500MW汽轮机组励磁机励磁控制系统设计

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力系统自动化电力系统自动化 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 500MW汽轮机组励磁机励磁控制系统设计汽轮机组励磁机励磁控制系统设计院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：2013.12.16 12.31 本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化本科生课程设计（论文）注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号 学生姓名 专业班级

2、 课程设计题目500MW汽轮机组励磁机励磁控制系统设计课程设计（论文）任务设计要求1.确定励磁自动控制系统的原理接线图。2.说明各个环节作用及系统的工作原理。3.根据总接线图，列写励磁自动控制系统各个环节的传递函数及框图。4列写励磁自动控制系统的传递函数，绘制传递函数框图，并在空载点对传递函数进行线性化，采用 PID 控制，确定 PID 控制参数。5根据系统传递函数，对系统进行仿真，分析系统性能。6对结果进行分析总结。基本参数及要求：1 发电机容量 500MW，功率因数 0.8，定子额定电压 20KV，空载额定转子电压220V。2 要求电压调差系数在15%范围内可调。3 强励倍数 2，不小于

3、12 秒4 调压精度，机端电压静差率小于 1.0。5 自动电压调节范围：90110。6 起动升压至额定电压时，超调量不大于 10。 进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。 （1 天）2、确定励磁方式，设计励磁自动控制系统接线图。 （3 天）3、建立励磁自动控制系统各个环节的传递函数及框图。 （2 天）4、绘制传递函数框图，对传递函数进行线性化，确定 PID 控制参数。 （1 天）5、对系统进行仿真，分析系统性能。 （2 天）6、撰写、打印设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）摘 要在电力系统运

4、行中，同步发电机的励磁系统对于维持发电机端电压、分配并列运行机组之间的无功分配、提高电力系统稳定性等方面起着重要的作用。并且，励磁控制系统是同步发电机的一个重要组成部分，在保证电能质量、无功功率合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面起着十分重要作用。同步发电机励磁控制器是同步发电机控制系统的核心，本文采用了 PID 控制系统设计了 500MW 汽轮机组励磁机励磁控制系统，该系统是一个典型的反馈控制系统，PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。本设计 进行了模糊自调整 PID 控制设计，克服了传统 PID 控制非线性差、对模型要求高的缺点,并深入

5、进行了基于免疫算法的模糊 PID 控制设计,把生物学中的细胞免疫原理用于模糊 PID 控制器中，加强了控制器的自我校正能力，自适应能力，提高了控制精度和速度。关键词：励磁；Matlab 仿真；PID 控制本科生课程设计（论文）I目 录第 1 章 绪论.11.1 励磁自动控制系统概况 .11.2 本文设计内容 .1第 2 章 发电机励磁系统设计.32.1 励磁控制系统功能 .32.2 励磁控制系统总体设计方案 .32.3 励磁控制系统测量比较单元电路设计 .42.3.1 电压的测量.52.3.2 比较整定 .52.3.3 比较整定电路的整定 .6第 3 章 系统传递函数的建立.73.1 他励直流

6、励磁机的传递函数建立 .73.2 励磁器各单元的传递函数 .83.2.1 电压测量比较单元.83.2.2 综合放大单元.83.2.3 功率放大单元.93.3 励磁控制系统的传递函数 .93.4 同步发电机的传递函数 .10第 4 章 PID 控制与系统的仿真分析.114.1 系统仿真模型的设计 .114.2 系统性能的分析 .12第 5 章 课程设计总结.13参考文献.14本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 励磁自动控制系统概况同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则

7、控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈闭环控制系统。励磁系统主要作用是为同步发电机励磁绕组提供直流电流，并且励磁调节器通过控制励磁电压及励磁电流，担负着对电力系统稳定运行的控制和保护功能。按提供励磁功率的方式, 励磁系统分为他励和自励两种形式，前者的励磁功率取自与发电机同轴的励磁发电机,后者的励磁功率由发电机定子提供。对目前存在的自励系统,其励磁功率是由同步发电机的机端电压经励磁变压器降压, 再由可控硅相控整流器整流后向发电机提供励磁电压, 在线检测机端电压和负载电流,按照一定的规律来调节相控整流器的控制角,以满足系统的增、减磁的需要。电

