（测试计量技术及仪器专业论文）双通道微机励磁调节器的研制.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王态堂或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名：茑骖 学位敝作者虢弋初 ) 棚、年 l 学位论文版权使用授权书 7 月) 日 i 本学位论文作者完全了解成都理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权成都理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 虢丽磕 _ 引乒卜 双通道微机励磁调节器的研制 作者简介：徐方明，男，1 9 7 8 年1 1 月出生，2 0 0 4 年9 月师从于成都理工大学 葛良全教授，于2 0 0 7 年6 月获硕士学位。 摘要 励磁系统是电力系统的一个重要组成部分，它在调节发电机机端电压、分 配电网无功功率和提高电力系统稳定性等方面都起着重要的作用。励磁系统由 励磁调节器和励磁功率单元组成，其中励磁调节器是励磁系统的中枢，负责实 现励磁系统的基本控制功能、励磁限制和其他辅助功能。 随着发电机单机容量和电网规模的增大，发电机组和电力系统对励磁系统 的快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高要求。 现代励磁调节器普遍采用微处理器为核心，所以也称为微机励磁调节器， 其基本控制过程、励磁限制以及辅助功能均通过软件设计来实现，具有调节迅 速、精度高、可靠性高等优点。 双通道励磁调节器是指在每个发电机配置两个微机励磁调节器，一个为主 机，一个为备机，两个通道之间实现冗余备份，可以极大提高励磁系统的可靠性。 本项目是在南京南瑞自动控制有限公司资助下开展的。励磁系统的功率单 元采用由可控硅组成的三相全控整流电路，可控硅的控制端由励磁调节器进行 软件触发，每个通道的励磁调节器在硬件上采用数字信号处理器( d s p ) 作为 励磁调节器的主控芯片，用可编程控制器( c p l d ) 完成接口电路的设计，同时 设计模拟量处理、开入开出量的处理以及脉冲触发电路。在软件上，主控流程 采用改进型的p i d 控制方法，同时实现各种励磁限制和辅助功能。为了协调两 个通道调节器之间的工作，确保同一时刻只有一个通道调节器输出有效，同时 为了保证两个通道切换时输出无扰动，设计了两个通道之间的信息交互方式以 及脉冲闭锁、脉冲切换控制电路。 实验结果表明，双通道励磁调节器在空载和并网条件下，其调节速度、精 确度、可靠性和稳定性等方面都满足行业标准的要求。 关键词：励磁；调节器；d s p ；可靠性 t h er e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo fd o u b l e - c h a n n e l m i c r o p r o c e s s o r - - b a s e d e x c i t a t i o nr e g u l a t o r s a b s t r a c t e x c i t a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fp o w e rs y s t e m i th a si m p o r t a n te f f e c t t or e g u l a t et h ev o l t a g eo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , d i s t r i b u t er e a c t i v ep o w e ra n d i m p r o v et h es t a b i l i z a t i o no fp o w e rs y s t e m e x c i t a t i o ns y s t e m i sm a d eu po fr e g u l a t o r a n dp o w e ru n i t s t h er e g u l a t o r , a st h ec o r eo fe x c i t a t i o ns y s t e m ，c a l t l e so u t1 t sb a s i c c o n t r o lf u n c t i o n s e x c i t a t i o nl i m i t sa n do t h e ra s s i s t a n tf u n c t i o n s a sas i n g l es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r se l e c t r i cp o w e rb e c o m e sh