（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的300mw同步发电机励磁系统研究.pdf

基于d s p 的3 0 0 m w 同步发电机励磁系统研究 a b s t r a c t t h ee x c i t a t i o ns y s t e mi sav e r yi m p o r t a n tp a r ti np o w e rs y s t e ma u t o m a t i o n i t a f f e c t sd i r e c t l yg e n e r a t o f0 p e r a t i o n sr e l i a b j l i t ya n de c o n o m i z a t i o na n dp o w e rs y s t e m o p e r a t i o n ss t a b i l i t y t h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no fe x c i t a t i o ns y s t e ma n dt h e r e s e a r c ho fe x c i t a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yh a v ed e c i s i v ee f f e c tt og e n e r a t o ra n do v e r a l l p o w e fs y s t e m t h ep a p e rd i s c u s s e st h et o p o l o g yo fm a i nc i r c u i ta n dt h ew o r kp r i n c i p l eo f a s s i s t a n tc i r c u i ti n d e t a i la c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i co fa3 0 0 m w s y n c h f o n o u sg e n e r a t o r i no r d e rt oe n h a n c et h ec o n t r o la c c u r a c ya n dr e a l - t i m ea b i l i t y o ft h ee x c i t a t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e sd e s i g no f e x c i t a t i o nc o n t r o l l e rb a s e do nd s pa n dt h ec o n t r o l l e rs a t i s f i e sd i f f e r e n tw o r ks t a t e g e n e r a t o r sr e q u e s ta b o u t c o n t r o lf u n c t i o n0 fe x c i t a t i o ns y s t e m s e c o n d l y ，t h i sp a p e r h a se x p a t i a t t e dt h ee x c i t a t i o nc o n t r o lt h e o r yo fp i d + p s sa n d l o e ca n da n a l y s e si m p e r s o n a l i t yt h e i re x c e l l e n c ea n ds h o n c o m i n g t h ep a p e rb r i n g s f o r 、v a r dt h ei d e ao fs y n t h e s i se x c i t a t i o nc o n t r o la c c o r d i n gt ot h e i re x c e l l e n c ea n dt h c i d e ah a sb e c o m e dt r u eo nm i c r o c o n t r o l l e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a ts y n t h e s i s e x c i t a t i o nc o n t r o lh a sw e l lp e r f o r m a n c ea n de n h a n c e st h ec o n t r o lp r e c i s i o n m e a i r h i l e ， t h ep s sa r i t h m e t i ci sa m e l i o r a t e di na l l u s i o nt ot h er e v e r s ec o n t r o is h o r t c o m i n go ft h c s i n g l ep a r