电力系统自动化 第2章 励磁自动系统04

1、Nanjing Forestry University第二章 同步发电机励磁自动控制系统（4）王 军 Email：2/462022-3-6主要内容l 励磁调节装置原理励磁调节装置原理l 励磁调节器的发展历程励磁调节器的发展历程l 数字式励磁调节器的基本构成数字式励磁调节器的基本构成n1 1）主控单元，）主控单元， 2 2 ）信息采集单元，）信息采集单元，n3 3）调节控制输出单元）调节控制输出单元 4 4 ）人）人机接口机接口l 调节和控制的数学模型调节和控制的数学模型l 励磁调节器的辅助控制励磁调节器的辅助控制n瞬时励磁电流控制瞬时励磁电流控制- -（转子电压极限）（转子电压极限）n最大励磁

2、限制器最大励磁限制器OEL-OEL-（转子热极限）（转子热极限）n最小励磁限制器最小励磁限制器UEL-(UEL-(稳定极限稳定极限) )n电压电压/ /频率限制与保护频率限制与保护( (铁芯饱和过热铁芯饱和过热) )n发电机失磁监控发电机失磁监控l 数字式励磁调节器的可靠性（双重化）数字式励磁调节器的可靠性（双重化）l 数字式励磁调节器的软件数字式励磁调节器的软件3/462022-3-6第六节第六节 励磁调节装置原理励磁调节装置原理G励励磁磁机机baEFIGUEFIEEIGUGI同同步步发发电电机机励励磁磁功功率率单单元元励励磁磁调调节节器器EFIREFUGIGU手手动动自自动动基基准准其其他

3、他信信号号 励磁调节单元（自动调压器）的励磁调节单元（自动调压器）的最基本部分是一个闭环比最基本部分是一个闭环比例调节器例调节器，它的输入量是发电机电压，输出量是励磁机的励磁，它的输入量是发电机电压，输出量是励磁机的励磁电流或者是发电机的转子电流电流或者是发电机的转子电流他的功能有二：他的功能有二：1、保持发电机端电压不变、保持发电机端电压不变2、保持并联机组间的无功负荷的合理分配、保持并联机组间的无功负荷的合理分配4/462022-3-61 1 励磁调节器的发展历程励磁调节器的发展历程机电型励磁调节器机电型励磁调节器电磁型励磁调节器电磁型励磁调节器电子型励磁调节器电子型励磁调节器数字型励磁调

4、节器数字型励磁调节器 机电型励磁调节器的任务是机电型励磁调节器的任务是调节电压调节电压，其调节线圈中的电流与，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。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，故而具有由于它操作中需要克服摩擦力，故而具有不灵敏区不灵敏区5/462022-3-61 1 励磁调节器的发展历程励磁调节器的发展历程机电型励磁调节器机电型励磁调节器电磁型励磁调节器电磁型励磁调节器电子型励磁调节器电子型励磁调节器数字型励磁调节器

5、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，节器，各个单元均由电磁单元构成，时间常数较大时间常数较大，但是可靠，但是可靠性高，任务是性高，任务是维持电压水平和无功功率分配维持电压水平和无功功率分配6/462022-3-61 1 励磁调节器的发展历程励磁调节器的发展历程机电型励磁调节器机电型励磁调节器电磁型励磁调节器电磁型励磁调节器电子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 电子型励磁调节器是以电子元件为基础所构成的，没有时电子型励磁调节器是以电子元件为基础所构成的

6、，没有时间滞后，综合放大能力强，发展成为间滞后，综合放大能力强，发展成为“对励磁系统具有多种综合对励磁系统具有多种综合控制调节能力的励磁调节器控制调节能力的励磁调节器”。基本上由。基本上由“调差调差”“”“测量比测量比较较”“”“综合放大综合放大”“”“移相触发移相触发”等单元组成，实现等单元组成，实现电压调节和无电压调节和无功负荷分配等功负荷分配等基本调节功能基本调节功能7/462022-3-61 1 励磁调节器的发展历程励磁调节器的发展历程机电型励磁调节器机电型励磁调节器电磁型励磁调节器电磁型励磁调节器电子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 数字型励磁调节器实质上

7、是一台专用的微型计算机励磁控制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。励磁功率单元（晶闸管），实现对发电机励磁的综合调节控制。8/462022-3-62 2 数字式励磁调节器的基本构成数字式励磁调节器的基本构成1 主机（主控单元）主机（主控单元）4 人人机接口机接口2 信息采集单元信息采集单元3 调节控制输

