第三章5节励磁调节原理 2幻灯片.ppt

一 励磁调节器的原理及发展 一 电压调节的原理按调节原理可分为反馈型和补偿型 用负载电流补偿励磁的方法称为复式励磁 发电机的电压却不仅与负载电流有关 而且还受负载功率因数的影响 因此 励磁补偿需同时计及负载电流和功率因数这两个因素才为合理 这种既反映电流大小反映电流相位的复式励磁为相位复式励磁 第五节励磁调节装置原理 复式励磁 补偿式励磁调节器 采用对扰动量进行补偿的调节方式 为补偿型励磁调节器 典型的为复式励磁装置 与反馈型调节器配合使用 可以减轻反馈控制系统的负担 加快调节速度 复式励磁装置也可单独使用 典型的为电磁型复式励磁装置 1 复式励磁原理 1 复式励磁原理当If不变 Ut将随感性负荷电流的变化而变化 因为感性电流产生的去磁电枢反应而引起Ut的变化 因此当I发生变化 要维持Ut在给定范围 可采用发电机复励的概念 将一个于发电机负荷电流成比例的电流经整流后作为附加励磁电流 即复励电流 加入励磁 从而达到改善端电压变化的目的 负荷电流对应电压调节来讲是一个干扰量 而复式励磁电流是一种补偿作用 因此这种调节称为反干扰量的补偿式调节 2 复式励磁装置框图 输入为负荷电流Ia经复励装置后 得IfL作为励磁电流IRC的补充整个系统的输出为Ut形成一个开环的补偿调节系统 因此 从原理上讲不能保证任意电的电压调节质量 图2 21复式励磁装置装置框图 Ut IRC IfL Ia Ief IfL IRC Ief 2 电磁型复式励磁装置 Ia是交流 IfL直流I1 Ia IfL I1Ief IfL IRC当Ia Ut If 而Ia IfL Ief 补偿了因Ia 导致的Ut I1 改变FZB的变比及调节RfL大小可改变补偿性能 投切装置 RfL 0时 IfL 0 装置平滑切除 3 复式励磁的优缺点及改进 导致发电机端电压变化的原因 除了负荷电流外 还与功率因数 温度等因素有关 复式励磁是补偿式调节 不检测补偿后 电压是否恢复到容许范围 要配合直接反应端电压变化的调节器 才能得到较好的电压调节质量 称为电压校正器 复式励磁不能补偿所有因素引起的电压变化 运行中必须采用反馈型的电压校正器 才能满足电压水平的要求 电网中一般都采用反馈型电压调节器 二 励磁调节器的发展及分类 20世纪初 1950s 1960s 1980s 8 46 2020 3 22 机电型励磁调节器 电磁型励磁调节器 电子型励磁调节器 数字型励磁调节器 机电型励磁调节器的任务是调节电压 其调节线圈中的电流与发电机电压成正比 调节线圈中产生的磁场力作用于变阻器 从而改变励磁机磁场电阻以达到调节电压的目的 由于它操作中需要克服摩擦力 故而具有不灵敏区 9 46 2020 3 22 机电型励磁调节器 电磁型励磁调节器 电子型励磁调节器 数字型励磁调节器 电磁型励磁调节器是以磁放大器为基础 构成电磁型电压调节器 各个单元均由电磁单元构成 时间常数较大 但是可靠性高 任务是维持电压水平和无功功率分配 10 46 2020 3 22 机电型励磁调节器 电磁型励磁调节器 电子型励磁调节器 数字型励磁调节器 电子型励磁调节器是以电子元件为基础所构成的 没有时间滞后 综合放大能力强 发展成为 对励磁系统具有多种综合控制调节能力的励磁调节器 基本上由 调差 测量比较 综合放大 移相触发 等单元组成 实现电压调节和无功负荷分配等基本调节功能 11 46 2020 3 22 1励磁调节器的发展历程 机电型励磁调节器 电磁型励磁调节器 电子型励磁调节器 数字型励磁调节器 