1、Nanjing Forestry University第二章 同步發電機勵磁自動控制系統（4）王 軍 Email：2/462022-3-6主要內容l 勵磁調節裝置原理勵磁調節裝置原理l 勵磁調節器的發展歷程勵磁調節器的發展歷程l 數字式勵磁調節器的基本構成數字式勵磁調節器的基本構成n1 1）主控單元，）主控單元， 2 2 ）信息采集單元，）信息采集單元，n3 3）調節控制輸出單元）調節控制輸出單元 4 4 ）人）人機接口機接口l 調節和控制的數學模型調節和控制的數學模型l 勵磁調節器的輔助控制勵磁調節器的輔助控制n瞬時勵磁電流控制瞬時勵磁電流控制- -（轉子電壓極限）（轉子電壓極限）n最大勵磁

2、限制器最大勵磁限制器OEL-OEL-（轉子熱極限）（轉子熱極限）n最小勵磁限制器最小勵磁限制器UEL-(UEL-(穩定極限穩定極限) )n電壓電壓/ /頻率限制與保護頻率限制與保護( (鐵芯飽和過熱鐵芯飽和過熱) )n發電機失磁監控發電機失磁監控l 數字式勵磁調節器的可靠性（雙重化）數字式勵磁調節器的可靠性（雙重化）l 數字式勵磁調節器的軟件數字式勵磁調節器的軟件3/462022-3-6第六節第六節 勵磁調節裝置原理勵磁調節裝置原理G勵勵磁磁機機baEFIGUEFIEEIGUGI同同步步發發電電機機勵勵磁磁功功率率單單元元勵勵磁磁調調節節器器EFIREFUGIGU手手動動自自動動基基準準其其他

3、他信信號號 勵磁調節單元（自動調壓器）的勵磁調節單元（自動調壓器）的最基本部分是一個閉環比最基本部分是一個閉環比例調節器例調節器，它的輸入量是發電機電壓，輸出量是勵磁機的勵磁，它的輸入量是發電機電壓，輸出量是勵磁機的勵磁電流或者是發電機的轉子電流電流或者是發電機的轉子電流他的功能有二：他的功能有二：1、保持發電機端電壓不變、保持發電機端電壓不變2、保持并聯機組間的無功負荷的合理分配、保持并聯機組間的無功負荷的合理分配4/462022-3-61 1 勵磁調節器的發展歷程勵磁調節器的發展歷程機電型勵磁調節器機電型勵磁調節器電磁型勵磁調節器電磁型勵磁調節器電子型勵磁調節器電子型勵磁調節器數字型勵磁調

4、節器數字型勵磁調節器 機電型勵磁調節器的任務是機電型勵磁調節器的任務是調節電壓調節電壓，其調節線圈中的電流與，其調節線圈中的電流與發電機電壓成正比，調節線圈中產生的磁場力作用于變阻器，從而發電機電壓成正比，調節線圈中產生的磁場力作用于變阻器，從而改變勵磁機磁場電阻以達到調節電壓的目的。改變勵磁機磁場電阻以達到調節電壓的目的。 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，故而具有不靈敏區不靈敏區5/462022-3-61 1 勵磁調節器的發展歷程勵磁調節器的發展歷程機電型勵磁調節器機電型勵磁調節器電磁型勵磁調節器電磁型勵磁調節器電子型勵磁調節器電子型勵磁調節器數字型勵磁調節器

5、數字型勵磁調節器 電磁型勵磁調節器是以磁放大器為基礎，構成電磁型電壓調電磁型勵磁調節器是以磁放大器為基礎，構成電磁型電壓調節器，各個單元均由電磁單元構成，節器，各個單元均由電磁單元構成，時間常數較大時間常數較大，但是可靠，但是可靠性高，任務是性高，任務是維持電壓水平和無功功率分配維持電壓水平和無功功率分配6/462022-3-61 1 勵磁調節器的發展歷程勵磁調節器的發展歷程機電型勵磁調節器機電型勵磁調節器電磁型勵磁調節器電磁型勵磁調節器電子型勵磁調節器電子型勵磁調節器數字型勵磁調節器數字型勵磁調節器 電子型勵磁調節器是以電子元件為基礎所構成的，沒有時電子型勵磁調節器是以電子元件為基礎所構成的

