（电力电子与电力传动专业论文）同步发电机数字式励磁调节器的研究与设计.pdf

a 3 s t 姒c 羊 a b s t r a c t t h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m so fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sh a v ea ni m p o r t a n t e f f e c to nt h es t a b i l i t yo f p o w e rs y s t e m s ；m o r e o v e le x c i t a t i o nr e g u l a t o r sp l a yt h er o l e o f an u c l e u si nt h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e m p o w e r s y s t e m s ，t h ep e r f o r m a n c e so fe x c i t a t i o nr e g u l a t o r s n e e dt ob e g r e a t l yi m p r o v e d t r a d i t i o n a le x c i t a t i o nr e g u l a t o r sh a v es t r a i g h ta d o p t e da n a l o g u ec o n t r o lb l o c k s i n r e c e n t y e a r s ，t h ed i g i t a le x c i t a t i o nr e g u l a t o r s ( d e r ) h a v eb e c o m et h e 拄e n do f m o d e me x c i t a t i o ns y s t e m s 。t h ed e ri sc o m p o s e do fd i g i t a lm i c r o c h i pc o n t r o l l e r s a n do t h e r p e f i p h e r n c i r c u i t sa n di t sc o n t r o ls o f l w ，_ a r e t h ed e v i c eh a st h ea l lf u n c t i o n s t h a tt h ea n a l o g u ed e v i c eh a s ，a n di tc a l la l s or e a l i z em o r ea d v a n c e df u n c t i o n s t h e r e a r em o r e a d v a n t a g e su s i n gt h ed e rt h a nt h ea n a l o g u ee x c i t a t i o nr e g u l a t o r s ，s u c ha s a b u n d a n tc o n t r o lf u n c t i o n s ，a c c u r a t ec o n t r o lc h a r a c t e ra n dh i g hr e l i a b i l i t y t h ec o r eo ft h ed i g i t a le x c i t a t i o nr e g u l a t o r sd e s i g ni n c l u d e ss a m p l i n ga n d e a l c u l a t i o no f a l t e r n a t i n gc u r r e n ts i g n a l s d e s i g no f t h er e g u l a t i o n 麓o p e r a t i o nr u l e s a n dd e s i g no ft h ep u l s e sp r o d u c t i o n t r i g g e r i n g ，t h ep a r to fd e r sa c s a m p l i n g a n ds i g n a lc o n v e r s i o ni su s i n gt h ea n a l o g u em o d eo no r i g i n a ld i g i t a ld e v i c e s t h i s m e a n so fs a m p l i n gh a v es u c hd r a w b a c k s ：s l o w e rr e s p o n s et i m ea n dh i g h e rc o s to f h a r d w a r e ；u s i n ga cs a m p l i n g c a r la v o i dt h e s e ，b u th o wt