i g h e ra n dt h e s c a l eo fp o w e rs y s t e mb e c o m e sb i g g e r , s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n dp o w e rs y s t e mh a s m o r ed e m a n do ne x p e d i t i o u s n e s s ，r e l i a b i l i t ya n dm u l t i f u n c t i o no f e x c i t a t i o ns y s t e m m o d e me x c i t a t i o nr e g u l a t o ri sc a l l e dm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dr e g u l a t o rb e c a u s e1 t i su s e dm i c r o p r o c e s s o ra si t s c e n t r a lc o n t r o lu n i t i t s b a s i cc o n t r o lf u n c t i o n s ， e x c i t a t i o nl i m i t sa n do t h e ra s s i s t a n tf u n c t i o n sa r ec a r d e do u tb ys o f t w a r ep r o g r a m s w h i c ha r er u ni nm i c r o p r o c e s s o r m i c r o p r o c e s s o r - b a s e de x c i t o rh a sr a p i dr e g u l a t i n g s p e e d 。h i g hp r e c i s i o n ，m o r er e l i a b i l i t ya n d o t h e re x c e l l e n c e s w h a td o u b l e c h a n n e lm i c r o p r o c e s s o r - b a s e de x c i t a t i o nr e g u l a t o r sm e a n t h a to n e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rh a st w om i c r o p r o c e s s o r - b a s e dr e g u l a t o r s ，o n ea st h em a i n ，t h e o t h e ra st h eb a c k u p i tc a ni m p r o v er e l i a b i l i t yo f e x c i t a t i o ns y s t e m t 1 1 i sr e s e a r c hp r o g r a mi ss u p p o r t e db yn a n j i n gn a r ia u t o m a t i o ni n s t i t u t e t l l r e e - p h a s i c c o n t r o l l a b l ec o m m u t a t i n gc i r c u i t ，w h i c hi sm a d eu po fs i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r ( s c r ) i su s e di ne x c i t a t i o ns y s t e ma sp o w e ru n i t t h ec o n t r o l p o r to fs c r i sc o n t r o l l e db ym em i c r o p r o c e s s o r - b a s e dr e g u l a t o r t h i sp a p e ru s e s d s pa st h em a i nc o n t r o lc h i po ft h em i c r o p r o c e s s o r - b a s e dr e g u l a t o ra n dc p l d a si t s i n t e r f a c ec i r c u i t s ，d e s i g n sp r o c e s sc i r c u i t so fa n a l o gs i g n a l s ，l o g i c a ls i g n a l sa n d p u l s e o p e nc