（机械工程专业论文）小型同步发电机励磁控制系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文主要研究了同步发电机励磁系统中以半导体整流器为励磁功率单 元，由数字励磁调节器共同组成的静止半导体励磁装置。从原理上阐述了该 系统的结构组成及控制过程，从理论和实践两方面验证了励磁控制系统改造 的方法。主要研究内容包括同步发电机励磁控制装置的总体结构方案、励磁 控制系统硬件电路设计及软件设计等。 静止半导体励磁系统具有接线简单、可靠性高、投资少、使用灵活、反 应速度快以及便于维修的特点，已成为同步发电机励磁发展的方向。而基于 微处理器的励磁调节器以具硬件结构简单、通用性好、软件灵活、能够方便 实现多种功能和满足各种控制规律的要求等优点，在电力系统中得到了广泛 的应用。 采用数字控制技术及半导体可控整流技术，对于不同容量和不同励磁运 行方式的发电机，只要选择合适容量的晶闸管和修改部分软件和就可以满足 要求。基于此，本文研究了以静止半导体励磁系统代替同轴励磁机励磁方式 励磁，以微机励磁调节器代替模拟励磁调节器，用于改造企业自备电站小型 同步发电机组励磁系统，并由机组改造实验测试数据进行了验证。 关键词：同步发电机；静止半导体励磁；微机励磁调节 哈尔滨工程人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st e x tm a i n l ys t u d i e dt h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o ns y s t e mi nw i t l l t h es e m i c o n d u c t o rc o m m u t a t eam a c h i n ef o rt h ee x c i t a t i o np o w e ru n i ti s c o n s t i t u t e dt o g e t h e rb yn u m e r i c a lm o d u l a t o ro fe x c i t a t i o no ft h es t a t i c s e m i c o n d u c t o re x c i t a t i o n e q u i p e l a b o r a t e dt h es t r u c t u r eo ft h a ts y s t e mt o c o n s t i t u t ea n dc o n t r o lp r o c e s sf r o mt h ep r i n c i p l e ，f r o mt h et h e o r i e sa n dp r a c t i c e t h em c t h o dt h a tt h eb o t hs i d ev e i l f i e dt h ee x c i t a t i o nc o n t r o l s y s t e m r e f o r m a t i o n m a i nr e s e a r c h 也ec o n t e n t si n c l u d et h et o t a ls t r u c t u r ep r o j e c to ft h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o nc o n t r o ld e v i c e t h ee x c i t a t i o nc o n t r o lt h es y s t e m h a r d w a r ee l e c t r i cc i r c o i td e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g ne t c t h es t a t i cs e m i - c o n d u d o re x e i r a t i o ns y s t e mh a sl i n eo fc o n n e c ts i r e p l e , t h e c r e d i b i l i t yi sh i g h ，t h ei n v e s t m e n ti sl i t t l e ，t h eu s a g ei sv i v i d ，r e s p o n ds p e e dq u i c k a n de a s yt oc h a r a c t e r i s t i t sf o rm a i n t a i n h a v eb e c o m et l l ed i r e c t i o no ft h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o nd e v e l o p m e n t b u ta c c o r d i n gt ot h em o d u l a t o ro f e x c i t a t i o no ft h em i c r o p r o c e s s o rw i t hh a v et h eh a r d w a r es t r u c t u r ei ss i m p l e ，i n g e n e r a lh s eg o