a m e t e rp s s t h er e v e r s ec o n t r o li sr a v e l l e do u ta n dt h ep s sp e r f b r m a n c ei s e n h a n c e dt or e s t r a i nt h el o wf e q u e n c yo s c i l l a t i o n s f i n a l l y ，t h ep a p e rd e d u c e st h em a t h e m a t i c se q u a t i o n s0 fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r v o l t a g eb u i l d - u pa n dd e e x c i t a t i o na c o o r d i n gt og e n e r a t o rp a r kd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s t h ep a p e re s t a b l i s h e st h es i m u l a t i o nm o d e l so fv o l t a g eb u i l d - u pa n dd e e x c i t a t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e na n da n a l y s e d ，t h eu s e f h lc o n c l u s i o n sa r eg a i n e d 1 艮yw o r d s ：s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ； e x c i t a t i o ns y s t e m ； t h r e e - p h a s ec o n t r o u e d r e c t i n e r ； s y n t h e s i se x c i t a t i o nc o n t r o l ； d s p h 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：知捉毒厶眺啡f 月卢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期山弼年月扣日 日期易撂年月口日 硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题背景及意义 随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模越来越大，保证系统运行的可靠 性和稳定性，提供合格的电能质量和良好的动态品质，对国民经济和人民生活具 有极为重要的意义。为了达到提高系统稳定性和改善运行质量及动态品质的目的， 采用控制发电机励磁的方法比采用其它方法具有明显的优越性，它不仅节约投资， 而且在系统正常运行中能起到其它措施起不到的作用。 发电机励磁系统是电力系统控制的重要组成部分，它直接影响着发电机的运 行可靠性、经济性和系统运行的稳定性。无论是在稳态运行还是在暂态运行过程 中，发电机的运行状态都在很大程度上与励磁有关，励磁系统性能的好坏直接影 响到发电机及电力系统运行的可靠性与稳定性【1 1 。其重要性体现在如下几个方面： ( 1 ) 控制机端电压及系统电压 在发电机正常运行工况下，励磁系统应维持发电机机端电压在给定水平。当 发电机负荷变化，机端电压随之变化时，励磁系统能相应地调节励磁电流使机端 电压恒定。电力系统的电压水平由系统中无功电源发出的无功总和与负荷所消耗 的无功总和之间的平衡关系决定。当系统出现短时低电压时，励磁系统可发挥调 节功能，大幅度的增加励磁电流以提高系统电压。 ( 2 ) 控制无功功率分配 当发电机并入电力系统运行时，它输出的有功功率决定于由原动机输入的功 率，而发电机输出的无功功率则和励磁电流有关，调节励磁可改变发电机的无功。 实际运行中，改变励磁会使机端电压和输出无功都发生变化，但端电压变化较小， 而输出的无功有较大的变化。 ( 3 ) 提高发电机并联运行的稳定性 电力系统可靠运行的基本条件是并入系统的所有机组保持同步运行。系统运 行中常会受到各种扰动，此时若机组能够恢复到原来的运行状态，或者过渡到一 个新的运行状态，则系统是稳定的。根据扰动的性质不同，电力稳定问题可分为 静态稳定、暂态稳定、动态稳定。励磁系统对这三类稳定的改善都有显著的作用。 ( 4 ) 励磁系统还有助于提高继电保护动作的灵敏度、实现快速灭磁、提高系 统电压稳定性和改善系统电压分布等。 研究和设计发电机励磁控制系统一直是从事电力行业的学者和工程人员关注 的课题，它的优化和发展对发电机乃至整个电力系统的运行具有决定性的意义， 因此本课题的研究是具有理论意义和实用价值的。 基于d s p 的3 0 0 姗同步发电机励磁系统研究 1 2 励磁系统的基本类型 同步发电机一般采用直流励磁，以恒速运行为基本约束，是与原动机构成钢 性连接的机电耦合系统f 筋。