6、，沒有時間滯后，綜合放大能力強，發展成為間滯后，綜合放大能力強，發展成為“對勵磁系統具有多種綜合對勵磁系統具有多種綜合控制調節能力的勵磁調節器控制調節能力的勵磁調節器”。基本上由。基本上由“調差調差”“”“測量比測量比較較”“”“綜合放大綜合放大”“”“移相觸發移相觸發”等單元組成，實現等單元組成，實現電壓調節和無電壓調節和無功負荷分配等功負荷分配等基本調節功能基本調節功能7/462022-3-61 1 勵磁調節器的發展歷程勵磁調節器的發展歷程機電型勵磁調節器機電型勵磁調節器電磁型勵磁調節器電磁型勵磁調節器電子型勵磁調節器電子型勵磁調節器數字型勵磁調節器數字型勵磁調節器 數字型勵磁調節器實質上

7、是一臺專用的微型計算機勵磁控制數字型勵磁調節器實質上是一臺專用的微型計算機勵磁控制系統，核心是主機，主機通過總線、接口電路與具體的控制對象系統，核心是主機，主機通過總線、接口電路與具體的控制對象的過程通道連接，采集發電機組的運行狀態信息，輸出脈沖調節的過程通道連接，采集發電機組的運行狀態信息，輸出脈沖調節勵磁功率單元（晶閘管），實現對發電機勵磁的綜合調節控制。勵磁功率單元（晶閘管），實現對發電機勵磁的綜合調節控制。8/462022-3-62 2 數字式勵磁調節器的基本構成數字式勵磁調節器的基本構成1 主機（主控單元）主機（主控單元）4 人人機接口機接口2 信息采集單元信息采集單元3 調節控制輸

8、出單元調節控制輸出單元9/462022-3-6（1 1）主控單元）主控單元BIOS協處理器協處理器CPU總線接口總線接口字符發生字符發生顯示緩沖顯示緩沖DRAM地址緩沖地址緩沖數據緩沖數據緩沖控制總線緩沖控制總線緩沖CPU部分部分總線接口總線接口存存儲儲器器部部分分10/462022-3-6（1 1）主控單元）主控單元BIOS協協處處理理器器CPU總總線線接接口口字字符符發發生生顯顯示示緩緩沖沖DRAM地地址址緩緩沖沖數數據據緩緩沖沖控控制制總總線線緩緩沖沖CPU部分部分總線接口總線接口存存儲儲器器部部分分 主控單元可以通過主控單元可以通過總線采集發電機組的運總線采集發電機組的運行信息，存入存

9、儲區形行信息，存入存儲區形成實時數據庫，主機可成實時數據庫，主機可以從實時庫中調取相關以從實時庫中調取相關信息進行調節計算、邏信息進行調節計算、邏輯判斷等各種控制功能。輯判斷等各種控制功能。 在數字型勵磁調節器上增在數字型勵磁調節器上增設輔助控制功能設輔助控制功能無需增加特無需增加特定的硬件設備定的硬件設備，這是與電子，這是與電子型相比的最顯著的區別。型相比的最顯著的區別。11/462022-3-6（2 2）信息采集單元）信息采集單元電壓調節電壓調節/無功功率分配無功功率分配勵磁系統穩定器勵磁系統穩定器電力系統穩定器電力系統穩定器勵磁系統限制器勵磁系統限制器采集發電機電壓、電流及采集發電機電壓

