（电气工程专业论文）1000千瓦同步发电机数字式励磁控制系统的研究.pdf

重鏖查堂堡主堂焦笙奎 茎茎塑量 a b s t r a c t i np o w e r s y s t e m ，e n h a n c i n g a n d m a i n t a i n i n gs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ss t a b i l i t yi so n e o f t h eb a s i cc o n d i t i o n st oe n s u r es a f ea n de c o n o m i c a lp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n m o r e o v e r , e n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo f e x c i t a t i o nc o n t r o li so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d st o i m p r o v es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ss t a b i l i t y , w h i c hi sw i d e l ya c c e p t e d t h e t r a d i t i o n a lm a i n c i r c u i to fs t a t i ce x c i t a t i o n s y s t e mi st h r e e p h a s ef u l l - b r i d g ec o n t r o l l e d r e c t i f i e r t h e l o s t c o n t r o lp e r i o do f p h a s e c o n t r o ls y s t e ma n d t h el o wo p e r a t i o nf r e q u e n c yo ft h 埘s t o r r e s u l ti nt h el o n gr e g u l a t i o nt i m ea n ds l o wd y n a m i cr e s p o n s eo f e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m i na d d i t i o n , e q u i v a l e n ts e r i e sr e a c t a n c eo f e x c i t a t i o nt r a n s f o r m e rw o r s e n st h ec o n d i t i o no f t h et h y r i s t o ro p e r a t i o n ，a n di tc a nb r i n gt r a n s i e n to v e r - v o l t a g ea tt h em o m e n to f s w i t c h i n g m y r i s t o r t h et r a n s i e n to v e r - v o l t a g ew i l le n d a n g e rt h ef i e l dw i n d i n g a c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t c r i _ s t i co fe x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fs m a l la n dm e d i u ms y n c h r o n o u sg e n e r a t o r s ， d cc h o p p i n gc i r c u i ti sp r e s e n t e db a s e do ns c h e m es i m u l a t i o n b e c a u s eo ft h eh i g h s w i t c hf r e q u e n c yo f i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e s ( m ) ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lc i r c u i t i ss i m p l e rt h a nc o n v e n t i o n a lt h y r i s t o rc o n t r o l l e dc i r c u i tb yu s i n gi p m w h i c hl e a v eo u t t h er e a c t o r ，a n dt h u si n c r e a s et h ed y n a m i c r e g u l a t i n gs p e e d o f e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m m o d e r ne x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o ru s ew i t hs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r si sp r o n et o 1 1 i g hs t a b i l i t ya n dc o m p u t e rc o n t r o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a m a d e b y t i i s o b r d i g i t a le x c i t a t i o n c o n t r o lc h i p t h ee v e n t m a n a g e r m o d u l e o f l f 2 4 0 7 a c a r ls u b s t i t u t e c o m p l i c a t e dd i g i t a lt r i g g e r c i r c u i ta n dm a n yp e r i p h e r a lc i r c u i t s t h e e x c i t a t i o nc o n t r o l ，f a u l tp r o t e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o