第17次课(励磁系统新技术)

1、电力系统自动装置原理 水电学院电力系 杨国清 励磁系统新技术 1 1 同步发电机励磁系统技术的发展现状同步发电机励磁系统技术的发展现状 2 2 同步发电机励磁系统存在的问题同步发电机励磁系统存在的问题 3 3 基于基于PCCPCC的同步发电机励磁系统基本原理的同步发电机励磁系统基本原理 4 4 基于基于DSPDSP的同步发电机励磁系统基本原理的同步发电机励磁系统基本原理 1.1 现代励磁系统的作用 随着电力系统的发展对电能质量和系随着电力系统的发展对电能质量和系 统运行稳定性提出了更高的要求。统运行稳定性提出了更高的要求。 励磁系统是提高励磁系统是提高电能质量电能质量和和电网运行电网运行 稳定

2、性稳定性的最直接、最经济的手段。的最直接、最经济的手段。 励磁系统对于保证电能质量和提高电励磁系统对于保证电能质量和提高电 力系统的静态和暂态稳定性具有重要力系统的静态和暂态稳定性具有重要 作用。作用。 励磁系统如何在励磁系统如何在提高电能质提高电能质 量和系统稳定性量和系统稳定性方面发挥作方面发挥作 用呢？用呢？ 1.2 现代励磁系统结构 )( EFq IfE 1.3 励磁控制系统技术的现状 微机数字型微机数字型 8 8位位1616位位3232位位 MCUMCU PLCPLCMCUMCU IPCIPC DSPDSP 微机数字型励磁调节器的特点微机数字型励磁调节器的特点:控制过程数字化、硬件电

3、控制过程数字化、硬件电 路软件化，更利于实现复杂的控制思想。路软件化，更利于实现复杂的控制思想。 （一）（一）调节器的发展（调节器的发展（2020世纪世纪7070年代中期以来）年代中期以来） 1.3 励磁控制系统技术的现状 （二）（二） 功率单元的发展（功率单元的发展（2020世纪世纪6060年代以来）年代以来） 交流励磁机硅整流器交流励磁机硅整流器 可控硅自并励可控硅自并励 IGBTIGBT ( (绝缘栅门控双极型晶体管绝缘栅门控双极型晶体管) ) IGCTIGCT ( (集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管) ) 1.3 励磁控制系统技术的现状 可控硅在具有高电压、大电流特点的大中型同步发

4、电机可控硅在具有高电压、大电流特点的大中型同步发电机 组功率单元中的应用特性是以组功率单元中的应用特性是以PWMPWM方式工作的方式工作的IGBTIGBT和和IGCTIGCT 器件尚无法达到的。器件尚无法达到的。 q中国：中国：60006000V/4000AV/4000A的普通晶闸管，的普通晶闸管， q日本：日本：80008000V/4000AV/4000A的和的和60006000V/4000AV/4000A的光控晶闸管。的光控晶闸管。 首选方案首选方案：静止可控硅自并励励磁方式微机励磁调节静止可控硅自并励励磁方式微机励磁调节 器的器的配置配置。 1.3 励磁控制系统技术的现状 单变量控制单变

5、量控制 线性多变量控制线性多变量控制 非线性多变量控制非线性多变量控制 智能励磁控制智能励磁控制 强力式励磁控制强力式励磁控制 线性最优控制线性最优控制 PID+PSSPID+PSS励磁控制励磁控制 基于微分几何理论基于微分几何理论 基于直接线性化基于直接线性化 人工神经网络控制人工神经网络控制 模糊控制模糊控制 （三）（三） 励磁控制策略的发展励磁控制策略的发展 1.3 励磁控制系统技术的现状 （四）（四） 励磁系统今后的发展趋势励磁系统今后的发展趋势 在在调节器调节器方面：方面： 高速高速32位单片机、位单片机、DSP和可编程计算机控制器（和可编程计算机控制器（PCCPCC） 交流电量测量