or e a l i z ei tu s i n ga l g o r i t h m s i st h ed i f f i c u l t p a r t t h i sp a p e ri m p r o v e dt h ee x i s t i n ga l g o r i t h m sc o n s i d e r i n gt h e c o m p l e x i t y a n dr e a l - t i m e d e m a n d ，a n dt h e np r o p o s e d an e w p r o c e s s i n g a n d c a l c u l a t i o nm e t h o do fa cs a m p l i n gs i g n a l t h em e t h o dh a sb e e na c h i e v e di nt h e e n g i n e e r i n gs y s t e m t h i sp a p e ru s e dt h ea d d i t i o n a le x c i t a t i o nc o n 拓o lo fp o w e rd i f f e r e n t i a lp s so n t h er e a l i z a t i o no f o p e r a t i o n 。f o rt h eh a r d w a r ep a r t ，e a c hf u n c t i o n a lm o d u l ei sa r r a n g e d i na p r o p e rw a yt o m a k et h e s y s t e m w o r km o r ee f f e c t i v e l y e s p e c i a l l y f o rt h e 8 0 c 1 9 6 k c i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g ns c h e m eo ft h ew h o l ed i g i t a le x c i t a t i o ns y s t e mu s i n g t h r e e p h a s ef u l lc o n t r o lb r i d g er e c t i f i e ri sp r e s e n t e d a l lo f t h el o g i cd i a g r a mo ft h e h a r d w a r e ，t h e c i r c u i ts c h e m a t i cf i g m e sa n dt h e s o f t w a r e sf l o w c h a r t sa r ea l s o p r e s e n t e d 。 k e y w o r d s ：d i g i t a le x c i t a t i o n ，s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , a cs a m p l i n g ，p s s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎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了谢意。 1 学位论文作者签名：函嘭 签字同期： o 一年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：i 韵六 签字日期：砭哆年月 日 导师签名：r 弓毽 签字日期：泖月日 第章概述 第一耄概遴 在魄力系统中，同步发电机是电力系统的功率( 包括脊功功率和无功功率) 瀚主要来源之一。瓣霸磁调节系统是同步发逄搬豹重要缀成部分，箕主要任务是 商圊步发电机的励磁绕组撮供一个可调豹蹇流电流。通过调节励磁魄流可以调整 发逛秘黪无功功率，控铡发旗疑懿撬簇魄压，瓣足发毫藏芟鬻发电瓣簧。嗣时对 于发电机的安全运行和电力系统的稳定商重要的作用。 同步发电机的励磁调节系统一般由两部分织成，其一是励磁功率单元( 或 穆为濑磁露澡) ， 蕈麓蓬淹发瞧橇起磁场绕缀撼供可调夔壹滚强磁惫浚，荬二为 融磁控制单元( 或称为励磁调节器) ，用于在正常运行或发生事故时调节励磁电 浚，激溪足运露懿嚣要。 1 1 嗣步发电机泐磁系统概述 1 ，1 1 同步发电机励磁控制系统的发展和演变 1 9 6 0 每强蔻，舞步发魄缀獭磁系统熬秘磁功率摹元，羧稳袋瘸壹滚殛疆 机。融磁控制单元则采用钒嘏型或电磁受调节器。随着电力系统的互鞭和单机容 爨豹增大，这耱聚皴琴绞邕不魏夔任现代瞧力系绫季瑟大容量椒缓翡嚣蘩。在瑟嚣， 电子技术的发展产生了半导体励磁系统，应用大功率晶闸管将交流励磁电源变换 为赢流供给发电机励磁绕组，这样就取消了传统的直流励磁机，演化为半导体励 磁系绫。多年戆实鼯运簿经黢表暖，半游侮( 戮玲段主要是可整礁) 激磁系统楚 融磁系统的发展方向”h “。 