na r ei n t e g r a t e dt op r o v i d eat r u e s i n g l e c h i pd s p c o n t r o l l e r 1 1 1 em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i to fe x c i t a t i o nc o n l l o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e d s a b e rm o d e lo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r si sb u i l tb yu s i n gm a s t c h o p p i n ge x c i t a t i o n a p p r o a c hs i m u l a t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g yi sp r e s e n t e d d e s i g no f h a r d w a r ec i r c u i t sa n d s y s t e mp r o g r a mi sd i s c u s s e d p a r a m e t e ri np u o fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r si sa p p l i e di n e x c i t a t i o nc o n t r o l p r o g r a m ，s oe x c i t a t i o n c o n t r o lp r o g r a mc a nb eu s e df o rd i f f e r e n t s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r se x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a td cc h o p p i n g c i r c u i tc a l lp r o d u c ef i e l dc u r r e n tw i t h q u i c ka d j u s t i n gs p e e da n dw i d er e g u l a t i n gr a n g e a tt h es a f n et i m e ，d i g i t a l e x c i t a t i o n r e g u l a t o r b a s e do nd s ph a sb e e n f u l l yt e s t i f i e d , w h i c h h a sf a s t e rd y n a m i c r e s p o n s es p e e d a n du s e f u lf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nw i t hc h o p p i n gc o n t r o le x c i t a t i o na p p r o a c h k e y w o r d ：s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r s ，e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m , d s p 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 同步发电机通常采用直流励磁，以恒速运行为基本约束，是与原动机构成刚性 连接的机电耦合系统。同步发电机的电压和输出的无功功率与发电机的励磁电流紧 密联系在一起。而励磁电流的产生并随着发电机电压和输出的无功电流的变化的自 动控制，则是通过励磁控制系统来实现f j 】。调速系统控制原动机( 和发电机) 的转 速( 频率) 及有功功率，二者构成发电机组的主要控制系统。 为了保证同步发电机的可靠运行，对励磁调节系统的要求更加严格，它的特性 好坏直接影响到同步发电机运行的可靠性与稳定性。传统的励磁系统，励磁方式多 采用同轴的直流发电机励磁，其励磁功率单元是直流发电机，励磁调节多采用机电 型或电磁型调节器，这种系统固有的弱点( 运行火花，易磨损，维护工作量大，且 响应速度慢等) 已不能满足日益发展的电力系统的要求【2 】。近几十年来，在同步电 机励磁系统中推广应用了各式各样的模拟式励磁方式。模拟式励磁系统的控制系统 采用模拟调节器，操作系统采用继电接触器控制，线路复杂、控制精度低、超调量 大、调节参数整定复杂、功能单一、维护困难，系统运行中故障率较高。如要求运 行高度可靠、具有优良的技术和经济性能指标、能完成某些专门的控制功能等，用 模拟式励磁调节器将很难完成这些任务【l q 。 现代同步发电机组已向着高稳定性、计算机控制方向发展。同步发电机检测与 控制系统过去由于大量采用模拟电路的组合部件，具有自动化程度较低、工作可靠 性差、成本较高、适应性较弱、出现故障率高等缺点【。因此，应用先进的检测、 控制技术武装这一广泛应用的工具，具有重要的实用价值。随着半导体制造技术的 发展，微机励磁调节器配上开关式半导体执行元件，用于同步发电机励磁系统是一 种较为理想的方案1 1 2 】。 以微型计算机为核心的励磁装置除了具有通常所谓的硬件外，许多功能的实现 均通过软件完成。要增加新的功能，只要增加相应的子程序，而硬件部分不做任何 修改。这样可以大大节省元器件，而功能也可按需求来取舍，因而灵活性大，通用 性强” 【1 5 】。此外某些在模拟式励磁调节器中难以实现或无法实现的功能，比如按发 电机运行情况自动改变调节器的某些参数，在微机励磁调节器中就很容易实现。微 机励磁也为采用新的现代控制理论，如最优控制、白适应控制、基于现代控制理论 的非线性最优励磁控制及非线性预测控制等各式各样的励磁控制提供了极大的可 能性】1 2 0 l 2 7 1 【3 4 】。 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 1 2 同步发电机励磁控制系统的原理及特点 同步发电机励磁控制系统的构成如图1 1 所示。励磁系统主要包括自动励磁调 节器和励磁功率单元两部分。把发电机的电压、电流反馈与励磁系统连接起来，便 称为励磁控制系统【3 】。图中的附加信号包括电力系统稳定器以及人机接口米的各种 限制信号。自动励磁调节器是根据发电机电压和电流的变化以及其它输入信号，按 事先确定的调节准则控制励磁功率单元输出励磁电流的自动装置。励磁控制系统还 包括灭磁、自动保护和监控装置等。 