6、和全数字触发回路交流电量测量和全数字触发回路 系列化、通用化、标准化系列化、通用化、标准化 在在功率单元功率单元方面方面: : 普通晶闸管、光控晶闸管和大功率普通晶闸管、光控晶闸管和大功率IGBT、 IGCT 在在控制策略控制策略方面：方面： 智能控制智能控制 2 励磁系统存在的问题 v 主流技术方案：主流技术方案： v 微机励磁调节器（单片机或工业控制计算机）可控微机励磁调节器（单片机或工业控制计算机）可控 硅整流功率单元硅整流功率单元 v 控制策略采用经典的控制策略采用经典的PID+PSSPID+PSS励磁控制励磁控制 v 存在问题：存在问题： v励磁调节器的可靠性励磁调节器的可靠性 v可

7、控硅移相触发单元的可靠性可控硅移相触发单元的可靠性 v功率因素测量的精度和可靠性功率因素测量的精度和可靠性 v励磁功率单元的均流方式励磁功率单元的均流方式 v功率单元的快速可靠散热功率单元的快速可靠散热 v励磁控制算法励磁控制算法 2.1 励磁调节器的可靠性问题 目前励磁调节器的硬件平台：目前励磁调节器的硬件平台： v基于单片机的微机励磁基于单片机的微机励磁 调节器调节器 v基于基于PLC+PLC+单片机的微机单片机的微机 励磁调节器励磁调节器 v基于工控机的微机励磁基于工控机的微机励磁 调节器调节器 2.1 励磁调节器的可靠性问题 单片机硬件平台：单片机硬件平台： 硬件系统一般为各厂家自行设

8、计制造硬件系统一般为各厂家自行设计制造 元件检测、筛选、老化处理、焊接及生产工艺元件检测、筛选、老化处理、焊接及生产工艺 PLCPLC硬件平台：硬件平台： 运算速度难以满足频率（周期）测量及产生可控硅移相触运算速度难以满足频率（周期）测量及产生可控硅移相触 发脉冲的要求发脉冲的要求 必须和单片机结合必须和单片机结合 工控机硬件平台：工控机硬件平台： 装置硬件访问时间较长装置硬件访问时间较长 供电电源及软件可靠性较差供电电源及软件可靠性较差 q基于上述微处理器硬件平台的励磁调节器，欲实现更高的可基于上述微处理器硬件平台的励磁调节器，欲实现更高的可 靠性具有一定难度。靠性具有一定难度。 2.2 同

9、步及移相触发可靠性问题 q 软件中断方法软件中断方法 - 系统任务较多时，系统任务较多时，CPU CPU 响应脉冲响应脉冲 可能会产生延时，造成触发误差可能会产生延时，造成触发误差 q 软件计数器方法软件计数器方法 -软件开发量较大，应用软件复杂软件开发量较大，应用软件复杂 q 外部硬件锁相环电路和比较器外部硬件锁相环电路和比较器 - - 外部硬件较多外部硬件较多 2.3 功率及功率因数测量可靠性 q 变送器变送器法法 输入时间常数较大（一般输入时间常数较大（一般 为为8080200200ms) ms) q 交流采样法交流采样法 对调节器硬件处理速度要求对调节器硬件处理速度要求 很高，一般只能

10、采用很高，一般只能采用32位单位单 片机或片机或DSP实现实现 2.4 励磁功率单元的散热及均流方式励磁功率单元的散热及均流方式 强制风冷式铝型材散热强制风冷式铝型材散热 器，散热效率低，风机器，散热效率低，风机 易损坏，易导致功率组易损坏，易导致功率组 件过热，元件寿命短且件过热，元件寿命短且 风机耗能大。风机耗能大。 功率元件筛选电缆功率元件筛选电缆 阻抗补偿法：阻抗补偿法： 均流系数较低、均流均流系数较低、均流 效果不稳定，技术难效果不稳定，技术难 度较大。度较大。 2.5 2.5 励磁控制算法励磁控制算法 固定参数固定参数PIDPID励磁调节算法：励磁调节算法： 当电力系统运行结构和参

