（电力系统及其自动化专业论文）基于发电机仿真器的励磁控制实验系统研制.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 同步发电机励磁控制实验是“电力系统自动化 等课程的重要内容。针对我校 现有实验装置存在的不足，研制了一种新的适用于教学实验的发电机励磁控制实验 平台。该实验平台分为主要分为硬件实验平台和软件仿真平台两部分。硬件实验平 台采用集成电路器件构成，为插件式结构设计。与硬件实验平台相对应，设计了基 于m u l t i s i m 的励磁控制系统软件仿真平台。通过硬件实验平台和软件仿真平台相结 合，可以取得满意的教学实验效果。最后，本文对励磁系统稳定器( e s s ) 和电力 系统稳定器( p s s ) 两个附加励磁控制插件电路进行了设计。结合模糊控制技术， 设计了一种新型的模糊自调整励磁系统稳定器( f e s s ) ，仿真验证f e s s 可以取得 较好的控制效果。 关键词：教学实验，励磁控制系统，励磁系统稳定器，电力系统稳定器，模糊控制 a b s t r a c t m a k i n ge x p e r i m e n t si ns 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 ls y s t e mi s av e r y i 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 na n do t h e rr e l a t e dc o u r s e s a st h es h o r t a g e so ft h e l a b o r a t o r ya p p a r a t u se x i s t i n gi no u rc o l l e g e ，an e we x p e r i m e n t a lp l a t f o r m f o re x c i t a t i o n c o n t r o ls y s t e mw h i c ha p p l i e st ot e a c h i n ge x p e r i m e n ti sd e s i g n e d t h i ss y s t e mc o n s i s t so fa h a r d w a r ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n das o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r m t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi s m a d eo fi n t e g r a t e dc i r c u i t sw i t hp l u g - i ns t r u c t u r e ，a n dt h es o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r mi s d e s i g n e dw i t hm u l t i s i m c o m b i n i n gb o t ht h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h es o f t w a r ep l a t f o r m ， g r e a te f f e c t sw o u l db et a k e n i nt h et e a c h i n ge x p e r i m e n t s t w oc i r c u i t so fa d d i t i o n a le x c i t a t i o n c o n t r o l ，w h i c ha ree x c i t a t i o ns y s t e ms t a b i l i z e r ( e s s ) a n dp o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ( p s s ) ，a r e d e s i g n e di nt h ee n do ft h i sp a p e r w i t hf u z z yc o n t r o lt e c h n i q u e ，an e wf u z z ys e l f - a d j u s t m e n t e x c i t a t i o ns y s t e ms t a b i l i z e r ( f e s s ) i sd e s i g n e d ag o o dc o n t r o lq u a l i t yw i t hf e s si sp r o v e d b ys i m u l a t i o n z h o ux i n ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f t i a nj i a n s h e k e yw o r d s ：t e a c h i n ge x p e r i m e n t ，e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，e s s ，p s s ，f u z z yc o n t r o l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于发电机仿真器的励磁控制实验系 统研制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：】虱叁日期：兰! ! 