i r c u i t t 1 1 i sp a p e ra l s o u s e sa m e l i o r a t e dp i da r i t h m e t i ct oc a r r yo u t r e g u l a t o r sb a s i cc o n t r o lf i m c t i o n s ，e x c i t a t i o nl i m i t sa n do t h e ra s s i s t a n tf u n c t i o n sb y s o f t w a r ep r o g r a m s i no r d e rt oh a r m o n i z ed o u b l em i c r o p r o c e s s o r - b a s e dr e g u l a t o r s w o r k i n g ，e n s u r eo n l yo n er e g u l a t o r so u t p u t i ne f f e c ta n ds w i t c hb e t w e e nt w o r e g u l a t o r sw i t h o u td i s t u r b i n go u t p u t s ，t h ep a p e rd e s i g n sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t sa n d p u l s ec l o s e d o w na n d c o n t r o lc i r c u i t sb e t w e e nt h e m e x p e f i m e n t ss h o wt h a tt h em i c r o p r o c e s s o r - b a s e de x c i t a t i o nr e g u l a t o r s m e e t i n d u s t r ys t a n d a r d si nr e g u l a t i n gs p e e d ，p r e c i s i o n ，r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yb o t ho nt h e c o n d i t i o no fg e n e r a t o r so p e nc i r c u i ta n di nl o a d k e yw o r d s ：e x c i t a t i o n ；r e g u l a t o r ；d s p ；r e l i a b i l i t y i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第1 章 引 言1 1 1 励磁系统在电力系统中的作用1 1 2 励磁方式的分类1 1 2 1 他励半导体励磁系统1 1 2 2 自励半导体励磁系统2 1 2 3 自并励半导体励磁系统2 1 3 励磁调节器的发展概况3 1 3 1 模拟式励磁调节器3 1 3 2 微机( 数字式) 励磁调节系统3 1 4 国内外研究现状4 1 4 1 国内研究现状4 1 4 2 国外研究现状4 1 5 双通道微机励磁调节器研制意义4 1 6 本课题的来源、主要研究内容以及论文的主要成果5 1 6 1 本课题的来源5 1 6 2 本课题主要研究内容和成果5 第2 章励磁系统工作原理及总体方案6 2 1 励磁系统的基本控制原理6 2 1 1 励磁系统对机端电压调节原理6 2 1 2 励磁系统对无功功率控制原理8 2 2 励磁系统设计9 2 2 1 励磁系统控制方案9 2 2 2 三相桥式可控整流电路原理1 0 2 2 3 励磁系统总体方案设计1 3 2 3 励磁调节器方案设计1 6 2 3 1 单通道微机励磁调节器1 6 2 3 2 双通道微机励磁调节器17 第3 章双通道微机励磁调节器硬件设计18 3 1 基于d s p 的系统设计18 t t t 3 1 1d s p 芯片简介1 8 3 1 2d s p 应用系统设计的一般步骤1 8 3 1 3d s p 芯片的选择1 9 3 2 微机励磁调节器硬件及规划2 3 3 2 1 微机励磁硬件功能划分2 3 3 2 2 励磁调节器结构设计2 4 3 3 励磁调节器电路板硬件设计2 6 3 3 1 交流板( p t c t 板) 一2 8 3 3 2 主控板( c p u 板) 3 0 3 3 3 脉冲板( p u l s e 板) 4 1 3 3 4 其他电路板的设计4 6 3 4 双通道微机励磁调节器的冗余处理4 8 3 4 1 开入开出量的冗余处理4 8 3 4 2 模拟量测量的冗余处理4 9 3 4 3 供电电源的冗余处理4 9 第4 章双通道微机励磁调节器软件设计5 1 4 1 励磁调节器p i d 控制方法51 4 1 1p i d 控制原理及实现5 2 4 1 2 增量式p i d 励磁控制的改进与实现5 4 4 2 励磁调节器软件设计5 6 4 2 1 软件功能设计5 6 4 2 2 软件实现5 7 致i 射6 4 参考文献6 5 附录6 5 i v 在发电机正常运行的条件下，励磁系统应维持发电机机端( 或指定控制点) 的电压在给定水平。