11、当电力系统运行结构和参 数发生较大变化时，励磁系数发生较大变化时，励磁系 统的电压和无功功率控制效统的电压和无功功率控制效 果较差。果较差。 如何解决 上述6个方 面的问题？ 3 基于PCC的励磁系统的基本原理 总体思路：以解决上述问题为出发点，有关专家提出总体思路：以解决上述问题为出发点，有关专家提出 了以可编程计算机控制器（了以可编程计算机控制器（PCC Programmable PCC Programmable computer controller)computer controller)为核心的技术方案。为核心的技术方案。 更高可靠性更高可靠性 更好控制品质更好控制品质 的励磁装置的

12、励磁装置 模糊模糊PID 励磁控制策略励磁控制策略 PCC调节器调节器 全数字式同步及全数字式同步及 移相触发方法移相触发方法 全数字式功率因全数字式功率因 素在线测量方法素在线测量方法 热管散热技术热管散热技术 数字式均流方法数字式均流方法 3.1 基于PCC的励磁系统的硬件结构 脉冲放大 整形整形电压变送器电流变送器励磁电压/电 流变送器 高速输入模拟量输入 高速输出 触发脉冲 PT CT 灭 磁 回 路 励磁变压器 过电压保护回路 PCC励磁调节器 CT 信号采集部分信号采集部分 控制策略部分控制策略部分触发脉冲部分触发脉冲部分主回路部分主回路部分 与传统方与传统方 案的区别？案的区别？

13、 3.2 PCC励磁调节器 （一） PCC的特点 PCC是在是在PLC基础上引入计算机的分时多任务操作系统基础上引入计算机的分时多任务操作系统 的新一代工业微机控制器平台，其可靠性与的新一代工业微机控制器平台，其可靠性与PLC相同，相同， 灵活性与灵活性与IPC相当。相当。 PCC内部集成了时间处理器单元（内部集成了时间处理器单元（TPUTimer Processor Unit)，可以在不增加主可以在不增加主CPU负荷的前提下，负荷的前提下， 对由开关信号引发的事件提供微秒级的分辨率，适用于对由开关信号引发的事件提供微秒级的分辨率，适用于 励磁系统同步信号捕捉和触发脉冲产生。励磁系统同步信号捕

14、捉和触发脉冲产生。 3.2 PCC励磁调节器 总结：总结： q具有良好的可靠性：平均无故障时间达具有良好的可靠性：平均无故障时间达5050万小时万小时 q支持分时多任务操作系统，支持高级语言编程支持分时多任务操作系统，支持高级语言编程 q3232位微处理器技术高速时间处理单元位微处理器技术高速时间处理单元TPUTPU，TPUTPU任务不占任务不占 用用CPUCPU资源资源 q具有良好的电磁兼容能力具有良好的电磁兼容能力 q全面支持全面支持RSRS232232，RSRS422/485422/485，CANCAN，以太网，以太网， ProfibusProfibus等通信协议，易于系统集成等通信协议

15、，易于系统集成 3.2 PCC励磁调节器 标 准 任 务 层 高 速 任 务 层 任 务 层 1 任 务 层 2 任 务 层 3 任 务 层 4 高 速 任 务 层 10ms 20ms 100ms 10-500ms 1ms高 低 优 先 级 同 步 移 相 触 发 10ms PID计 算 20ms 人 机 接 口 100ms 通 信 接 口 任 务 （二）（二） PCCPCC分时多任务处理系统分时多任务处理系统 3.2 PCC励磁调节器 （三（三） PCC PCC调节器的硬件结构调节器的硬件结构 qPCCPCC型控制器具有更高的可靠性。型控制器具有更高的可靠性。 q3232位数据处理能力、独立

16、的位数据处理能力、独立的TPUTPU单元可以满足励磁系统的单元可以满足励磁系统的 频率测量、功率因素测量、自然换流点检测以及移相触频率测量、功率因素测量、自然换流点检测以及移相触 发等功能的动态响应要求。发等功能的动态响应要求。 q多任务优先分级管理可使励磁控制中对时间响应要求不多任务优先分级管理可使励磁控制中对时间响应要求不 同的任务实现不同的优先级设置，有利于合理分配同的任务实现不同的优先级设置，有利于合理分配CPUCPU资资 源，保证高速任务的实时响应。源，保证高速任务的实时响应。 vPCCPCC技术性能完全满足了现代电力系统对励磁控制的各项技术性能完全满足了现代电力系统对励磁控制的各项