8、出单元调节控制输出单元9/462022-3-6（1 1）主控单元）主控单元BIOS协处理器协处理器CPU总线接口总线接口字符发生字符发生显示缓冲显示缓冲DRAM地址缓冲地址缓冲数据缓冲数据缓冲控制总线缓冲控制总线缓冲CPU部分部分总线接口总线接口存存储储器器部部分分10/462022-3-6（1 1）主控单元）主控单元BIOS协协处处理理器器CPU总总线线接接口口字字符符发发生生显显示示缓缓冲冲DRAM地地址址缓缓冲冲数数据据缓缓冲冲控控制制总总线线缓缓冲冲CPU部分部分总线接口总线接口存存储储器器部部分分 主控单元可以通过主控单元可以通过总线采集发电机组的运总线采集发电机组的运行信息，存入存

9、储区形行信息，存入存储区形成实时数据库，主机可成实时数据库，主机可以从实时库中调取相关以从实时库中调取相关信息进行调节计算、逻信息进行调节计算、逻辑判断等各种控制功能。辑判断等各种控制功能。 在数字型励磁调节器上增在数字型励磁调节器上增设辅助控制功能设辅助控制功能无需增加特无需增加特定的硬件设备定的硬件设备，这是与电子，这是与电子型相比的最显著的区别。型相比的最显著的区别。11/462022-3-6（2 2）信息采集单元）信息采集单元电压调节电压调节/无功功率分配无功功率分配励磁系统稳定器励磁系统稳定器电力系统稳定器电力系统稳定器励磁系统限制器励磁系统限制器采集发电机电压、电流及采集发电机电压

10、、电流及反映机组运行的开关量反映机组运行的开关量采集发电机频率和励磁机采集发电机频率和励磁机电流等电流等模拟模拟/数字量过程通道数字量过程通道A/D转换和数字量输入转换和数字量输入总线接口总线接口CPU12/462022-3-6模拟量输入通道模拟量输入通道1、发电机电压、发电机电压/电流过程通道电流过程通道G传感器A/D采集发电机的电压过程通道发电机的电压过程通道：将：将TV二次侧输出的二次侧输出的100V再经过再经过TMV转换为转换为A/D的量程以内，同时也起到了电气隔离的作用。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发电机的电流过程通道：将：将TA二次侧的二次侧的5A转

11、换为转换为A/D所能接受所能接受的电压信号的电压信号(中间变流器或者霍尔元件等中间变流器或者霍尔元件等)，且在其量程以内，且在其量程以内，也起到了电气隔离的作用也起到了电气隔离的作用13/462022-3-6模拟量输入通道模拟量输入通道G直流变送器G交交流流变变送送器器2、励磁电流过程通道、励磁电流过程通道 直接测量法直接测量法：将直流将直流/直流直流变送器变送器串入串入转子回路中，将转子回路中，将直流电流转换为直流电压直流电流转换为直流电压间接测量法间接测量法：全控全控整流桥的交流侧电整流桥的交流侧电流与转子直流电流流与转子直流电流成正比，因此，经成正比，因此，经过过TA测量出交流侧测量出交

12、流侧电流而间接得到转电流而间接得到转子电流子电流14/462022-3-6模拟量输入通道模拟量输入通道3、滤波电路、滤波电路直流滤波电路：保证直流成分，去掉谐波成分直流滤波电路：保证直流成分，去掉谐波成分交流滤波电路交流滤波电路:提取有用信号，滤出谐波和直流等提取有用信号，滤出谐波和直流等常用滤波电路型式：常用滤波电路型式：巴特沃思、锲比雪夫、贝塞尔巴特沃思、锲比雪夫、贝塞尔15/462022-3-6数字量输入通道及数字量输入通道及A/DA/D数据采集数据采集数字量采集数字量采集:断路器状态、操作盘上开断路器状态、操作盘上开关状态、输入调节量增关状态、输入调节量增/减控制信息等。减控制信息等。

13、一般采用一般采用光电耦合器光电耦合器来进行来进行电气隔离电气隔离。A/D转换接口电路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主要技术指标主要技术指标：分辨率、量程、转换时间、转换精度。：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转换板接口电路由模拟多路切换开关路切换开关MUX、程控放大器、程控放大器、采样保持器采样保持器S/H、A/D转换器转换器和定时与逻辑控制等部件构成。和定时与逻辑控制等部件构成。16/462022-3-6（3 3）调节控制输出单元）调节控制输出单元励磁调节器输出的励磁调节器

14、输出的调节量调节量为控制励磁功率单元的为控制励磁功率单元的移相触发脉冲移相触发脉冲，输出的输出的控制信号控制信号有保护跳闸触点信号、报警信号等。有保护跳闸触点信号、报警信号等。移相触发单元的任务移相触发单元的任务：为了使全控（半控）整流桥正常工作，：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晶闸管门极施加触发脉冲移相触发单元的要求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。、触发脉冲移相范围要求符合相应的可控整流电路的要求。2、触发脉冲具有