发电机的端电压和输出的无功与发电机的励磁电流紧密 联系在一起。励磁系统一般由两部分组成：即向发电机的励磁绕组提供可调节的 直流励磁电流的励磁功率单元和励磁调节器。励磁调节器根据发电机及电力系统 运行的要求，自动调节由功率单元输出的励磁电流。具体的励磁系统介绍如下： ( 1 ) 直流励磁机系统 电力系统发展初期，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，即直流励磁机方式。随着机组容量的提高，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。 ( 2 ) 半导体励磁系统 2 0 世纪6 0 年代初国外开始在中型发电机上采用交流励磁电源加半导体整流 器的励磁方式，并得到普遍应用。目前，半导体励磁己成为励磁方式的主流。根 据励磁电源的不同，半导体励磁系统又分为他励半导体系统和自励半导体系统【3 1 。 1 ) 他励半导体励磁系统 对于他励半导体励磁系统，励磁电源取自发电机以外的独立的并与其同轴旋 转的交流励磁机，故称之为他励。根据交流励磁机的数量以及整流器是旋转的还 是静止的，分为他励静止硅整流系统、他励静止可控硅整流系统、他励旋转硅整 流系统、他励旋转可控硅整流系统等。下图1 1 是他励系统的一种，即交流励磁机 自励恒压他励式可控硅励磁系统。 2 ) 自励和自复励半导体励磁系统 对于自励和自复励静止半导体励磁系统，其励磁功率电源，采用系统静止的 变压器作为电压源及静止的变流器作为电流源。由电压源或电流源构成的励磁系 统，统称为自并励静止励磁系统；由电压源和电流源复合构成的励磁系统，称为 自复励静止励磁系统。根据电压源、电流源的不同连接方式，自励和自复励静止 励磁系统分为自并励可控硅励磁系统( 如图1 2 所示) 、相补偿自复励系统、交流 侧串( 或并) 联自复励系统、直流侧串( 或并) 联自复励系统等。 图1 1 交流励磁机自励恒压他励系统图1 2 自并励可控硅励磁系统 2 硕士学位论文 1 3 励磁控制方式的发展 第一阶段主要是按照机端电压的偏差进行比例调节的方式，该方式仅适用于 容量小于1 0 万千伏安的发电机组。随着单机容量的增大，古典控制方式已不能很 好满足大电力系统对于抑制振荡、提高微动态稳定极限及电压调节精度等方面的 要求。于是p i d 控制被提出，即在比例控制的基础上叠加积分和微分量控制。 第二阶段是上世纪6 0 年代随着功率电子元件和技术的发展，快速励磁系统得 到广泛应用。为了改善p i d 励磁控制在调解精度和稳定性间的矛盾以及在提供人 工阻尼方面的不足，美国学者采用相位补偿原理于1 9 6 9 年提出了电力系统稳定器 ( p s s ) 的辅助励磁控制策略，从而形成了p i d + p s s 励磁控制。运行实践证明 p i d + p s s 控制对抑制系统振荡，提高系统微动态稳定性及维持机端电压能力方面 具有明显的优越性【4 1 。所以，第二阶段即称为“p i d + p s s 控制阶段。 第三阶段：随着现代控制理论的发展，运用现代控制理论进行电力系统运行 性能的最优化控制的研究工作有了迅速的发展，对如何按最优化的方法设计发电 机励磁控制器也取得了不少研究成果。在研究了线性最优控制系统设计原理的基 础上，采用二次型性能指标，设计了发电机线性最优励磁控制系统，该系统能够 在设计运行点附近保证系统的最优运行【5 1 。但关于最优控制性能指标、权矩阵q 的选取及最优反馈增益矩阵k 是否需在线整定的问题仍需进一步研究。 第四阶段：随着电力工业的进步，电力系统已发展成为一个巨维数的大系统， 它具有强非线性、时变性且参数不确切可知，并含有大量未建模动态部分【6 j 。因此， 如何有效提高励磁控制器对电力系统的强非线性和时变性的适应能力成为现代励 磁控制器设计的主要任务。在这一阶段，自适应控制、非线性控制、鲁棒控制以 及智能控制等理论相继被引入励磁控制系统的设计当中。目前，这些控制方法大 多尚停留在仿真计算阶段，少数应用实例也仅是一些简单的实验性尝试，欲推广 应用，还有大量的实际问题需要进一步的研究和解决。 1 4 励磁调节器的发展概况 ( 1 ) 早期的调节器为振动型和变阻器型，均具有机械部件，即机电型调节器。 ( 2 ) 上世纪5 0 年代，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。 ( 3 ) 2 0 世纪6 0 年代初期，随着半导体技术的发展，电力系统开始采用由半 导体元件组成的半导体调节器，通常用于他励交流励磁机系统。 上述的电磁型、半导体型调节器，均属于模拟式调节器，其电压偏差的测量、 综合放大、移相触发与调差环节均由相应的硬件完成。要实现自动升压、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 3 基于d s p 的3 0 0 m w 同步发电机励磁系统研究 件电路。所以，其元器件大大增加、电路复杂、运行操作繁琐、维护困难。 ( 4 ) 目前，由于大规模集成电路和微机技术的迅猛发展，由硬件和软件组成 的微机励磁调节器已得到完善的开发与应用。