数字型励磁调节器实质上是一台专用的微型计算机励磁控制系统 核心是主机 主机通过总线 接口电路与具体的控制对象的过程通道连接 采集发电机组的运行状态信息 输出脉冲调节励磁功率单元 晶闸管 实现对发电机励磁的综合调节控制 励磁调节装置原理 图为300MW三机励磁系统励磁调节器 图为600MW发电机自并励励磁系统 励磁调节装置原理 基本控制电压调节无功分配 辅助控制瞬时电流限制最大励磁电流限制最小励磁电流限制电压频率保护失磁监控励磁系统稳定器PSS等等 二 数字式励磁调节器原理 一 数字式励磁调节器框图 15 46 2020 3 22 数字式励磁调节器的基本构成 1主机 主控单元 4人 机接口 2信息采集单元 3调节控制输出单元 装有系统软件 应用软件等 是微机励磁调节器 微机硬件 16 46 2020 3 22 1 主控单元 主机 17 46 2020 3 22 CPU部分 总线接口 存储器部分 主控单元可以通过总线采集发电机组的运行信息 存入存储区形成实时数据库 主机可以从实时库中调取相关信息进行调节计算 逻辑判断等各种控制功能 在数字型励磁调节器上增设辅助控制功能无需增加特定的硬件设备 这是与电子型相比的最显著的区别 ROM RAM 中央处理单元 CPU部分 总线接口 存储器部分 ROM RAM 中央处理单元 数字处理芯片DSP 高速 提高乘除法 函数 浮点运算速度 是一个128KB的EPROM 固化 大容量的内存 支持显示设备 系统集成 19 46 2020 3 22 2 信息采集单元 电压调节 无功功率分配 励磁系统稳定器 电力系统稳定器 励磁系统限制器 采集发电机电压 电流及反映机组运行的开关量 采集发电机频率和励磁机电流等 模拟 数字量过程通道 A D转换和数字量输入 总线接口 CPU 1 模拟量信息采集电路 模数转换电路是把采样输入的模拟信号量转换为二进制数字量 使之反映测量值的大小 A D转换模板的规格很多 有低速 高速 8位 12位等 技术指标如下 分辨率 量程 转换时间 转换精度 1 A D转换模板电路 21 46 2020 3 22 发电机的电压过程通道 将TV二次侧输出的100V再经过中间变压器TMV转换为A D的量程以内 同时也起到了电气隔离的作用 发电机的电流过程通道 将TA二次侧的5A转换为A D所能接受的电压信号 中间变流器或者霍尔元件传感器等 且在其量程以内 也起到了电气隔离的作用 2 模拟量输入通道 22 46 2020 3 22 励磁电流 转子电流 过程通道 直接测量法 将直流 直流变送器串入转子回路中 将直流电流转换为直流电压 间接测量法 全控整流桥的交流侧电流与转子直流电流 电压 成正比 因此 经过TA测量出交流侧电流而间接得到转子电流 恒励磁电流运行 瞬时电流限制 过励保护和欠励限制 23 46 2020 3 22 滤波电路 两种 a 直流采样滤波电路 保证直流成分 去掉谐波成分 b 交流滤波电路 提取有用信号 滤出谐波和直流等 常用滤波电路型式 巴特沃思 锲比雪夫 贝塞尔 1 桥式滤波 对交流 若保持R1 R2 Z3 Z4 桥平衡 则输出Uab 0 即该电压被滤掉 六相选f 600Hz 对直流 C1隔直U1 Ua输出 选R2 R4 会使直流电压有很小的衰减2 两级RC滤波器滤去残余高次谐波分量 a 直流采样滤波电路 交流采样方法 和直流滤波一样采用低通滤波处理 有源滤波电路进行滤波处理 软件滤波无论哪种方法都因有电容 电感元件会导致交流采样信号相位的偏差 电流 电压相位是非常重要的信息 