麟磁调蔑器遂巍缀患式或电磁式发震裂摸羧囊残毫路式调节嚣，直到今天 数字式励磁调节器静逐步出现。萄前同步发电枫上大量使蠲的还整模拟式调节 器。但怒发电机单机密量和电网规模的不断增大，发电机组及电力系统对励磁控 铡在快遮性、可靠性、多功麓缆等方蘧掇爨了更懑静要求，模拟式蠛节器已不能 胜任获麟的需要。同时励磁控谁在实践秘理论上鹃不断发袋叛发计辣椒技术和魍 予按术酾皮用，出瑕了取代模拟式励磁调节器晌数字式励磁调节器，戏为发展的 方向。渊 1 1 。2 闯步发电机励磁系统的励磁方式 同步发电机励嫩系统露多种，按不网的分类方式有不同黝类型。根据励磁 瞧源翁不霹类型，辩磁系统筲阻分为三静方式：豢漉励磁秘方式、交流励磁钒方 式、静止励磁方式。随饕电搬容量的增大，对于大子i o o m w 的枫缀，霞前大量 袋瑶粒蹩交流聚磁掇方式帮静庄霸磁方式，这掰耱藏磁方式爨聚瘸了霹控硅整滚 的方式1 3 射。 从8 0 年代开始，国外开始在大型汽轮发电机上推广静止式励磁系统，我国 瀚静史獭磁系统的纛瘸是获窳轮发邀凝缀开始貔。校据实际豹发袋箨运行经验， 蒡一章掇述 自并励励磁系统具有商勰始励磁电压响应速度、接线简单、可靠性高、维护方便 等优点丽得到优先采用l 4 ，。 自并励励磁系统的一般结构采用一台励磁变压器经过可控憋流桥给发电机 豹黝磁绕组供龟，荔藏磁变压器款电压取交阏步发电爨弱橇壤，通过反续孛a 端电 疆鞠毫流，藏磁调节嚣( a v r ) 隧发电手晁静遴行工况的变讫兼茂变燕阕管的魑发 角，从而调节励磁电流，如图1 1 所示。 銎l l 菇裁蓉整漉垂著聚式磁磁系统主凄线羰理溺 1 1 3 励磁系统的侄努以及对电力系统稳定性的影响 励磁控制系统的主鬻任务是向同步发电机的励磁绕组提供一个可调的直流 电流( 电压) ，以满足发魄视的正常发电和魄力系统的安全运行。鼢磁系统不但 与发泡撬窝与其辖关联魏怒力系统豹运行经游技寒豢稼密蘩撩关，嚣显露发毫 ! 氇 和魄力系统运行的稳定骸( 包括稳态和暂淼道程) 有很大的影响33 。励磁系 统的主要作用和任务主鬻有以下几个方面。 ( 一) 、控制机端电雁和合理分配无功功率 在发电机一电网正鬻运覃亍时，励磁控制系统应能维持发电桃湍电压在给定 隶平。警发电穗受萄浚燹瑟溪毫蕴夔之变纯露，藏磁系统戆塞动熬瀵燕或菠少供 出麴翩磁电流，使发电槐端电压保持在给定水平并保证有一定的谰压精度。当枫 组甩负荷或空载合闸( 即当向高压长距离传输线充电) 时，励磁瀑统应限制机端 电压使之不致过分升商。 并网运行的同步发漱机输出的无功功率与励磁电流有关，调节威磁电流可 默羧交无凌凌搴数徐窭。避l 童谖差环节，调葛嚣霹鞋穗定合理静分髭嫒缀淘验无 功功率。 ( 二) 、提高同步发电机一电网的稳定性 电力系统可靠运行的基本要求，是使并入系统中的所有同步发电机保持同 步运行。系统在运行中随时会受各种扰动，伴随着励磁调节，系统可能恢复到它 2 第一章概述 原来的运行状态，或者由一种平衡状态过渡到另一种平衡状态，这时称系统是稳 定的。 电力系统稳定性问题一般分为三类：静态稳定性( s t e a d ys t a t es t a b i l i t y ) 、 暂态稳定性( t r a n s i e n ts t a b i l i t y ) 、动态稳定性( d y n a m i cs t a b i l i t y ) 问题 3 3o l 、提高静态稳定性。静态稳定性是指电力系统遭受小扰动后，不发生自发 振荡和非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。在图1 2 单机一无穷大 大，使功角特性上移，这样就可明显提高运 d ，d z d ， 9 0 。 万( 。) 行功率特性，扩大稳定域，提高了静稳定储图1 3 功角特性曲线 备3 3 刀。 2 、提高暂态稳定性。暂态稳定性是指电力系统遭受大扰动后各同步电机保 持同步运行并过渡到新的或者恢复到原来的状态运行的能力( 通常指保持第一或 第二摆不失步) 。提高励磁系统的电压响应比( 即采用快速励磁系统) ，以及提高 励磁系统的顶值电压倍数( 即增加强励倍数) 可以有效地提高系统的暂态稳定性 3 4 7 1 a 3 、提高系统的动态稳定性。动态稳定性是指电力系统遭受小扰动后，在自 动调节装置和附加控制的作用下保持长程稳定运行的能力。提高动态稳定性主要 是通过附加控制抑制电力系统低频振荡来实现的。由于自动励磁调节器的作用， 电力系统机电振荡阻尼会变弱甚至变负，使系统发生低频振荡，有可能使电力系 统失去稳定性，在励磁控制系统中加入其他控制信号的附加励磁控制通道，可以 在不影响电压通道的电压调节功能和维持发电机机端电压水平的情况下提供正 阻尼抑制低频振荡，即所谓的电力系统稳定器( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ) ，简称 p s s 控制来实现”“4 1 。 第一章概述 总之，优良的励磁系统不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，而且 可以有效地提高发电机及其相联的电力系统的技术经济指标。 ( 三) 、其他作用 在电力系统短路故障期间和故障切除后，励磁系统可以通过强励作用提高 继电保护动作的灵敏度，维持系统电压、加速电压恢复；当在发电机或变压器内 部发生故障时，可以通过快速灭磁降低故障损失，改善电网中电动机的运行条件。 1 1 4 现代同步发电机励磁系统的发展 现代电力系统规模向跨区域联网发展，发电机组的容量也越来越大，同步 发电机励磁系统作为同步发电机的重要组成部分，对之的要求也越来越高。要求 励磁系统在快速性、可靠性、多功能性等方面更高，有更优的励磁调节性能、能 适应更多的运行工况、实现更多的附加功能如限制、报警、远程控制等。同时由 于现代励磁控制理论、计算机技术、电子技术的发展使这些要求有可能成为现实， 因而励磁控制技术有了很大的发展。从单变量输入输出比例控制到线性多变量输 入输出反馈控制，再到伴随控制理论发展起来的非线性多变量控制。具体的讲， 就是励磁调节方式从手动发展到了自动；调节功能从单一的电压调节发展到多功 能的励磁控制；调节反馈参量从单一的电压偏差发展到以电压偏差为主，附加了 电功率、角速度、发电机电流、励磁电流或励磁电压的偏差或他们的恰当组合； 调节规律从简单的比例反馈调节发展到p i d 调节、电力系统稳定器p s s 附加控制、 用线性最优控制原理设计的多参量反馈调节；从线性励磁发展到自校正励磁调 节、自适应励磁控制、模糊控制等非线性励磁调节。 1 2 同步发电机自并励数字式励磁调节器国内外发展现状与选题背景 1 2 数字式励磁调节器孺靴f 数字式励磁调节器就是用数字化微处理器和外围辅助电路加上控制软件实 现原来模拟式励磁调节器实现的功能，并且实现更加完善、复杂先进的控制功能 的装置。即用数字的励磁调节器代替模拟励磁调节器，见图1 1 ，只是将其中的 模拟式a v r 换为数字式的励磁控制器d e r ( d i g i t a l e x c i t e dr e g u l a t o r ) 。数字式 励磁调节器与模拟式的相比有许多优点： ( 一) 、采用了计算机控制，使得复杂的控制策略可以在励磁控制中得到实 现。可以实现模拟式调节器的线性p i d 调节、也可以可实现p s s 附加控制和非 线性调节、线性最优控制、自适应控制等，从而丰富和增强了励磁控制功能，改 善了发电机的运行工况。 ( 二) 、调节准确、精度高，在线改变参数方便、系统可升级性强。信号 处理、调节控制规律都由软件来完成，简化了控制装置。电压给定、放大倍数、 时间常数等控制参数都由数字设定，比由模拟元件构成的环节调整参数准确，参 4 篱章藏逑 数稳定性高，环境适成性强，信号处理和控制精度高。同时在线调熬设定参数方 便。 ( 三) 、控制灵活，功能强大，易于实现远端监控。数字励磁调节器可以在 融磁羧割孛实现完备酾袋制及僳护功能、遴惩瑟灵活戆系统功能、麓攀数操俘隧 及敬簿诊断功能。可强餐翁实现发电枫潼无功运 亍帮垣功率毽数运行、调差率在 线选择、过励欠励黻制、瞬时限制、定予电流限制、强励庋时限限制、电压 频率( v f ) 限制以及各种保护功能。通过通信总线、串行接口溅常规模拟量方 式方便灵活的接入电厂的计算机监控系统，便于远方控制和实现发电机组的计算 机绦会融调控制。 ( 嚣) 、可靠经盎孑，无故障工俸时闻长。毒于谖苇麓棒交软 孛实凌，减少了 硬件电路，提高了可靠性。还可以采用双控制器冗余运行，自动检测故障并自动 切换。 1 2 2 数字式励磁调节器的国内外发展 数字式励磁调节器陡8 0 年代中期开始嬲现，发震迅速，刘瓣蘸是止，国内 舞筠窍产最交囊；霄矫静产品主要畜a b b 公司、嚣霪电气、热零大g e 公司、 舆地利e l i n 公司以及德围s i e m e n s 公司等。这些产品的硬件一般自制专用控 制檄。加拿大g e 公司生产的s i l c 0 5 型数字式励磁调节器安裟在我国隔河岩水 电站的进口机组上，奥地利e l i n 公司生产的数字式励磁调节器膨用于十三陵抽 水豢越电站。这些数字式励磁调节器大多袋用p i ( d ) 调节，各种调节、限制功能 较究罄。溪内黪产燕窝一部分是蓬蠹一鎏攀经晕黧臻裁豹翅蠢裘囊囊讫疆究酝 1 9 8 5 年研制的w h l 型翮磁调节器采用8 位单片机秘p i d 控制；9 0 年代初期的 东方电机厂研制的c c s d k - 8 6 励磁系统，采用8 0 8 6 c p u ；以及清华大学等研制的 采用s t d 总线和8 0 8 6 c p u 的励磁系统以及河北工业大学1 9 9 7 年为2 0 0 m w 汽轮机 组掇供的多微枫励磁系缆。这些产品都各宥特点。 3 本文所 薮豹王伟 3 1 选题意义 对目前励磁系统理论的发展、应用以及实际开发、投入运行的装置情况的 资料搜集和分析，发现： ( 一) 、国内几乎所蠢的中小型发电机维( 包括已投入的和急需技术改造的) 述楚采惩模掇整澍羁绩统豹簿荤懿调节手段，这与基蘸豹电力电予菠本翡发震、 计簿矾控制技术在工她审的普及应用不太稳称。 ( = ) 、近年来同步发电机励磁理论的研究和发展很快，产生了一些新的控 制方法如p s s 的一些成熟方法，原来的模拟系统在运行中也积累了许多经验，应 用到数字励磁系统并投入运行的还不多，尤熬是在中小型机组中。 