在微机励磁调节器中，电压偏差的 计算、移相触发、调差单元、自动零起升压、低励限制、过励限制、p s s 等控制 功能，都可以由相应的软件来完成。同时，各种控制功能都可以根据需要合理的 组合，十分灵活。大量的应用实例证明，微机励磁调节器有以下优点： 1 ) 复杂的控制策略可以在励磁控制中得到实现：除了可以实现p i d 调节、p s s 附加控制外，还可实现模拟调节器难以实现的线性最优控制、非线性控制等。 2 ) 调节准确、精度高、在线改变参数方便：在数字调节器中，信号处理、控 制规律都由软件来完成。简化了硬件装置，增强了信号处理能力，提高了控制精 度。电压给定、放大倍数、时间常数等参数都由数字设定，参数整定更精确。 3 ) 可靠性高：由于采用双微机自动跟踪，两个通道互为热备用，可实现自动 切换。可在正常运行情况下检修备用机，在软件中实现自诊断和自复归功能。 4 ) 通信方便：可以通过通信总线、串行接口方便灵活地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综合协调控制。 我国数字式励磁调节器的研制开发比较早，上世纪8 0 年代初就有一些电力科 研单位和高校开始研制数字式励磁调节器。首先投入运行的是电力部电力自动化 研究院于1 9 8 5 年研制的适用于大中型发电机的w l t - 1 型励磁调节器。w l t - 1 型 励磁调节器以8 位单板机为核心，采用p i d 调节。经过1 0 多年的努力，在设计、 生产和运行方面已积累了丰富的经验，数字式励磁调节器的优良性能在实际生产 运行中日益显示出来。 在国外，a b b 公司、加拿大g e 公司、奥地利e l i n 公司及德国s i e m e n s 公 司等均可提供数字励磁调节器。a b b 公司曾为我国石洞口电厂、李家峡电厂、哈 尔滨电厂等提供数字式励磁调节器。奥地利e l i n 公司的数字励磁调节器应用于十 三陵抽水蓄能电站。这些调节器多采用p i d 控制，各种保护、限制功能较完善。 1 5 本论文研究的内容 本论文从3 0 0 m w 发电机组的技术特点及其对励磁系统性能指标的要求入手， 对大型机组励磁系统的基本类型、控制方式、控制策略进行全面的分析与研究。 选用t i 公司的微处理器l f 2 4 0 7 芯片作为控制核心实现励磁系统的各项功能，通 过发电机稳态运行实验，电压阶跃响应及起励、灭磁等实验，检验励磁系统和控 制器的性能。具体包括以下几方面的内容： ( 1 ) 详细阐述同步发电机励磁系统的基本类型，根据大型机组的运行特性选 取自并励励磁方式。在此基础上进行励磁系统整体方案确定，完成励磁功率单元 和辅助电路的设计及元器件选型。 4 硕士学位论文 ( 2 ) 对励磁系统的控制方式和控制策略进行研究，全面论述p i d + p s s 控制与 l o e c 励磁控制算法及微机实现方法，确定各种反馈状态量的测量、计算及辅助励 磁控制功能的实现。 ( 3 ) 完成基于d s p 的微机励磁调节器硬件电路的实现与调试。编写控制软件 并进行性能测试，以实现p i d + p s s 与l o e c 相结合的综合励磁控制算法。 ( 4 ) 利用同步发电机p a r k 微分方程，推导发电机起励与灭磁的数学方程。在 m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下，建立起励与灭磁的仿真模型，并完成相应的仿真及 结果分析。 ( 5 ) 通过实验环节测量励磁系统的运行数据，记录系统调节时各参数的稳态 和暂态波形，对各控制环节的参数进行在线整定与优化。最后，分析实验结果， 得出系统的控制性能，针对系统的不足之处进行改进。 励磁系统主要性能指标： 调压范围：自动调节：1 0 。1 2 0 手动调节：5 一1 3 0 ； 调压精度：不大于空载额定电压的0 1 ； 调差范围： 1 5 ，级差0 1 ； 调压速度：0 5 一1 额定空载电压s ； 响应时间：上升值o 0 7 s 、下降值o 1 2 s 、电压响应比2 o ； 阶跃响应：超调量阶跃量1 5 ，震荡次数小于2 次，时间小于4 s ； 1 0 0 零起升压：1 1 0 空载额定电压，震荡次数小于2 次，时间小于8 s ； 移相范围：1 0 0 一1 5 0 0 ： 5 基于d s p 的3 0 0 m w 同步发电机励磁系统研究 第2 章发电机励磁系统方案分析 励磁控制系统是由励磁功率单元、励磁控制器和同步发电机共同组成的反馈 系统。励磁功率单元和励磁控制器组成的系统就是人们通常所说的励磁系统。励 磁系统是同步发电机自动控制系统的重要组成部分，直接影响着发电机的运行特 性，对电力系统的安全、稳定运行有重要的影响。它不仅控制发电机的机端电压， 而且控制发电机的无功功率、功率因数等参数。 本章将根据3 0 0 m w 大型火电机组的运行情况，采用自并励励磁方式，对励磁 系统主回路拓扑进行详细的阐述，并进一步论述励磁功率单元、起励、灭磁、过 电压保护及相关电路的原理、设计、参数计算、元器件选取等内容。 2 1 励磁系统整体方案论述 本文所论述的励磁控制系统如图2 1 所示，采用自并励励磁方式，由主电路和 励磁控制器以一定的设计参数进行有机的结合，构成一个性能满足一定要求的发 电机励磁系统。