o d , t h es o f t w a r ei sv i v i da n dc a n6 ec o n v e n i e n tt oc a r r y0 u tv a r i o u s f u n c t i o n sa n ds a t i s f yv a r i o u sc o n t r o lr e g u l a t i o no fr e q u e s te t c a d v a n t a g e ，g o ta n e x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e r n t h ea d o p t i o nn u m e r a lc o n t r o lt e c h n i q u ea n ds e m i c o n d u c t o rc a nc o n t r o lt o c o m m u t a t eat e c h n i q u e ，c i r c u l a t i n gt h eg e n e r a t o ro fw a yt ot h ed i f f e r e n tc a p a c i t y a n dt h ed i f i e r e n te x c i t a t i o n ，a sl o n ga sc h o o s i n gt h et u b eo ft h es u i t a b l ec a p a c i t y t u b ea n dm o d f f y i n gp a r t so fs o f t w a r e sw i 也c a ns a t i s f yar e q u e s t a c c o r d i n gt o t l l i s t l l i st e x ts t u d i e dt h ee x c i t a t i o nb yh o l d i n gs t i l lt h es e m i c o n d u c t o re x c i t a t i o n s y s t e mt or e p l a c et o g e t h e rt h es t a l ke x c i r a t i o nm a c h i n ee x c i t a t i o n ，r c ：p l a c et o i m i t a t et h ee x c i t a t i o nm o d u l a t o rb yt h et i n ym a c h i n ee x c i t a t i o nm o d u l a t o r ，u s e d f o rr e f o r m i n gt h eb u s i n c s se n t e r p r i s es e l f - p r o v i d e de l e c t r i c i t ys t a t i o ns m a l ls c a l e d s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rs e tt h ee x c i t a t i o ns y s t e m ，a n df r o mt h em a e h i n es e tt h e r e f o r m a t i o ne x p e r i m e n tt e s td a t ac a r r i e do nav e i l f i c a t i o n k e y w o r d ：s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ；s t a t i cs e m i - c o n d u c t o r e x c i t a t i o n；t h e c o m p u t e re x c i t a t i o nr e g u l a t e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者。签字进 作者( 签字) ：n 丛 日期：2 0 0 5 年1 2 月1 9 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究意义 本课题来源于哈航集团企业自备电站发电机励磁系统改造。哈航集 团东安动能供应公司目前有3 0 0 0 k w 小型汽轮同步发电机组，其中一 台是2 0 世纪8 0 年代机组，另外两台是9 0 年代末期机组，均是传统的 同轴励磁机方式励磁，直流励磁机碳刷及整流予维护量较大，每年需要 更换数量相当的碳刷，运行成本高，且8 0 年代老机组直流励磁机转子 曾发生淋锡事故，更换过两次励磁机转子，耗资数万元，间接损失6 0 余万元。为使机组能够安全可靠运行，决定对直流励磁机进行改造， 改造为数字式全静态自并励同步发电机半导体励磁装置，即微机型励磁 调节器。机组改造完成后，每年可以节约大量的运行维护费用，并保证 机组安全稳定运行，为企业创造可观的经济效益。 同步发电机主要有以下几种励磁方式： 1 自并励静止励磁系统 对于新建汽轮发电机组，自并励励磁系统是一种良好的选择。因为 这种励磁方式具有可以降低厂房造价、减少机组轴系长度、简化励磁系 统接线等优点。