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1、第三章 同步发电机励磁自动控制系统,第一节 概述,一励磁自动控制系统构成,控制同步发电机的励磁,电压控制 控制无功功率的分配 提高同步发电机并联运行的稳定性 改善电力系统的运行条件 对水轮发电机组实行强行减磁,二 同步发电机励磁控制系统的任务,发电机励磁电流的变化改变了机组的无功功率和功率角的大小。,调节与无限大母线并联运行的机组的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。,电力系统静态稳定是指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。,电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常运行方式下突然遭受大扰动后，能否过渡 到一个新的稳定运行状态、或者恢复到原来运行状态的能力。,电力系
2、统受到小的或大的干扰后，计及自动调节和控制装置作用的长过程的运行稳定问题称为动态稳定。,1 励磁对静态稳定的影响,内功率特性,外功率特性,2 励磁对暂态稳定的影响,要使励磁系统在短暂过程中完成符合要求的控制必须要求励磁系统具备快速响应的条件。为此，一方面缩小励磁系统的时间常数，另一方面尽可能提高强行励磁的倍数。,1改善异步电动机的自起动条件 2为发电机异步运行创造条件 3提高继电保护装置工作的正确性,当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，由于它的调速系统具有较大的惯性，不能迅速关闭导水叶，因而会使转速急剧上升。如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，则发电机电压有可能升高到危及定子绝缘的程度，所以
3、，在这种情况下，要求励磁自动控制系统能实现强行减磁。,三 对励磁系统的基本要求,励磁调节器:检测和综合系统运行状态的信息,以产生相应的控制信号,经放大后控制励磁功率单元以得到所要求的发电机励磁电流。其基本要求 励磁功率单元:受励磁调节器控制，并向同步发电机转子提供励磁电流。其基本要求,系统正常运行时,励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平；励磁调节器应能合理分配机组的无功功率；对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器没有失灵区；励磁调节器应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件；具有较小的时间常数，能迅速响应输入信
4、息的变化。,1 对励磁调节器的要求,2 对励磁功率单元的要求,要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量。在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制。因此，励磁功率单元应具备足够的调节容量以适应电力系统中各种运行工况的要求。具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。从改善电力系统运行 条件和提高电力系统暂态稳定性来说，希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。因此，在励磁系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项重要的技术指标。,第二节 同步发电机励磁系统,一 励磁系统的历史,几种常用的励磁系统简要介绍（重点分析励磁功率单元）,二 直流励磁机励磁系统（
5、100MW以下）,按励磁机的励磁绕组供电方式的不同,自励直流励磁机励磁系统 他励直流励磁机励磁系统,1 自励直流励磁机励磁系统,DE,R,2 他励直流励磁机励磁系统,PE,DE,三 交流励磁机励磁系统（100MW以上）,交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同可分为以下几种。,他励交流励磁机励磁系统 自励交流励磁机励磁系统,他励交流励磁机静止整流器励磁系统他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁),自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统 自励交流励磁机静止整流器励磁系统,1 他励交流励磁机静止整流器励磁系统,起励电源,VSR,2 他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁),