17、 要求，适用于作为高可靠性和更好控制品质的同步发电要求，适用于作为高可靠性和更好控制品质的同步发电 机励磁调节器的硬件平台。机励磁调节器的硬件平台。 3.2 PCC励磁调节器 励磁调节器由励磁调节器由PCCPCC系列产品中的系列产品中的 PP41PP41型控制器、操作系统、外围型控制器、操作系统、外围 扩展模块和应用软件构成。扩展模块和应用软件构成。 本体硬件资源：本体硬件资源： q 1010个个高速高速数字量输入端口（数字量输入端口（4 4个支持个支持TPUTPU操作）操作） q 8 8个数字量输出端口（不支持个数字量输出端口（不支持TPUTPU操作）操作） q 6 6个系统扩展插槽个系统扩

18、展插槽，4 4，5 5，6 6号支持号支持TPUTPU操作操作 q 1 1个个RS232RS232接口，接口，1 1个个CANCAN通信接口通信接口 q 显示控制面板等硬件设备显示控制面板等硬件设备 扩展硬件资源：扩展硬件资源： q 1 1块模拟量输入模块块模拟量输入模块 q 2 2块数字量输出模块块数字量输出模块 RS232 CAN 数字量输入数字量输出 电源 扩展模块 插槽 扩展功能 模块 扩展 通讯模块 3.2 PCC励磁调节器 定子电流 PP41 控制器 整形 电路 高 速 数 字 量 输 入 通讯接口 显示与键盘 TPU CPU 存储单元 整形 电路 CT 同步变 压器 定子线电压

19、励磁电压 变送器 励磁电压 变送器 模 拟 量 输 入 高 速 数 字 量 输 出 脉 冲 放 大 电 路 触 发 脉 冲 信 号 机端电压 变送器 定子电流 变送器 励磁电压 励磁电流 定子电压 定子电流 测频 同步 低速数字量输入 低 速 数 字 量 输 出 控制命令等 报 警 信 号 等 测相位 测相位 PCC励磁调节器硬件结构原理图励磁调节器硬件结构原理图 3.2 PCC励磁调节器 PCC任务等级 高速任务层标准任务层 TC#1TC#2TC#3 模糊PID调节 附加励磁控制 HS#1 人机接口通信任务 同步 测频 功率 因素 测量 移相 触发 1ms10ms20ms100ms （四）（

20、四） PCCPCC调节器的软件结构调节器的软件结构 调节器软件按任务等级分层调节器软件按任务等级分层, ,采用模块化和高级语言编程。采用模块化和高级语言编程。 3.3 全数字式同步及移相触发方法 （一）单相同步整形电路（一）单相同步整形电路 R U1A C D E D C D RR U1B U2A RR 同步 变压器 电流 互感器 R C DD RR C R RR R DD C U2B 高 速 数 字 量 输 入 TPU CPU 存储单元 测频 同步 AC U A I F 测相位 测相位 AC U定子线电压定子线电压 检测自然换流点信号检测自然换流点信号 频率测量信号频率测量信号 功率及功率因

21、素测量信号功率及功率因素测量信号 定子线电流定子线电流 A I 功率及功率因素测量信号功率及功率因素测量信号 3.2 全数字式同步及移相触发方法周期测量 0 0 U A U B U C U t t 0 U A B U A C U B C U B A U C A U C B U A B U A C U 自 然 换 流 点 自 然 换 流 点 0 t 0 U A C U C A U A C U 自 然 换 流 点 D ifC n T=DifCn X TnT=DifCn X Tn 同步信号周同步信号周 期期 计数器计数值计数器计数值 X 计数周计数周 期期 （二）同步信号的周期测量（二）同步信号的周

22、期测量 3.3 全数字式同步及移相触发方法 （三）反余弦计算及数字移相（三）反余弦计算及数字移相 v 余弦求解：余弦求解： vPCCPCC支持在线反余弦计算支持在线反余弦计算 v 数字移相数字移相: : v采用采用PCCPCC内部延时来完成：内部延时来完成： )(cos)( 1 kKUk K cos KL KUU 360/Tt 6300000/tTtN n 3.3 全数字式同步及移相触发方法 换相点 触发脉冲 由LTXdilD()得到换相时刻 计算出a对应的延时计数值 N 由LTXdol0()发1号触发脉冲 延时60度，由LTXdol1() 发2号触发脉冲 延时60度，由LTXdol2() 发