8、机励磁控制是保证发电机和电力系统安全稳定运行和改善电力系统动态品质的一项基本措施。随着电力系统的发展，对发电机励磁提出了更高的要求。除了维持发电机电压水平，合理分配并联机组的无功功率外，还要求励磁控制系统能对电力系统的静态和动态稳定及暂态稳定起作用。国内外的研究和实践证明，励磁控制系统不仅能提高电力系统稳定运行极限，而且通过附加控制，能抑制低频振荡和次同步振荡，对电力系统稳定运行有显著效果。1.2 本文设计内容本文根据发电机励磁系统的基本原理设计了500MW汽轮机组励磁机励磁控制系统。励磁系统已经是电力系统的重要组成部分，它直接影响发电机和整个电力系统的运行特性。励磁系统根据负载电流、功率因数

9、、端子电压的变化而自动调节励磁电流，达到保持发电机机端电压稳定的目的。励磁系统的可靠性对电网的安全运行至关重要。随着发电机和电网技术的逐渐完善，发电机励磁系统也出现了很多种形式，自并励励磁就是其中的一种。自并励励磁系统以其结构简单、造价成本低、故障率低、维护方便等很多优点受到人们的青睐。当然，自并励励磁系统还有很多问题需要解决，出于自并励励磁系统的应用前景，最近一段时间，本科生课程设计（论文）2自并励励磁系统成为研究的热点。通过设计基本参数达到如下要求：1、水轮发电机容量 500MW，功率因数 0.8，定子额定电压 20KV，空载额定转电压 220V。2 、要求电压调差系数在15%范围内可调。

10、3 、强励倍数 2，不小于 12 秒。4 、调压精度，机端电压静差率小于 1。5 、自动电压调节范围：90110。6 、起动升压至额定电压时，超调量不大于 10。本科生课程设计（论文）3第 2 章 发电机励磁系统设计2.1 励磁控制系统功能励磁控制器、励磁功率单元和同步发电机共同组成的反馈系统即是励磁控制系统。励磁功率单元负责向发电机转子提供直流励磁或交流励磁电流；励磁控制器负责根据检测到的发电机的电压、电流或其他状态量的输入信号，按照给定的励磁控制准侧自动调节励磁功率单元的输出。根据运行方面的要求，同步发电机励磁控制系统任务：1.电压调节：在电力系统运行的过程中，同步发电机电压会随负荷波动而

11、变化，这就要求发电机励磁系统对励磁电流进行调节，以维持发电机电压在给定水平。2.控制无功功率分配：在电力系统运行的过程中，大多数发电机呈并列运行，为保证系统电压稳定和无功的合理分布，需要对发电机励磁进行调控，以保证并联运行机组无功功率的合理分配。3.提高同步发电机并联运行的稳定性：在电力系统的正常运行中，由于各种因素，电网可能遭受干扰，在扰动后，发电机组需要恢复到原来的运行状态或过渡到一个新的运行状态，这需要对发电机励磁进行调节，以期尽快恢复。2.2 励磁控制系统总体设计方案发电机处于正常运行时，励磁电源取自发电机电压；发电机在正常运转之前无法提供励磁电流，所以发电机起励时要外加起励电源。为了

12、提高起励电源的可靠性，一般选用厂用交流电和直流蓄电池两种方式共同供电，其中，厂用交流电需经过降压整流后，供给励磁绕组进行起励。当程序判断出机端电压达到额定电压时此值可在线修改，自动发出一个控制信号，断开接触器，切断起励电源，进入正常调节升压。采集系统采集的模拟量应包括发电机端电压、电网瞬时电压、定子电流、励磁电压以及励磁电流。各电压互感器、电流互感器所得交流信号，励磁电压、励磁电流经隔离后，进入模拟量输人通道转换成数字量，由主控系统滤波处理后，本科生课程设计（论文）4经过均方根算法，计算出机端电压、系统电压、定子电流的有效值、有功功率、无功功率、功率因数以及励磁电流、励磁电压的平均值，这些状态