此外自并励励磁系统为固有高超始响应系统，具有快速 响应的性能。其系统原理如图1 1 所示。 图1 1 白并励励磁系统的典型接线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 自并励静止励磁汽轮同步发电机组实物如图1 2 所示，自并励静止 励磁控制装置如图1 3 所示。 图1 2 自并励静止励磁汽轮同步发电机组实物 图1 3 自并励静止励磁控制装置 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 三机静止励磁系统 在我国火电机组中，三机励磁系统是一种应用较广泛的励磁方式。 对早期产品，励磁装置为电磁式结构，惯性时间常数较大，其后改用分 立组件的模拟式励磁装置，但由于功能模块数量过多，给调试及维护带 来诸多不便。微机励磁调节装置也适用于三机励磁系统的方案。其系统 原理如图1 4 所示。 如果主励磁机采用旋转电枢式，那么主励磁机的电枢绕组和二极管 整流桥同发电机转子绕组一起旋转，从而可以去掉发电机转子励磁绕组 和二极管整流桥之间的电刷，这种励磁方式即为无刷励磁系统。 图1 4 具有主副励磁机的他励静止二极管励磁系统 3 具有直流励磁机的自励系统 具有直流励磁机的自励系统的优点是在保留原有设备的基础上，利 用自励励磁系统快速性的特点，改善了励磁系统的性能。由于原有的直 流励磁机具有功率放大的作用，为此作为自励系统电源的励磁变压器 e t 其容量是较小的。其系统原理如图1 5 所示。具有直流励磁机的同 步发电机组实物如图1 6 所示。 图1 5 具有直流励磁机的自励系统 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 6 具有直流励磁机的同步发电机组 4 开关管式励磁系统 作为晶体开关管的电力元件原采用大功率晶体管g t r ( g i a n t t r a n s i s t o r ) 以及功率场效应管( m o s - p o w e r ) 、目前则采用性能更加优 越的绝缘栅双极型大功率晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) 作为开关管元件用。开关管式励磁装置结构简单、易于维 护，可用于直流励磁机励磁系统。其系统原理如图1 7 所示。 图1 7开关管式励磁系统 1 2 小型同步发电机励磁控制系统国内外发展概况 从励磁调节器组件和结构的演变看，它经历了由电动机械性到电磁 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 型到半导体型几个阶段。国内外的发电厂中已大量使用半导体型励磁调 节器，已经有采用数字部件的产品，以微型计算机为核心构成的微机型 励磁调节器，国内外许多公司都在研制中，并且已在大型机组有了广泛 的使用 1 。微机励磁调节器，由于硬件简单，软件丰富，能方便地实 现现代控制规律和多种功能，且性能优良，运行、调试方便。加之微型 计算机的性能不断提高，价格逐年降低，微机型励磁调节器具有广阔的 发展和应用前景。 自2 0 世纪5 0 年代以来，随着时代的发展，不论是在控制理论还是 在电子器件的研究和实际应用方面，均取得长足的进展。 5 0 年代初期，自动电压调节器的主要功能是维持发电机电压的给 定值。当时应用的调节器多为机械性的，其后又发展微电子型或者电磁 型。 5 0 年代后期，出于提高电力系统稳定性的考虑，自动电压调节器 的功能已不再局限于维持发电机电压恒定这一要求上，而更多地体现在 提高发电机的静态及动态稳定性方面。这标志着对励磁调节器的功能要 求已有了根本的转变。 5 0 年代至今，励磁控制技术有了极大的发展。概括地说，励磁方 式经历了单变量输入及输出方式的比例控制方式、线性多变量输入技术 出的多变量回馈控制方式以及伴随控制理论发展起来的非线性多变量 控制方式等几种主要的演绎阶段。 近1 0 多年来，国外基于现代控制理论在多变量线性最优控制器的 研究方面，取得了迅速的发展。 目前，我国正在生产和使用的半导体励磁装置大多采用七十年代的 模拟控制技术设计线路复杂，组件较多，装置的整体性能不高，调试步 骤繁多，且参数难以精确整定，且存在无法解决的零漂及温漂问题，维 修困难“1 。 近年来，我国逐步引进了国外同步发电机数字控制励磁装置，并逐 步消化吸收国外先进技术，在大型发电机组已推广使用。在中小型同步 发电机组采用数字控制励磁装置则刚刚起步。 采用目前国际上较流行的数字控制技术及半导体可控整流技术，完 全不同于以前采用模拟控制技术的励磁控制装置。其主控单元通过对同 步发电机的运行参数、运行曲线及特性曲线进行优化处理，可以达到对 同步发电机运行的最优控制。调节器的发电机运行工况处理电路，开关 哈尔滨j 二程大学硕士学位论文 量输入输出电路，晶闸管移相触发电电路，可以进行标准化设计。对于 不同容量和不同励磁方式的发电机只要修改部分软件和选择合适容量 的晶闸管就可以满足要求。1 。 1 3 数字式励磁系统的描述 1 数字式励磁系统的特征 简化的数字式励磁系统的方框图如图1 8 所示。图1 8 中虚线部分 是通过数字符技术予以控制的，具体地说是由一个或多个微处理器来实 现。数模变换d a 或a d 为接口单元，用以实现模拟量到数字量或数 字量到模拟量的转换。 图1 - 8 典型数字式励磁系统方框图 数字式励磁的参考输入一般是存储在微处理器随机内存( r a m ) 中的 一个数，参考输入与代表发电机输出电压的反馈量进行比较得出电压偏 差。