蒌一章穰述 ( 三) 、国内一些单位也由产品出现，假各有特点。就已有的国内数字式励 磁系统而言有的开发较昂，受当时硬件因索( 主要是微处理器) 和运行经验不足 的制约，功能和可靠性栩对不高，控制方法简单，未能更好体城数字化的优点； 遥卷浆开发数产品迮出装应爱移功熊靛弱瓣壤( 魄热容量覆盏嚣不广，产品类型 不多) ，两盈在实现方法上也可以有许多馥邋。另外，国丹的产菇价位太高，穗 对于目前需要改造的许多中小型机组不经济。 所以，对于数字式励磁调节器的研究与开发，还有许多工作可以做。 1 3 2 本文的工作与赏献 根据上述分极强参垮国走已投入使用豹数字励磁系统的经骏，以及当前鲍 帝搦簧求，本课题送嚣了黧下死方嚣静王佟： ( 一) 、控制算法上，采用了变结构p i d 和功率微分的p s s 附加控制的方法； 在交流信号的采样、滤波处理以及运算方筒掇出了新的方法，减少了硬件投入成 本；在辅助功能方面，撒据已有的运行经验，更加完善，使系统髓应更多的运行 工躐要求，并工程实现。 ( 二) 、在系绞硬终安臻主，为了撬警系统可靠缝，可嚣缀黢，采震了全数 字纯豹硬件设计，处理器采用了i n t e l 8 x c l 9 6 k x 的1 6 位m c 实现。同时考虑到电 力系统要求的高可靠性，为下一步实现并联冗余双通道互为备份留出接口( 由于 时间有限，本次设计暂时并未硬件实现此功能) 。 6 第二章同步发电机自并励励磁系统数学模型 第二章同步发电机自并励励磁系统数学模型 2 1 励磁控制系统概述 典型的同步发电机励磁控制系统控制框图如图2 1 所示，一般把励磁电源和 调节器叫做励磁系统，而同步发电机和励磁系统组成同步发电机励磁控制系统。 图中同步发电机为被控对象，对于自并励系统，励磁电源是指以同步发电机三相 机端电压为输入电源的三相全控整流桥电路。附加信号是指励磁限制和电力系统 稳定器等环节。以下几节为各部分传递函数的数学模型的介绍。 愕茹融卜 “三l 励磁功率 l h 篇卜一_ 电源_ il 一 | 附加信号 r i 1 ：二。：1 1 ； 自动励磁调节器 ii 一4 ： 1 壁垡墨堕1 ；励磁控制系统 。 图2 - 1 同步发电机励磁控制系统控制框图 2 2 自并励励磁调节系统各功能部分数学模型 2 2 1 同步发电机的数学模型 同步发电机的电磁过程比较复杂，很难建立一个全面统一的数学模型。从 用于分析励磁控制系统的角度出发，在忽略去磁效应时，同步发电机近似为一典 型的一阶惯性环节。传递函数： 旦盟：l ( 2 - 1 、 u ，( 5 ) r o s + l 其中倒为发电机端电压；u j ( s ) 为励磁电压；k c 为放大系数；t c 为发电机 时间常数。 2 2 2 静止晶闸管励磁电源的数学模型 对于自并励系统，接于发电机端的励磁变压器经可控整流后供给发电机励 磁绕组，忽略可控整流桥的换相压降，励磁变压器用比例环节模拟。即有 第二章瓣步发迤极盘并融黜磁系统数学模型 u t = k ( 2 - 2 ) 基潮警勋磁系统的功率蟪如部分为电压源一三棚全控桥式整流电路，其原 理图觅黼2 - 2 ，校据运行工况的不丽爵在整流或逆交掰秘方式下工作。忽避换鞠 电抗和元件正向压降，并认为抉棚工作状态不变，在负载为同步发电机的励磁线 霞时，整流擎元蠡每表达式为： u 。= 1 3 5 u c o s a ( 2 3 ) 其中：酶为输蹬矗浚窀惩；酾为输入交浚惫压线电压有效臻；搿为以翅然抉辐 角为起点的控制角。 ￥，露孓了1 交差珀l吩 “ | l v t 乱蔓i j l 圈2 - 2 鑫阕餐三提全绞糖式熬浚电源鞭理图 穗态时的励磁电流平均德表达式为： 驴， ( 2 书 其中墨为励獭绕组酗路的电隧。 2 2 。3 黝磁调节器的数学模型 ( 一) 、毫压测餐与调蓑革元 奄悉测藩肇元撼发电枧端奄匿照璞矮( 搬降压、婺漉、滤波) 与缭定奄嫒 锄进行院较，箕偏整镳作为控翻信号送到放大筚元。海予整个懑嚣测餐萃元总 黪滞惹醚闲姚较，j 、，为了麓化计算，一般题一黔溪蛙环节表示，其等值时闽零数 为致 黥固0 6 s ) 。调麓肇元及憩压 ；1 4 爨单元豹数学模型懿霉2 - 3 辑示。 警发电枧之间燹嫩挽势联运行时，为了馊季且缓之润鲍无功功率稳定的分配， 融磁调节器都要萼l 入溺麓环节，它弓 入发电撰端熬电压、邀滚，经过逡当黪鞠位 聚合，其输疆电压珏熊够爱映爱功电滚麴影响，获褥个寇调整率的步 特憔， 嬲数蠢 磙叫u 。+ j 幕。，s 2 5 ) 8 蔡二章同步发电机自并励励磁系统数学模型 u q 图2 - 3 调差环节及电压测量环节的数学模型 ( 二) 、放大单元 爨毫莲涎量擎元送采豹德差信号玩，较徽翁，为诧设畜放大零元，萁数学 模型通常用一阶惯性环节袭示，如图冬4 所示，其放大倍数为而，时间常数为 霸。 纠直l + s lb叫p 凰2 - 4 放大犟元的数学模型 灏磁调繁器孛静凌率攀元可控整流桥氇楚一令霹阕延逡环节。麓延遮对秘 很小可忽略不计，或者并入放大环节：典增益也并入放大环节。 一般电予放大器( 包括可控整流轿) 的时间常数乃c o 0 5 s 。 ( 三) 、藏磁系绫稳定器 必了提高励磁控制系统的稳定性，改装其调节品质，通常设肖串、并联校 委攀元，箕鼗学模蘩分裂熬灏2 5 囊示。奁签2 - 5 瓣串联校溅攀元中，逶当选取 n 乃，例如t 2 = ( 5 1 0 ) 乃，t 4 = ( 1 5 i 1 0 ) t 3 ，即可得到滞后一超前 特性，或者称为p ，d 控制规律。其中第一个环节如果为篓z f ! 墅迫它就是 獒鳖戆掰琢节。 “2 11 | 蜘乏| 螂夏| 图2 - 5 励磁系统稳定器的数学模型 2 。3 囱弗励励磁控制系统传递函数数学横毅 现代实舔豹系统中，爨羚疑纛磁控涮系绫终暹函数静鼗攀模登胃冤圈2 - 6 。 图中的鬃为标幺值，其中i 。置。s i n 乒指调麓环节的一种实现方式，附加环节的包 攒窀力黎统稳定器( p s s ) 、过翦蔽裁器( o e l ) 藤欠藏疆肇8 嚣( u e l ) ；荚德环 节含义与前述相同。 簪 第二章同步发电机自并励励磁系统数学模型 图2 - 6 白并励励磁控制系统传递函数数学模型 p 扎) 2 4 数字式励磁调节器的描述 数字式励磁调节器的参考输入是存储在微处理器随机存储器( r a m ) 中的 一个数值，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 电机的输出电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 换器转化为数字量。给定的参考值与反馈量之间的比较通过微处理机中的数学运 算程序完成。比较结果作用于储存在微处理器中的控制逻辑程序，用以完成预期 的控制算法。 在数字式励磁调节器中可实现复杂的控制运算。传统的控制算法包括比例、 积分即所谓p i d 算法等，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。 数字式励磁调节器的人机接口功能的通用方式是通过键盘和显示器，通信 功能有串行通信等。通信的数据有输入值、输出值、给定值、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，也可直接控制设定励磁系统的各变量，使系统处于特定 的运行状态。 数字式励磁调节器中的参考给定调节，如发电机电压整定、手动励磁整定、 无功机功率因数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 者直接通过发电机厂的计算机控制网络对上述各数字将进行调节。 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 o 第二章同步发电机自并励励磁系统数学模型 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 序的将故障部分解除。数字系统的参数易于设定，可显著减少励磁系统现场调试 的时间及工作量。 篓兰童鎏皇茎墼篓塑羔鎏变壅墼蕊墼墨叠整粪鎏一 第曼霉数字式励磁调箍器方案的选觏及憨傣设计 3 。 黝磁系统技术规范 3 。 。 纛援调整楚黧 对予手淤嗽藤谎整范戳，通常技术拔援淹簧袋遴行。设计中驽纛以下掰点： 籀，调熬辍辫袋傣蘧。对于囊瓣系绞，鲻劢磁电源受发魄槐魄蘸豹影响，在设 诗中液毽支援锻装鬣能恶鬻互俸对应瀚发电飘感援最低蘧髂为设计琢劐。籀二，谲 熬篷瓣簸篱馕。撼供爨漆嫩磁瞧压蠖时弱豢髂濑磁客鬣盛德予融磁蛙源交聪器戏 獭磁穰瀚容曩；麟磁魄滚可撬供与鬣巍粒磁憩簸对瘦的魂攫缓。囱韵电援灞节器 a v r 的龟糕给建漶濑，避常巍( 8 0 1 1 0 ) u 6 v 。 3 ， ，2 黝磁系统越嚣灏凌琵和强獭僚数 电篷桶感院又拣必励磁彀援平均上升速度，印在援激动作薅最秘驰o 。5 s 时闼 内，啜医上嚣速鹰僚特幂变，戳被建躜3 。l 孛 嗣波线代替实鼯上舞龋线( 实图中骤影部分上 下镒襁樱蒋) 惑压溺鹿魄瓣按下式诗冀： 曦惩q 自皮耽；垒皇l o - 5 x u “ 逡耀、5 s 鼹潮斑豹媳燕平鞠主野遮袋， 戆强为在魄力系统遭受大扰动之簸，鬻摇攒 耩麓弼达攒漳黪鳟润一黢为o 5 o 。酝，在这竣 时趟蠹，瑟墩曦难速度上升。 鬻3 一l 强融试验墩题上升魏绞 在袭电视额定转速下带额定氮载辩，辩辩磁控制系统佟强行耢磁试验，哥 以获褥发魄钒转予魄鹾鹊上舞蘸线，魏圈3 - 1 鼹汞。图中知必额麓灏磁曦惩， 知为励磁奄压的稳态矮大罐，又称穗态骥毽意愿。强触倍数按下式诗爨： 强瘸结数一稳态溪罐避露锄额窥獭磁电攫魄 3 。 3 想湛压变化辜 对予鲍铆接毒8 方式，蕊疆聪交纯率玲瀚磁系统嚣综台特熄所狭宠。巍燧3 - 2 辨示的翩磁系统购方禧鼹中，a v r 戆增懿与综合息联变纯搏之燃霄如下麴关系： 叱= 鬻ik k i ) 8 十。 式中；u g r 。f 一魂送设定毽； 1 2 第三章数字式励磁调：俗器方案的选取及总体设计 a u 。一发电机电压偏差值； 函a v r 增益； 肠一发电机增髓； 盎嚣m 一发电橇空载帮额定受载对熊励磁龟疆差( p 船) 。 图3 - 2 计算发电机电压变化率时比例式励磁控制系统方框图 对于毖铡积分接制方式，由予积分馋罴，憨魄压变健率基本上为零镶。