13、反馈信号数据供控制器进行计算和分析使用，同时将 A 相电压经同步方波变换电路得到同步信号，供频率检测和同步脉冲触发使用。为了保证控制调节的实时性，程序在计算模块中首先对采集到的最新模拟量进行计算，按照控制算法推算出三相全控桥的移相触发角，然后将此触发角换算为定时器的计数值，到达定时值时利用 DSP 芯片上的电机控制 PWM 模块产生控制脉冲，此脉冲经隔离和功率放大后去触发三相全控桥，来控制励磁电流的大小。当发电机机端电压的测量值低于给定值时，增大励磁电流，使机端电压上升；反之，减小励磁电流，从而达到控制和调节发电机机端电压和无功功率的目的。控制器还将根据现场输人的操作和状态信号进行逻辑判断，实

14、现各种运行方式所需的励磁调节和限制、保护、检测、故障判断等功能。PT2PT1传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传CT1传传传传ADC传传ADC传传传传传传传传传传传PWM传传传传 I/O传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传图 2.1 励磁控制系统总体结构框图2.3 励磁控制系统测量比较单元电路设计本设计的测量比较单元的作用是测量发电机端电压并变换为直流电压，与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号。测量比较单元由电压测量、比较整定环节组成。本科生课程设计（论文）52.3.1 电压的测量电压测量的是将机端三相电压经过变压器降压、桥式整流整流、滤波后转换成的

15、直流电压。如图2.2所示，三相电压由变压器左端输入，经过两个变压器变压之后，降压后的三相电压分别送至三相桥式整流器整流成直流电压，再经RC滤波器滤波后，得到正比于机端电压的直流电压。116A215B314CA0A1A2A0A1A2A0A1A2图 2.2 电压测量环节原理图2.3.2 比较整定经电压测量环节输出的正比于机端电压的直流电压通过运算放大器与来自Use电压整定器的给定电压进行比较，取得偏差信号，送综合放大单元。在这里，RP运放输出即为电压偏差信号,如图2.3所示。Ude-15VUseUde图 2.3 比较整定电路原理图从测量整流电路来的电压正比于发电机电压,作为加法器的一个输入量，Us

16、eUG本科生课程设计（论文）6加法器的灵两个输入量是比较整定电路的整定电压，其中是取自稳压管VZ的UVZ1恒定负电压，是可变的整定电压。先考虑前两个输入量，若该两路运放的闭UVZ2环放大倍数分别为,则比较整定电路输出电压为：Kc1KC2=（-）UdeKc1UseKC2UVZ1上式中第一项为随机发电机端电压而变化的量，第二项是一恒定量。2.3.3 比较整定电路的整定当整定电压随变化时，而固定电压与调压器最小整定电压值有关。UVZ2UVZ1具体调节如下： 电位器用作电压调节范围整定，其阻值减小，电压调节范围增加；其阻值R8增加，电压调节范围减小。当最小电压整定后，调节范围的大小决定了发电机运行电压

17、的上限。整定时，置给定电压为最大值，模拟输入机端电压为预定上限电压，调节，AJ的输出为0V。电位器用最下电压整定，其阻值减小，发电机R8R5运行电压下限降低；阻值增加，运行电压下限升高。整定时只有固定部分经输R9入运放，变动部分五输入，模拟输入机端电压为预定下限电压，调节使AJ输入R5为0V。电位器用作运算放大器AJ的增益系数的调整。增益范围110倍。R14电压整定器主要用作电压水平的给定和调整，由微型控制电机和可调电位器构成。电位器与控制电机同轴，电机正转或反转便带动电位器的滑动触电移动，达到改变给定电压的目的。本科生课程设计（论文）7第 3 章 系统传递函数的建立3.1 他励直流励磁机的传

18、递函数建立 图 3.1 他励直流励磁机的传递函数框图如图3.1所示，图中，分别为励磁机输出电压和他励绕组的输入电压。uEuEE他励绕组的电压平衡方程为：=+uEEiREEEdLdEEtE当不计转速变化时，励磁机的内电动势与磁链成正比，近似地认为励磁机e电压正比于。他励电流和的关系取决于励磁机的饱和特性曲线，不uEEiEEuE计饱和时为一条曲线。根据上述情况有下列关系：=KuEE一、不计饱和时：=K=uEiEELEEG1iEE 函数为：G(s)=(励磁系统不计饱和的传递函数)()(ssuuEEEsTE11二、计饱和时定义饱和函数为：=SEIIIBBA本科生课程设计（论文）8 传递函数为 ：G(s