主电路包括励磁变压器、功率单元、起励、灭磁等部分。励磁变 压器为发电机励磁系统提供动力电源。功率单元采用三相桥式全控整流电路，由 励磁调节器控制整流触发角口的大小，调节励磁电压，为同步发电机的转子磁场 绕组提供直流电流，以建立直流磁场。 图2 1 励磁控制系统结构框图 励磁控制器是调节发电机机端电压及无功功率的控制部分，是发电机励磁 6 硕士学位论文 系统中最关键的设备。其主要有微处理器( d s p ) 、同步信号检测、交流采样及计算、 频率跟踪、磁场电量检测、触发脉冲输出、开关量输入输出、上位机通信等部分 组成。其将机端三相电压、电流，转子电压、电流等信号，通过信号测量电路将 信号隔离并处理，经数字量采集算法及数字滤波实现励磁系统数据采集。调节器 根据测量到的机端电压、有功功率、无功功率和励磁电压电流等，实现对发电机 励磁的控制，使机端电压维持在恒定值。 控制器采用美国t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理器，其内部含有丰富 的i o 资源，多路d 转换模块等，硬件资源丰富，集数据采集、数据处理、控 制判断和控制输出于一身，并且具有很强的抗干扰能力【7 1 。 1 机组主要参数 3 0 0 m w 同步发电机主要技术参数： 额定视在功率：3 5 3 m v a额定有功功率：3 0 0 m w 额定功率因数：0 8 5 ( 滞后)定子额定电压电流：2 0 k v 1 0 1 8 9 a 额定转速：3 0 0 0 r m i n额定励磁电压电流：4 2 9 v 2 0 7 5 a 励磁空载电压电流：1 5 3 w 8 5 5 a励磁绕组电阻( 7 5 。c ) ：0 1 6 8 0 定子漏抗：x 。- 0 1 3 2 ( 标幺值)励磁绕组电感：三，一1 3 9 3 日 时间常数：巧。一8 2 9 压、珐一o 1 4 9 s 、l o 2 4 4s 、巧= 2 。0 6 9 s 同步电抗( 标幺值) ：z 。一1 8 2 4 1 8 5 1 ( 饱和不饱和值) 、x ：一o 2 2 6 o 2 3 9 、 z ：= o 1 5 6 o 1 6 9 ； 2 自并励励磁系统 所谓自并励励磁系统是指由并联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。这种接线方式比较简单，励磁电源的可靠性较高。自并励系 统的励磁变压器也可以接在主断路器的系统一侧，但此时受系统电压波动影响较 大，实际系统中很少采用。 由于单机容量增大，工程上要求励磁系统既简单、又要安全可靠。目前，国 际上除西屋公司维持无刷励磁系统外，其它公司多发展采用自并励励磁系统，例 如加拿大不仅水轮发电机采用自并励励磁系统，汽轮发电机大多数也采用自并励 励磁系统。近1 0 多年来我国大中型水电机组都采用了这种系统。因此可以说，国 产大容量汽轮发电机采用自并励励磁系统是今后发展的必然趋势。 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【引。其次，自并励励磁系统还具有以下优点： ( 1 ) 运行可靠性高 自并励系统为静态励磁，没有旋转部分，运行可靠性高。随着电力电子技术 的发展，大功率可控整流装置的可靠性已与不可控整流装置大致相当。 ( 2 ) 可提高机组轴系的稳定性 一 7 基于d s p 的3 0 0 m w 同步发电机励磁系统研究 由于取消了主、副励磁机，缩短了汽轮机一发电机组的轴系长度。例如3 0 0 m w 汽轮发电机轴长由原“三机”系统的1 4 9 2 2 m m 缩短至1 1 2 2 0 m m ，减少了3 7 m 。目前， 国产3 0 0 m w 汽轮发电机有部分机组轴系振动值是在超标运行的，对机组安全不利。 机组若采用自并励，从而可节省厂房及基础投资。自并励励磁缩短了机组轴长， 使扭振减小，不但减轻了机组动态平衡调整的困难，而且提高了机组的安全性【3 】。 ( 3 ) 可提高电力系统的稳定水平 在小干扰稳定方面，自并励系统配置了辅助控制，如p s s ( 电力系统稳定器) 或l o e c ( 线性最优励磁) 后，小干扰稳定水平较交流励磁机系统有明显的提高。 在大干扰稳定方面，电力系统的计算表明，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 ) 可提高电厂的经济效益 自并励励磁没有旋转部分，调整容易、维护简单、检修工作量小，因而可提 高发电效益。由于缩短了汽轮机一发电机组的轴系长度，因而减少了电厂厂房的长 度，节约了电厂的基建费用。 所以，针对3 0 0 m w 汽轮发电机的运行性能，本课题选择自并励励磁方式。 2 2 励磁变压器 一 同步发电机输出的交流电中的一小部分，经励磁变压器降压和可控整流器整 流后，供给励磁绕组以提供励磁电流。 由于发电机的励磁电压较端电压低得多，所以自并励系统中一般都设置了励 磁变压器进行降压【1 1 。励磁变压器的主要作用是： ( 1 ) 使可控硅工作时的导通角大小适当，控制较为稳定： ( 2 ) 降低整流元件的电压等级； ( 3 ) 使整流回路、控制回路和励磁绕组三者都与机端隔离，降低了回路对地 的电位和对绝缘的要求，有利于安全运行并减少日常维护工作。