10、、電流及反映機組運行的開關量反映機組運行的開關量采集發電機頻率和勵磁機采集發電機頻率和勵磁機電流等電流等模擬模擬/數字量過程通道數字量過程通道A/D轉換和數字量輸入轉換和數字量輸入總線接口總線接口CPU12/462022-3-6模擬量輸入通道模擬量輸入通道1、發電機電壓、發電機電壓/電流過程通道電流過程通道G傳感器A/D采集發電機的電壓過程通道發電機的電壓過程通道：將：將TV二次側輸出的二次側輸出的100V再經過再經過TMV轉換為轉換為A/D的量程以內，同時也起到了電氣隔離的作用。的量程以內，同時也起到了電氣隔離的作用。發電機的電流過程通道發電機的電流過程通道：將：將TA二次側的二次側的5A轉

11、換為轉換為A/D所能接受所能接受的電壓信號的電壓信號(中間變流器或者霍爾元件等中間變流器或者霍爾元件等)，且在其量程以內，且在其量程以內，也起到了電氣隔離的作用也起到了電氣隔離的作用13/462022-3-6模擬量輸入通道模擬量輸入通道G直流變送器G交交流流變變送送器器2、勵磁電流過程通道、勵磁電流過程通道 直接測量法直接測量法：將直流將直流/直流直流變送器變送器串入串入轉子回路中，將轉子回路中，將直流電流轉換為直流電壓直流電流轉換為直流電壓間接測量法間接測量法：全控全控整流橋的交流側電整流橋的交流側電流與轉子直流電流流與轉子直流電流成正比，因此，經成正比，因此，經過過TA測量出交流側測量出交

12、流側電流而間接得到轉電流而間接得到轉子電流子電流14/462022-3-6模擬量輸入通道模擬量輸入通道3、濾波電路、濾波電路直流濾波電路：保證直流成分，去掉諧波成分直流濾波電路：保證直流成分，去掉諧波成分交流濾波電路交流濾波電路:提取有用信號，濾出諧波和直流等提取有用信號，濾出諧波和直流等常用濾波電路型式：常用濾波電路型式：巴特沃思、鍥比雪夫、貝塞爾巴特沃思、鍥比雪夫、貝塞爾15/462022-3-6數字量輸入通道及數字量輸入通道及A/DA/D數據采集數據采集數字量采集數字量采集:斷路器狀態、操作盤上開斷路器狀態、操作盤上開關狀態、輸入調節量增關狀態、輸入調節量增/減控制信息等。減控制信息等。

13、一般采用一般采用光電耦合器光電耦合器來進行來進行電氣隔離電氣隔離。A/D轉換接口電路轉換接口電路主要是將模擬信號轉換為計算機可以接受的二進制數字信號主要是將模擬信號轉換為計算機可以接受的二進制數字信號AD主要技術指標主要技術指標：分辨率、量程、轉換時間、轉換精度。：分辨率、量程、轉換時間、轉換精度。A/D轉換板接口電路由模擬多轉換板接口電路由模擬多路切換開關路切換開關MUX、程控放大器、程控放大器、采樣保持器采樣保持器S/H、A/D轉換器轉換器和定時與邏輯控制等部件構成。和定時與邏輯控制等部件構成。16/462022-3-6（3 3）調節控制輸出單元）調節控制輸出單元勵磁調節器輸出的勵磁調節器

14、輸出的調節量調節量為控制勵磁功率單元的為控制勵磁功率單元的移相觸發脈沖移相觸發脈沖，輸出的輸出的控制信號控制信號有保護跳閘觸點信號、報警信號等。有保護跳閘觸點信號、報警信號等。移相觸發單元的任務移相觸發單元的任務：為了使全控（半控）整流橋正常工作，：為了使全控（半控）整流橋正常工作，需要使晶閘管按照一定的次序導通，也就需要按照一定的次序對需要使晶閘管按照一定的次序導通，也就需要按照一定的次序對晶閘管門極施加觸發脈沖晶閘管門極施加觸發脈沖移相觸發單元的要求移相觸發單元的要求：1、觸發脈沖移相范圍要求符合相應的可控整流電路的要求。、觸發脈沖移相范圍要求符合相應的可控整流電路的要求。2、觸發脈沖具有