瞧 烧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补偿，在这种线 路中应设褰积分锪窝限卷i 。 3 1 4 最大电压上升率 在图3 3 中示出了当发电枕受载突然变健黪瓣最大电愿上舞波形墨。在 = 0 瞬间的电压跳跃值a u 与励磁方式无关，只取决于发电机的参数及运行初值。 冀后，端电压u ( o 的变化与励磁系统的响应特性蠢关。 初始值 图3 3 最大电压上升波形图 3 1 ，5 嵩起始响应励磁系统 从励磁系统的信号输入端加阶跃信号进行实验，从施加阶跃信号起开始计 时，到励磁电压达最大值与额定馕之差的9 5 为止，如果这段时间小于o 。l s ， 就称该弱磁系统为高起始响应励磁系统。遂是针对电压上升过程丽作的定义，对 于电压下降的情况，例如快速减磁，则以励磁电压由额定馕减小到零的时间小于 0 。1 5 s 来定义。高起始晌藏励磁系统通常搿它静碲应爵黼采表示龟援嗣应比( 帮 电压上升速度) 。 3 2 系统性能指标要求 3 ，2 。 对发电枕黝磁控刳系统鼹要求 按照我国的标准，有以下几点要求： 第三章数字式励磁调节器方案的选取及总体设计 ( 一) 、保证励磁控制系统的运行稳定性。发电机稳态电压精度不低于0 5 1 0 ；无功谖差范蘩：汽轮极缰为1 0 ，东轮瓿缀为 5 。 ( 二) 、发电机对电压随频率的变化臻小，当频率变化为1 时，电压变化 小于0 2 5 。其骞莛好鲍凌态鑫艨：在1 0 除跃蘩号鲶入时，发奄瓿端惫压豹 超调量不超过5 0 ( 快速励磁系统不超过3 0 ) ；振荡次数不超过3 5 次；调 节鞋重阈：汽轮发电提组不大予1 0 s ，承轮极鳃不丈予5 s 。蠲额定受簸时趣调耋不 大于1 5 2 0 。 ( 三) 、发毫橇在各耪运行方式下，灭磁开关虚能可爨灭磁，著且不产生过 离的电压。由于发电机是被控制对象，给定后不能再换，必须依靠励磁电源和调 节器来满足整体要求，所以对他们也分别提出要求。 3 2 2 对励磁电源的要求 ( 一) 、励磁瞧源要露足够的调节容爨，以邋鹰各秘遮牙方式的要求。 ( 二) 、励磁电源要提供足够的强励倍数和电压上升速度。强励倍数2 倍， 强励允许时间；空冷方式的极组为5 0 s ，水内冷等其他方式只能为1 0 s ( 水轮瓿 组可为2 0 s ) ；电聪上升速魔( 电雁响应眈) 不小于2 倍，s 。 3 2 。3 对励磁调节器的要求 ( - - ) 、其有较小的时间常数，励磁调节器总的等值时间常数不大于o ，0 5 s 。 ( 二) 、为保证闭环控制系统的稳定燃和良好的动、静态性熊指标，应采取 适当的控制规律和必要的校正措施，如p i d 控制、转子电压负反馈等。快速励 磁系统应配置p s s 或多变量控制裟黄，以剥于电力系统稳定性的疆求。实现励 磁控制多功能的其他控翻规律。 ( 三) 、采取必要的照制措施以保证熬体系统的可靠一漩，例如防止转予过电 篷的磁磁过电压黻铡；防止转子过载的转予过电流限铺：防止失磁的最低渤磁电 流限制等。 3 3 励磁调节器控制方案的确定 3 。3 ， 数掌式励磁控糍器的几萋枣控制方寨及蟪点”昭 目前数字励磁控制器中控制方法的设计在理论上主要有三种方法：p i d + 附 热励磁控制，即聪搬电力系统稳定嚣( p s s ) 控制、线性最优齄磁按制和j 线性 ( 最优) 励磁控制。遮三种方法在控制方法和理论上备有特点。 p i d + p s s 控制器方絮，这秘方法中主要控制袋用p i d 调节，对于簦态稳定 性和静态稳定性以及主要按制目标都能达到一个很好的效果，再加上辅助的p s s 控制来抑制系统低频振荡，是一静遥月有效蠹每控制方案。设计时先按励磁系统的 基本要求筑成p i d 控制的设计，在此基础上再进行p s s 控制的设计，先选取典 型运行点( 一般可选择满载、低力率) ，建立电力系统的非线性方程组，然后将电 1 4 鼙三攀数字式撼磁调节嚣方案瓣选褒及慧 搴设嚣 力系统的非线性方程缀线性化，进行设计得出一组能满足提高动态稳定水平目 标，并有良好适应性的p s s 参数。文献 8 对单机无限大母线系统进行的p s s 设计结果表明，p s s 不但可以使有快速励磁系统的动态稳定水平提高到线路极 浆，蠢且可蚨使畜露攥黝磁系统时的动态稳定承平提毫到线鼹极强，适应性也j 鬻；| 孑。 线性最优励磁控制方案，与p i d + p s s 控制方式的设计原则不同，线性最优 励磁控制设计的基本原则是同时确定发电机电压调节通道和其他附加励磁控制 通邋的增益。主要设计方法是，选取一运行点，建立电力系统的非线性方程组， 将嚣线性方程组线性化磁建立电力系统线靛化状态方程组，然簿爝线性最优控制 静竣诗方法，衷褥毫藤灞节逶遭及萁氇辫热秘磁控毒l 逶遂戆最貔罐益。 非线性最优励磁羧制方案，在非线槛鬣优励磁控制设计中，设计原则是只确 定附加励磁控制的规律和参数( 这里仍将电聪控制称为主要控制，将萁他控制称为 附加控制) 而不涉及电膳调节，在改进的非线性励磁控制设计中，则在附加励磁 控铷的参数选择完成嚣，在运行点的小范围内考虑电压调节。将魄力系统动态稳 定浚疆毫裂要求夔求乎，瞧设诗中不诗及惫聪调苇夔要求。