19、)=)()(ssuuEEESKTEEEs,1所以，他励直流励磁机的传递函数框图如图3.2.在图中考虑了励磁机端电压与其对应的同步发电机励磁电动势的换算关系。uEEde图 3.2 他励直流励磁机规格化框图3.2 励磁器各单元的传递函数3.2.1 电压测量比较单元电压测量比较单元由测量变压器、整流滤波电路及测量比较电路组成。其时间常数主要取决滤波的参数。TR测量比较电路的传递函数可用下式表示=)(sGR)()(ssUUGdesTKRR13.2.2 综合放大单元综合放大单元、移相触发单元可以合并且近似地当作一个惯性环节。放大倍数为,时间常数为。他们的合成函数是:KATA =)(sGAsTKAA1本科

20、生课程设计（论文）93.2.3 功率放大单元励磁调节器中的功率放大单元是晶闸管整流器。晶闸管整流元件工作是断续的，而晶闸管的这一断续控制现象就有可能造成输出平均电压滞后于触发器控ud制电压信号。滞后时间为。TZ3.3 励磁控制系统的传递函数求得励磁控制系统各单元的传递函数后，可组成励磁控制系统的传递函数框图，如图3.3所示，在图中，如果采用G(s)表示前向传递函数，H（s）表示反馈传递函数，则该系统的传递函数为=)()(ssUUREFG)()(1)(sHsGsG为简化起见，忽略励磁机的饱和特性和放大器的饱和限制，则可得：G（s）=ssSTTKTKKdEEAGA,01 )(1 (H(s)=STK

21、RR1图 3.3 励磁控制系统传递函数框图所以：=)()(ssUUREFGKKKTTTKTTKKRGARdEEARGAsss)1)(1)()(1 ()1 (,0本科生课程设计（论文）10上式为同步发电机励磁控制系统的闭环传递函数。3.4 同步发电机的传递函数由于同步发电机传递函数的复杂，并且只研究发电机空载时励磁控制系统的设计，则可对发电机的数学描述进行简化。由于在运行区域内，发电机电压不会经历大的变化，而可以不考虑它的饱和特性，并且发电机的动态响应可以简化为用一阶惯性元件的特性来表示。因此，发电机端电压的稳态幅值被认为与其转子励磁电压成正比。其空载时的时间常数为，用表示发电机的放大系数，得同

22、0dTGK步发电机的传递函数为： 01GGdKGsT s本科生课程设计（论文）11第 4 章 PID 控制与系统的仿真分析4.1 系统仿真模型的设计PID 闭环励磁控制系统的仿真图如图 4.1 所示,发电机容量 500MW，功率因数 0.8，定子额定电压 20KV，空载额定转子电压 220V，要求电压调差系数在15%范围内可调，自动电压调节范围在 90110，起动升压至额定电压时，超调量不大于 10。6Out65Out54Out43Out32Out21Out1v+-ABCABCABCABCabcABCABCVf_mABCPmStepScope5Scope4Scope3Scope2Scope1S

23、copeQIDVendorMajorSubLimit1Gaini+-i+-i+-1Constant11Constant图 4.1 PID 闭环励磁控制系统仿真图02468101214161800.20.40.60.811.21.4Step ResponseTime (sec)Amplitude图 4.2 PID 控制阶跃输入响应曲线本科生课程设计（论文）12-80-60-40-2002040Magnitude (dB)10-310-210-1100101102-180-135-90-450Phase (deg)Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec) , Pm = 52.3 deg (at 1.7 rad/sec)Frequency (rad/sec)图 4.3 控制系统伯德图4.2 系统性能的分析从以上仿真结果可以看出，发电机励磁系统对电网电压变化反应灵敏。闭环励磁控制能很好的保持发电机输出侧电压的恒稳运行。随着电网无功功率需求的变化，必然导致电网电压发生波动。而同步发电机励磁系统除了保证发电机正常励磁外，对稳定电网电压、保持电网无功功率的平衡有很好的调节作用。该系统尽管在调试时会遇到麻烦，增加了系统的调试难度，但同时大大缩短了系统的稳定时间，减少了系统的超调量，即提高了系统的控制性能指标。本