互! 三：；0 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：闻瓮 导师签名： e l 期：兰! 翌! 三： 0 1 9期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 选题的背景及其意义【1 4 l 励磁控制系统是同步发电机的重要组成部分，它的主要任务是向发电机的励磁 绕组提供一个可控的直流励磁电流，以满足发电机正常运行和电力系统安全运行的 需要。同步发电机的励磁控制系统在保证电能质量、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其着十分重要作用。发电机励磁控制系统已成为大中专 院校中电力系统及其自动化专业相关课程的必修内容。 实验教学是高等理工类学校教学工作的重要环节之一，它在培养学生实际的操 作动手能力、分析问题和解决问题的能力方面起着极其重要的作用。同时通过实验， 可以使学生增加感性认识，更好的掌握知识。出于经济性、安全性、方便性等多方 面的考虑，我们不可能将电力系统的实际设备搬进实验室。另外，随着教育改革的 推进，招生规模不断扩大，导致实验设备的不足，实验资源紧张，较高的成本也制 约了实验设备的购置。因此，研制开发既能满足教学实验要求，而且成本较低的实 验装置是十分必要的。 随着计算机和多媒体技术的广泛应用，计算机仿真已成为实验教学中培养学生 工程实践能力的重要手段。首先，在提供的仿真平台下，可以进行设计性的实验。 学生可以灵活的改变参数、增加或减少一些环节和采用不同的元件进行设计。这样 不但可以更加深刻的理解实验内容，而且可以调动学生的创造性。其次，用仿真的 方法可以比较容易的实现对控制系统电路的某些动态特性和动态过程的观测。第 三，通过仿真和实验的结合，可以提高实验的效率，减少设备的损坏。学生可以先 对所要做的实验进行仿真，在充分了解其原理后，再进行实际装置的实验和调试， 这样就可以压缩实验学时来解决实验资源不足的问题。通过分析比较仿真结果和实 验结果，可以提高学生分析问题和解决问题的能力。 本文所研制的励磁控制系统就是为了满足教学实验需要而开发的一种新型的 适合实验室实际情况且廉价实用的实验教学设备，是由硬件实验平台和软件仿真平 台两部分组成，具有灵活性、开放性及综合性的特点。配合课题组的静态发电机仿 真器【4 】和功率放大器两个研制项目，组成一套完整的发电机仿真系统，可以进行发 电机的多种教学仿真实验。针对发电机仿真器机端电压低的特点，我们对励磁控制 系统中的测量变压器进行了特殊设计，在测量变的一次侧设计有多个抽头。这样， 使得此套励磁调节器不仅适用于发电机仿真器，而且适用于其它动模机组，提高了 其通用性。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 发展和研究现状 1 2 1 发电机励磁控制教学实验装置现状及存在的不足【5 】【6 】 目前，我校结合“电力系统自动化 实验教学所采用的励磁调节器主要有“z t l 1 型励磁调节器 和“w l 0 4 b 微机励磁调节器。 前者为模拟式励磁调节器，是由晶体管、电阻、电容等分立元件构成，采用比 例控制方式。相对于现在在电子电路中广泛使用的集成电路，由分立元件构成的电 路较为落后，电路元件较多，接线较为复杂，性能较差，而且其控制方式单一，可 调参数有限，实验不够灵活，在此套装置上做的实验主要是验证性实验。 后者为微机型励磁调节器，是“w d t - i i 型电力系统综合自动化实验装置 中所 配备的。其中的功能和算法主要由软件实现，虽然易于实现多种控制方式，但其中 间环节对于学生来说是一个黑箱，直观性差，无法对中间的各个环节进行直接的测 量和观测，不利于锻炼学生的操作动手能力。 1 2 2 电力相关仿真软件的发展及研究现状【7 _ 1 1 】 经过几十年的不断发展和改进，目前电力相关仿真软件主要分为三大类： ( 1 ) 电力系统仿真软件 此类仿真软件主要用于电力系统潮流计算、电磁暂态仿真、机电暂态仿真。 主要有加拿大不列颠哥伦比亚大学的h w d o m m e l 教授创立的电力系统电磁暂 态计算程序e m t p 、德国西门子公司开发的n e t o m a c 软件、美国电力公司( p t i ) 开发的p s s e 、中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序p s a s p 等 ( 2 ) 电子电路仿真软件 此类仿真软件主要用于模拟电路、数字电路和模拟数字混合电路等电子电路的 仿真分析。 