这一点，对于大 型发电机组来说，显得特别重要。 1 励磁变压器的容量计算 励磁变压器的设计，关键在于合理地选取强励倍数。强励倍数过高，发电机 的动态性能固然较好，但励磁变压器次级电压高，容量大。可控硅正常工作时导 通角小，整流元件所需的电压等级高，这将导致励磁装置的造价提高。强励倍数 过低，发电机动态性能差，机组突加负载时，机端电压下降严重，并且电压恢复 时间较慢。因此，要根据发电机的运行情况和电网的具体要求，合理地选择强励 倍数。既不能盲目追求高技术指标而不顾经济效益，也不能只追求经济效益而不 合理地降低技术指标。 ( 1 ) 励磁变低压侧线电压的计算 8 硕士学位论文 计算励磁变低压侧线电压所需参数：机组额定励磁电压电流：u 爿( 。) ，尉 c ) 、 强励倍数k ，、可控硅最小控制角a 、变压器漏抗( 一般取4 8 ) ；馈电回路 电压降之和y u ，包括导通两臂的硅元件的压降，线路电阻压降及转子滑环与碳 刷闻压降，一般为2 _ 4 v ；按照可控硅全控桥整流计算方法，励磁变低压侧线电压u 可由下式求得： 1 3 鼽c 0 s 口m i t k + 昙k 如o ) 五+ u ( 2 1 ) 由于初始时x 。无法确认，了u 也取为估计值，因此可以把回路中总的电压 损失估计为1 5 。取最小口控制角为1 0 。，则c o s1 0 。一0 9 8 5 ，则上式可写为： u ，；一一竺! 竺星生2 ( 2 2 ) 。 o 8 5 1 3 5c o s1 0 。 ( 2 ) 励磁变低压侧电流的计算 为了计算简单，忽略换流过程( 设换流角) ，一o ) ，交流侧电流可由直流侧电流 折算，取裕度系数为1 1 5 。给定直流侧电流幅值，d 一，脚( 。) ，则相应的全控桥交流 侧电流，即励磁变低压侧电流j 。： 厅 ，工一1 1 5 1 怍，4 ( 2 3 ) ij ( 3 ) 励磁变容量 励磁电源的容量也即励磁变压器的容量，一般按下式计算： s ，；厶工，工1 0 一3 五了爿 ( 2 4 ) 这里，励磁变低压侧线电压u ，以满足强励要求为准。关于励磁变低压侧电流 ，考虑交流电源允许瞬时电流过载，以额定运行情况为准。如果强励倍数取2 倍 左右，则交流电源的功率应为发电机额定励磁功率的2 倍左右。根据上述3 0 0 m w 机 组参数，已知：u 耐( 。) 一4 2 9 y 、( 。) 一2 0 7 5 4 ，且要求强励倍数k = 2 。因此，由 式( 2 2 ) 得u ：= 7 5 缈，由式( 2 3 ) 得，：= 1 9 4 8 3 鲋，进一步由式( 2 4 ) 可得励 磁变容量s 一2 5 6 1 删。 2 励磁变压器的选型 励磁变压器的选择应考虑以下因素： ( 1 ) 初期的励磁变压器多为油冷式或普通绝缘干式变压器。随着技术的进步 和价格的变化，现在已逐渐使用环氧树脂干式变压器，一般采用空气自然冷却， 不配外壳，户内使用，亦可根据实际情况加装外壳，配置风冷系统，同时需要设 置温控及温显系统，便于监测变压器的运行状态。从目前国内干式变压器制造工 艺水平来说，已能生产容量达1 6 0 0 0 k v a 、电压等级3 5 k v 的干式变压器，完全能 够满足大型机组的需要1 1 1 。 ( 2 ) 为改善可控硅整流桥电压波形，变压器多采用星形一三角形( y 一1 1 ) 9 基于d s p 的3 0 0 姗同步发电机励磁系统研究 接线，它的额定容量取决于励磁系统应提供的直流功率值，也即由式( 2 4 ) 所决 定。一次电压与发电机端电压相同，二次电压由励磁系统的顶值电压所决定，同 时应考虑到在一次电压为8 0 额定电压值时仍能保证所需的顶值电压值，以提高系 统的强励能力【引。 ( 3 ) 由于励磁变压器的绕组间存在寄生电容，励磁变压器的电源投入或切除 均会在变压器中产生过电压，所以必须采取相应措施来限制操作过电压。目前的 解决措施是在一、二次绕组间加隔离屏蔽层，将二次绕组接入对地电容、安装过 电压吸收装置等。 ( 4 ) 还要考虑变压器的阻抗电压、过载能力、保护配置，尤其是过流保护。 由于变压器负载为可控硅整流桥，且发电机转子绕组及直流侧短路即等效于励磁 变压器二次绕组短路。对这些故障的保护方法有很多种，如采用快速熔断器、快 速过流检测继电器，在直流侧串接扼流电抗，配置电流反时限或定时限保护等。 根据上述计算结果和励磁变压器的选型原则，本课题选择三相环氧干式励磁 变压器，型号为z s c b 9 3 1 5 0 2 0 o 9 。 该励磁变压器具体参数如下： 额定容量：3 1 5 0 k v a低压侧电压：9 0 0 v 低压侧电流：2 0 2 0 7 a高压侧电压：2 0 k v 高压侧电流：9 0 9 a 短路阻抗：6 6 8 变压器接线组别：考虑到可控硅整流装置产生的高次谐波，特别是三次谐波 的大量存在，工程上多采用下列方式接线：为防止整流侧三次及高次谐波的零序 分量通过励磁变耦合至电网，励磁变副边应采用三角形( 或星形y ) 接线方式； 为防止发电机出口电压的零序分量耦合到励磁变的副边，原边亦采用星形y 或( 三 角形) 接线方式，即一、二次绕组中必须有一侧按三角形接线，利用三角形 接线绕组中流过的三次及高次谐波电流来抵消三次及高次谐波磁通。