15、足夠的功率使晶閘管可靠地導通、觸發脈沖具有足夠的功率使晶閘管可靠地導通3、觸發脈沖上升沿要陡（、觸發脈沖上升沿要陡（10微秒），要有一定的寬度微秒），要有一定的寬度4、觸發單元與主電路相互隔離以保證安全、觸發單元與主電路相互隔離以保證安全5、在整個移相范圍內保證各相的觸發脈沖控制角一致、在整個移相范圍內保證各相的觸發脈沖控制角一致17/462022-3-6移相觸發單元移相觸發單元同同步步單單元元移移相相整整流流器器接接口口門門極極驅驅動動同同步步信信號號移移相相控控制制信信號號至至晶晶閘閘管管門門極極 同步整形電路同步整形電路：將同步變壓器二次側電壓整形成方波，：將同步變壓器二次側電壓整形成方

16、波，其其上升沿上升沿作為控制角的計時起點。作為控制角的計時起點。18/462022-3-6移相觸發單元移相觸發單元同同步步單單元元移移相相整整流流器器接接口口門門極極驅驅動動同同步步信信號號移移相相控控制制信信號號至至晶晶閘閘管管門門極極計計數數器器CLKGate脈脈沖沖形形成成同同步步信信號號數數據據 主控制單元輸出的數字量數據裝入到計數寄存器，同步電主控制單元輸出的數字量數據裝入到計數寄存器，同步電壓經過隔離、電平轉換，在電壓過零點處形成正脈沖，加到壓經過隔離、電平轉換，在電壓過零點處形成正脈沖，加到Gate端，使計數器開始計數（作減法），端，使計數器開始計數（作減法），計數結束時計數結束

17、時輸出端的輸出端的低電平信號經過轉換后形成觸發脈沖輸出，他與同步電壓過零低電平信號經過轉換后形成觸發脈沖輸出，他與同步電壓過零點間的相差的時間就是相移角點間的相差的時間就是相移角2clocktTDt f19/462022-3-6移相觸發單元移相觸發單元同同步步單單元元移移相相整整流流器器接接口口門門極極驅驅動動同同步步信信號號移移相相控控制制信信號號至至晶晶閘閘管管門門極極 整流器接口電路：整流器接口電路：實現光電電氣隔離，具有測量整流橋輸出實現光電電氣隔離，具有測量整流橋輸出電流，并監視橋臂電流和部件運行狀態。電流，并監視橋臂電流和部件運行狀態。 門極驅動電路：門極驅動電路：用于放大脈沖，使

18、之與晶閘管觸發水平相當，用于放大脈沖，使之與晶閘管觸發水平相當，具有足夠的功率，脈沖具有一定的陡度、幅度和寬度。具有足夠的功率，脈沖具有一定的陡度、幅度和寬度。20/462022-3-6（4 4）人）人機接口機接口人人機接口滿足：機接口滿足：1、程序調試、程序調試2、參數設定與維護、參數設定與維護3、運行操作、運行操作21/462022-3-63 3 調節控制的數學模型調節控制的數學模型 dttdeTdtteTteKtuDtIP01PID調節控制的算法方程式：調節控制的算法方程式： KjtjTeTdtte00 TKTeKTeTdttde1KjDIPTKTeKTeTTjTeTTKTeKKTU0P

19、ID差分變換的離散方程式：差分變換的離散方程式：22/462022-3-6PIDPID調節調節KjDIPTKTeKTeTTjTeTTKTeKKTU0TKTeKTeKKTeKKTeKTKTUKTUKTUDIP位置式位置式增量式增量式 增量式增量式PID調節算法與位置式并無本質區別，由于輸出調節算法與位置式并無本質區別，由于輸出增量，計算誤差或精度對控制量影響較小，控制作用不會發增量，計算誤差或精度對控制量影響較小，控制作用不會發生大幅度的變化，而且輸出只與最近幾次采樣值有關，容易生大幅度的變化，而且輸出只與最近幾次采樣值有關，容易獲得較好的控制效果獲得較好的控制效果23/462022-3-6勵磁