主要有美国m i c r o s i m 公司开发的通用电路分析程序p s p i c e 、美国国家仪器公 司( n i ) 下属的e l e c t r o n i c sw o r k b e n c hg r o u p 发布的电子电路仿真设计软件m u l t i s i m 、 澳大利亚p r o t e l 公司推出的电路仿真设计软件p r o t e l 以及美国a n a l o g y 公司开发的 电力电子仿真软件s a b e r 等 ( 3 ) 通用类仿真软件 此类仿真软件应用范围较广，不仅可以应用于电力系统、电子电路等的仿真， 而且应用于控制系统的仿真计算。 主要有美国m a t h w o r k s 公司开发的m a t l a b 仿真软件。m a t l a b 是高性能、 通用的科学与工程计算软件，它功能强大，在电气、化工、制造、医疗等多个行业 2 华北电力大学硕士学位论文 均有应用。m a t l a b 使用方便、简单易学，且开发出了图形建模的电力系统模块 p s b ( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ) ，因此在广大电气工程科研人员中应用甚广。 各类仿真软件仍然在不断的发展升级中，功能不断增强，界面也越来越友好。 1 3 本文的主要工作 本课题的研究内容是基于发电机仿真器的励磁控制系统研制，主要包括： ( 1 ) 励磁控制硬件实验平台的研制 硬件实验平台是由集成电路器件构成，采用插件式结构，开放式设计，不仅可 以灵活方便的完成“电力系统自动化刀等课程中发电机励磁控制的验证性实验，而 且还提供了一个开放的励磁调节器电路设计实验平台，学生可以自己设计插件电 路，并将原插件电路用设计好的插件电路代替，即可进行实验测试。 ( 2 ) 励磁控制软件仿真平台的设计 软件仿真平台的设计采用了e d a 软件m u l t i s i m ，该软件为用户提供了丰富的电 子元件库和虚拟仪器，具有强大的电子电路仿真功能。利用设计的软件仿真平台， 不仅可以对励磁控制硬件实验平台中感兴趣的电路模块单独进行电路仿真，而且可 以和系统中其他模块的数学模型连接，组成闭环，进行电路、数学混合仿真实验。 利用软件仿真平台，学生可以将自己设计的电路先通过仿真实验，然后在硬件 实验平台进行实际电路实验。将硬件实验平台和软件仿真平台相结合进行实验，使 学生既可对课程实验的内容有较深入的了解，又可增强学生的设计动手能力，提高 学生的设计兴趣和创新意识，另外还可以避免损坏硬件电路。 ( 3 ) 附加励磁控制插件的设计 为了研究励磁控制系统空载稳定性的改善及电力系统低频振荡的抑制，本文设 计了励磁系统稳定器( e s s ) 和电力系统稳定器( p s s ) 两个附加励磁控制插件电路， 并在m a t l a b 环境下，分别对e s s 、p s s 的控制效果进行了仿真分析。 另外，本文提出采用模糊控制技术进行励磁系统稳定器的研究，建立了一种新 型的模糊自调整励磁系统稳定器( f e s s ) 。该励磁系统稳定器依据发电机端电压偏 差的变化情况对增益进行在线调整，克服了常规励磁系统稳定器( c e s s ) 参数固定 的缺点，从而改善励磁系统的控制性能。 华北电力大学硕士学位论文 第二章同步发电机励磁控制系统概述 2 1 同步发电机励磁控制系统的任务【1 】【1 2 】 同步发电机励磁控制系统，是同步发电机控制系统的重要组成部分，直接影响 发电机的运行特性。在电力系统正常运行或事故运行中，发电机励磁控制系统起着 重要的作用。优良的励磁系统不仅可以保证发电机可靠运行，而且可以有效地提高 发电机及电力系统的技术经济指标。在现代电力系统中，励磁控制系统应承担如下 任务： ( 1 ) 电压控制 电力系统在正常运行时，负荷总是经常波动的，同步发电机的功率也就发生相 应变化。随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点电 压在给定水平。励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务。 ( 2 ) 控制无功功率的分配 与无限大母线并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改变发电机无功功率的 数值。在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是无限大母线，系统等值阻抗 并不等于零，母线电压将随着负荷波动而改变。电厂输出无功电流与它的母线电压 水平有关，改变其中一台发电机的励磁电流不仅影响发电机电压和无功功率，而且 也将影响与之并联运行机组的无功功率，其影响程度与系统情况有关。因此，同步 发电机的励磁自动控制系统还担负着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。 ( 3 ) 提高同步发电机并联运行的稳定性 电力系统在运行中随时会遭受各种扰动，通过励磁调节作用，系统可能恢复到 它原来的运行状态，或者由一种平衡状态过渡到另一种新的平衡状态。发电机并联 运行的稳定性包括静态稳定、暂态稳定及动态稳定。 ( 4 ) 改善电力系统的运行条件 当电力系统由于各种原因，出现短时低电压时，励磁自动控制系统可以发挥其 调节功能，即大幅度的增加励磁以提高系统电压，从而改善电力系统的运行的条件。 