本课题励 磁变压器采用y 1 1 接线方式。采用此种方式同时还考虑到以下因素：当励磁变 的原边采用星形y 接线时，一次绕组所承受的是机端相电压，其值仅为线电压的 1 3 ，故降低了一次绕组的耐压值，提高了系统的安全性。 2 3 励磁功率单元 励磁系统功率单元是励磁控制器的直接控制对象，随着励磁功率单元的不同， 励磁控制器的构成也就有所区别。对励磁功率单元的基本要求是：一方面，要具 有足够的调节容量，以适应不同工况的运行要求；另一方面，要具有足够的励磁 顶值电压和电压上升速度。 在自并励励磁系统中，同步发电机的励磁功率单元由励磁变压器和整流桥构 1 0 硕士学位论文 成。整流桥采用三相全桥晶闸管整流，分半控和全控两种，晶闸管驱动信号由励 磁控制器提供1 9 1 。本课题采用三相全控整流方式，其具有以下优点： ( 1 ) 三相全控整流装置的功率变换是双向的，即可将交流变换为直流，也可 将直流变换为交流，前者为整流状态，后者为逆变状态。励磁系统可以利用其逆 变状态，在机组正常停机时实现机组的逆变灭磁，提高了系统的经济价值。 ( 2 ) 在相同直流电压条件下，整流元件在断态所承受的反向峰值电压为直流 电压的1 0 5 倍，此值仅为其他接线方式的一半。在保证相同直流功率条件下，三相 桥式接线所需功率器件的伏安容量为最小【l o 】。 本节主要论述三相全桥整流电路的设计、计算及晶闸管的选型等。图2 2 为自 并励励磁系统主电路的整体设计图，是根据本课题3 0 0 m w 大型火电机组的参数和 技术指标的要求综合设计的。其包括n + 1 冗余设计的励磁功率单元( 本课题采用 2 + 1 冗余方式) ，交直流电气量检测单元，起励、灭磁及过电压保护电路等，以下 各节将逐一论述。 励磁变 图2 2 励磁系统主电路整体设计 2 3 1 功率单元的方案分析 以下为设计励磁功率单元所要求的技术参数f 1 1 l ： 输入电压：a c9 0 0 v最大连续输出电流：2 5 0 0 a 最大连续输出电压：6 5 5 v强励顶值电压倍数：2 0 强励顶值电流：4 0 1 5 a强励持续时间：不小于1 0 s 1 l 基于d s p 的3 0 0 m w 同步发电机励磁系统研究 额定励磁电压：4 2 9 v额定励磁电流：2 0 7 5 a 根据上述技术参数，本课题在设计励磁功率单元时，考虑了励磁系统工程上 的需要，容量上作了充分的冗余设计。由系统的设计指标看，3 0 0 m w 的火电机组 基本容量已经很大，而工程上还必须有一个合理的容量裕度。也就是说一旦系统 发生故障，整流元件应有一定的坚持抗衡能力，不至于在故障切除之前就烧损或 熔断。这一点不但要求整流元件的品质、指标要高，而且要求与之配套的散热系 统的散热能力也要高，裕量要足够。这就是大型机组在励磁系统容量方面对整流 器和散热能力的重点要求，因为固定的参数指标总好达到，而整流器的损坏，往 往都是发生在异常的故障冲击电流下，问题在于我们的设计指标有没有充分考虑 周全【3 1 。 对于大型机组，由于晶闸管器件容量的限制及考虑到实际的经济因素，整流 器多采用多管并联的方式。整流器在多管并联的配置下，按新标准的说法，还应 遵照n + 1 的原则考虑冗余，即一桥故障退出时，其余整流桥仍能满足包括强励在 内的所有功能。关于并联支路的均流，最好保留交流电缆的均流方式，并辅以其 它均流方式，如调节方式等。 2 3 2 整流电路的确定 三相全桥晶闸管整流电路如图2 3 所示 图2 3 三相全控晶闸管整流电路 图2 3 中：k 一圪为晶闸管，c l c 。为吸收电容，足一民为吸收电阻，f u ，一f u 。 为快速熔断器；尺k 。一只k 。交流侧过电压保护器( 压敏电阻) ，c ，一c ，为交流侧过电 压保护电容，q 为励磁绕组；励磁变采取y 1 1 接线方式，具体原因已在2 2 节作了阐述。 该功率单元电路将励磁变压器副边的9 0 0 v 交流电整流为直流电、经中间过电 硕士学位论文 压保护电路、灭磁开关及灭磁电路，输出平直电压。并可通过控制三相全控整流 桥的移相触发角口，实现对磁场电流的闭环调节。 根据励磁系统的技术指标对功率单元的容量、电压和电流的要求，可以确定 功率单元的设计裕量、晶闸管型号及并联管数。 ( 1 ) 晶闸管额定电压u r 的计算 选用可控硅时，应了解它在阻断状态下能承受多大的正向与反向电压。可控 硅出厂试验时，在额定结温下，不论是正向或反向都需加5 0 h z 的正弦半波电压。 元件合格证上所标示的正向阻断电压和反向峰值电压，是测试时达到正向转折及 反向击穿所对应的正弦半波电压的峰值各减去1 0 0 v 并取整数的数值。它们是可控 硅的额定电压，通用的术语和符号是重复正向阻断电压v 一与重复反向峰值电压 肼，二者在数值上一般是相等的。选择可控硅时，应使元件的额定正向与反向 电压比实际工作中所承受的正向与反向电压最大值高2 倍以上【9 1 。 在设计时先计算出整流桥臂的反向工作电压最大瞬时值，即 u - 一毗 ( 2 5 ) 可控硅额定重复反向峰值电压： 一i | i ，a k 如瓦v 删 ( 2 6 ) 式中：k 。