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1、第六讲 同步发电机励磁自动控制系统（4）,肖仕武Office:J5B309Tel:80794899,North China Electric Power University,2/46,2023/11/1,主要内容,励磁调节装置原理励磁调节器的发展历程数字式励磁调节器的基本构成1）主控单元，2）信息采集单元，3）调节控制输出单元 4）人机接口调节和控制的数学模型励磁调节器的辅助控制瞬时励磁电流控制-（转子电压极限）最大励磁限制器OEL-（转子热极限）最小励磁限制器UEL-(稳定极限)电压/频率限制与保护(铁芯饱和过热)发电机失磁监控数字式励磁调节器的可靠性（双重化）数字式励磁调节器的软件,No
2、rth China Electric Power University,3/46,2023/11/1,第六节 励磁调节装置原理,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,4/46,2023/11/1,1 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
3、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,5/46,2023/11/1,1 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,6/46,2023/11/1,1
4、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,7/46,2023/11/1,1 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
5、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,8/46,2023/11/1,2 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,9/46,2023/11/1,（1）主控单元,North China Electric Power University,10/46,2023/11/
6、1,（1）主控单元,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,11/46,2023/11/1,（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
7、量输入,总线接口,CPU,North China Electric Power University,12/46,2023/11/1,模拟量输入通道,1、发电机电压/电流过程通道,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，同时也起到了电气隔离的作用。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(中间变流器或者霍尔元件等)，且在其量程以内，也起到了电气隔离的作用,North China Electric Power University,13/46,2023/11/1,模拟量输入通道,2、励磁电流过程通道,直接测量法：将直流/直
8、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,14/46,2023/11/1,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,15/46,2023/11/1,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
9、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,16/46,2023/11/1,（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
10、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,17/46,2023/11/1,移相触发单元,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
11、 University,18/46,2023/11/1,移相触发单元,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（作减法），计数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,19/46,2023/11/1,移相触发单元,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
12、有一定的陡度、幅度和宽度。,North China Electric Power University,20/46,2023/11/1,（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,21/46,2023/11/1,3 调节控制的数学模型,PID调节控制的算法方程式：,PID差分变换的离散方程式：,North China Electric Power University,22/46,2023/11/1,PID调节,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
13、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,23/46,2023/11/1,励磁调节器的基本调节方式,1、电压调节（比例式调节方式）,2、电压调节附加无功功率分配,North China Electric Power University,24/46,2023/11/1,4 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
14、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,25/46,2023/11/1,(0)发电机运行状态定转子热极限,定子电流限制：,转子电流限制：,North China Electric Power Universi
15、ty,26/46,2023/11/1,(0)发电机运行状态端部热极限,电枢端部热极限：,叠片涡流，进相时，漏磁通增加更加明显,North China Electric Power University,27/46,2023/11/1,(0)发电机运行状态静态稳定极限a,SMIB,North China Electric Power University,28/46,2023/11/1,(0)发电机运行状态静态稳定极限b,North China Electric Power University,29/46,2023/11/1,(0)发电机运行状态静态稳定极限c,稳定极限90o,North Ch
16、ina Electric Power University,30/46,2023/11/1,(0)发电机运行状态静态稳定极限d,North China Electric Power University,31/46,2023/11/1,发电机失磁保护-机端测量阻抗判据,机端测量阻抗判据等有功圆静稳极限圆,阻抗静稳极限圆,PQ静稳极限圆,等价否？,North China Electric Power University,32/46,2023/11/1,两个静稳极限圆等价关系,阻抗静稳极限圆,PQ静稳极限圆,等价否？,North China Electric Power University,3
17、3/46,2023/11/1,（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(斜率大),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,North China Electric Power University,34/46,2023/11/1,（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
18、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,North China Electric Power University,35/46,2023/11/1,（2）最大励磁限制器(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热电力积分器：,励磁电流限制值为,调节器按恒励磁电流 运行,励磁电流限制值为,调节器按恒励磁电流 运行,North China Electric Power University,36/46,2023/11/1,（3）最小励磁限制器(UEL),Q增加（AC）失去稳定,稳定极限,考虑裕
19、度的稳定极限,P增加（AB）失去稳定,需要增加最小励磁限制,North China Electric Power University,37/46,2023/11/1,（3）最小励磁限制器(UEL),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,调节器发出欠励限制信号，励磁电流不再减少,North China Electric Power University,38/46,2023/11/1,UEL考虑的三个限制,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,North China Electric Power University,39/46,2023
20、/11/1,（4）电压/频率限制与保护,U/f比超过限制值的原因：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,在规定的时间内，仍然，则跳主开关灭磁,延时灭磁。,限制,限制,磁通限制器：防止发电机/变压器铁心过热,North China Electric Power University,40/46,2023/11/1,（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
21、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,41/46,2023/11/1,发电机失磁保护,低电压判据逆无功判据机端测量阻抗判据等有功圆静稳极限圆,North China Electric Power University,42/46,2023/11/1,5 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,可靠性提高多少？(1)单套(2)双套不切换(3)双套切换,North China Electr
22、ic Power University,43/46,2023/11/1,6 数字式励磁调节器的软件,时间安排：一个周期内,考虑裕度18ms,North China Electric Power University,44/46,2023/11/1,6 数字式励磁调节器的软件,过励判断,North China Electric Power University,45/46,2023/11/1,6 数字式励磁调节器的软件,North China Electric Power University,46/46,2023/11/1,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,