23、3号触发脉冲 延时60度，由LTXdol3() 发4号触发脉冲 延时60度，由LTXdol4() 发5号触发脉冲 60 延时60度，由LTXdol5() 发6号触发脉冲 （N1） （N） a 0 0 U AC U CA U AC U 自然换流点 DifCn （四）触发脉冲的形成（四）触发脉冲的形成 1号脉冲号脉冲 其余脉冲其余脉冲 自然换流点自然换流点 3.3 全数字式同步及移相触发方法 ( (SCR6,1)SCR6,1) (SCR1,2) (SCR1,2) (SCR2,3)(SCR2,3)(SCR3,4)(SCR3,4) (SCR4,5)(SCR4,5)(SCR5,6)(SCR5,6) SC

24、R 1 SCR 3 SCR 5 SCR 4 SCR 6 SCR 2 ea eb ec id ud VS1VS3VS5 VS6VS2 VS4 R （五）脉冲分配与放大（五）脉冲分配与放大 3.4 全数字式功率因素在线测量方法 C E TPU CPU PCC 控制器 整形 电路 同步 变压器 高 速 数 字 量 输 入 AC U D 整形 电路 电流 互感器 A IF 测相位 测相位 测频 同步 （一）硬件结构（一）硬件结构 电压信号电压信号 C:C:测频测频 D:D:同步同步 E:E:相位相位测量测量 电流信号：电流信号： F F：相位相位测量测量 相电压在相位上超前线电压相电压在相位上超前线电

25、压3030电角度，因此，将线电电角度，因此，将线电 压整形方波信号上升沿时刻压整形方波信号上升沿时刻Time0Time0向前移相向前移相3030电角度即可电角度即可 获得相电压方波信号对应的上升沿时刻获得相电压方波信号对应的上升沿时刻Time1Time1 3.4 全数字式功率因素在线测量方法 1Time 2Timet 0 0 A I A U N TT / N TT / 0 AC U N TT / 0Time30 t t )2/(12 N TTTimeTime （二）测量原理（二）测量原理 滞后的功率因素可由下式求得：滞后的功率因素可由下式求得： 6300000/ ) 12(TimeTimeT

26、)360/cos(cosTT cos3 AACe IUP sin3 AACI UQ 6300000/ ) 12 (TimeTimeT 3.5 数字式均流方法双通道功率回路 AC AC AC 整流桥B T11T21T12T13 T14T15T16 T22 T24T25T26 T23 Lf 转 子 电 感 La Lb Lc Ea Eb Ec 整流桥A 3.5 数字式均流方法 均 流 电 路 六路可 控硅触 发脉冲 12路可 控硅触 发脉冲 桥A 桥B 3.5 数字式均流方法 传统均流效果：表计传统均流效果：表计 指示电流非常平衡，指示电流非常平衡， 然而实际上电流差异然而实际上电流差异 非常大，如

27、非常大，如C相电流，相电流， 主要原因是导通时刻主要原因是导通时刻 不同。不同。 数字均流效果 热管散热功率组件工作原理：热管热管散热功率组件工作原理：热管 两端产生温差的时候，蒸发端的液两端产生温差的时候，蒸发端的液 体就会迅速气化，将热量带向冷凝体就会迅速气化，将热量带向冷凝 端。两端温差越大，蒸发速度越大。端。两端温差越大，蒸发速度越大。 在极端的情况下，蒸发速度可能可在极端的情况下，蒸发速度可能可 以接近音速。以接近音速。 3.6 功率单元热管散热技术 液体在冷凝端凝结液化以后，液体在冷凝端凝结液化以后， 通过毛细作用，流回蒸发端。通过毛细作用，流回蒸发端。 如此循环往复，不断地将热如此循环往复，不断地将热 量带向温度低的一端。水量带向温度低的一端。水 气之间的相变反应，