限功率为Ut90o（1-5）tsmUtTLPX由于同步发电机内电抗较大，通常 PmUt 要大于 PmEq。这样，发电机励磁调节器实际上起到了补偿发电机内电抗的作用。最初的复励和电压校正器由于允许的反馈增益系数较小，通常只相当于补偿掉 那一段dX内阻抗，这时静稳功率极限只提高到 维持不变的功角特性最大值。灵qE敏快速的励磁调节器可以维持发电机机端电压恒定，相当于补偿了全部发电机的 d 轴同步电抗，即达到线路静稳功率极限。1.2.3改善电力系统的暂态稳定性电力系统的暂态稳定性是指系统遭受到大干扰（如短路，断线等）时，- 4 -能否维持同步运行的能力。总的来说，调节励磁对暂态稳定的改善没有对静态稳定那样显著。励磁系统对提高暂态稳定而言，表现在强行励磁和快速励磁的作用上。当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行特性称为电力系统的静态稳定性。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率。这需要解决许多技术问题。而其中最重的和最基本的困难之一是同步发电机只具有较小的静态稳定性。但由于自动励磁的调节装置的出现，使这一问题得到了圆满的解决。只有励磁电压上升快速并且顶值电压高的励磁系统对于改善暂态稳定才有较显著的作用，快速强励可减少加速面积，增加减速面积，提高系统的暂态稳定性。由于提高励磁系统的强励倍数受到励磁系统和发电机制造成本的制约以及发电机转子时间常数较大使励磁电流上升速度受到限制等原因，使得靠励磁控制来提高暂稳极限的幅度不可能像提高静稳极限那么显著，但其提高暂稳极限的效益还是明显的。良好的励磁控制在增加人工阻尼，消除第二摆或多摆失步方面的作用则更为重要。1.2.4改善电力系统的动态稳定性动态稳定是研究电力系统受到扰动后，恢复原始平衡点（瞬时扰动）或过度到新的平衡点（大扰动后）的过程稳定性。研究的前提是：1.原始平衡点（或新的平衡点）是静态稳定的；2.大扰动的过程是暂态稳定的。电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电震荡的阻尼问题。当阻尼为正时，动态是稳定的；阻尼为负时，动态是不稳定的；阻尼为零时，是临界状态。零阻尼或很小的正阻尼，都是电力系统运行中的不安全因素，应采取措施提高系统的阻尼特性，即动态响应特性。研究表明，按电压偏差调节的比例式快速励磁系统，会造成电力系统机电震荡阻尼变弱。在一定的励磁方式和励磁系统参数下，快速励磁调节系统的电压调节作用，在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的阻尼作用，当系统总阻尼较小时，就容易导致低频振荡的发生。目前解决这一问题的方法，是在励磁调节器上附加一个补偿环节，称为电力系统稳定器。此外，采用现代控制理论的励磁控制器，如线性最优励磁控制器、自适应励磁控制器和非线性励磁控制器等励磁系统，也能有效的抑制各种频率的低频震荡。当电力系统的负荷发生突变、线路结构参数改变，以及电力系统遭受突然短路等故障时，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳定性，这也是同步发电机的重要性能之一。增加励磁自动调节系统强励能力，降低励磁调节系统的时间常数，是提高电力系统动态稳定性的有效措施。- 5 -1.2.5在并列运行的发电机间合理分配无功功率多台发电机在母线上并列运行时，他们输出的有功决定于输入的机械功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关，控制并联运行的发电机之间无功分配是励磁控制系统的一项重要功能。各并联发电机间承担的无功功率的大小取决于各发电机的调差特性，即发电机端电压和无功电流的关系。当母线电压发生波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，与调差系数成反比。通常我们希望发电机间的无功电流应当按照机组容量的大小成比例的进行分配，即大容量机组担负的无功增量应大些，小容量机组担负的无功增量相应小写，这样就可使得各机组无功增量的标幺值相等。由于励磁调节器可对调差系数进行调节，所以就可以达到机组间无功负荷合理分配的目的。