通常当发电机负荷发生变化时，发电机机端电压将随之变 化，这时，励磁系统将自动增加或减少发电机的励磁电流，使发电机的机端电 压维持在一定的水平，并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，应限制机端电压不至于过分升高。维持发电机机端( 或 指定控制点) 电压在给定水平，是励磁系统最基本和最重要的作用。 2 在并列运行发电机组间合理分配无功功率 多台发电机在母线上并列运行时，他们输出的有功功率决定于输入的机械 功率，而发电机输出的无功功率则和励磁电流有关，控制并联运行的发电机之 间的无功分配是励磁控制系统的另一项重要功能。 当母线电压发生波动时，发电机无功电流增量与电压偏差成正比，与调差 系数成反比。通常希望无功功率在发电机组之间能够按照机组容量的大小成比 例分配，即大容量机组担负的无功功率应该大些，小容量机组担负无功功率相 对小些。这样就可以使得各机组无功增量的标幺值相等，使得各个发电机工作 在额定范围之内。由于励磁调节器可以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。 3 提高电力系统的稳定性 励磁系统可以提高电力系统的静态稳定性、暂态稳定性以及动态稳定性。 1 2 励磁方式的分类 在电力系统发展的初期，同步发电机容量较小，励磁电流通常由与发电机 同轴的直流发电机供给，即采用直流励磁机方式。随着发电机容量的提高，所 需的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 造存在困难等。因此，在新投运和新改造的发电机机组上已经很少采用。随着 半导体技术的发展，特别是大功率半导体器件的出现，同步发电机逐渐采用半 导体励磁方式。目前国内外采用的半导体励磁方式主要有以下几种2 1 【4 】【5 】【6 】： 1 2 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 1 成都理工大学硕士学位论文 极管、晶闸管或全控功率器件整流后，供给发电机励磁。这类励磁系统由于交 流励磁电源取白轴功率，即主发电机之外的电源，所以又叫他励半导体励磁系 统。该类励磁系统根据半导体是静止的还是旋转的，又可以分为他励静止式半 导体励磁系统和他励旋转式半导体励磁系统。 1 2 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。因为励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电力系统， 所以这种励磁方式称为自励励磁系统，简称自励系统。 自励系统又可以分可进一步细分为多种具体的实现方式，如果只用一台励 磁变压器并联在机端，则称自并励方式。如果除并联变压器外，还有与发电机 定子电流回路串联的励磁变流器( 或串联变压器) ，则构成自复励方式。根据励 磁变压器和串联变压器结合的方式又可分为：直流侧并联自复励方式、直流侧 串联自复励方式、交流侧并联自复励方式和交流侧串联自复励方式等。 1 2 3 自并励半导体励磁系统 在自并励及自复励两种励磁方式中，自复励励磁系统由于是由发电机定子 电流做功率电源，故在电力系统受到扰动时可使机组有较高的同步转矩，并且 在系统短路时有较好的强励能力，从而有利于改善系统的暂态稳定性。但是这 种励磁方式需要变流器，鉴于变流器在制造技术、电厂布置、运行维护、可靠 性和造价方面的因素，自复励励磁方式已经很少采用。 在目前的励磁系统中普遍采用自并励励磁方式。该系统只用一台接在同步 发电机机端的励磁变压器作为励磁电源，通过晶闸管可控硅整流装置直接控制 同步发电机的励磁。 与其他励磁方式相比，自并励励磁系统有如下优点： 1 运行可靠性高 自并励励磁系统为静态励磁，与交流励磁机励磁系统相比，它没有旋转部 件，运行可靠性高。随着电力电子技术的发展，近年来大功率可控整流器件已 与不可控器件相当，国内外统计资料表明，自并励励磁系统造成发电机强迫停 机率低于交流励磁机励磁系统。 2 能改善发电机组轴系稳定性 自并励励磁系统可缩短发电机的轴系长度，减少轴承数量。如3 0 0 m w 汽 轮发电机的轴系长度可减少大约3 m ，因而可提高轴系的稳定性，改善轴系振动， 从而提高了机组的安全运行水平。 3 可提高电力系统的稳定水平 在小干扰稳定方面，自并励励磁系统配置电力系统稳定器( p o w e rs y s t e m 2 第1 章引言 s t a b i l i z e r , p s s ) 后，小干扰稳定水平较交流励磁方式的励磁系统明显提高。