谈诗方法是选取一运 行点，建立电力系统的菲线性方程组，采用微分几何设计方法，将非线性系统线 性化，再用线性最优控制理论求出其最优反馈增益，即各附加励磁控制信号通道 的增蓣。 3 3 2 数字励磁控制器的控制运算方寨晦确定 这三季孛控割方法簌竣计上有共霜煮瞧蠢不同点。 共同点是( 1 ) p i d + p s s 控制中的p s s 、线性最优励磁控制和非线性( 最优) 励磁控制，都以提高电力系统动态稳定性为设计目标。( 2 ) 设计都是在发电机并 网遮行条件下完成的。 不闲点有；( 1 ) 魄愿调节通道处理方式不同。电噩调节遵邋是产生受难尾 莒溺、影璃动态稳定瞧弱最重要因素之一，貔孬正确处理，辩浚诗与实际涛援翁 符含程度有重要影响。猩p s s 设计中，把电压调节通道确认为主调节通道，是 在电压调节通道设计完成的情况下进行的。设计中充分考虑了电聪调节通道对动 态稳定性的不利影响，p s s 参数是在有了电聪调节作用条件下确定的。结果是既 僳诞了电压调节的要求，又满足了动态稳定能的要求，是簿合发电机励磁控制系 统豹实舔 孽凌察迄力系绞要求豹。在线往最後弱磁笈翻设诗孛，浚蠢臻定电压疆 节通道的主导地位，只潋权系数方法予以考虑。其结果虽然能满足动态稳定性的 要求，但能否满足电压调节的要求( 电压调节精度和空载稳定性镣) 还不能确定。 在非线性( 最优) 励磁设计中，或者不考虑电雁通道的作用，或者在计算确定附 加励磁控制的参数后髯选择电压调节通道豹参数。显然，这样做的结暴是，必须 整三要墼兰基励堕塑堇登壅壅箜鎏塾墨璺整堡生 在考虑了电压调节通道的负阻尼作用后对原来计算得到的附加励磁控制信号的 参数重瑟骖正。( 2 ) 藏磁繁统攫瞧繇节数处理方浚不露。瓣磁系绕各拜节夔臻萑 对电力系统动态稳定性和附加励磁控制信号的参数选择有重要的影响。在p s s 豹凌计中，在把麟磁系统鑫令环繁戆馒性酆考虑逡去豹务 譬下，袋褥萁参数。盈 此，它可以用于快速励磁系统和常规励磁系统。文献【6 】的结果证明了这一点。 在最饯( 线性秘 线牲) 殿滋控剁载没诗中，路去了裁磁系绕夔赝鸯环节斡攒瞧。 因此其适用的系统只是理想的快遴励磁系统，因为在实际的快速励磁系统中，各 控制售号躯测量环节帮功率放大环节邦鸯定豹时闼掌数。最傀励磁控剑的设诗 输出结果，既是励磁控制器的输出，又是发电机的励磁电压。实际上 u f d 4 瓯，獒闯还蠢一个功率放大环节，对予快速励磁系统，赂去放大环节的惯性 时，可近似地认为= 【。对于有励磁机( 时间常数为弛) 的励磁系统，这样处 理不能反映实际情况。( 3 ) 对电力系统非线性方程组的处理方法不同。在p s s 和线性最优励磁控制的设计中，把电力系统非线拣方程组在运行点线性化，形成 线性化方程组后辫设计控制参数。这会造成设计参数的误熬，但不会造成黧大误 差。在非线性励磁控制的设计中，采用了微分几何设计方法，而不采用线性化方 法，更能反映出电力系统的非线性特性。设计中，也有假设羁= 五，但此假设 也必然带来误差。( 4 ) 适应性的设计方法不同。有良好的适应校矩对励磁控澍 系统的要求，尤其是对附加励磁控制的要求。因此，在设计附加励磁控制时般 不要求在蒹个运幸亍点有最伉的结采，丽是囊求在电力系统遮行方式发生变化对， 有良好的适应性( 鲁棒性) 。文献 3 1 1 7 1 中说明了p i d + p s s 的控制方式比a 隧性 控制有更好的适应往。 在p s s 的设计中，最然只取了一个逡行点进行设计，但是在设计中间时又 考虑了运幸亍方式交诧露可麓产生静影昀。这种影确，主要潦遗采焉瀚定参数选择 下有良好的相频特性来达到的。因此，其结果有良好的适应性。在线性最优励磁 控潮凌诗中，采爨潋菜一瞧戆指标疆，l 、为簧求，求褥控裁参数， 嚣没有考懑氇无 法考虑当系统运行方式发生变化时改变参数。在非线性( 最优) 励磁控制设计中， 王是舒对莱一运彳亍点求褥捺嶷参数。毽它楚有条转瓣，该缀设条 孛与毫力系统熬 实际情况不符，因此必然带来很大的误差，其控制的适应性比p i d 十p s s 控制的 逶褒洼要熬刚f 。 综合上文的比较，在励磁控制系统中电压调节通道应该占主导地位，是主 要逶道。程瓣秀羹庶磁控铡遴遵夔设砉卡中，斑该恕邀嚣调节逡遴匏俸耀考虑避去， 以减少设计结果的误差。p i d + p s s 控制，通过p s s 优良棚频特性的设计，可以 毒缀好款遗应性。豳挂，p i d + p s s 控制与最扶磊i 磁( 线性雾匪 线憾) 控裁提晓， 可以应用于快速励磁系统和常规励磁系统，设计方法简单适应性强，对于工程实 第三章数字式励磁调节器方案的选取及总体设计 现而言，应优先加以考虑。 因此本设计从实用的角度出发，对于数字式励磁控制器的主要控制方法采 用p i d + p s s 控制的方法。 3 3 3 数字式励磁调节器调节运行方式 数字式励磁调节器由于具有功能丰富、修改灵活的软件系统，可以适应发 电机或电力系统的不同运行工况需求。因而有多种调节运行方式。 ( 一) 、恒机端电压运行方式该方式为发电机励磁系统闭环自动调节方式。 在此种运行方式下，数字励磁调节器的首要任务是维持发电机端电压恒定。一般 是将发电