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1、辽宁工业大学电力系统自动化 课程设计(论文)题目:励物励磁控制系统设计(1)院(系): 电气工程学院专业班级:电气084学 号:080303109学生姓名:张英福指导教师:(签字)起止时间:2011.12.262012.01。06理煮君工写目:(爰)现理煮菖工写由幸蟀艮溟蛎爰阍前熟啊叩熟啊闾兰),学生姓名张英福专业班级课程设计题目励磁机励磁控制系统设计(1)基本参数及要求:1发电机容量200MW,功率因数0。85,定子额定电压18KV,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1.8,不小于10秒4调压精度,机端电压静差率小于1%.课程设计(论文)任务5自动电
2、压调节范围:80%120%。6起动升压至额定电压时,超调量不大于10%。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.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)进度计划4、
3、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)指导教师评语平时: 论文质量: 答辩:(完整word版)励磁机励磁控制系统设计 注:成绩:平时20%论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要电力系统在现在社会的发展十分迅猛。计算机技术、控制理论、电力电子技术的发展也 促进了自并励励磁制造技术逐渐趋向于成熟、稳定、可靠。本文是将励磁自动控制系统拆分 成各个环节朋确各个环节的作用以及它们的工作原理,从而推导出系统总的工作原理并设 计发电机自并励励磁自动控制系统。以同步发电机励磁自动控制系统作为研究对象,
4、针对同 步发电机励磁控制方式现状,在研究模糊控制的基础上,将模糊PID控制用于同步发电机励 磁控制系统.并对所设计的模糊PID励磁控制器进行优化。本文主要内容是进行了模糊自调整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:最优控制理论;励磁系统;仿真(完整word版)励磁机励磁控制系统设计第1章绪论11。1励磁自动控制系统概况11。2本文主要内容1第2章励磁控制系统硬件设计32。1励磁控制系统功能32.2励
5、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电压测量42.3。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章系统仿真与分析114.1仿真模型的建立114.2系统性能的分析13第5章课程设计总结13参考文献15第1章绪论1.1励磁自动控制系统概况励磁系统的控制性能不仅影响着电力系统中电能质量、电压的稳定,系统的功率因数和 稳定运行极限,而且
6、影响着电力系统的暂态性能、动态性能,特别是对系统的低频振荡,次同 步振荡的抑制.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
7、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本文主要内容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、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
8、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,自 并励励磁系统成为研究的热点。自并励励磁系统在最近一些年发展势头非常迅猛,在水轮发电机上应用广泛,励磁系统 的电压依赖于发电机出口电压,人们一直担心励磁系统的强励能力和发电机出口侧发生短路 时对发电机励磁系统的影响问题。当前,我国随着电力系统负荷的急剧增加,电力系统结构和运行方式越来越复杂多变, 电力系统仿真的重要性也越来越突出。MATLAB软件提供了一个用于电力系统专业领域的、(完整word版)励磁机励磁控制系统设计 具有仿真、分析与计算功
9、能的工具箱,也是众多电力系统仿真软件中较为优秀的其中之一。 在仿真研究方面,本文致力于研究如何在MATLAB仿真环境下,实现对励磁控制系统的仿真建 模,并通过仿真实验,对励磁系统的研发提供必要的实验数据。第2章 励磁控制系统硬件设计2.1励磁控制系统功能励磁调节单元(即自动调压器)的最基本部分是一个闭环比例调节器。他的输入量是发 电机电压U G,输出量是励磁机的励磁电流或发电机转自电流,统称为ZAyAo它的主要功能有 二:一是保护发电机的端电压不变;其次是保持并联机组间的无功电流的合理分配。同其他的 自动调节装置一样,也可以把自动励磁调节系统理解为:人工对调节励磁电流的长期操作 经验进行了总结
10、的产物。2.2励磁控制系统总体设计方案在自并励励磁控制系统中,励磁电源取自发电机机端电压,发电机正常运转之前,不能 提供励磁电流,所以发电机起励时要外加起励电源,一般为提高励磁电源的可靠性,选用厂 用交流电和直流蓄电池两路供电,对于前者经过降压整流后,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,进人正常调节升压。在发电机正常工作时,励磁电源由接在发电机机端的励磁变压器提供,经三相全控桥整 流后供给发电机励磁电流。控制部分负责将电量采集送人DSP芯片,经过实时计算后送人控 制器,经过控制算法处理后输出控制量,即三相全