在大 干扰稳定方面，研究表明，自并励励磁系统的暂态稳定水平与交流励磁机励磁 系统相近或略有提高。 4 经济性好 自并励励磁系统造价低，由于缩短了轴系长度，因而可以减少厂房和基础 造价，调整容易，维护简单，故障后修复时间短，因而可提高发电厂效益。 1 3 励磁调节器的发展概况 1 3 1 模拟式励磁调节器 励磁调节器是励磁系统的核心部分。早期的励磁调节器为振动型和变阻器 型，都具有机械部件，称为机电型调节。由于它不能连续调节，响应速度缓慢， 并有死区，早已被淘汰。2 0 世纪5 0 年代以来，磁放大器出现后，电力系统广泛 采用磁放大器和电磁元件组成的电磁型调节器。由于磁放大器具有磁滞型，因 此调节器的时间常数较大，调节速度较慢，但具有可靠性高，通常用于直流励 磁机系统。2 0 世纪6 0 年代，随着半导体技术的发展，出现半导体励磁调节器， 功率放大倍数较高。因此，半导体励磁调节器调节速度较快。到2 0 世纪7 0 年 代，半导体励磁调节器已经获得广泛应用，通常用于他励交流励磁系统。 上述的电磁型、半导体型的励磁调节器，均属模拟式调节器，其电压偏差 的测量、综合放大、可靠性和调差环节，全部由相应的硬件电路完成。要实现 自动调压、低励限制、过励限制、电力系统稳定器( p s s ) 等多种控制功能， 必须增加相应功能的硬件电路。所以，其元器件数量将大大增加，电路将更加 复杂，运行操作繁琐、维护困难、可靠性不高【l 】【3 】【4 】【7 】o 1 3 2 微机( 数字式) 励磁调节系统 随着发电机单机容量和电网规模的不断增大，电力系统及发电机组对励磁 控制在快速性、可靠性和多功能性等方面提出了更高的要求，如更优的励磁调 节性能，更多的限制、报警和保护等附加功能。显然，常规的模拟式励磁调节 器难以满足如此高的要求。在这种情况下，随着数字控制技术、计算机技术、 微电子技术和功率半导体技术的飞速发展和日益成熟，同步发电机采用数字式、 微机式的调节器已经成为趋势。 微机励磁调节器主要采用微处理器为核心，其主要优点有：可以使复杂的 控制方法用于励磁系统；调节准确、精度高、在线修改参数方便、稳定性高； 可以在励磁控制中实现完备的限制保护和辅助控制等功能；通讯方便；易更新 换代等【1 】【2 】【3 】f 4 】【5 】【6 】。 3 成都理工大学硕士学位论文 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国内研究现状 我国微机励磁系统的研制和开发工作开展得比较早。第一台投入现场运行 的微机励磁控制系统是电力部南京自动化研究所( 现国网自动化研究院南京南 瑞集团) 研制的w l t - 1 型励磁调节器，于1 9 8 5 年在福建池潭发电厂投入运行， w l t - 1 型励磁调节器以8 位单片机8 0 8 5 为核心，采用p i d 调节方式。清华大学 与哈尔滨电机厂和北京重型机械厂合作，研制了全数字式励磁控制器。中国电 力科学研究院和南京自动化设备厂( 现南京自动化股份有限公司) 合作，研制 的微机自动励磁控制器，在控制规律上以p i d 控制为主，同时引入p s s 附加控 制。华中科技大学先后与东方电机股份有限公司、葛洲坝电厂能达电气有限公 司合作，开发了线性最优和自适应最优的微机励磁控制器。此外，广州电器科 学研究所、长江水利委员会陆管局自动化研究所、武汉洪山电工技术研究所、 河北工业大学、福州大学以及武汉华工大电力技术研究所等科研生产单位也在 微机励磁控制器的研究方面开展了相关工作【l 】【5 儿酬。 1 4 2 国外研究现状 国外微机励磁控制器进入实际应用是在2 0 世纪8 0 年代，1 9 8 9 年7 月日本 东芝公司在日本八户火力发电所3 号机上投运了数字式励磁调节器；加拿大通 用电气公司( c g e ) 于1 9 9 0 年5 月也开发出微机励磁调节器；瑞士的a b b 公司 开发了u n i t r o l d 型微机励磁调节器；日本三菱公司1 9 9 3 年投运了m e c 5 0 0 0 型系列励磁调节器。此外，奥地利的e l i n 公司、德国s i e m e n s 公司和英国的 g e c 公司和r o l l s r o y e s 公司等也相继生产出微机励磁调节器【1 】【5 】【6 】【7 1 。 1 5 双通道微机励磁调节器研制意义 励磁调节器作为励磁系统的中枢，其可靠性直接影响着发电机的正常运行。 一旦励磁调节器出现故障，可能造成发电机机组保护停机，甚至烧坏发电机励 磁绕组，影响电网的安全稳定运行，对经济造成损失。 目前的励磁调节器普遍采用微机励磁调节器，由于其采用单片机和数字电 路来实现，它在可靠性比早期的模拟式励磁调节器有极大的提高。但是在发电 机机组运行过程中，特别是长期不问断运行过程中，微机励磁调节器出现故障 的可能性依然存在，为了实现国家对发电企业提出的“无人值守，少人值班”的 原则，提高励磁系统的可靠性一直是励磁研发部门的努力目标。 