2 2 发电机励磁控制系统的基本组成 同步发电机励磁控制系统的基本组成如图2 1 所示，是由同步发电机及其励磁 系统共同组成的反馈控制系统。 自动励磁调节器是励磁控制系统的主要组成部分，其主要功能是感受发电机电 4 华北电力大学硕士学位论文 压的变化，然后对励磁功率单元施加控制作用。在励磁调节器没有改变给出的控制 命令以前，励磁功率单元是不会改变其输出的励磁电压的。 图2 1 同步发电机励磁控制系统的组成 自动励磁调节器主要由基本控制和辅助控制两大部分组成。 基本控制由测量比较、综合放大和移相触发三个基本单元组成，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，电力系统稳定器和励磁限制器等。 2 3 发电机励磁控制方式的发展 随着控制理论的不断发展，发电机励磁控制方式也经历了基于经典控制理论的 单输入单输出方式，和基于现代控制理论的多变量控制方式，以及基于智能控制理 论的智能控制方式等几个发展阶段【1 3 】。 ( 1 ) 基于古典控制理论的单变量控制方式 最初的发电机励磁控制系统采用自动电压调节器( a v r ) 进行励磁调节，是对 发电机机端电压的偏差进行调节，通常采用比例( p ) 或比例积分微分( p i d ) 的调 节方式。a v r 励磁控制器的基本功能是电压调节和无功功率分配，对提高电力系统 的静态稳定和暂态稳定也有明显作用。 在现代电力系统中，大型发电机的自动电压调节器( a v r ) 在发电机重负荷远 距离输电时，往往会产生负阻尼作用，出现低频振荡现象。为了改善a v r 在调节精 度和稳定性间的矛盾及在提供人工阻尼方面的不足，提出了电力系统稳定器( p s s ) 的辅助励磁控制策略，形成了“a v r + p s s 结构的励磁控制器【】。 ( 2 ) 基于现代控制理论的多变量控制方式 随着现代控制理论的发展，线性最优控制、非线性控制理论被引入励磁控制的 华北电力大学硕士学位论文 设计中。针对电力系统小干扰稳定控制，在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，该控制器以发电机状 态量必，国，u 为输入，以发电机励磁绕组电压u ，为输出，能够在设计运行点 保证系统的最优运行。目前，线性最优励磁控制器已进入实用阶段，成为兼有a v r 和p s s 功能的励磁控制方案【1 5 川7 1 。 随着电力系统的发展，机组容量不断增大，电网建设速度加快，电力系统小干扰 稳定问题已逐步得到缓解。影响电网安全运行的主要矛盾已转化为电力系统大干扰 稳定性问题，即暂态稳定性问题。改善与增强电力系统大干扰稳定性必然要研究大 干扰安全稳定控制理论与方法，即非线性电力系统的控制问题【1 3 2 0 1 。清华大学电机 系专家学者经过近十年的研究，应用微分几何控制理论终于找到了一组非线性坐标 变换和控制变换，将非线性系统的控制问题精确转化为线性系统的控制问题，由此 得到电力系统在大干扰下的安全稳定控制策略，该理论应用于励磁控制方面可得到 非线性最优控制规律，该控制规律已在国内一些厂家生产的微机励磁控制器中得以 实现【2 1 2 3 1 。 ( 3 ) 基于智能控制理论的智能控制方式 随着智能控制理论的发展，模糊控制以及神经网络控制等智能控制算法相继被 引入到励磁控制系统的设计中( 2 4 26 。其基本特点是不依赖于对象系统的精确数学模 型，而是基于某种智能概念模型将控制理论和人的经验及直觉推理相结合，具有处理 非线性、并行计算、自适应、自学习和自组织等多方面的能力和优点。 6 华北电力大学硕士学位论文 3 1 总体设计 第三章励磁控制硬件实验平台的研制 针对实验装置的灵活性、开放性及综合性等要求，将励磁控制系统的测量比较 单元、综合放大单元、移相触发单元等环节的电路设计成插件式结构，而将其他通 用电路固定于母板上。实验时将各个环节的插件插在设计好的实验平台母板上，即 可构成励磁控制硬件实验平台。而且设计时预留出励磁限制、电力系统稳定器、励 磁系统稳定器等扩展接口，根据实验的需要，可设计制作辅助功能的电路插件进行 功能扩展。此套装置各插件电路及母板电路可独立设计，因此便于生产制作，并且 发生故障时，只要更换新的插件即可。 发电机励磁控制硬件实验平台结构，如图3 1 所示，图中虚框表示可更换的插 件电路，其它均为固定于母板上或机箱内的电路。 图3 1 励磁控制硬件实验平台结构示意图 3 2 各单元电路设计 3 2 1 直流工作电源 直流工作电源分为士1 5 v 和+ 2 4 v 三个电压等级。其中+ 2 4 v 电压是供脉冲放大 隔离电路适用，士l5 v 电压为集成运算放大器和集成移相触发器提供工作电源。 直流工作电源是将三相交流电压经过整流、滤波、稳压后得到。如图3 2 所示， 三相交流电源取自同步变压器其中的两个二次侧。+ 2 4 v 电压是通过三相整流滤波 后直接得到，其中的三相整流电路采用单相桥式整流块3 n 2 5 0 构成。士1 5 v 电压是 将：t ：2 4 v 电压分别经过三端集成稳压器m c 7 8 1 5 b t 和g p c 7 9 1 5 后得到。