11、控桥的触发角仅通过触发角的改变来控制 发电机励磁电流的大小。装置采集的模拟量包括发电机机端电压、系统电压(电网电压)、定子电流、励磁电压、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,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,
12、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(后续章节简称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。魅瓯aCT1Spti盅剿UC模块Iaix?L腿控制器通用 1/0电机控割关粕输m开入出堤大单元相比较,
13、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.g变换为2。3。1电压测量电压测量是将机端三相电压降压、整流、滤波后转换成一较下波纹的直流电压。如图2.2 所示三相电压由端子8、10和12输入,两个单项变压器T1和孔接成“V”型,作三相电压降 压和隔离之用.降压后的三相电压分别经R1、R2、R三个相位平衡调节电位器,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信号u过电位器R、R2、R3主要用作相位平衡调整,通过改变其大小,使进入三相整流桥的三相 电压趋于对称,从而使整流后的直流电压对称,减小波纹,有利于滤波和减小时延。同时这些 电位器对
14、电压调节范围的上下限及电压偏差检测的增益均有影响,因此,调定后不应随意在作改变。图2。2电压测量环节原理图2.3.2比较整定R1立机端电压的直流电压过运算放大器与来自电压整定 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,运放输出即为电压偏差信经电压测量环节输出的正比R号弓,如图2。3.2所示.S-R5;从测量整流电路来的电压U的灵两个输入量是比较整定电路的整:可变的整定电压。先考虑前两个输入量若该两路运放的闭环放大倍数分别为 较整定电路输出电压为rC16.发电机电压 7其中 ,*seG祚为加法器的一个输X量,加法器 自稳压管vz的恒定负电压,U 是K1 K 2,则比U =+(de
15、上式中第一 Ijse18,第二项是一恒定量。VZ图2。3比较整定电路原理图2。3。3比较整定电路的整定当整定电压随UVZ 2变化时,而固定电压UVZ1与调压器最小整定电压值有关。具体调节如 下:电位器R5用最下电压整定,其阻值减小,发电机运行电压下限降低;阻值增加,运行电压 下限升高。整定时只有固定部分经R9输入运放,变动部分五输入,模拟输入机端电压为预定下 限电压,调节R5使AJ输入为0V。电位器R 8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的上限。整定时, 置给定电压为最大值,模拟输入机端电压为
16、预定上限电压,调节R8,AJ的输出为0V。电位器R 14用作运算放大器AJ的增益系数的调整。增益范围110倍。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。第3章系统传递函数的建立如图3.1所示,图中UE压平衡方程为:3.1他励直流励磁机的传递函数建立6Uee = Re1ee * Lee 寸tu EE分别为励磁机输出电压和他励绕组的输入电压.他励绕组的电当不计转速变化时,励磁机的内电动势与磁链L成正比,近似地认为励磁机电压uE正比 于E .他励电流iEE和UE的关系取决于励磁机
17、的饱和特性曲线,不计饱和时为一条曲线。根据 上述情况有下列关系:一、不计饱和时:U =K i LEE G EE函数为:G(s)=/-1U (s)EE(励磁系统不计饱和的传递函数)1 + T Es如图3.1所示二、计饱和时定义饱和函数为:Se =早B传递函数为:G(s)= Ue(s) =1UEE(s) T s + K + S,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u E与其对应 的同步发电机励磁电动势Ede的换算关系。u3.2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
18、数。测量比较电路的传递函数可用下式表示=U( s)= KR U nTrGR3.2.2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KA,时间 常数为Ta。他们的合成函数是3.2.3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u d滞后于触发器控制电压信号。滞后时间 为为z -3.3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
19、 函数为U( s) =G (s)U (S)1 + G(s)H(s)REF为简化起见,忽略励磁机的饱和特性和放大器的饱和限制测可得:G.)=K K(1 + T S)(K + 7Gs)1 +AEEH(s)二 %1 + T s图3。3励磁控制系统传递函数框图所以:U (s) _K K (1 + T s)U(1 + T )(K + T s)A1 + T )(1 ;T s) + K K KREFA E Ed 0RA G R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同步发电机的传递函数是相当复杂的,但如果只研究发电机空载时励磁控制系统的有关性 能,则可对发电机的数学描述进行简化