发电机的输出变量要通过定标电路转化成为计算机可接受的量，然 后经过a d 转换器转换为数字量。给定的参考值与反馈量之间的比较 是通过微处理机中的数学运算程序完成的。比较结果作用于储存在微处 理器中的控制逻辑程序，用以完成予期的控制算法“1 。 传统的控制算法包括比例、积分和微分即所谓p i d 算法等，此外， 还可采用线性或非线性控制理论以及模糊逻辑和自适应控制等新理论 控制算法，转换成模拟信号的控制程序输出用以驱动励磁系统中的功率 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 放大单元。输出的模拟信号可以经过d a 转换器获得，亦可由微处理 器直接发出脉冲提供给功率放大单元。发电机的励磁电压和电流由功率 放大单元供给。 在数字式励磁系统中可实现复杂的控制方程式的运算。在模拟式励 磁系统中，各附加单元功率是由单独的装置来完成的，而在数字式励磁 系统中它只是正常的控制算法的一部分，而且投入与切出调节非常平 稳。 数字式励磁系统的通信功能最简单的方式是通过一个就地键盘和 显示器进行通信的，复杂的通信则有就地串行通信、远方串行通信、调 制解调通信、局域网络等。通信的数据有输入值、输出值、整定值、内 部信号、限制值、控制继电器状态以及故障情况等。通信数据可与系统 中其它控制器，如调速器或监控器等信息进行交换，也可由操作者直接 控制励磁系统的各变量，使系统处于特定的运行状态。 数字式励磁系统中的参考给定调节，如发电机电压整定、手动励磁 整定、无功及功率因子的整定等均为数字量，通过输入到微处理器的远 方增减节点，或者直接通过发电厂的计算机控制网络对上述各数字量进 行调节。 此外，数字系统还可记录励磁系统中的各种参数，包括输入到励磁 系统中的以及其内部的参数，通过d a 转换器送给外部的数据记录仪， 或在计算机内部进行循环记录。数据记录应具有滤波和清零功能。 在仪表测量方面，大多数模拟系统均需外接仪表设备来测量系统中 的各种参数，而数字系统可显示这些参数，不必外加变送器等设备。数 字系统还可将这些数据送给发电厂的上位计算机，省去了测量仪表及导 线的连接。 和模拟式系统比较，数字式系统可提供更多的信息与控制功能，而 且易于实现，数字化系统一般都具有自检测功能，能提前发现系统内部 故障，并安全有序地将故障部分解除。另外，数字系统的参数易于设定， 这样可显着减少励磁系统现场调试的时间及工作量。 2 典型数字式励磁系统的特征 在图1 9 中示出了由英国罗尔斯一罗伊斯( r o l l s r o y c e ) 公司开 发的用于大型汽轮发电机组的三信道t m r 型数字式微机励磁系统。下面 简要介绍此系统的特征n 1 。 用于旋转或静止励磁系统的双路功率柜的t m r 型a v r 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 9t m r 型数字式微机励磁系统原理系统图 在本励磁系统中，采用了t m r 三模冗余控制器，其自动电压调整器 a v r 由3 个相同并相互独立的控制通道所组成，每个控制通道均可实现 自动或手动调节。三模冗余结构每一控制信道中，均可方便地实现保护 停机功能，同时采用“多数表决方式”处理停机信号，即可确保机组安 全，又提高了系统的可用率。三模冗余控制器采用“多数表决方式”工 作原理，在3 个a v r 通道均正常工作的情况下，将按三取二“多数表决” 控制程序，输出主调节信号。 当一个通道发生故障时，除发出报警信号外，其余两个信号将取其 中值作为调节信号，如有两个通道故障，a v r 将切到手动控制通道。 本系统中的三模冗余控制器的硬件采用由美国德州仪表公司生产 的d s p ，3 2 位高速数字信号微处理器，并提供了为此应用而特别设计的 输入输出回路。d s p 模块从发电机v t 和a t 等回路输入交流采样信号， 经适配器执行运算程序，控制算法每经3 3 m s 执行一次运算，以确保励 磁系统具有良好的响应速度。图1 1 0 示出了a v r 控制信号输出到晶闸 管组件端按三取二的“多数表决方式”确定最终输出触发信号的示意 图。 励磁系统的功率整流柜也采用冗余结构，在本设计中有4 组整流桥 支路，当一支路退出时，其它3 支路仍能承担额定负载和2 倍强行励磁。 此外，在整流装置辅助柜中还设有完全独立的手动控制通道，当 a v r3 个手动信道中两个信道同时故障时，其作为备用通道自动投入。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 0t m r 微机励磁系统a v r 控制信道工作原理图 3 数字式微机励磁系统的运行方式 ( 1 ) a v r 自动方式 自动方式的基本功能是比较发电机实际端电压与自动给定值，并用 以控制发电机端电压。发电机实际端电压与自动给定值的比较误差信号 输出到控制器，p i 控制器的输出调制出触发脉冲送给功率整流器。 a v r 从空载到连续最大额定的电压调节精度为o 5 。 ( 2 ) a v r 手动方式 手动方式的基本功能是比较发电机实际励磁电流与手动给定值，并 用以控制发电机励磁电流。发电机实际励磁电流与手动给定值的比较误 差信号送给p i 控制器，p i 控制器的输出调制成触发脉冲信号供给功率 整流器。 这种运行方式可保证发电机的励磁电流为恒定值。 