设计中使用 7 华北电力大学硕士学位论文 了两块m c 7 8 1 5 b t ，其中一块专供集成移相触发器t c 7 8 7 a 使用。 图3 2 励磁调节器直流工作电源电路 3 2 2 测量比较单元 测量比较单元是调节器的敏感单元，它的作用是，测量发电机电压并变换为直 流电压信号，与给定的直流基准电压进行比较，送出发电机电压偏差信号。测量比 较单元由电压测量、比较整定环节构组成。 对测量比较单元的要求是： 在发电机不对称短路情况下，测量整流电路应具有足够的测量灵敏度。电 压整定电路应使发电机电压或无功电流的调节满足所要求的调整范围。 时间常数小，反应迅速。 变换后的直流测量电压平稳，纹波系数小。 直流基准电压稳定，具有温度补偿的能力 3 2 2 1 测量整流电路 为了使变换后的直流电压平稳，测量整流通常采用多相整流电路及相应的滤波 电路。一般说来，整流电路相数愈多，则整流后的直流中交流分量愈小，滤波电路 需要的电容量就愈小。滤波电容的减少有利于减小测量单元的时间常数。另外，为 了提高励磁调节器在电力系统不对称短路故障情况下调节的灵敏度，在测量变压器 后装有正序电压滤过器。 测量整流电路是由测量变压器、正序电压滤过器、多相整流电路、低通滤波电 路构成。实验中，通过切换开关可选择将正序滤过器投入或切除，通过选择接入六 相整流桥交流侧电压的相数，可实现三相或六相整流，从而使实验内容更加灵活多 样。滤波电路可以选用二阶或一阶有源低通滤波器。 ( 1 ) 测量变压器 华北电力大学硕士学位论文 测量变压器如图3 3 所示，采用三绕组变压器，原方设有三个抽头，根据电压 等级的不同，可接动模机组端电压、端电压互感器二次侧或发电机仿真器端电压， 根据需要选择使用。副方有两组三相绕组分别接到两组三相整流桥，两桥在直流侧 并联，构成六相整流桥。为了造成两组整流桥相位上的配合，测量变压器的接线组 别为y 例1 2 1 ，为了使两副方的线电压幅值相等，y 侧绕组每相匝数为侧绕组 每相匝数的l 3 。 ( 2 ) 六相桥式整流电路 六相桥式整流电路，如图3 3 所示。 【，f 6 2 u a n u 。1 c ，“2 - 一-_ f u 】l 一l一 】l 一l j 占。 l 门 r = ；苞 鲢 l 罨要f f 。 2 a 2 l l b 2 耵 一 c 2 ： 一一 _ 测量变压嚣 】lll一il一l v y d 一1 2 - 1 图3 - 3 六相桥式整流电路图 u 。2 卜c ，。 u k 2 0 ( a ) ( b ) 图3 4 六相桥式整流相量图和波形图 现以测量变压器原方线电压u 一口为参考相量，画出副方线电压相量图，如图3 - 4 ( a ) 所示。相量图中的虚线为副方第一组侧绕组的线电压相量，实线为第二组y 侧绕组的线电压相量。如果测量变压器副方仅有侧绕组，经三相桥式整流，其输 出直流波形如图3 4 ( b ) 中虚线所示，一个周期内有六个波头。如果仅有y 侧绕组， 其输出直流波形如图3 4 ( b ) 中实线所示，第二组波形超前第一组3 0 。，一周内也 有六个波头。现两组三相绕组同时工作，并在直流侧并联。在每一瞬间承受线电压 最大的一对整流二极管导电( 忽略换流过程) ，依次导通的顺序如图3 - 4 ( a ) 所示。 输出直流波形是图3 4 ( b ) 中实线和虚线的包络线。一个周期内波头增加为十二个， 相应直流电压的平均值提高，交流分量的幅值减小。 9 华北电力大学硕士学位论文 对六相桥式整流的直流电压按富氏级数展开，得到包括直流分量及各谐波分量 的表达式： 屹2 0 9 8 7 u = ( 1 + 订惫c o s l 2 研一西c o s 2 4 酬+ ) ( 3 - 1 ) 式中= 2 u 线电压幅值，其中q 为线电压有效值。 从式( 3 - 1 ) 可知，六相桥式整流输出电压中最低次交流谐波频率为基波频率 的1 2 倍。当电源频率为6 0 h z 时，最低次谐波频率为6 0 0 h z ，其幅值为直流分量的 1 4 。其他高次谐波，频率愈高其幅值愈小，六相整流后的直流电压较为平稳。 ( 3 ) 正序电压滤过器 图3 5 三相正序电压滤过器 ( a ) 原理电路图；( b ) 分析电路图 正序电压滤过器原理接线图如图3 5 ( a ) ，为了便于相量分析，可将原理电路 图变换为分析电路图3 5 ( b ) 。每个臂参数间关系为置：r ：丘= 2 ：1 ：3 ，即 足+ 足= 4 3 砟，故每个臂中电流超前相应线电压3 0 。相角，即，超前【厂一口3 0 。，z 超前u 占c 3 0 。，3 超前【，“3 0 。 当加入正序电压时的相量图，如图3 - 6 ( a ) 。不难看出，此时输出电压是一组 与输入的正序电压相等的三相对称正序电压。当加入负序电压时的相量图，如图3 - 6 ( b ) ，输出电压为零。这样，在电力系统发生不对称短路情况下，输入的三相不对 称电压，其中的负序分量将不能通过正序滤过器，输出的只是对称的正序电压分量。 e m i ，l 、u j ( a ) 图3 - 6 电压相量图 ( a ) 加正序电压时；( b ) 加负序电压时 1 0 c 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2 2 比较整定电路 ( 1 ) 滤波电路 测量整流电路输出的是脉动的直流电压，除直流分量外还有高次谐波分量。