20、。简单说来,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。这是因为在运行区域内,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;其次,认为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。其空 载时的时间常数为广如,用K&表示发电机的放大系数,得同步发电机的传递函数为:d 0G)KG Is)=卡d 0第4章 系统仿真与分析4.1仿真模型的建立要实现大范围电力系统计算除了需要电网各元件参数外,还需要能够进行高阶计算的程 序和各种应用程序,而这种高阶的计算限于计算机的计算速度很难实现。我们取得励磁系统的相关参数和模型后,需要对其模型和参数进行进一步的验证和调试, 以最后整定最适
21、合的参数及模型。而通常励磁调节器的试验是在制造厂家完成静态测试和非 实际参数动态试验后,在实际机组上完成参数的最终整定和系统的动态试验,这种试验需要 试验者有丰富的经验,以避免损坏设备或发生电网事故的危险性。改善励磁系统标准要求励 磁系统在电力系统各种故障情况下均有正确的反应,由于不便实现电力系统对称不对称故障 试验,励磁系统对故障的反应只有遇到了系统冲击时才能知道。纵然在改进设计防范于未然, 而一次故障可能已经支付了全套励磁系统设备的代价了。因此在验证仿真模型是否符合实际模型上,采用现场试验的方法是不太现实的,这就需 要实时仿真系统。对发电机励磁自动控制系统进行仿真,就要对系统的各个环节进行
22、建模,得到他们的数 值解法,这样才能根据输入信号实时的计算出输出信号。本仿真所构造的系统包括同步发电 机(300MW)、出口侧单元式升压变压器、传输线、模拟负载、电网电源等设备,仿真软件 采用MATLAB,图3.1就是MATLAB提供的励磁控制器模型。图4。1励磁控制器模型调试主要包括对励磁控制器的调试和对电力系统稳定器等其它设备的调试.励磁控制器 调试的主要参数包括滤波时间常数的选择、超前滞后时间的选择,控制的增益及其他的一些 参数选取。另外,系统的各个元件之间还有一个电压电流等级的变压器的变比等基本参数的 匹配问题,这些问题都需要考虑,并对这些需进行必要的计算。当系统匹配完成后,系统才能
23、正常运行。(完整word版)励磁机励磁控制系统设计 发电机容量500MW ,功率因数0.85 ,定子额定电压18KV ,空载额定转子电压117V , 要求电压调差系数在15%范围内可调 启动电压调节范围在60%140%,起动升压至额定 电压时,超调量不大于5%。常规PID闭环励磁控制系统的仿真图如图3。2所示。系统的给定机械功率输入为1p.u, 励磁电压为0.92p。u。图3.3为三相短路时发电机电磁功率仿真曲线;图3。4为三相突然 短路时发电机励磁电压仿真曲线。仿真结果表明,系统能够稳定运行,当系统受到短路干扰 后,能够重新回到稳定运行点,但收敛时间相对较长。图4。2 PID闭环励磁控制系统
24、仿真图(完整word版)励磁机励磁控制系统设计 图4。4励磁电压仿真曲线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出去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。通过对仿真结果的分析,得到系统的优点和不足,我们还对系统仿真分析的步骤、注意 事项、参数调试时的一些具体问题进行了讨论。最后得到的结论是新型电力系统稳定器有明 显的优越性。新型电力系统稳定器尽管在调试时会遇到麻烦,增加了系统的调试难
25、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。第5章 课程设计总结随着电力系统的迅速发展,对励磁系统的静态和动态调节性能以及可靠性等提出了更高的 要求.计算机技术、控制理论、电力电子技术的发展也促进了自并励励磁制造技术逐渐趋向于 成熟、稳定、可靠相对其它励磁方式而言,自并励励磁系统具有主回路简单、调节性能优良、 可靠性高的优点,已取代励磁机励磁方式和相复励方式,在水电厂得到普遍使用.最近几年, 自并励励磁方式也取代了三机励磁方式,成为新建火电厂的首选方案,逐渐在大型汽轮发电机 组中推广应用。(完整word版)励磁机励磁控制系统设计 本文是设计发电机自并励
26、励磁自动控制系统。首先,掌握励磁自动控制系统的原理接线图, 了解什么是PID控制;其次,将励磁自动控制系统拆分成各个环节朋确各个环节的作用以及 它们的工作原理从而推导出系统总的工作原理;然后,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;最后,列写励磁自动控制系统总的传递函数以及框图,并在空载 点对传递函数进行线性化。当前,我国随着电力系统负荷的急剧增加,电力系统结构和运行方式越来越复杂多变, 电力系统仿真的重要性也越来越突出.MATLAB软件提供了一个用于电力系统专业领域的、具 有仿真、分析与计算功能的工具箱,也是众多电力系统仿真软件中较为优秀的其中之一。在 仿真研究方面,本
27、文致力于研究如何在MATLAB仿真环境下,实现对励磁控制系统的仿真建 模,并通过仿真实验,对励磁系统的研发提供必要的实验数据。本文先介绍励磁控制系统仿真 的概念,使读者尽快了解仿真;然后,根据电力系统的结构建立仿真模型;PID参数控制仿 真,得出结果并对系统性能进行分析总结.参考文献1 商国才。电力系统自动化.天津大学出版社,20002 王葵等.电力系统自动化.中国电力出版社,2007。13 何仰赞等。电力系统分析。华中科技大学出版社,2002。34 周双喜.同步发电机数字式励磁调节器。中国电力出版社,19985 郭培源.电力系统自动控制新技术.科学出版社,20016 李先彬.电力系统自动化。水利电力出版社,19957 杨冠城。电力系统自动装置原理。水利电力出版社,19958 刘卫国等。MATLAB程序设计与应用(第2版)。高等教育出版社,20089 陈衍主编.电力系统稳态分析.水利电力出版社,199510 涂光瑜编著。汽轮发电机及电气设备.中国电力出版社,1998