15、足够的功率使晶闸管可靠地导通、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（、触发脉冲上升沿要陡（10微秒），要有一定的宽度微秒），要有一定的宽度4、触发单元与主电路相互隔离以保证安全、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、在整个移相范围内保证各相的触发脉冲控制角一致17/462022-3-6移相触发单元移相触发单元同同步步单单元元移移相相整整流流器器接接口口门门极极驱驱动动同同步步信信号号移移相相控控制制信信号号至至晶晶闸闸管管门门极极 同步整形电路同步整形电路：将同步变压器二次侧电压整形成方波，：将同步变压器二次侧电压整形成方

16、波，其其上升沿上升沿作为控制角的计时起点。作为控制角的计时起点。18/462022-3-6移相触发单元移相触发单元同同步步单单元元移移相相整整流流器器接接口口门门极极驱驱动动同同步步信信号号移移相相控控制制信信号号至至晶晶闸闸管管门门极极计计数数器器CLKGate脉脉冲冲形形成成同同步步信信号号数数据据 主控制单元输出的数字量数据装入到计数寄存器，同步电主控制单元输出的数字量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，使计数器开始计数（作减法），端，使计数器开始计数（作减法），计数结束时计数结束

17、时输出端的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点间的相差的时间就是相移角2clocktTDt f19/462022-3-6移相触发单元移相触发单元同同步步单单元元移移相相整整流流器器接接口口门门极极驱驱动动同同步步信信号号移移相相控控制制信信号号至至晶晶闸闸管管门门极极 整流器接口电路：整流器接口电路：实现光电电气隔离，具有测量整流桥输出实现光电电气隔离，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。电流，并监视桥臂电流和部件运行状态。 门极驱动电路：门极驱动电路：用于放大脉冲，使

18、之与晶闸管触发水平相当，用于放大脉冲，使之与晶闸管触发水平相当，具有足够的功率，脉冲具有一定的陡度、幅度和宽度。具有足够的功率，脉冲具有一定的陡度、幅度和宽度。20/462022-3-6（4 4）人）人机接口机接口人人机接口满足：机接口满足：1、程序调试、程序调试2、参数设定与维护、参数设定与维护3、运行操作、运行操作21/462022-3-63 3 调节控制的数学模型调节控制的数学模型 dttdeTdtteTteKtuDtIP01PID调节控制的算法方程式：调节控制的算法方程式： KjtjTeTdtte00 TKTeKTeTdttde1KjDIPTKTeKTeTTjTeTTKTeKKTU0P

19、ID差分变换的离散方程式：差分变换的离散方程式：22/462022-3-6PIDPID调节调节KjDIPTKTeKTeTTjTeTTKTeKKTU0TKTeKTeKKTeKKTeKTKTUKTUKTUDIP位置式位置式增量式增量式 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获得较好的控制效果23/462022-3-6励磁

20、调节器的基本调节方式励磁调节器的基本调节方式1、电压调节（比例式调节方式）、电压调节（比例式调节方式）KTUKTUKKTUGREFP2、电压调节附加无功功率分配、电压调节附加无功功率分配PREFGU KTKUKTUKTQ KT 24/462022-3-64 4 励磁调节器的辅助控制励磁调节器的辅助控制励磁调节系统辅助控制满足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、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，为此需要设立要设立“最小励磁限制

21、器最小励磁限制器”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、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，为此需要设置流，为此需要设置“瞬时电流限制器瞬时电流限制器”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。限制辅助功能才起作用。辅助控制包括辅助控制包括：瞬时励磁电流控制、最大励磁限制器、最小励磁限制器瞬时励磁电流

22、控制、最大励磁限制器、最小励磁限制器电压电压/ /频率限制与保护、发电机失磁监控频率限制与保护、发电机失磁监控25/462022-3-6(0)发电机运行状态定转子热极限ttSPjQU I22maxSPQS定子电流限制定子电流限制：转子电流限制转子电流限制：2cosadfdssX iUQUXXsinadfdsXiPUX22*()PQQK26/462022-3-6(0)发电机运行状态端部热极限电枢端部热极限电枢端部热极限：叠片涡流，进相时，漏磁叠片涡流，进相时，漏磁通增加更加明显通增加更加明显27/462022-3-6(0)发电机运行状态静态稳定极限alSMIBcos(coscossinsin)s

23、in(sincoscossin)GGGGGGGGPU IU IQU IU I UIGUqEGG GT T1 1T T2 2L Ldq()()GedqqGddqUUjXIjIEUjXIjIsin(coscos )/cossin/dGGeqGGdIIUUXIIUX 28/462022-3-6cos(coscossinsin)sin(sincoscossin)GGGGGGGGPU IU IQU IU I sin(coscos )/cossin/dGGeqGGdIIUUXIIUX 22211sin2cos sin21111cos2cos cos22GGGGedeGGGGGededeUU UPXXXUU