为 了使比较整定电路在平滑的直流电压下良好的工作，脉动的直流还须经过滤波，将 脉动电压成份尽量减小。 为了达到良好性能，本设计中采用有源低通滤波器。 最常用的低通有源滤波电路有三种，即巴特沃思( b u t t c r w o r t h ) 、切比雪夫 ( c h c b y s h e v ) 和贝塞尔( b e s s e l ) 滤波电路【2 9 1 。巴特沃思滤波电路的幅频响应在通 带内具有最大平坦度，但从通带到阻带衰减较慢；切比雪夫滤波电路能迅速衰减， 但允许通带中有一定纹波。而贝塞尔滤波电路着重于相频响应，其相移与频率基本 成正比，即群时延基本是恒定的，可得失真较小的波形。 按阶数可将滤波电路分为一阶、二阶、三阶或更高阶次的滤波电路，阶数越高， 则其幅频特性越优。但增高阶数伴随而来的是电路复杂，造价昂贵。因此，对于设 计者来说，最感兴趣的是在满足给定技术指标的前提下，选取滤波器的最低阶数。 在本设计中采用二阶巴特沃思有源低通滤波器。 三相桥式整流电路输出电压的交流分量主要为六次谐波，即3 0 0 h z ，因此低通 滤波电路的截止频率厶可选为3 0 0 1 0 = 3 0 h z 。对于一阶低通滤波器，其衰减率为 2 0 d b 十倍频程，所以3 0 0 h z 的谐波分量可衰减为原来的1 1 0 ，而对于二阶低通滤 波器，其衰减率为4 0 d b 十倍频程，3 0 0 h z 的谐波分量可衰减为原来的1 1 0 0 。可见 二阶相对一阶低通滤波器具有更好的滤波效果。 实现巴特沃思低通滤波器的电路有许多种。本设计采用二阶压控电压源滤波电 路( v c v s ) 。如图3 7 所示，二阶v c v s 低通滤波电路由运算放大器u l b 、电阻r 卜 r 2 、电容c l 、c 2 构成。对于增益k = i 的v c v s 低通滤波器，其设计方法【3 0 1 如下： 按巴特沃思低通滤波器设计数据表，找出归一化系数b 和c 。 选定c 2 的标称值( 最好近似于l o f c i t f 的数值) ，并满足下式选定c l 的标称 化数值( 尽可能选取最大的标称值) 。 c 鬯塑茎二! 监 ( 3 - 2 ) l 一 、 。4c 选定电路电阻，尽可能的接近计算结果选定各电阻的标称值。 冠= f ：兰：；：一 ( 3 3 ) ， 1 徊c 2 + 【b 2 + 4 c ( k _ 1 ) 】g - 4 c c 。c 2 ) 忘= 孺1 ( 3 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 l e a p j1 _ 电但 l e a 2 1 e a 43 2 s n s 屯, e f l l l 图3 7 滤波比较整定电路 ( 2 ) 比较整定电路 比较整定电路是测量比较单元的核心环节，它的任务是进行电压比较和电压整 定。 电压比较，是把测量整流电路输出的与发电机端电压成比例的直流电压u 。，与 比较电路中的基准电压值比较，输出一个与电压偏差成比例的直流电压u b 作为输入 到综合放大单元的电压偏差信号。 电压整定，一般是调整整定电位器滑动触点的位置，它的作用是改变发电机电 压给定值。 如图3 7 所示，电压比较电路由集成运放u l c 构成的加法电路实现。为了和综 合放大电路进行相位配合，在电压比较电路的后级加入了由集成运放u l d 构成的反 相器电路。给定电压是通过对1 5 v 工作电源经过十圈电位器分压取得，并连续可调。 从滤波电路来的正比于发电机电压u g 的测量电压u 。，和从整定电路得到的反极性 的u r e f 作为电压比较电路的两个输入量，其输出量u b = u 。+ u r e 尸u 。一i u r ef i 。调整 给定电压，电压比较电路的输入输出电压特性如图3 - 8 中直线1 、2 所示。u r e f l ， u r e f 2 为任取的两个给定电压值。 1z 。 吵1 u 7 c 图3 8 电压比较电路输入输出电压特性 。从图3 8 的电压特性曲线可以看出，改变u r e f 可以得到一系列连续平行的输出 特性及相应的整定电压i u r e f ，从而可以使发电机零起升压至最高工作电压。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 3 2 3 综合放大单元 综合放大单元是励磁调节器中沟通测量比较单元与移相触发单元的一个中间 单元。此插件电路是实现励磁控制功能的核心电路。它的任务是根据励磁调节装置 应实现的功能，线性地综合测量、反馈以及限制等直流信号，并加以放大，用来得 到满足移相触发单元所需要的控制电压。 综合放大单元的输入信号，包括反应发电机电压与给定值电压偏差的基本控制 信号，其信号来自测量比较单元。另外，还包括电力系统稳定器、励磁系统稳定器 和各种励磁限制等辅助控制信号，它们与电压偏差信号一起在综合放大单元中叠加 并放大。 在综合放大单元引入比例积分微分( p i d ) 、线性最优控制、非线性控制、智 能控制等励磁控制方式，可以提高励磁控制系统调压的静态准确度，改善系统的频 率特性，提高系统的稳定裕量和响应的快速性，另外，还可提高电力系统运行的稳 定性。 对综合放大单元的要求是： 具有线性地综合、放大多个输入控制信号的能力； 具有较高的运算精度； 反应速度快，时间常数小； 工作稳定，输出阻抗小，带负载能力强。 