6、1 自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统,2 自励交流励磁机静止整流器励磁系统,四 静止励磁系统(发电机自并励系统),励磁调节器,滑环,电压起励元件,VS,起励电源,第三节 励磁系统中的整流电路,三相桥式不可控整流电路三相桥式半控整流电路 三相桥式全控整流电路,一 三个基本整流电路,二 整流电路的换流压降及外特性 三 最小逆变角,三相桥式不可控整流电路,1 工作原理,共阴极连接的二极管，在t=30-150之间是V1 导通，V3、V5 承受反压而关断；在t=150-270之间是V3导通；在t=270-390 之间是V5 导通。共阳极连接的二极管，在t=90-210之间是V2 导通，V4、V6 承
7、受反压而关断；在t=210-330之间是V4 导通；在t=330-450 之间是V6 导通。,2 输出电压,三相桥式半控整流电路,1 工作原理,脉冲控制角=0,1,3,5,脉冲控制角=30,脉冲控制角=60,ug,uL,t,t,脉冲控制角=120,脉冲控制角=180,ug,uL,t,t,2 输出电压与控制角关系,3 失控现象和续流二极管的作用,t3 t4 t5,三相桥式全控整流电路,在晶闸管需导通的区域仅用初始的一个窄脉冲去触发的方式称“单窄脉冲触发”每个元件除了在各自的换流点处有一个脉冲之外，还在60度电角度之后的下一个导通元件的导通时刻补了一个脉冲。所补的脉冲在电流连续的稳态工作时并不起任
8、何作用，但它却是电路启动及在电流断续时使电路正常工作所不可缺少的，这种触发方式称之为“双窄脉冲触发”。若把上面的双窄脉冲连成一个宽脉冲，电路当然也可正常工作，这种触发方式称之为“宽脉冲触发”,三相桥式全控整流电路触发脉冲的形式,脉冲控制角=0,工作原理,脉冲控制角=60,2,脉冲控制角=90,脉冲控制角=60 150,e,ug,t,t,t,ug,t,uL,t1 t2,VS6,VS1,VS3,VS2,VS4,3 输出电压与控制角关系,电感性负载,逆变角=180-,在90时，输出平均电压Ud为负，三相全控桥工作在逆变状态。,电阻性负载电阻性负载,e,id,ug,t,t,t,ug,t,t1,二 整流
9、电路的换流压降及外特性,换流角,以上讨论中均假设换流角60，当交流回路中电抗较大，并且直流负载电流较大时，换流角也会增大。当 60时，整流回路中换流过程将发生变化，此时不能用上式 来计算整流电路输出的直流电压。,ug,t,VS2,VS6,VS4,三 最小逆变角,晶闸管关断角,第四节 励磁控制系统调节特性和并联机组间无功分配,励磁控制系统框图,同步发电机,励磁功率单元,励磁调节器,手动,自动,励磁调节器检测发电机的电压、电流或其它状态量，然后按指定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，实现控制功能。,励磁系统,其他信号,一 励磁调节器的基本特性与框图,1 人工改变Rc值调节励磁电流,2 比例式励
10、磁调节器闭环控制示意图,3 自动励磁控制系统的构成环节,二 励磁调节器静态工作特性,1 励磁调节器静态工作特性的合成,励磁调节器的基本特性与框图,励磁调节器的静态工作特性,调节器放大系数K与组成调节器的各单元增益的关系为,励磁调节器总的放大倍数等于各组成单元放大倍数的乘积,0,0,0,0,Ude,UAVR,UAVR,Ude,UG,UG,USM,USM,UREF,b,a,UG,2 发电机励磁控制系统静态特性,cos=1时的调差单元相量图,调节器测量到的电压基本上和有功电流无关。,cos=0时的调差单元相量图,调差单元输出的电压与无功电流有关。,4 调差单元特性,5 发电机调整特性的三种类型,调差
11、系数存在的意义:能平稳地改变无功负荷，不致发生无功功率的冲击；保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配。,发电机投入和退出运行时，能平稳地改变无功负荷，不致发生无功功率的冲击；保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配。,励磁控制系统静态特性调整的目的,移动发电机调节特性的操作是通过改变励磁调节器的整定值来实现的。,12,IQ1,IQ2,IQ,UG,三、并联运行机组间无功功率的分配,（一）一台无差调节特性的机组与正有差调节特性机组的并联运行,一台无差调节特性的发电机可以和多台正调差特性的发电机组并联运行。但在实际运行中，由于具有无差调节特性的发电机将承担无功功率的全部增量，机组间无功功率的分
12、配很不合理，这种运行方式很少采用。,不能稳定运行,（二）一台无差调节特性的机组与负有差调节特性机组的并联运行,具有负调差特性的发电机是不能在公共母线上并联运行的,（三）两台无差调节特性的机组并联运行,不能并联运行,（四）正调差特性的发电机组的并列运行,第五节 励磁调节装置原理,一、励磁调节器的原理及发展（一）电压调节的原理,（二）励磁调节器的发展及分类,20世纪初,1950s,1960s,1980s,数字式励磁调节器的优点 方便地实现复杂的控制策略 便于修改，灵活性强 可以实现更加完备的限制和保护功能 操作简单、维护方便以及便于试验和调试,二、数字式励磁调节器原理,励磁调节装置原理,图为600