例如无功计算 方法 的软件算法中可以对相位偏差进行补偿 b 交流滤波电路 2 数字量输入通道及A D数据采集 数字量采集电路 采集断路器状态 操作盘上开关状态 输入调节量增 减控制信息和输入调节量的增减控制信号等 这些状态信息和控制信号转换成相应的高低电平信号后 由接口电路的光隔离器数字式输入接至总线 光电隔离器是以光为媒介传输电信号的器件 如图示 当输入端有电压信号使发光二极管发光时 受光器即产生光电流从输出端流出 实现了 电 光 电 转换的单向信号传递 实现了输入输出间电气完全隔离 抗干扰能力强 广泛应用于微机接口电路 双通道主机间的通信业可以采用高速多位数字输入 输出模块 用并行传送方式快速交换信息 3 57光电隔离器典型应用 A D转换接口电路 主要是将模拟信号转换为计算机可以接受的二进制数字信号AD主要技术指标 分辨率 量程 转换时间 转换精度 A D转换板接口电路由模拟多路切换开关MUX 程控放大器 采样保持器S H A D转换器和定时与逻辑控制等部件构成 3 调节和控制输出单元 励磁调节器输出的调节量为控制励磁功率单元的移相触发脉冲 输出的控制信号有保护跳闸触点信号 报警信号等 1 移相触发单元移相触发单元的任务 为了使全控 半控 整流桥正常工作 需要使晶闸管按照一定的次序导通 也就需要按照一定的次序对晶闸管门极施加触发脉冲 移相触发单元产生可调相位的脉冲 去触发晶闸管 使其触发角 能够随着主控单元输出的控制数据而改变 以控制晶闸管整流电路的输出 从而调节发电机励磁电流 整流电路中触发回路与主电路的相位配合问题 三相全控桥 共阴极型的晶闸管元件只有在阳极电位最高区段才有可能导通 因此触发脉冲应该在这一区段发出 三相触发脉冲按 A B C相顺序依次相隔120 发出 共阳极型的晶闸管元件只有在阴极电位最低区段才有可能导通 因此触发脉冲应该在这一区段发出 三相触发脉冲按 C A B相顺序依次相隔120 发出 这样三相触发脉冲顺序应按 A C B A C B相顺序依次相隔60 发出 移相触发单元的要求 1 触发脉冲移相范围要求符合相应的可控整流电路的要求 0 180 电感性负载受最小逆变角限制 0 155 2 触发脉冲具有足够的功率使晶闸管可靠地导通3 触发脉冲上升沿要陡 10微秒 要有一定的宽度 多只元件串联 并联 失控 要求触发脉冲宽度应不小于100 s 通常为1ms 相当于50Hz正弦波的18 对三相全控桥式整流电路 要求触发脉冲宽度大于60 或者用双脉冲触发 4 触发单元与主电路相互隔离以保证安全5 在整个移相范围内保证各相的触发脉冲控制角 一致 否则会增加谐波 一般在三相半控桥式整流电路中各相触发脉冲的相角偏差应小于10 在三相全控桥式整流电路中相角偏差不大于5 31 46 2020 3 22 1 同步整形电路 将同步变压器二次侧电压整形成方波 其上升沿作为控制角的计时起点 数字 脉冲移相接口电路 移相触发单元的构成 宽度180 的方波上升沿对应自然换相点1 2 3 4 5 6 三相全控桥阳极电压和自然换流点 32 46 2020 3 22 把主控制单元输出的数字量D数据装入到计数寄存器 同步电压经过隔离 电平转换 在电压过零点处形成正脉冲 加到Gate端 上升沿时计数器开始计数 作减法 计数结束时输出端的低电平信号经过转换后形成触发脉冲输出 他与同步电压过零点间的相差的时间就是相移角 2 数字 脉冲移相接口电路 三部分组成 数字量D 移相原理是把触发角 换算成对应的延时t 再则算成对应的计数脉冲个数D T 为晶闸管交流电源的周期 