自动与手动之间切换是无扰动的( 除非从自动转到手动时励磁低于 手动约束限制线) 。这种切换可由运行人员操作进行或在子系统故障时 自动切换。 ( 3 ) 整流装置手动方式 a v r 和整流装置之间，配备有整流装置手动调节控制信道( p i 电流 控制器) 。a v r 自动通道故障或在调试期间a v r 暂时无法投入时，该控 制通道可提供手动励磁控制。 4 运行方式的选择 系统有三种控制运行方式： ( 1 ) a v r 自动运行方式； ( 2 ) a v r 手动运行方式，当两个v t 故障时自动投入，或在发电机碳 q 哈尔滨工程大学硕士学位论文 刷维护期间手动投人； ( 3 ) 整流装置手动运行方式，当两个a v r 控制通道故障时自动投入 或系统调试时应用。 5 操作方式 系统控制可就地操作，也可通过主控制室的按钮或d c s 微机终端远 方执行。 1 4 本论文的学术意义和实用价值 采用数字方式控制同步发电机静止可控硅励磁装置。以提高企业发 电机组的运行水平，同时，为改造目前众多企业自备电站的中小型同步 发电机直流励磁机励磁方式树立范例。 1 5 论文主要完成的工作 本课题主要研究同步发电机励磁系统的结构设计和控制系统设计， 包括同步发电机励磁系统总体结构方案、励磁控制系统设计、励磁控制 系统数学模型及控制系统硬件电路设计等。论文主要完成的工作如下： 1 同步发电机励磁系统方案及分析及微机励磁控制系统总体设计； 2 同步发电机励磁控制系统控制器模型建立及分析； 3 微机励磁控制控制系统硬件设计、微机控制软件设计； 4 结合公司励磁控制系统改造，对微机励磁调节器进行试验验证， 为今后老式机组励磁系统改造树立典范。 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章同步发电机励磁控制系统组成 2 1 概述 目前，在我国中小型同步发电机组中，采用的励磁方式大致有两种： 一种是自励直流励磁机励磁，这是一种较为原始的方式，虽然原理简单， 便于理解，但是直流励磁机励磁系统工程投资较大，运转噪音高，反应 速度慢，故障率高，整流子和碳刷维护困难，而且维修周期长，已远远 不能满足现代电网对发电机提出的快速励磁的要求。 另一种方式是，由半导体元件构成的调节器共同组成的所谓半导体 励磁系统。采用该种方式，具有投资少，使用灵活，反应速度快，便于 维修的特点，已成为同步发电机励磁发展的方向。而其中全静态自并励 接线简单，可靠性高，一次投资少等特点应用广泛。采用微机数字技术， 调节器的操作逻辑电路，晶闸管的触发电路，机械或电子的电压整定机 构都可以简化或取消。调节器插件少，装置可靠性高。 对于中小型同步发电机组，宣采用自并励静止励磁系统。所谓静止 励磁系统是指有接于发电机端的励磁变压器作为励磁功率电源的晶闸 管励磁系统。这种励磁方式在性能上的显著特点是具有高起始励磁电压 响应速度，易于实现高起始响应比性能。可靠性较高。 自励晶闸管励磁系统主电路采用典型接线方式，即将励磁电源的励 磁变压器连接在同步发电机的出口端，这种接线方式比较简单，励磁系 统的大功率整流装置采用三相全控桥式接线。这种接线的优点是晶闸管 元件承受的电压低，而变压器的容量利用率高。图2 1 为同步发电机励 磁控制系统组成框图5 。 同步电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步 发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：一部分用于 向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流电场，通常称作励磁功 率输出部分( 主回路) 。另一部分用于在正常运行或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( 调节器) 。 励磁控制是一种控制系统，它控制| 司步电动机发出的电势，所以它 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机的无功功率，功率因数和 电流等参量。由于大型机组的这些参量直接影响系统的运行状态，因此 在某种程度上也可以说，励磁装置也控制着系统的运行状态，特别是系 统的稳定和励磁控制方式密切相关。 图2 1 同步发电机励磁控制系统组成 无论是何种励磁调节器，其核心部分的构成都是很相似的。它由基 本控制和辅助控制两大部分组成。基本控制由测景比较、综合放大和移 相触发三个主要单元构成，实现电压调节和无功功率分配等基本调节功 能。辅助控制是为了满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改善 励磁控制系统动态性能而设置的单元，包括励磁系统稳定器，电力系统 稳定器及励磁限制、保护器等。 测量比较单元的作用是测量发电机的端电压，综合无功调差信号后 与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号，供后级环节使用。测 量比较电路应具有足够高豹灵敏度与优良的动态性能，即要求测量精 确、反应迅速、电路的时间常数要小。测量比较单元的性能如何将直接 影响到发电机电压调节精度与励磁系统的动态性能。 综合放大单元对测量单元输出的电压偏差起综合和放大的作用。为 哈尔滨工程大学硕七学位论文 了得到调节系统良好的静态和动态性能，除了由电压测量比较单元来的 电压偏差信号外，有时还根据要求综合来自其他装置的信号，如励磁系 统稳定器信号、最大、最小励磁限制信号等。