20、調節器的基本調節方式勵磁調節器的基本調節方式1、電壓調節（比例式調節方式）、電壓調節（比例式調節方式）KTUKTUKKTUGREFP2、電壓調節附加無功功率分配、電壓調節附加無功功率分配PREFGU KTKUKTUKTQ KT 24/462022-3-64 4 勵磁調節器的輔助控制勵磁調節器的輔助控制勵磁調節系統輔助控制滿足勵磁調節系統輔助控制滿足：1、發電機在進相運行時，發電機最小勵磁電流值應該限制在發、發電機在進相運行時，發電機最小勵磁電流值應該限制在發電機靜態穩定極限和發電機定子端部發熱允許的范圍內，為此需電機靜態穩定極限和發電機定子端部發熱允許的范圍內，為此需要設立要設立“最小勵磁限制

21、器最小勵磁限制器”2、為了提高系統的穩定性，勵磁系統具有高起始響應特性，勵、為了提高系統的穩定性，勵磁系統具有高起始響應特性，勵磁電流過大，則會危及發電機的安全，故而需要限制強勵頂值電磁電流過大，則會危及發電機的安全，故而需要限制強勵頂值電流，為此需要設置流，為此需要設置“瞬時電流限制器瞬時電流限制器”輔助控制與正常控制的區別在于：輔助控制與正常控制的區別在于： 輔助控制不參與正常調節，僅在發生非正常工況時，特定的輔助控制不參與正常調節，僅在發生非正常工況時，特定的限制輔助功能才起作用。限制輔助功能才起作用。輔助控制包括輔助控制包括：瞬時勵磁電流控制、最大勵磁限制器、最小勵磁限制器瞬時勵磁電流

22、控制、最大勵磁限制器、最小勵磁限制器電壓電壓/ /頻率限制與保護、發電機失磁監控頻率限制與保護、發電機失磁監控25/462022-3-6(0)發電機運行狀態定轉子熱極限ttSPjQU I22maxSPQS定子電流限制定子電流限制：轉子電流限制轉子電流限制：2cosadfdssX iUQUXXsinadfdsXiPUX22*()PQQK26/462022-3-6(0)發電機運行狀態端部熱極限電樞端部熱極限電樞端部熱極限：疊片渦流，進相時，漏磁疊片渦流，進相時，漏磁通增加更加明顯通增加更加明顯27/462022-3-6(0)發電機運行狀態靜態穩定極限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)發電機運行狀態靜態穩定極限b29/462022-3-6(0)發電機運行狀態靜態穩定極限cUIGUqEGd22211sin2cos sin21111cos2cos cos22GGGGedeGGGGGededeUU UPXXXUUU UQXXXXX 22211sin221111cos222GmGedGGmGededUPXXUUQXXXX穩定極限90o30/462022-3-622211sin221111cos222GmGedGGmGededUPXXUUQXXXX22222111122GGmmededUUPQXXXX(0)發電機運行狀態靜態穩定極限d31/462022-3-

25、6發電機失磁保護-機端測量阻抗判據l機端測量阻抗判據n等有功圓n靜穩極限圓RjX-jXd-jXdjXsP1P2aabbcc阻抗靜穩極限圓阻抗靜穩極限圓22222ededeeXXXXRXXXPQ靜穩極限圓靜穩極限圓等價否？等價否？32/462022-3-6兩個靜穩極限圓等價關系阻抗靜穩極限圓阻抗靜穩極限圓PQ靜穩極限圓靜穩極限圓等價否？等價否？22222ededeeXXXXRXXX22222111122GGmmededUUPQXXXXUIGUqEGd33/462022-3-6（1 1）瞬時勵磁電流控制）瞬時勵磁電流控制 為了滿足電力系統穩定性的要求，大容量發電機的勵磁系統為了滿足電力系統穩定性的