fc 为可编定时计数器8253计数脉冲的频率 如果已知控制角 就可求得计算机的写入数据D 例子 两个8253芯片 输出六个触发脉冲三相全控桥的双脉冲触发 脉冲间隔为60 35 46 2020 3 22 3 整流器接口电路 中间脉冲放大 作为触发脉冲的输出端口 在控制单元和门极驱动接口之间实现光电电气隔离 具有测量整流桥输出电流 并监视桥臂电流和部件运行状态 如熔断器 温度等 4 门极驱动电路 末级脉冲放大 用于放大脉冲 使之与晶闸管触发水平相匹配 一般门极驱动接口单元含有全控桥晶闸管数量相等的名称脉冲变压器 门极驱动电路输出的脉冲应具有足够的功率 脉冲具有一定的陡度 幅度和宽度 对于不同机组 其脉冲形成部分是相同的 功率放大部分依据机组容量大小和功率柜的不同要求有所不同 微机发出的数字脉冲信号是TTL电平 晶体管 晶体管逻辑电平 不能直接出发晶闸管 因此都有脉冲放大环节 37 46 2020 3 22 4 人 机接口 人 机接口满足 1 程序调试2 参数设定与维护3 运行操作 不同人员的不同要求 1 程序调试 是软件专职人员的工作 用计算机常规外围设备 如键盘 鼠标 CRT显示器 打印机等设备 且在特定环境下工作 2 参数设定与维护 是电厂技术人员的工作 有一定的专业知识 在指定端口做修改参数操作 3 运行操作 是值班运行人员增减励磁电流操作 根据调节器运行面板显示信号作投入 退出 切换等必要的操作 要求信号醒目 明确 容易判断 39 46 2020 3 22 3调节控制的数学模型 PID调节控制的算法方程式 PID差分变换的离散方程式 40 46 2020 3 22 PID调节 位置式 增量式 增量式PID调节算法与位置式并无本质区别 由于输出增量 计算误差或精度对控制量影响较小 控制作用不会发生大幅度的变化 而且输出只与最近几次采样值有关 容易获得较好的控制效果 41 46 2020 3 22 励磁调节器的基本调节方式 1 电压调节 比例式调节方式 2 电压调节附加无功功率分配 42 46 2020 3 22 4励磁调节器的辅助控制 励磁调节系统辅助控制满足 1 发电机在进相运行时 发电机最小励磁电流值应该限制在发电机静态稳定极限和发电机定子端部发热允许的范围内 为此需要设立 最小励磁限制器 2 为了提高系统的稳定性 励磁系统具有高起始响应特性 励磁电流过大 则会危及发电机的安全 故而需要限制强励顶值电流 为此需要设置 瞬时电流限制器 辅助控制与正常控制的区别在于 辅助控制不参与正常调节 仅在发生非正常工况时 特定的限制辅助功能才起作用 辅助控制包括 瞬时励磁电流控制 最大励磁限制器 最小励磁限制器电压 频率限制与保护 发电机失磁监控 43 46 2020 3 22 0 发电机运行状态 定转子热极限 定子电流限制 转子电流限制 44 46 2020 3 22 0 发电机运行状态 端部热极限 电枢端部热极限 叠片涡流 进相时 漏磁通增加更加明显 45 46 2020 3 22 0 发电机运行状态 静态稳定极限a SMIB 46 46 2020 3 22 0 发电机运行状态 静态稳定极限b 47 46 2020 3 22 0 发电机运行状态 静态稳定极限c 稳定极限 90o 48 46 2020 3 22 0 发电机运行状态 静态稳定极限d 49 46 2020 3 22 发电机失磁保护 机端测量阻抗判据 机端测量阻抗判据等有功圆静稳极限圆 阻抗静稳极限圆 PQ静稳极限圆 等价否 50 46 2020 3 22 两个静稳极限圆 