双通道技术作为一种励磁调节器的硬件冗余方法，能够在很大程度上提高 励磁系统的可靠性。该方法是为一个发电机配置两个励磁调节器，其中一个为 主机，另外一个为从机，发电机正常运行时，主机进行正常的励磁调节功能， 而从机作为主机热备用，一旦主机出现故障，自动退出励磁调节功能，热备用 4 第1 章引言 的从机自动接替主机进行励磁调节功能，同时保证切换前后的机端电压或电网 无功不会出现大的波动，实现切换过程无扰动。这样，就实现了发电机组的不 间断运行，保证了发电机组和电力系统的安全性和稳定性，提高了发电企业的 经济效益【9 】【1 0 【l1 】f 1 2 】【1 3 】。 1 6 本课题的来源、主要研究内容以及论文的主要成果 1 6 1 本课题的来源 南京南瑞自动控制有限公司作为我国水电厂计算机监控行业的排头兵，在 不断提高其计算机监控水平的同时，也在开展发电厂其他自动化设备的研制。 励磁系统作为发电厂自动化重要设备之一，是南京南瑞自动控制有限公司计划 开展的发电厂自动化设备研发项目。本课题经过前期的调查研究，分析了目前 的市场需求和客户定位，结合自身的技术背景和实力，计划开展高可靠的双微 机自并励励磁系统的研究，而作为励磁系统中枢的双通道励磁调节器研发则放 在励磁系统研发的首要位置。 1 6 2 本课题主要研究内容和成果 本课题作为南京南瑞自动控制有限公司的第一个励磁项目，在没有先前的 研发经验的情况下，完全依靠自身的实力来开展双通道励磁调节器的研制。本 课题的主要研究内容如下： 1 研究发电机励磁系统的工作原理以及微机励磁调节器的工作原理； 2 研究励磁调节器的控制算法并加以实现； 3 完成双通道励磁调节器的硬件和软件设计； 4 设计双通道冗余方法以提高励磁调节器的可靠性，并予以实现； 5 研究双通道的切换逻辑和切换方法，并予以实现。 5 成都理工大学硕+ 学位论文 第2 章励磁系统工作原理及总体方案 励磁控制系统是由励磁功率单元、励磁调节器和同步发电机共同组成的负 反馈系统。励磁功率单元负责向发电机励磁绕组提供直流电，它包括三相整流 电路、灭磁回路和初励回路等。励磁调节器负责检测发电机的机端电压和励磁 电流等模拟信号以及各种开关量信号，按照一定的控制方法自动调节励磁功率 单元的输出，同时实现各种励磁保护和限制功能。 2 1 励磁系统的基本控制原理 如前所述，励磁系统在电力系统中的作用主要是稳定发电机机端电压和调 节并列运行发电机之间的无功分配，而完成这些主要功能就是通过改变发电机 励磁电流来实现的。 发电机单机运行时，励磁系统的主要作用是调节机端电压，励磁调节器实 时采集发电机机端电压和电流，把采集到的电压和电压给定值进行比较，得到 偏差值，根据机端电压、励磁电流以及可控硅触发角度之间的关系，由偏差值 大小及正负，计算触发角度，以脉冲形式输出至可控硅的控制端。这样由可控 硅组成的整流电路输出给励磁绕组的直流电压和电流就会发生变化，从而达到 控制发电机机端电压的目的。当发电机并列运行时，励磁系统的主要作用是分 配电网无功功率，励磁调节器实时采集系统电压和电流，通过计算得到电网的 无功功率，根据励磁电流和无功功率的关系，当电网所需的无功功率的大小发 生变化时，改变励磁电流就可以改变发电机提供或吸收无功功率的大小【1 l 2 l t 3 1 。 2 1 1 励磁系统对机端电压调节原理 发电机单机运行时，发电机的机端电压会随着负载的增减而发生波动。当 负载增加时，机端电压会降低。如果机端电压过低，将导致一些负载，如电灯 泡、发电机等，无法正常工作。当负载减少时，机端电压将会增加，这样可能 导致一些负载因为过压或过流造成损坏。励磁系统就是需要根据发电机机端电 压大小的变化，及时改变励磁电流的大小，从而维持发电机机端电压在一定的 水平，保证电力系统的安全稳定。当发电机机端电压下降时，励磁系统增加励 磁电流，使机端电压升高，当发电机机端电压上升时，励磁系统减少励磁电流， 机端电压将降低。励磁系统对发电机机端电压的调节是一个动态平衡过程，始 终维持发电机机端电压在给定值的合理范围之内。下面以单机对无穷大系统为 例说明励磁系统对机端电压的调节原理。 6 压和电流。流过转子励磁绕组的电流，为励磁电流，由它所建立的磁场使定子 产生空载的感应电动e 。，改变励磁电流，的大小，就可以改变感应电动势e 。的 值。而e 。和发电机机端电压u “的关系如图2 1 ( b ) 所示，数学表达式为： 1 。 u o = e q ji gx d ( 2 - 1 、) 式中x 。为发电机转子绕组的电抗。 隐极式发电机的矢量图如图2 1 ( c ) 所示，由励磁电流产生发电机感应电 动势与机端电压的幅值关系为： u g = e 。c o s 5 一i q x d ( 2 - 2 ) 式中万为发电机的功率角，也就是发电机感应电动势e 。和机端电压u g 的夹角； ，d 为发电机的无功电流。 一般情况下，万很小，可以近似认为c o s 6 1 ，于是上式可以简化为t u g = e 。