24、U UQXXXXX (0)发电机运行状态静态稳定极限b29/462022-3-6(0)发电机运行状态静态稳定极限cUIGUqEGd22211sin2cos sin21111cos2cos cos22GGGGedeGGGGGededeUU UPXXXUUU UQXXXXX 22211sin221111cos222GmGedGGmGededUPXXUUQXXXX稳定极限90o30/462022-3-622211sin221111cos222GmGedGGmGededUPXXUUQXXXX22222111122GGmmededUUPQXXXX(0)发电机运行状态静态稳定极限d31/462022-3-

25、6发电机失磁保护-机端测量阻抗判据l机端测量阻抗判据n等有功圆n静稳极限圆RjX-jXd-jXdjXsP1P2aabbcc阻抗静稳极限圆阻抗静稳极限圆22222ededeeXXXXRXXXPQ静稳极限圆静稳极限圆等价否？等价否？32/462022-3-6两个静稳极限圆等价关系阻抗静稳极限圆阻抗静稳极限圆PQ静稳极限圆静稳极限圆等价否？等价否？22222ededeeXXXXRXXX22222111122GGmmededUUPQXXXXUIGUqEGd33/462022-3-6（1 1）瞬时励磁电流控制）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为了满足电力系统稳定性的

26、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。必须具有高起始响应的性能。 通常采用高励磁顶值的方通常采用高励磁顶值的方法来提高励磁机输出电压的法来提高励磁机输出电压的起始增长速度起始增长速度(斜率大斜率大) 高值励磁电压将会危及励磁高值励磁电压将会危及励磁机及发电机的安全，为此设机及发电机的安全，为此设置了置了“瞬时励磁电流控制器瞬时励磁电流控制器”具体控制具体控制当励磁电流超当励磁电流超过发电机允许的励磁顶值，过发电机允许的励磁顶值，立即限制励磁电流为立即限制励磁电流为max. fI34/462022-3-6（2 2）最大励磁限制器）最大励磁限制器最大励磁限制最大励磁限制是为了防止转

27、子绕组是为了防止转子绕组长时间过励磁长时间过励磁而采取的措施。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。励磁限制。他有两个设定值：他有两个设定值：1、强励顶值电流限制值、强励顶值电流限制值 2、连续运行允许的过热限制值、连续运行允许的过热限制值maxIrI转子电压标么值允许时间(s)转子电压标么值允许时间(s)1.121201.46301.25602.081035/462022-3-6（2

28、2）最大励磁限制器）最大励磁限制器(OEL)(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：热电力积分器：dtIIKdtiKWrfRR22erRTIKW2maxmaxWWmaxWW励磁电流限制值为励磁电流限制值为调节器按恒励磁电流调节器按恒励磁电流 运行运行max. fImax. fI励磁电流限制值为励磁电流限制值为rI调节器按恒励磁电流调节器按恒励磁电流 运行运行rI36/462022-3-6（3 3）最小励磁限制器）最小励磁限制器(UEL)(UEL)Q增加（增加（AC）失去稳定）失去稳定稳定极限稳定极限考虑裕

29、度的稳定极限考虑裕度的稳定极限P增加（增加（AB）失去稳定）失去稳定需要增加最小励磁限制需要增加最小励磁限制37/462022-3-6（3 3）最小励磁限制器）最小励磁限制器(UEL)(UEL)发电机在实现欠励限制时，考虑留有发电机在实现欠励限制时，考虑留有一定的稳定储备后，限制值为一直线一定的稳定储备后，限制值为一直线1QPKQKP1QPKQKP调节器发出欠励限制信号，调节器发出欠励限制信号，励磁电流不再减少励磁电流不再减少38/462022-3-6UEL考虑的三个限制QP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39/462022-3-6（4 4）电压）电压/ /频率限制与保护频率限制与保护U/f比超过限制值的原因：比超过限制值的原因：1、发电机甩负荷或者解列、发电机甩负荷或者解列2、发电机组启动时误投励磁开关、发电机组启动时误投励磁开关3、系统故障使频率降低、系统故障使频率降低*06. 1GGfU*06. 1GGfU*1 . 1GGfU*06. 1GGfU在规定的时间内，仍然在规定的时间内，仍然 ，则跳主开关灭磁，则跳主开关灭磁*1 . 1GGfUmUkf/mk Uf延时灭磁延时灭磁。限制限制限制限制磁通限制器：防止发电机磁通限制器：防止发电机/变压器铁心过热变压器铁心过热40