放大的作用是为了消除电 压的静态偏差，改善励磁系统的动态性能。综合放大后的控制信号输出 到移相触发单元。 移相触发单元包括同步、移相、脉冲形成及放大环节。移相触发环 节根据输入控制信号( u 。) 的大小，改变输送到晶闸管的脉冲触发角a ， 以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机的励磁电流。为了使触 发脉冲能可靠地工作，还需采用脉冲放大环节。移相触发单元和攘流桥 相当于信号转换、功率放大及控制器的执行机构。 2 2 功率单元及励磁变压器 1 功率单元 ( 1 ) 功率单元为三相桥式全控整流电路： ( 2 ) 功率单元能保证发电机在各种工况下正常运行( 包括强励) ； ( 3 ) 功率单元一般采用单桥，如有需要也可采用双桥；采用双桥时， 每个单桥都能单独确保发电机在各种工况下正常运行； ( 4 ) 可控硅整流桥的每个桥臂上均装有一个与之配套的快速熔断 器，作为可控硅的过流后备保护；快熔熔断时，装在快熔上的信号指示 器会发出故障信号； ( 5 ) 可控硅全控桥的过压保护有： 每个可控硅旁并联有阻容过压吸收回路； 全控桥交流侧装有s p d 过压吸收元件； 全控桥直流侧并联有阻容过压吸收回路： 全控桥直流侧并联有相当于转子电阻1 0 0 倍的过压抑制电阻 r l 。 ( 6 ) 功率单元采用强迫风冷，功率柜装有低噪声风机，风机能长期 运行，如果风机出现问题，风机控制电路会发出故障信号。 2 励磁变压器 励磁变压器一般采用环氧树脂浇注干式变压器。其容量、初次级的 电压和电流根据发电机的定子电压和额定励磁电压电流计算。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 变压器的容量应满足强励运行要求，并留有裕度。 变压器的连接组别为y d l l 或d y l l ，如采用y d l l 则一次侧应为不 接地系统。 变压器为f 级绝缘。其冷却方式为自然空气冷却。变压器还配置有 超温报警元件，当变压器超出允许温升时，会发出报警信号。 2 3 起励单元 1 起励方式 本装置通过软件设置，有多种起励方式供选择： ( 1 ) 按起励后的机端电压分为： 按设定的机端电压( 包括额定电压) 起励： 跟踪系统( 母线) 电压起励。 ( 2 ) 按起励后机端电压上升的方式分为： 快速上升； 软起励( 又称无超调起励) 。 ( 3 ) 零起升压 以上方式，用户可通过操作触摸屏的“起励方式”菜单选择。 2 起励条件 本装置的起励操作受如下条件限制： ( 1 ) 调节器必须先上电； ( 2 ) 发电机的转速必须达到额定值的9 5 左右( 转速信号由机组自 动屏提供) ； ( 3 ) 其余条件必须满足电站运行规程的要求。 3 起励电源 本励磁装置为自并励系统，当发电机达额定转速附近时，发电机的 剩磁电压折换到全控桥输入端的电压如果能满足可控硅导通所需的阳 极电压，这时只要调节器已经上电并接到起励指令，无需外加起励电源， 发电机即能逐渐建立起电压至额定值，这就是所谓剩磁起励。 如果剩磁电压不足以使可控硅导通，则需投入电源助励，助励电源 一般为直流，可取自电站的直流电源系统，电压一般为直流2 2 0 伏。本 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 装置设有限流电阻，可使起励电流限制在1 0 a 左右，在这1 0 a 电流的作 用下，只要调节器已经上电，机组会顺利起励。 4 起励信号 起励指令发出经过1 0 秒延时，如果发电机仍不能建立起预定电压， 装置会发出起励不成功信号。 2 4 灭磁单元 1 逆变灭磁 机组正常停机( 包括自动停机和人工停机) 采用逆变灭磁。 2 灭磁开关灭磁 发电机事故状态下，灭磁开关f m k 动作，将储存于转子中的能量 通过f m k 的常闭接点向灭磁电阻释放，实现事故灭磁。灭磁开关一般 采用d w l 0 m 、d w l 6 m 或d m 3 等，其最大分断电流和电压应大于强 行励磁时发电机转子的顶值电流和电压，并有一定裕度，灭磁电弧不应 外喷。灭磁电阻分线性电阻和非线性电阻两种。无论采用何种灭磁开关 和电阻，都能满足标准对灭磁性能的要求。 在任何需要灭磁的工况下( 包括发电机空载和强励情况下) ，上述 两种灭磁方式都能保证发电机快速可靠灭磁。 2 5 励磁系统的控制、保护及信号 励磁系统的控制可以在现地进行，也可以在中控室进行。 现地控制可通过设在面板上的相关按钮开关进行。 如果电站采用计算机监控系统，可通过串行通讯接口，由上位机直 接控制本装置的运行( 包括起励、调整电压、调整无功、灭磁并进行参 数设定及采集励磁系统各种信号) 。 如果电站采用常规控制系统，可以通过设在中控室的远控开关接点 对励磁系统进行控制。这时励磁系统的各种信号通过信号继电器点燃中 控室光字牌显示。 1 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 励磁装置的保护与电站的保护系统兼容，机组出现事故需进行灭磁 时，装置的灭磁开关可通过继电保护的指令实现跳闸灭磁。 本装置的控制回路既能满足机组准同期( 包括自动或手动) 并网的 要求，也能满足机组自同期并网的要求。 