一，d z d ( 2 3 ) 该式表明，对于同一个发电机，或者说对于相同的x 。，。和u 疗的幅值 差异主要是受到无功电流厶的影响，l 越大，e 。和u g 的差值就越大。 同步发电机的外特性一般是指在内电势不变的情况下，负载电流发生变化 时，发电机机端电压发生变化的曲线，主要是测试发电机的纵轴同步电抗，也 就是发电机的内阻抗，是同步发电机带负载能力的重要指标。由式( 2 3 ) 可知， 对于给定的励磁电流，或者说给定的感应电动势e 。，发电机的机端电压随无 功电流的增加而减少，即发电机的外特性是单调下降的。 图2 2 所示为发电机的外特性曲线，坐标中的两条曲线分别表示一定的励 磁电流，和，舱时，机端电压随无功功率变化的情况。由图可知，在，一定时， 当负荷所需的无功电流由i e 。增大到，d ：时，发电机的机端电压将由u c 。降低到 u 一，而机端电压的降低，可能导致一些电气设备无法使用，同时造成电网电 压的波动，影响电力系统的安全稳定运行。为了维持发电机机端电压的稳定， 即负荷的无功电流增大时，机端电压继续要维持在u g ，那么就需要把发电机的 励磁电流由，增加到i ，。同理，当发电机的机端电压升高时，就需要通过减 7 成都理工大学硕士学位论文 少励磁电流来维持发电机机端电压的稳定。 图2 - 2 发电机外特性曲线 在实际所在的电力系统中，电网负荷所需的无功电流总是在不断变化的， 因此要维持发电机的机端电压，保证电网安全稳定可靠运行，就需要不断的调 整发电机的励磁电流，使机端电压调节的幅度和精度都稳定在规定的范围之内。 2 1 2 励磁系统对无功功率控制原理 在电力系统中，不但有阻性负载，而且有容性和感性负载。因此，发电机 不但要向阻性负载提供有功功率，而且要向容性和感性负载提供无功功率。并 列运行在电网中的发电机组所能提供的有功功率和无功功率额定值有大有小， 为了保证发电机安全稳定长期运行，要求发电机运行在额定值附近，即要求大 容量的发电机承担多一些的有功功率和无功功率，小容量的发电机承担少一些 的有功功率和无功功率。而发电机的有功功率是由发电机的原动机决定的。而 发电机所提供的无功功率，是通过调节发电机励磁电流来实现的。 当发电机和大电网母线并列运行时，受大电网母线制约，发电机的机端电 压和频率维持在一个恒定值。发电机的有功功率是由原动机的功率决定的，和 励磁电流大小无关。为了研究发电机机端电压、电网无功功率以及励磁电流的 关系，我们假定原动机提供的有功功率最为定值，即有： 最= u g 厶c o s = c o n s t ( 常数) ( 2 4 ) 式中矽为功率因数角。 当不考虑发电机的定子电阻和凸极效应是，发电机的有功功率又可以由下式 表示： 最：e q u _ _ gs i n 万：常数 。x d 、 ( 2 - 5 ) 由于和x d 是一定的，所以由式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 可得乇c o s p 和e q s i n d 也 应为恒定值，分别用k 。和k ：来表示这两个恒定值，j z n - f 式所示： 8 第2 章励磁系统工作原理及总体方案 f1 gc o s q ，= k 1 1 e ，s i n 万：k ，( 2 - 6 j l y 图2 3 为发电机电势向量图。由式( 2 6 ) 可知，在该向量图中，e 。，的值只 能沿着水平的虚线a b 变化，j g 端点只能沿垂直的虚线c d 变化。由于机端电压 受电网母线电压的制约，为恒定值，所以此时改变励磁电流，只是改变机组的 无功功率和功率角的大小。因此，当发电机和大电网母线并列运行时，可以通 过改变励磁电流来调节同步发电机提供或吸收无功功率的大小【1 】【2 】【1 4 】【1 5 【1 6 】。 彳 c 图2 3 同步发电机电势向量图 一一b 2 2 励磁系统设计 2 2 1 励磁系统控制方案 当发电机并网前起励时，励磁系统提供励磁电流，使发电机的机端电压上 升至电网电压附近，这个阶段，励磁系统主要起控制发电机机端电压的作用， 当经同期装置检测到发电机可以并网时，发电机并网，并网后发电机的频率和 电压被电网电压和频率被钳制在恒定值，此时励磁系统主要是调节自身所提供 或承担的无功功率的大小，也就是起着分配电网中无功功率的任务。在励磁系 统的整个调节过程中，最主要就是及时调节发电机励磁电流。 励磁系统基本工作原理是通过检测机端电压或电网无功与给定值之间的偏 差，自动地调节励磁电流，使得机端电压或电网无功功率维持在给定值附近。 因此励磁控制系统是一个单输入单输出闭环的自动控制系统。现在的励磁系统 普遍采用微处理器作为控制系统的核心，因此也是属于计算机数字控制的一种。 典型的计算机控制系统一般指直接数字控制系统d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) ， 9 成都理工大学硕士学位论文 励磁系统即是采用一定控制规律的直接数字控制系统，其一般原理框图如图2 4 所示【2 】【1 8 【1 9 】【2 0 1 。 