一电压裕度系数，为提高励磁系统可靠性，取其值大于2 ： 疋，一过电压冲击系数，取1 3 1 6 ，视过电压保护完备情况而定； 一 k 一电源电压升高系数，通常取1 0 5 1 1 1 。 已知u ，一9 0 0y ，由式( 2 6 ) 可得： u r u 删一2 5 1 4 1 0 6 2 9 0 0 一4 7 2 2 y ( 2 7 ) ( 2 ) 晶闸管额定电流，的计算 晶闸管额定电流是指管子的通态平均电流，或称额定正向平均电流，用k 表 示。可用下述经验公式近似地估计晶闸管的额定通态平均电流歹胁： k 苫( 1 2 ) 竺穹警 ( 2 8 ) h p a l 式中： 翰一晶闸管电流计算系数；l 一一最大整流直流电流( a ) ； 以。一每个桥臂上晶闸管的并联数，这里为3 ； k ，一均流系数，一般取k ，= 0 8 0 9 ，并联数越多，k i 取值应越小，无并 联时，蟛= 1 。由此可得： k 22 警= 1 1 5 5 钳 ( 2 9 ) 根据上述的计算结果，本课题遵照2 + 1 ( n = 2 ) 的原则考虑冗余容量设计，为 保证其中一整流桥因故障退出时，其余两桥仍能满足包括强励在内的所有功能， 选择型号为5 s t p l 7 h 5 2 0 0 的可控硅，其额定电压：5 2 0 0 v ，额定电流：1 7 0 0 a 。 基于d s p 的3 0 0 姗同步发电机励磁系统研究 由于整流元件的故障率很低，又有充足的裕度，即使一个元件损坏，也并不 影响发电机所有的运行方式。因此，损坏的元件可在发电机小修时更换，不必带 电修复。实际上，整流桥运行时拔插大功率的整流插件，在电厂中真正实施是困 难的。插拔式结构还存在大电流触头接触不良的可能性，可能因此而引发事故。 2 4 起励、灭磁及过电压保护 2 4 1 发电机的起励 励磁变压器并联在发电机机端，当机组起动后，转速接近额定值时，机端有 一定残压，其值一般比较低( 约为额定电压的1 2 ) 。此时励磁调节单元的触发 电路不能正常工作，可控硅不能导通，无法输出励磁电流使发电机建立电压。因 此必须采取措施，先供给发电机初始励磁，使发电机逐步建立起一定的电压。这 一过程称为起励。 如果励磁变压器接在发电机主断路器的系统侧，或接在厂用电母线上，因整 流桥交流侧已有三相电压，则不需另外增加起励措施。 励磁变压器并接在机端的情况，起励方式有两种：残压起励与他励起励。 1 残压起励 残压起励是利用发电机剩磁所产生的残压，供给初始励磁。在机组残压较高 时可考虑采用。这里有两种方法：一是起励时虽然调节器尚不能工作，但可采取 技术措施，使整流桥的可控硅暂时导通，形成不可控整流，输出初始励磁电流。 这与直流发电机由残压建立起电压的自励过程相似；二是对调节器中的同步电路 采取措施，使残压下和额定电压下都能正常工作。另外，调节器稳压电源的交流 侧取自其他独立交流电源。这样，励磁调节器在起励时即可投入工作。 在考虑采用残压起励时，我们注意到残压每一次开机后不一定相同，要实现 自动建压，必须满足一定条件：即同步发电机特性曲线应在三相全控整流特性曲 线之上，而且二者差值越大，自动建压越快【1 2 】。为此把他励起励方式和残压起励 方式结合起来，即可保证残压起励的可靠性，而所需外加起励电源的容量很小( 仅 相当于充磁) ，按起励初始电流选择即可。 2 他励起励 他励起励即另设起励电源及起励回路，供给初始励磁，如图2 2 的起励电路所 示。起励电源可由蓄电池供给，也可由厂用交流电经整流供给。起励回路供给初 始励磁电流，机端电压逐渐升高，当达到机端电压空载额定值的3 0 时，则可断开 起励回路，发电机将进入自并励运行状态。 起励电源容量可估算如下：发电机电压达到空载额定值的3 0 ，励磁电流达到 空载额定值的4 0 ，需起励电源功率约为发电机达到空载额定电压时相应励磁功率 1 4 硕士学位论文 的1 2 ，约折算为额定励磁功率的2 5 ，简单记为1 4 0 。为了较快地建立起发电机 的机端电压，起励电源电压的选择应按短期内( 1 0 s 以内) 建立到额定电压的 5 0 7 0 考虑，这样选择的起励电源电压大约为额定励磁电压的1 4 【1 3 1 。 2 4 2 发电机的灭磁 1 灭磁的基本原理 灭磁就是将转子磁场绕组的磁场能量尽快地减弱到尽可能小的程度。发电机 发生内部故障时，虽然继电保护装置能迅速使发电机与电网系统断开，但磁场电 流产生的感应电势会继续维持故障电流，这可能造成导线熔化，绝缘烧坏甚至烧 坏铁芯【3 】。因此，工程上要求继电保护动作的同时，还须迅速而彻底地灭磁，其技 术要求如下： ( 1 ) 必须满足各种运行工况下可靠灭磁的要求 大型机组励磁电流不断增加，转子的电感越来越大，转子所储存的磁场能量 也随之增大，所以大型机组的灭磁装置必须有足够大的灭磁容量。它除了在机端 短路等强励工况下能可靠灭磁外，特别对于具有高顶值系数的自并励可控硅系统， 还必须满足空载误强励时可靠灭磁的要求。 ( 2 ) 满足快速灭磁的要求，尽可能实现接近理想灭磁时间 大型发电机组虽然采用了快速灵敏的继电保护装置，但这种保护的作用是当 发电机出现故障时，能尽快地将机组解列。即使机组解列，但故障电流依然存在。 不论发电机故障是一相短路还是部分绕组短路，在故障电流期间，损坏的程度随 绝缘燃烧和铜线熔化的时间而增