1.3自动励磁调节器的组成及功能1.3.1基本工作电路基本工作电路是可控励磁装置向发电机提供励磁电流并完成自动调节任务必不可少的单元电路，它包括如下工作电路：电源变换与无功调差：将发电机输出电压变换成自动检测所需的电压信号，并复合无功电流的变化量，输出一个既可反映电压差变化又能反映无功电流变化量的信号源。自动检测比较：对电源变换与无功调差电路输出的信号进行检测，将发电机端电压的偏移和功率因数的变化量与给定值进行比较，输出一个直流电压偏差信号，经过放大后去控制可控硅的导通角。电压偏差和无功电流变量综合放大：由于自动检测比较电路的输出信号比较微弱，为了满足励磁系统静态与动态的自动调节精度，故必须加以放大。此外，由于除了自动检测的偏差信号之外，还有其他辅助控制信号（如过励限制、欠励限制等）的综合作用，共同作用于移相触发电路。移相触发电路：将综合并放大的控制信号转换为对应于各相可控硅的移相触发脉冲。励磁功率输出电路：一般由励磁电源和可控变流器件组成，可控变流器件由移相触发脉冲进行控制。改变移相触发脉冲的相位即可改变功率输出单元的输出电压，以实现调节励磁的目的。1.3.2辅助工作电路辅助工作电路是为了使发电机安全运行而设置的各种保护电路和便于运行操作的附加装置。主要有：1.起励电路：启动发电机时，当发电机转子的剩磁无法建立电压时，- 6 -要利用起励电路供给发电机初始励磁电流。2.手动、自动控制方式切换电路：在发电机组进行试验，线路递升加压和继电保护试验时，必须由手动方式调节励磁。此外，手动调节励磁电路还可作为自动调节励磁电路故障时的备用。3.欠励限制电路：为了防止励磁电流过分降低时，发电机定子电流和电压关系由滞后的功率因数角变为超前的功率因数角，导致发电机发生进相运行，使机组失去稳定或危及机组的安全运行，故设置欠励限制电路。4.过励限制电路：当系统电压剧降时，自动励磁调节器将对发电机进行强励，为了保证发电机和可控整流桥的安全，故设置过励限制电路将转子励磁电流限制在安全范围内。5.低压触发电路：在自并励型可控硅静止励磁系统中，当发电机端电压过度降低时，会导致励磁变压器副边电压过低，使励磁系统无法工作。这时装设低电压触发电路可使可控硅元件在瞬间完全导通，迅速提升励磁电流。1.4同步发电机励磁控制方式研究现状同步发电机励磁调节对提高电力系统稳定性起着重要的作用，随着快速励磁系统的广泛应用，励磁控制对电力系统稳定性的影响效果越来越明显，科技工作者对发电机励磁控制系统进行了长期而广泛的研究，取得了许多显著的成果。研究主要集中在两个方面:一是励磁方式的改进，二是励磁控制方式的改进。这两方面是相互联系的。随着控制理论的不断发展，励磁控制方式主要经历了三个发展阶段，即单变量控制阶段、线性多变量控制阶段和非线性多变量控制阶段。1.4.1基于单变量控制方式单变量控制阶段的控制规律是按发电机端电压偏差 Vt 的比例进行调节或 Vt 的比例一积分一微分进行调节(PID 调节方式 )。运用古典控制理论建立按 Vt 的比例进行的励磁调节是由于无法对控制对象进行精确的数学模型描述而采取的一种简单实用的控制方法，但对增益 K 的调整却出现了矛盾。要使闭环系统成为稳定系统，必须将增益 K 的值限制在一定范围，而要提高系统的稳态精度就得使增益 K 大于某一值，有时这二者是无法满足的。随之，就诞生了 PID 调节方式，它在一定程度上缓和了对单反馈量的励磁调节系统，按系统稳定性与按稳态调压精度对调节器放大倍数要求之间的矛盾，它就相当于一台可自动改变增益的比例式调节器。1.4.2基于现代控制理论的多变量控制方式为了进一步改善与提高电力系统的动态品质与小干扰稳定性，多变量- 7 -反馈的励磁控制方式便逐步发展起来。具有代表性的方法就是增加了 PSS环节的 PID 励磁控制和 LOEC 线性最优励磁控制。所谓 PSS 的控制方式，实际上是采用双状态变量的反馈控制方式，就是在励磁调节器中除了用状态量 Vt 作为反馈量外再引入一附加镇定参量。为了得到尽可能好的控制效果，所引的镇定参量不是直接进行反馈于另一反馈量 Vt 相加，而是经过一定的校正环节后再与反馈量 Vt 相加，目前所采用的附加镇定参量种类有转速 w，发电机端电压的频率 f，发电机电磁功率 pe。PSS 环节的存在，在其参数设计和选取得比较合适的条件下，可使原有的 PID 控制系统主导特征值左移，起到改善电力系统阻尼特性和小干扰稳定性的作用。为了进一步改善电力系统小干扰稳定性及动态品质，科学工作者提出了线性最优励磁控制方式，简称 LOEC。该控制方式由于考虑了电力系统多个控制目标的综合，并采用最优化设计，因而具有更好的动态性能，在鲁棒性和适应性上也有很大的改