2 6 励磁系统的工作电源 微机和相关中间继电器的工作电压为直流2 4 伏，由两路开关电源 提供，一路为直流，由电站直流电源系统提供，另一路为交流2 2 0 伏， 由厂用交流电源提供，这种供电模式，大大提高了电源的可靠性。 灭磁开关及其操作保护用的继电器的工作电压为直流，由电站直流 电源系统提供。 整流桥冷却风机的工作电源为3 q ) 3 8 0 伏，由厂用交流电源提供。 微机励磁调节装置的主控单元的输入电气信号有发电机量测p t 电 压，仪表p t 电压及从发电机电流互感器来的三相定子电流信号。直流 信号有发电机转子电流及励磁装置输出电流。各路信号经各自的信号处 理及变换电路( 传感器、变送器) 对信号滤波、隔离放大，变换成适合 于a d 采样的信号。送入主控单元a d 变换器，由程序控制依次转换成 数字量，存放在存储器中供软件使用。 利用以上采集到的数据，通过软件计算可以得到发电机的运行工 况、励磁系统参数、励磁装置输出参数等全部信息，如发电机三相电压 平均值、三相电流平均值、有功功率p 、无功功率q 、转予电流( 励磁 装置输出电流) 、功率因数角、频率、可控硅控制角等供励磁装置各软 件功能模块使用。 主控室对励磁系统工作方式的选择、增、减励磁操作、油开关和灭 磁开关等状态量作为开关量输入信号以及故障报警等开关量输出信号， 在主控单元内经过光电隔离。 功率输出部件可选择为晶闸管三相全控桥整流电路或其它方式。晶 闸管根据发电机的容量选择快速肛i 冷方式或水冷方式，晶闸管接有阻容 保护，快速熔丝保护及过电压吸收部件，熔丝熔断有报警信号。为了保 证其输出直流电压连续可调及逆变运行，要求控制角a 在1 0 1 5 0 度之 间变化。由脉冲同步电路来保证各晶闸管的依次导通。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 在定时中断控制程序中，计算发电机电压与参考电压之差，并按控 制规则进行运算后，综合其他附加控制信号及附加调差信号得到一个控 制量去改变晶闸管的导通角，双窄脉冲经脉冲变压器隔离去触发晶闸 管，这就是励磁调节系统的主调节环。控制参数的正确选择，附加控制 信号的大小将赢接影响励磁系统的静态和动态特性。 励磁装置中的保护功能模块如失脉冲检测、低励磁限制、过励限制、 v h z 限制、p t 断线保护等都是用软件来实现的。 励磁装置的前面设有操作显示面板供人机对话用。人机界面可采用 触摸屏或中文文本显示器，全汉化界面，便于运行人员的监视。另外开 关量输入的实时状态显示、开关量强制输出、控制和保护参数设定、运 行方式的切换、故障录波数据的提取等功能均可在此人机对话窗口上实 现。 励磁装置主控单元的工作电源也是独立的。输出电压有四种：+ 5 v 、 1 5 v 供模拟通道使用；2 4 v i 供脉冲回路；2 4 v i i 供继电器及操作【圄路 用。电源采用两路供电：一路来自蓄电池直流电源，另一路来自厂用交 流电或机端交流电压经降压整流成直流电源。两路直流电源通过二极管 并联运行，任何一路失电，励磁装置仍能正常工作。 2 7 本章小结 本章简要介绍了同步发电机励磁控制系统的组成，并概括介绍了各 组成部分的作用。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章励磁系统的要求及规范 3 1发电机对励磁控制系统的要求 通常发电机对励磁控制系统的基本要求是；当发电机负载变化时， 维持机端或系统某一点的电压为设定值，在系统受到扰动时，保持发电 机运行的稳定性。发电机励磁控制系统的结构方框图如图3 。1 所示。 在图3 1 中，a v r 自动电压调节器的作用是：由发电机电压互感器 t v 测量出的发电机电压u b 在综合点与电压设定器的设定电压u r e f 进 行比较，其偏差值u e r r 进入a v r 放大部分进行运算，再经励磁机e x 功率放大环节对发电机励磁回路进行调节。励磁控制系统的等效方框图 见图3 2 。在正常状态下，发电机电压与扰动量的关系为： q 一雨k 丽, t k m k a 一雨蠡( 3 - 1 ) 式中：k 。一放大器增益， x 。励磁机增益； j o 一发电机增益； e 一反馈增益； u m 一扰动量。 图3 1 发电机励磁控制系统结构方框图 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图3 2 励磁系统等效方框图 通常励磁系统的开环增益u 。t 髟如k 在( 1 0 0 一3 0 0 ) 之 间。同时，巧如k b 1 ，依此，由式( 3 1 ) 可求 u 。- 竖k b 一面u , d i s ( 3 - 2 ) 另由 一乩，如代入( 3 2 ) 整理得 一u b 一瓦u d s ( 3 - 3 ) 因为o 一- o故式( 3 3 ) 可改写为 。急 或孰等。壶( 3 - 4 ) v 。扰动值主要是由发电机的电枢反应引起的，当发电机由空载变 化到额定负载，相应的扰动值如果归算到发电机端电压约为1 5 。在 此条件下如果将控制误差【o c ，呵限制在1 以内，由式( 3 - 4 ) 可求得励 磁系统增益： k 蔗4 1 5 0 二l 1 1 一叶 通常励磁系统的开环增益“，= k a k e x k 。磁在0 0 0 一3 0 0 ) 之 间，根据发电机电压精度要求，可确定总增益。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发电机励磁控制系统的基本要求是维持其端电压为设定值。