26、要求，大容量發電機的勵磁系統必須具有高起始響應的性能。必須具有高起始響應的性能。 通常采用高勵磁頂值的方通常采用高勵磁頂值的方法來提高勵磁機輸出電壓的法來提高勵磁機輸出電壓的起始增長速度起始增長速度(斜率大斜率大) 高值勵磁電壓將會危及勵磁高值勵磁電壓將會危及勵磁機及發電機的安全，為此設機及發電機的安全，為此設置了置了“瞬時勵磁電流控制器瞬時勵磁電流控制器”具體控制具體控制當勵磁電流超當勵磁電流超過發電機允許的勵磁頂值，過發電機允許的勵磁頂值，立即限制勵磁電流為立即限制勵磁電流為max. fI34/462022-3-6（2 2）最大勵磁限制器）最大勵磁限制器最大勵磁限制最大勵磁限制是為了防止轉

27、子繞組是為了防止轉子繞組長時間過勵磁長時間過勵磁而采取的措施。而采取的措施。為了保證發電機轉子發熱的安全，勵磁系統強勵時間不允許超過為了保證發電機轉子發熱的安全，勵磁系統強勵時間不允許超過規定值。若超過允許時間，勵磁電流仍然降不下來，則執行最大規定值。若超過允許時間，勵磁電流仍然降不下來，則執行最大勵磁限制。勵磁限制。他有兩個設定值：他有兩個設定值：1、強勵頂值電流限制值、強勵頂值電流限制值 2、連續運行允許的過熱限制值、連續運行允許的過熱限制值maxIrI轉子電壓標么值允許時間(s)轉子電壓標么值允許時間(s)1.121201.46301.25602.081035/462022-3-6（2

28、2）最大勵磁限制器）最大勵磁限制器(OEL)(OEL) 只要勵磁電流超過過熱限制值，勵磁調節器就會啟動一個過只要勵磁電流超過過熱限制值，勵磁調節器就會啟動一個過熱電力積分器：熱電力積分器：dtIIKdtiKWrfRR22erRTIKW2maxmaxWWmaxWW勵磁電流限制值為勵磁電流限制值為調節器按恒勵磁電流調節器按恒勵磁電流 運行運行max. fImax. fI勵磁電流限制值為勵磁電流限制值為rI調節器按恒勵磁電流調節器按恒勵磁電流 運行運行rI36/462022-3-6（3 3）最小勵磁限制器）最小勵磁限制器(UEL)(UEL)Q增加（增加（AC）失去穩定）失去穩定穩定極限穩定極限考慮裕

29、度的穩定極限考慮裕度的穩定極限P增加（增加（AB）失去穩定）失去穩定需要增加最小勵磁限制需要增加最小勵磁限制37/462022-3-6（3 3）最小勵磁限制器）最小勵磁限制器(UEL)(UEL)發電機在實現欠勵限制時，考慮留有發電機在實現欠勵限制時，考慮留有一定的穩定儲備后，限制值為一直線一定的穩定儲備后，限制值為一直線1QPKQKP1QPKQKP調節器發出欠勵限制信號，調節器發出欠勵限制信號，勵磁電流不再減少勵磁電流不再減少38/462022-3-6UEL考慮的三個限制QP欠勵限制器失磁繼電器小信號穩定靜態極限過勵欠勵容量極限39/462022-3-6（4 4）電壓）電壓/ /頻率限制與保護頻率限制與保護U/f比超過限制值的原因：比超過限制值的原因：1、發電機甩負荷或者解列、發電機甩負荷或者解列2、發電機組啟動時誤投勵磁開關、發電機組啟動時誤投勵磁開關3、系統故障使頻率降低、系統故障使頻率降低*06. 1GGfU*06. 1GGfU*1 . 1GGfU*06. 1GGfU在規定的時間內，仍然在規定的時間內，仍然 ，則跳主開關滅磁，則跳主開關滅磁*1 . 1GGfUmUkf/mk Uf延時滅磁延時滅磁。限制限制限制限制磁通限制器：防止發電機磁通限制器：防止發電機/變壓器鐵心過熱變壓器鐵心過熱40