控制对象 给 图2 - 4 励磁控制系统一般原理框图 为了完成励磁系统的设计，对于图2 4 所示的各个部分需要按功能进行分 割设计。分割后励磁系统主要包括三个部分，即同步发电机、励磁调节器和励 磁功率单元。 励磁调节器是励磁系统的核心，主要对各种参数进行测量、处理和运算， 即完成模数转换和开关量的处理，实现控制算法，输出控制信号并进行放大， 以驱动执行机构来控制同步发电机的运行。现代电力系统对发电机励磁系统的 安全性和稳定性要求越来越高，因此励磁调节器还要实现各种励磁限制和辅助 功能，以及良好的人机交互和通讯管理功能等。 励磁系统主要控制发电机的励磁电流，当发电机的转子绕组阻抗一定时， 控制励磁电压和控制励磁电流是等效的。在自并励励磁系统中，发电机的励磁 电压来自发电机的机端，但是发电机机端是三相交流电，而转子所需的励磁电 流为直流电，因此需要设计整流电路实现交直流的变换。励磁调节器要实现直 流电流大小的控制，因此整流电路还必须是可控的。为了达到这一目的，采用 了由可控硅晶闸管组成的三相桥式整流电路。整流电路是励磁功率单元的一部 分，励磁功率单元还包括了起励回路、灭磁回路等1 】【2 】【4 】【5 1 。 2 2 2 三相桥式可控整流电路原理 要设计励磁调节器，必须考虑整流电路及其电流的控制方法。为此设计了 由可控硅组成三相可控整流电路，励磁调节器的输出经隔离后作用在可控硅的 控制端，控制可控硅导通时刻，就可以实现对转子励磁电压或电流大小的控制。 2 2 2 1 可控硅原理 可控硅是p 1 n 1 p 2 n 2 四层三端结构的元件，又称晶闸管，共有三个p n 结， 分别为儿、j 2 和j 3 。其结构如图2 5 ( a ) 所示，电路符号如图2 5 ( b ) 所示， a 为阳极，k 为阴极，g 为门极或控制极。若把可控硅看成由两个三极管 t i ( p 1 n 1 p 2 ) 和t 2 ( n a p 2 n 2 ) 构成，如图2 5 ( c ) 所示，则它可以被看作由一个 p n p 管和一个n p n 管所组成，等效电路如图2 5 ( d ) 所示。 1 0 ( a ) 图2 5 可控硅原理 ( d ) 可控硅的工作原理是：当阳极a 和阴极k 之间加上正向电压时，t 1 和t 2 两个三机关均处于放大状态。此时，如果从控制极g 输入一个正向触发信号， t 2 便有基级电流i b 2 流过，经t 2 放大，其集电极电流f 。，= ：f 。：。因为t 2 的 集电极直接与t 1 的基极相连，所以以= f 。，。此时，电流f 以再经t 1 放大，于是 t 1 的集电极电流t 。= 屈。= 届厦：，这个电流又流回到t 2 的基极，形成正反 馈，使f ，不断增大，如此正反馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使 饱和导通。由于t 1 和t 2 所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使 控制极g 的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，直n i s h 极a 和阴极k 之间加上反相电压时才截至。因此，通过控制g 端的触发信号，就可以控制可 控硅的导通时刻【2 】【4 】【2 l 】【2 2 【3 4 【2 4 1 。 2 2 2 2 三相桥式可控整流电路原理 ， s c r i - 7s c r 巧k - s c r 5 7 l土厶jl 甜a 厂、1 r a - b b 厂 厂，r n 负载i 扰c c l _ ，、，_ 、，- 、厂、 s c r 4 s c r 6 a s c m 图2 - 6 三相可控整流电路原理图 图2 - 6 为三相桥式可控整流电路原理图，其中s c r l - - s c r 6 为6 个可控硅。 图中可控硅s c r l 、s c r 3 、s c r 5 的阴极连接在一起，阳极分别接, 。、u 。、 c 三 相交流电源，称为共阴极组。可控硅s c r 2 、s c r 4 、s c r 6 的阳极连在一起，阴 极分别接甜。、u 。、 c 三相交、i g n , ，称为共阳级组。假定输入是频率为恒定值 的三相对称电源，u 。、u 。、u c 具有下式的关系： 成都理工大学硕士学位论文 式中：u 。为相电压的最大幅值。实际自并励励磁系统中，该电源来自 发电机励磁变压器的二次侧。 定义控制角6 为可控硅开始承受正向电压( 定义为自然换流点) 到加上触 发脉冲之间的电角度。当控制角口= o o 时，即在自然换流点万6 、刀2 、5 万6 、 7 x 6 、3 7 r 2 、11 万6 位置，分别开始触发( s c r 6 、s c r l ) 、( s c r l 、s c r 2 ) 、( s c r 3 、 s c r 4 ) 、