等价关系 阻抗静稳极限圆 PQ静稳极限圆 等价否 51 46 2020 3 22 1 瞬时励磁电流控制 为了满足电力系统稳定性的要求 大容量发电机的励磁系统必须具有高起始响应的性能 通常采用高励磁顶值的方法来提高励磁机输出电压的起始增长速度 斜率大 高值励磁电压将会危及励磁机及发电机的安全 为此设置了 瞬时励磁电流控制器 具体控制 当励磁电流超过发电机允许的励磁顶值 立即限制励磁电流为 52 46 2020 3 22 2 最大励磁限制器 最大励磁限制是为了防止转子绕组长时间过励磁而采取的措施 为了保证发电机转子发热的安全 励磁系统强励时间不允许超过规定值 若超过允许时间 励磁电流仍然降不下来 则执行最大励磁限制 他有两个设定值 1 强励顶值电流限制值2 连续运行允许的过热限制值 53 46 2020 3 22 2 最大励磁限制器 OEL 只要励磁电流超过过热限制值 励磁调节器就会启动一个过热电力积分器 励磁电流限制值为 调节器按恒励磁电流运行 励磁电流限制值为 调节器按恒励磁电流运行 54 46 2020 3 22 3 最小励磁限制器 UEL Q增加 A C 失去稳定 稳定极限 考虑裕度的稳定极限 P增加 A B 失去稳定 需要增加最小励磁限制 55 46 2020 3 22 3 最小励磁限制器 UEL 发电机在实现欠励限制时 考虑留有一定的稳定储备后 限制值为一直线 调节器发出欠励限制信号 励磁电流不再减少 56 46 2020 3 22 UEL考虑的三个限制 欠励限制器 失磁继电器 小信号稳定静态极限 过励 欠励 容量极限 57 46 2020 3 22 4 电压 频率限制与保护 U f比超过限制值的原因 1 发电机甩负荷或者解列2 发电机组启动时误投励磁开关3 系统故障使频率降低 在规定的时间内 仍然 则跳主开关灭磁 延时灭磁 限制 限制 磁通限制器 防止发电机 变压器铁心过热 NorthChinaElectricPowerUniversity 58 46 2020 3 22 5 发电机失磁监控 发电机 失磁 是指发电机在运行中全部或者部分失去励磁电流 使转子磁场减弱或者消失 这是发电机运行中可能发生的一种故障状态 造成发电机失磁的原因 1 励磁开关误跳闸2 励磁机或晶闸管励磁系统元件损坏或发生故障3 自动灭磁开关误跳闸4 转子回路某处断线及误操作 发电机组均配置有失磁保护 还设置了失磁监视功能 NorthChinaElectricPowerUniversity 59 46 2020 3 22 发电机失磁保护 低电压判据逆无功判据机端测量阻抗判据等有功圆静稳极限圆 60 46 2020 3 22 5数字式励磁调节器的可靠性 1 主控单元双重化配置2 励磁功率单元双重化3 励磁电流测量双重化4 双电源配置5 TV TA的双重化 可靠性提高多少 1 单套 2 双套不切换 3 双套切换 61 46 6数字式励磁调节器的软件 时间安排 一个周期内 考虑裕度18ms 62 46 6数字式励磁调节器的软件 过励判断 63 46 小结 1 励磁调节器发展过程的几个形式及其特点2 数字式励磁调节器的基本构成3 PID调节算法 位置式和增量式 4 励磁调节器的基本调节算法5 瞬时励磁电流控制6 最大励磁限制7 最小励磁电流限制8 电压 频率限制9 发电机失磁10 数字式励磁调节器的运行软件 二 数字式励磁调节器原理 二 控制的数学模型1 PID模型 离散化为 二 数字式励磁调节器原理 控制的数学模型增量式PID调节增量式PID调节的优点是 因为数字调