综合放大单元通常由若干环节组成，如图3 - 9 所示，主要有p i d 控制电路、综 合放大电路及适应电路构成。 ip l d 环节卜 综 厶 口 p s s 、e s s 放 叫适应环节i大 励磁限制叫 环 节 图3 - 9 综合放大单元的组成 3 2 3 1pid 控制电路 p i d 环节的功能是接受测量比较单元的偏差信号u b ，在其输出端实现p + i + d 的 控制作用。如图3 1 0 所示，p i d 控制电路是将偏差信号u b 分别通过比例、积分、 微分电路，然后在综合放大电路进行求和。p i d 电路中的积分和微分电路的输出端 分别接有“跳块 开关，便于灵活实现p 、p i 、p d 和p i d 等多种控制方式。 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 0p i d 综合放大电路 比例电路是由运算放大器u 2 b 构成的放大倍数为1 的反相器组成。加入反相器 是为了进行相位配合。 积分电路是由运算放大器u 2 c 及外围电阻、电容构成的实际积分电路构成，其 传递函数如式( 5 8 ) 所示。电位器r w 4 的作用是调整积分增益。理想积分电路要求 高质量的运算放大器，要求运放有很小的补偿电压或者交流稳定性，任何输入偏移 量就好像是一个直流信号输入一样被积分，并且最终会引起运放的饱和。在实际应 用中，为了解决这个问题，利用通用运算放大器，将电阻和反馈电容并联构成实际 积分电路【3 。 微分电路是由运算放大器u 2 d 及电阻、电容构成的实际微分电路构成，其传递 函数如式( 5 9 ) 所示。电位器r w 5 的作用是调整微分增益。对于理想微分电路，它 能够正比于输入频率有效地放大一个输入信号，因此在输出中能够提高高频率噪声 水平。为了抑制高频干扰，微分作用的工程实现实际上是按照实际微分环节的形式 实现的。 3 2 3 2 综合放大电路 综合放大电路的功能是综合p i d 、e s s 、p s s 和其它励磁控制信号，并进行放大。 如图3 1 0 所示，其电路主要是由运算放大器u 2 a 与外围电阻、电位器构成，其增益 传递函数如式( 5 1 0 ) 所示。通过“跳块”改变接入运放反馈电路的电阻值和调整 电位器，可以改变综合放大电路的放大倍数。 3 2 3 3 适应电路 为了保证移相触发器的正常工作，在综合放大电路的后级设计了适应电路： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 1 适应电路及励磁过流限制电路 如图3 1 1 所示，适应电路主要由运算放大器u 2 c 构成的加法电路和由三极管 q l 、q 2 组成的推挽式射极跟随器构成。 ( 1 ) 加法电路 由运放u 2 c 构成，其反馈回路有两条：一路是经过二极管d 1 回到运放u 2 c 的负 相端；另一路是经过射极输出器q l 、q 2 ，再经过电阻r 1 6 和电容c l 构成的并联支 路，然后回到运放u 2 c 的负相端。 加法电路的输入信号为综合放大电路的输出电压u ：f 和偏置电压u o ：。加入偏置 电压u p z ，是为了在综合放大电路输出电压u z f 为零时，给移相触发电路提供合适的 控制电压，以保证发电机额定电压值。 加法电路的输入输出电压特性曲线如图3 1 2 所示。图中实线为u p z 为零时的电 压曲线，虚线为u p z 不为零时的电压曲线。u b h 为运放的正向饱和电压，lu d il 为二 极管d l 的正向压降。由于二极管d l 的作用，电路的输出电压被限制在u d l 电压以 上，而且在u ：f 为零时，通过改变偏置电压u p z 的大小，可以得到不同的输出电压值， 以满足为维持发电机额定电压所需控制电压的需要。 lu o 弋 u 哺 、u n + u r n 、 、 0、咚 u o l：，一、7 图3 1 2 加法电路的输入输出电压特性曲线 电容c l 、c a 的作用是消除高频干扰和调整偏置电压时带来的电压抖动。调节电 1 5 华北电力大学硕士学位论文 位器r w 2 可以改变偏置电压u p z 的大小。 ( 2 ) 推挽式射极跟随器 如图3 1 1 所示，推挽式射极跟随器主要由三极管q i 、q 2 构成。r 2 l 、r 2 2 为限 流电阻，可防止跟随器输出端短路时烧坏管子，其阻值选择应按推挽输出的两管q l 、 q 2 允许的最大集电极电流考虑。电阻值不能太大，否则会降低输出级效率。 调节电位器r w 3 可以改变输出电压u k 的下限值( 即最小限位角) ，以满足集成 移相触发芯片t c 7 8 7 a 的要求( 其移相触发控制电压u k 要求不得低于0 2 v f 3 2 】) 。二 极管d 2 和d 4 构成了竞比电路，是为引入励磁过流限制功能而加入的。 3 2 3 4 励磁过流限制电路 励磁过流限制电路的作用是当发电机励磁电流超过规定值时，将移相触发电路 的控制电压变大，使触发脉冲的控制角增大，从而降低励磁电压，达到限制励磁过 流的目的。 如图3 11 所示，励磁过流限制电路是将从励磁回路霍尔电流传感器上取得的电 压信号经过滤波后，送至由运算放大器u 2 b 构成的比较放大电路。