13、MW发电机自并励励磁系统,励磁调节装置原理,图为300MW三机励磁系统励磁调节器,（一）数字式励磁调节器的基本环节和构成,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,励磁调节装置原理,数字式励磁调节器原理框图,1、主控制单元（主机）,（1）中央处理单元（CPU),（2）总线接口部分 1）系统设置跳线 2）实时时钟 3）WATCHDOG定时器 4）总线终端网络,（3）存储器部分,2、信息采集单元,（1）模拟量信息采集电路1）A/D转换模板接口电路 分辨率 量程 转换时间 转换精度 绝对精度 相对精度,2）模拟
14、量输入通道,发电机电压通道发电机电流通道励磁电流,线电流有效值为,滤波电路,直流采样滤波电路交流采样滤波电路,在图3一55中若保持下式成立，即,输出电压,（2）数字量信息采集电路,电光电,3.调节和控制输出单元,作用：（1）移相触发单元同步 要求1）触发脉冲移相范围要符合相应可控整流电路的要求。2)触发脉冲应具有足够的功率(对电压、电流幅度有要求)使晶闸管元件可靠地导通3)触发脉冲的上升前沿要陡，它的上升时间一般在10s左右4)触发单元与主电路应互相隔离以保证安全。5)在整个移相范围应保证各相的触发脉冲控制角a一致，,励磁调节器愉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
15、跳闸触点信号、报警信号等,可控整流电路要求在晶闸管每次承受正向电压的某一刻向它的门极送出触发脉冲，使晶闸管导通，且各相的控制角相同。晶闸管触发脉冲与主电路之间的这种相位配合关系称为同步。,三相桥式半控整流电路，由于共阳极组的整流元件是不可控的，在自然换流点换流。共阴极组的晶闸管应在其承受的相电动势为正的一段区间内触发导通。三相触发脉冲应按+A、+B、+C相的顺序依次相隔120发出。三相桥式全控整流电路中，共阴极的晶闸管元件只有在其承受的相电动势为正的一段区间内才有可能导通，触发脉冲应在这一区间内发出。三相触发脉冲按+A+B+C相的顺序依次相隔120发出。共阳极的晶闸管只有在其承受的相电动势为负
16、的一段区间内才有可能导通、触发脉冲应在这一区间内发出。三相触发脉冲按-C-A-B 相的顺序依次相隔120发出。这样六相触发脉冲应按+A-C+B-A+C-B相的顺序依次相隔60 发出。,供给移相触发单元的同步电压信号与主电路电源间应具有一定的相位关系，才能保证触发脉冲按要求的相位发出。,移相触发单元构成,1)同步电压整形电路。,2)数字/脉冲移相接口电路。,8253可编程定时、计数器,这一移相原理是把控制触发角a，换算成对应的延时ta，再折算成对应的计数脉冲个数D,a换算为ta的公式为,3)整流器接口电路,4）门级驱动电路,一种是宽脉冲触发，一种是双窄脉冲形式（2）控制信号输出,4人-机接口,（
17、1）程序调试（2）参数设定与维护(3)运行操作,（二）调节和控制的数学模型,1.概述,PID模型:,离散化为,励磁调节装置原理,控制的数学模型 增量式PID调节 增量式PID调节的优点是，因为数字调节器只输出增量，所以计算误差或精度对控制量影响较小，控制的作用不会发生大幅度变化。且增量算式只与最近几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。,2.励磁调节器的基本调节方式 算法:3.励磁调节器的辅助控制 瞬时电流限制 最大励磁限制器 最小励磁限制器 电压频率（V/Hz）限制和保护 发电机失磁监控,（1）瞬时电流限制和最大励磁限制。,1)瞬时电流限制,2）最大励磁限制器。,制造厂给出的发电机转子绕组在
18、不同励磁电压时的允许时间见表3一1,励磁调节装置原理,（2）最小励磁限制,功率圆方程如下：,励磁调节装置原理,功率圆,M 为静态稳定功率极限,考虑实际运行因素，最小励磁限制应在N 之内,当发电机运行在Q 0 的部分时，发电机为进相运行状态,（3）电压/频率（V/HZ）限制和保护。,主要原因1)发电机甩负荷或解列，电枢反应去磁作用减弱，因而使电压升高。2)机组启动时，国内外都曾发生过发电机在转动前由于误操作投人的励磁开关,以致烧坏励磁绕组的事故。3)系统性事故导致频率降低时。,(4)发电机失磁监控。,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3自动灭磁开关误跳闸4转子
19、回路某处断线及误操作 发电机异步影响：1.发电机失步，在转子和励磁回路中产生差频电流，引起过热。2.如果系统无功储备不足，将引起系统电压下降。3.其他发电机力图补偿上述无功差额，容易造成过电流。,励磁调节装置原理,（三）励磁调节器的运行,（1）主控制单元的双重化配置,图,（2）励磁功率单元的双重化配置。（3）励磁电流测量的双重化。（4）双重电源配置。(5)TV的双重化。1）电压突变法 2)电压三角形面积判别法,三、数字式励磁调节器软件,(一)概述(二)主程序框图1、程序工作模式2、时间安排(1)采样时间:小于2.4ms(2)采样计算:小于3.5ms（3）发电机各种工况判断:小于1.5ms（4）调节量计算:小于1.Oms（5）在线修改参数与显示:小于3.0rns（6）输人/输出操作:小于0.5rns（7）通信:小于2.0rns(8)过零中断耗时：小于1rns总时间小于14.9ms,距18rns尚有一定裕度。,3、中断服务程序,（1）过零中断;（2）采样中断:（3）通信中断:（4）键盘中断:,4.主程序框图,
