同步发电机励磁自动控制系统

North China Electric Power University第五讲 同步发电机励磁自动控制系统（3）主 讲 人 ： 李 岩 松 North China Electric Power University page22021-5-29第三章 同步发电机励磁自动控制系统 本 章 讲 述 电 力 系 统 的 自 动调 压 问 题 ， 包 含 发 电 机 的 自 动调 节 励 磁 系 统 ， 也 包 括 和 用 户的 电 压 稳 定 问 题 。 North China Electric Power University page32021-5-29 第 六 节 励 磁 调 节 装 置 原 理 G励 磁 机 b aEFI GUEFIEEI GUGI同 步 发 电 机励 磁 功 率单 元 励 磁 调 节 器EFI REFU GI GU手 动 自 动 基 准 其 他信 号 励 磁 调 节 单 元 （ 自 动 调 压 器 ） 的 最 基 本 部 分 是 一 个 闭 环 比例 调 节 器 ， 它 的 输 入 量 是 发 电 机 电 压 ， 输 出 量 是 励 磁 机 的 励 磁电 流 或 者 是 发 电 机 的 转 子 电 流他 的 功 能 有 二 ：1、 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 North China Electric Power University page42021-5-29 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 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 North China Electric Power University page52021-5-29 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 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 North China Electric Power University page62021-5-29 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 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 North China Electric Power University page72021-5-29 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 。 North China Electric Power University page82021-5-29 2 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 North China Electric Power University page92021-5-29 （ 1） 主 控 单 元BIOS协 处 理 器CPU总 线 接 口字 符 发 生 显 示 缓 冲DRAM地 址 缓 冲数 据 缓 冲控 制 总 线 缓 冲 CPU部 分总 线 接 口存储器部分 North China Electric Power University page102021-5-29 （ 1） 主 控 单 元BIOS协 处 理 器CPU总 线 接 口字 符 发 生 显 示 缓 冲DRAM地 址 缓 冲数 据 缓 冲控 制 总 线 缓 冲 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 。 North China Electric Power University page112021-5-29 （ 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 North China Electric Power University page122021-5-29 模 拟 量 输 入 通 道1、 发 电 机 电 压 /电 流 过 程 通 道G 传 感 器 A/D采 集发 电 机 的 电 压 过 程 通 道 ： 将 TV二 次 侧 输 出 的 100V再 经 过 TMV转 换 为 A/D的 量 程 以 内 ， 同 时 也 起 到 了 电 器 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 ， 且 在 其 量 程 以 内 ， 也 起 到 了 电 气 隔 离 的 作 用 North China Electric Power University page132021-5-29 模 拟 量 输 入 通 道 G直 流 变 送 器 G交 流 变 送 器2、 励 磁 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 North China Electric Power University page142021-5-29 模 拟 量 输 入 通 道3、 滤 波 电 路直 流 滤 波 电 路 ： 保 证 直 流 成 分 ， 去 掉 谐 波 成 分交 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 North China Electric Power University page152021-5-29 数 字 量 输 入 通 道 及 A/D数 据 采 集数 字 量 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 等 。一 般 采 用 光 电 耦 合 器 来 进 行 电 气 隔 离 。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 。 North China Electric Power University page162021-5-29 （ 3） 调 节 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 。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 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 。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 North China Electric Power University page172021-5-29 移 相 触 发 单 元同 步 单 元 移 相 整 流 器 接 口 门 极 驱 动同 步信 号 移 相 控 制信 号 至 晶 闸 管门 极 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 。 North China Electric Power University page182021-5-29 移 相 触 发 单 元同 步 单 元 移 相 整 流 器 接 口 门 极 驱 动同 步信 号 移 相 控 制信 号 至 晶 闸 管门 极计 数 器CLK G ate 脉 冲 形 成同 步 信 号数 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 碱 法 ） ， 技 术 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 North China Electric Power University page192021-5-29 移 相 触 发 单 元同 步 单 元 移 相 整 流 器 接 口 门 极 驱 动同 步信 号 移 相 控 制信 号 至 晶 闸 管门 极 整 流 器 接 口 电 路 ： 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 。 门 极 驱 动 电 路 ： 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 。 North China Electric Power University page202021-5-29 （ 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 North China Electric Power University page212021-5-29 3 调 节 控 制 的 数 学 模 型 dttdeTdtteTteKtu DtIP 01PID调 节 控 制 的 算 法 方 程 式 ： Kjt jTeTdtte 00 TKTeKTeTdttde 1 Kj DIP TKTeKTeTTjTeTTKTeKKTU 0PID差 分 变 换 的 离 散 方 程 式 ： North China Electric Power University page222021-5-29 PID调 节 Kj DIP TKTeKTeTTjTeTTKTeKKTU 0 TKTeKTeKKTeKKTeK TKTUKTUKTU DIP 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 North China Electric Power University page232021-5-29 励 磁 调 节 器 的 基 本 调 节 方 式1、 电 压 调 节 （ 比 例 式 调 节 方 式 ） KTUKTUKKTU GREFP 2、 电 压 调 节 附 加 无 功 功 率 分 配 KTKTUKTUKKTU GREFP North China Electric Power University page242021-5-29 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 North China Electric Power University page252021-5-29 （ 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 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 m ax.fI North China Electric Power University page262021-5-29 （ 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m axI rI North China Electric Power University page272021-5-29 （ 2） 最 大 励 磁 限 制 器 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 ： dtIIKdtiKW rfRR 22 erR TIKW 2m ax m axWW m axWW 励 磁 电 流 限 制 值 为调 节 器 按 恒 励 磁 电 流 运 行m ax.fI m ax.fI励 磁 电 流 限 制 值 为 rI调 节 器 按 恒 励 磁 电 流 运 行rI North China Electric Power University page282021-5-29 （ 3） 最 小 励 磁 限 制 器发 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1 QP KQKP 1 QP KQKP调 节 器 发 出 欠 励 限 制 信 号 ，励 磁 电 流 不 再 减 少 North China Electric Power University page292021-5-29 （ 4） 电 压 /频 率 限 制 与 保 护通 常 情 况 下 ， 并 网 发 电 机 的 电 压 /频 率 比 不 会 超 过 限 制 值 ， 出 现这 种 现 象 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* 06.1 GG fU * 06.1 GG fU * 1.1 GG fU * 06.1 GG fU 在 规 定 的 时 间 内 ， 仍 然 ， 则 跳 主 开 关 灭 磁* 1.1 GG fU North China Electric Power University page302021-5-29 （ 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 North China Electric Power University page312021-5-29 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 North China Electric Power University page322021-5-29 6 数 字 式 励 磁 调 节 器 的 软 件 North China Electric Power University page332021-5-29 6 数 字 式 励 磁 调 节 器 的 软 件 North China Electric Power University page342021-5-29 6 数 字 式 励 磁 调 节 器 的 软 件 North China Electric Power University page352021-5-29 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