当励磁过流时， 对应的滤波电压值高于反相的整定电压绝对值，由于同相放大电路的放大倍数较 大，其输出电压值将高于运放u 2 c 的输出电压值，二极管d 2 承受反向电压，控制电 压u k 的大小将由二极管d 4 的输出电压决定，使得触发控制角变大，励磁电压降低。 为了取得较好的滤波效果，设计中的滤波电路使用了二阶有源滤波电路。励磁过流 限制的整定值是通过调整电位器r w 6 改变的。 3 2 4 移相触发单元 3 2 4 1 概述 移相触发单元的任务是产生相位可调的脉冲，用来触发励磁功率单元中可控硅 整流电路的可控硅，使其控制角0 l 随综合放大环节输出的控制电压u k 的大小而改 变，从而控制可控硅整流电路的输出电压，以调节发电机的励磁电流。 ( 1 ) 对移相触发单元的基本要求： 根据三相桥式可控整流电路工作原理，移相触发单元应满足如下基本要求： 各相触发脉冲必须与受控的可控硅主电路的电源同步，即具有相同的频率和 一定的相位关系。 应保证在整个移相范围内各相触发脉冲的控制角a 一致。否则将使整流桥输 出电压的谐波分量增大，在逆变运行时还可能引起直通故障。一般各相脉冲的相位 偏差不应大于1 0 。，在全控桥中不应大于5 。 触发脉冲的数目及移相范围，应满足整流电路和调压范围的要求。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 触发脉冲应有足够功率输出。要求脉冲前沿陡度一般在1 0 p 。s 左右，并有足 够的幅值和宽度。 触发脉冲的强度，不应大于可控硅控制极的电压、电流和功率的规定允许值。 为了避免可控硅反向击穿，在控制极不应出现反向电压。一般情况下，触发单元应 与处于高电位的主电路互相隔离，以保证安全。 应采取抗干扰措施，提高抗干扰能力。应能适应在允许的电网电压波动和波 形畸变的条件下正常工作。 ( 2 ) 移相触发单元的基本组成 移相触发单元由同步、移相触发、脉冲放大和脉冲隔离等环节组成，如图3 1 3 所示。 同步信号取自可控硅整流装置的主回路，保证触发脉冲在可控硅阳极电压为正 半周时发出，使触发脉冲与主回路同步。 同步信号：呈詈詈三二： 二三至至至三 二至三亟三三 卜_ 二郾重 控制电压u k 叫 lli i j 率 图3 一1 3 移相触发单元的组成 为了触发脉冲能可靠地触发可控硅，往往需要采用脉冲放大环节进行功率放 大。 励磁系统中通常还有手动部分，当励磁调节器自动部分发生故障时，可切换到 手动方式远行。 ( 3 ) 移相触发单元的分类 各种励磁系统中移相触发电路种类很多，常用的移相触发电路有下列四类： 单结晶体管移相触发电路。 锯齿波移相触发电路。这类触发电路以锯齿波作为同步电压，锯齿波的线性 度和对称度较好，移相范围较宽。 余弦波移相触发电路。这类触发电路以余弦波作为同步电压，因而整流桥输 出的直流电压与机端电压变化呈线性关系。 单稳态移相触发电路。这类触发电路采用控制单稳态触发器暂稳时间长短的 方法，来达到输出脉冲相位控制的目的。 随着集成化固体组件的推广应用，在半导体励磁调节器中出现了集成元件构成 的移相触发电路。由于集成元件的采用，使移相触发电路的接线和调试得到简化。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 在本设计中，采用了t c 7 8 7 a 集成移相触发电路芯片。 在本设计中，移相触发单元包括集成移相触发电路和脉冲放大隔离电路，由于 移相触发电路的种类较多，因此将集成移相触发电路做成可更换的插件式结构，而 将脉冲隔离电路固定于母板上。 3 2 4 2 集成移相触发电路 如图3 1 4 所示，集成移相触发电路是由同步信号输入电路、集成移相触发芯片 t c 7 8 7 a 和外接元件以及脉冲放大电路构成。 ( 1 ) 集成移相触发芯片t c 7 8 7 3 3 , 3 4 1 t c 7 8 7 是采用先进i c 工艺设计制作的单片集成电路，可单电源工作，亦可双 电源工作，配以少量外围阻容元件，在同步信号和控制电压的作用下，提供六路移 相脉冲输出，具有单脉冲和双脉冲两种工作方式。该电路具有功耗小，功能强，输 入阻抗高，抗干扰性能好，移相范围宽，外接元件少等优点；而且装调简便，使用 可靠。因此t c 7 8 7 可广泛应用于三相全控，三相半控等电力电子，机电小型化产品 的移相触发系统。 图3 1 4 集成移相触发电路 在本设计中，同步变压器和励磁变压器的接线组别均为d y - 1 l ，可控硅整流主 电路电压与触发电路同步电压同相位。而可控硅的控制角q 是以自然换相点为参考 点，自然换相点滞后主电路3 0 。为使各相触发脉冲按自然换相点作起点控制，必 须将各相同步信号后移3 0 。 如图3 1 4 所示，三相同步电压的中性点和直流工作电源共地，同步电压经r c 的t 型网络滤波、分压并产生3 0 0 滞后相移、经电容耦合电路取得同步信号。电路 华北电力大学硕士学位论文 输入端采用等值电阻进行1 2 分压，以保证信号的对称。另外，在电路中设有全控 半控选择开关，可由用户决定输出是单脉冲还是双脉冲。u b h 为输出脉冲禁止端， 用来进行故障状态下封锁t c 7 8 7 的输出，高电平有效，应用中接保护电路的输出。 ( 2 ) 脉冲放大电路 脉冲放大电路由集成达林顿管芯片u l n 2 0 0