但是当 发电机与电力系统并联时，仅考虑维持设定点电压是不充分的，还应考 虑到无功功率分配的稳定性。为此，须采用诸如无功电流补偿、无功功 率调节器等具有辅助控制功能的单元。 现以图3 3 所示的等效两机系统单线图讨论有关无功功率分配问 题。 在图3 3 中等效两机端处的电压分别为u 1 及u ：，线路电抗为置， 发电机g 1 的有功及无功功率分别为最及q 】。 图3 3 所示的等效两机系统单线图 由图3 3 司求得： e 。警s i n 6 0 - 5 ) q l - 再苦丽五 ( 3 - 6 ) 通常，线路电抗j ，上的数值较小，发电机问功率角6 的数值亦不大， 一次近似为s i n 6 6 ，c o s # 一1 ，由此可将式( 3 - 5 ) 、式( 3 - 6 ) 改写为： 置。u l ，l u - - - - - - - - - z z6 (3-7) q 1 一矗以 ( 3 8 ) 由式( 3 7 ) 、( 3 - 8 ) 可看出：有功功率与发电机间的内部的功率相 角差成t f 比，而无功功率与( 以一u ：) 电压差成正比，其方向是由高电压 u 。侧流向低电压己，：侧输送滞后相位无功功率。为保证并联机组间无功 功率分配的稳定性，须附有无功电流补偿装置( r c c ) ，如图3 4 所示。 2 0 有r c c 一一 进租 圉3 4 绞电机负簸特性 正篙端装嚣专湍黟嚣用 对 糨同 哈尔滨工程大学硕士学位论文 则两台发电机具有一致的端电压值ut 以。由式( 3 - 8 ) 可看出，两机组 间的无功功率q ；0 。但实际上，由于机组特性的差异，负载的不同 以及温度等因素，使u 1 一u ，存在u 1 一u ，- u 的电压差。在此电压 差作用下，两机组间将产生无功功率q r 其值为： q 。掣 ( 3 9 ) l + 2 由于两机组间的电抗x ，+ 置其值甚小，对式( 3 - 9 ) 而言，在有限的 电压差作用下，x ，+ x ：也之值近于零，其商g ，近于无限大。环流 过大将影响到机组的安全运行。为避免上述情况，可利用励磁调节器的 无功电流补偿装置( r c c ) 等效地加大机组间的电抗，使机组具有下垂的 外特性，达到机组问并联运行的稳定性。 3 2 励磁系统的规范 1 电压调整范围 对于手动电压调整范围，通常按规定要求进行。为满足这些要求， 设计中应考虑下述各点： ( 1 ) 调整范围最低值。对于他励励磁系统，因励磁电源不受发电机 电压的影响，输出电压最低值可控制到接近零值。此时，剩磁电压是决 定最低电压的主要因素。 对于自励励磁系统，因励磁电源受发电机电压的影响，在设计中应 以控制装置能正常工作对应的发电机电压最低值作为设计原则。 ( 2 ) 调整范围最高值。与励磁方式无关，设计中考虑的因素为：提 供最高励磁电压值时所需的励磁容量应低于励磁电源变压器或励磁机 的容量；励磁电源可提供与最高励磁电压对应的电压值。 2 电压设定范围 自动电压调节器a v r 的电压给定范围，通常为( 8 0 一1 1 0 ) u g n 。 3 励磁系统电压响应比 励磁系统的电压响应比与励磁机的时间常数以及励磁系统顶值电 压有关，两者的适当配合可求得最佳参数值。 应说明的是：励磁系统电压响应比将直接影响到励磁装置的造价及 容量。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 励磁系统标称顶值电压 励磁系统标称顶值电压与励磁电源或励磁机的容量有关。此外，应 明确的是要求的标称顶值电压值是在励磁机空载或负载以及0 5 s 时间 内或者稳态条件下确定的数值。随规定状态的不同，所求得的励磁系统 标称顶值电压也不同。 5 励磁系统顶值电压 通常，励磁系统顶值电压是由规范中提出的励磁系统电压响应比以 及电力系统稳定度的要求所决定的。 顶值电压的数值还影响到发电机励磁绕组的绝缘和励磁主回路诸 如磁场断路器等的电压等级。 6 励磁系统电压响应时间 励磁系统的电压响应时间对励磁系统的快速性评价是十分重要的 参数，当响应时间小于o 1 s 时，称为快速励磁系统，或高起始响应( t t l r ) 励磁系统。 ( 1 ) 静止式励磁系统。 励磁机本身的时间常数近于零，励磁系统的响应时间主要取决于控 制装置的时间常数。 ( 2 ) 交流励磁机励磁系统。 励磁系统的电压响应时间主要由比控制装置时间常数大得多的励 磁机时间常数所决定。此外，对同一励磁机而言，在其时间常数不变的 情况下，当励磁机励磁电压的强励倍数( 强励电压与额定励磁电压之比) 增加时，励磁系统的电压响应时间将减小。 7 总电压变化率 ( 1 ) 比例控制方式。总电压变化率由励磁系统的综合特性所决定。 对于图1 6 所示的励磁系统的方框图，a v r 的增益与总和电压变化率 之问有如下的关系： a u s u p d + 虹m k i 1 七k k g 式中 u v a - 电压设定值： a u 。发电机电压偏差值 髟a v r 增益； 2 3 ( 3 - 1 0 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k 。发电机增益； a e 爿发电机空载和额定负载时的励磁电压差( p u ) 图3 6 计算发电机电压变化率时比例式励磁控制系统方框图 ( 2 ) 比例积分控制方式 对于比例积分励磁控制系统，由于积分作用，总电压变化率基本上 为零值。但是由于积分作用可能引起过分的积分饱和，造成过分的正常 偏差