图1 1 同步发电机励磁控制系统框图 f i g 1 1b l o c k d i a g r a m o f s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m 当同步发电机单机运行时，改变发电机的励磁电流会使发电机的机端电压发生 变化。由于单机容量相对电力系统中发电机总容量来说是有限的，因此发电机接入 无穷大电力系统时，调节发电机励磁电流不再会引起发电机电压的变化。这时f 在 保持有功功率不变的条件下) 对励磁电流的调节实际上就是对发电机输出无功功 率的调节。这样可以实现同步发电机的恒功率因数控制 1 8 】。此外，通过自动调节励 磁，可以将系统需要的总无功功率合理的分配给各台发电机，并根据运行需要自动 调节其分配比例。 励磁控制系统无论采取哪种励磁方式，都应考虑系统在正常和事故情况下调节 的需要。必须具有如下所述的作用，以满足电力系统的要求嘲【3 5 】： ( 1 ) 同步发电机单机带负荷运行时，励磁控制系统起到调节发电机机端电压的 作用，调节励磁电流可以改变发电机机端电压。 ( 2 ) 维持电力系统的电压水平。 发电机并入电力系统运行时，电力系统的电压水平由系统中无功电源发出的无 功功率总和与系统中负荷所消耗的无功功率总和之问的平衡关系决定。当电力系统 由于种种原因出现短时低电压时，发电机励磁自动控制系统可发挥调节功能，大幅 度的增加励磁电流以提高系统电压。同步发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大 2 重庆人学硕士学位论文 】- 锗论 量无功功率，从而造成系统电压大幅度下降，严重时甚至危及系统安全运行。在此 情况下，如果系统中其它发电机组能够提供足够的无功功率，以维持电压水平，则 失磁的发电机还可以在一定时间内以异步运行方式维持运行，这不但可以确保系统 安全运行而且有利于机组热力设备的运行。 ( 3 ) 提高电力系统稳定运行的能力。 当电力系统受到小的干扰或大的干扰，导致电机转速离开同步出现任何小的或 大的变速状态，这时系统的静态稳定性或动态稳定性亦或暂态稳定性将受到不利影 响。励磁控制的作用要能使这种影响得到抑制或消除，保持其同步稳定性【1 。 ( 4 ) 提高同步发电机功率极限和电力系统传输功率的能力。 要使系统稳定运行，同步发电机的功率角一定要小于9 0 度。通常发电机总是 工作在某小于9 0 度的工作点。当负载突然增大时，励磁装置自动增加励磁电流， 发电机的空载电动势增大，在同样的功角下发电机可以输出更多的功率。励磁电流 的增大，提高了系统传输功率的能力，同时也使发电机能抗拒更大的干扰，提高了 发电机传输功率的能力【4 2 】。 ( 5 ) 改善电力系统及同步发电机的运行状态。 1 ) 提高继电保护装置的可靠性。 当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大。若系统此时发生短路 故障，短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限继电保护不能正确动作。励磁控 制系统可以通过调节发电机励磁电流柬增大短路电流，使继电保护正确动作。 2 ) 平衡并网运行时各台电机之间的无功功率，使之合理的分担系统所需的无 功。 ( 6 ) 应具有足够大的强励倍数和电压上升速度1 2 9 1 。强励倍数与励磁电压上升速 度是衡量励磁系统动态特性的两个重要指标。 1 3 同步发电机励磁控制的研究与发展现状 同步发电机励磁方式包括静止式和交流励磁机方式。其中静止式又分为半控晶 闸管励磁方式和全控晶闸管励磁方式；交流励磁机方式又分为分励交流励磁机方 式、他励交流励磁机方式、无刷励磁方式和无副励机的无刷励磁方式i ”】。 所谓静止励磁系统是指由接于发电机端的励磁变压器作为励磁功率电源的晶 闸管励磁系统口 。静止励磁系统直接对主机转子励磁，在性能上的显著特点是具有 高起始励磁电压响应速度，易于实现高起始响应比性能。该系统中取消了励磁机， 具有结构简单、造价低及减小轴系统振动等优点，在可靠性方面明显优于交流励磁 机励磁系统 4 4 】。因此，目前静止式励磁系统应用较为广泛。 静止励磁系统可以采用自并励励磁方式和自复励励磁方式。自并励励磁系统由 重庆大学硕士学位论文1 绪论 电压源( 励磁变压器) 供电：自复励励磁系统由电压源( 励磁变压器) 及电流源( 串 联变压器) 按相补偿方式供电。 白并励励磁方式的特点是：发电机的励磁电源由发电机端取得能量，因而励磁 系统的输出电压与机组转速的一次方成正比，而同轴励磁机系统输出的励磁机电压 则与机组转速的平方成正比，因而当机组甩负荷时，前者的过电压比后者低。自并 励励磁系统的主要缺点是在近发电机端三相短路并且切除故障的时间较长时，缺乏 足够的强励能力，因而它对继电保护装置的动作时间有一定的要求【4 ”。此外，在发 电机机端残压较低时，需要附加的起励电源。 白复励励磁方式的特点是：当电力系统短路时，自励部分会因发电机机端电压 下降而降低励磁能力，复励部分会因发电机定子电流增加而增加励磁能力，两者相 辅相成，弥补了自并励方式只有发电机电压供给发电机励磁电流的不足，它可以保 证在机端三相短路时有足够的强励能力。采用串联变压器会带来很多应用上的问 题，如布置串联变压器需要较大的空间，串联变压器中较大的串联电抗恶化了品闸 管的换相工作条件。 而对于自并励励磁系统研究的问题集中到一点，即在发电机发生近端短路时， 简单自并励系统是否能维持足够的强励能力【”。在采用封闭母线的情况下，发电机 端三相短路的可能性已基本消除，对其他不对称短路自并励励磁系统均有良好的特 性。自复励励磁方式出现在自并励方式之| j f 。随着自并励方式在实际生产中成功的 应用，自复励方式已较少采用。自并励励磁方式尤其适用于发电机一变压器单元接 线的发电机。 自并励励磁系统中的大功率整流装置均采用三相桥式接线。三相桥式电路可采 用半控桥或全控桥方式。这两者增强励磁的能力相同，但在减磁时，半控桥只能将 励磁电压控制到零，而全控桥在逆变运行时可产生负的励磁电压，励磁电流能急速 下降到零，实现灭磁功能。 相控式整流电路存在下列问题： ( 1 ) 用一组功率整流桥的传统接线自并励励磁系统，当要求励磁系统提供较高 的顶值励磁电压倍数时，为了兼顾发电机空载、额定及强励状态的要求，在长期额 定运行的情况下，为满足强励能力的储备，晶闸管整流器必须处于深控状态，这将 导致整流电压的波形发生严重的波形畸变，对于励磁系统的安全可靠运行是十分不 利的。 ( 2 ) 励磁控制系统的快速性是指在外扰作用下系统调节过程的长短，相控系统 由于存在失控时间，加上晶闸管的开关速度低，因而系统的截止频率不高，导致调 节时间长，动态响应慢，因而快速性差3 1 。 ( 3 ) 励磁变压器的漏抗会产生换相重叠角，在换相期间使相问短路，致使相电 4 重庆大学硕十学位论文1 绪论 压波形出现很深的缺口，造成电网波形畸变【4 j 。 ( 4 ) 励磁变压器的串联电抗恶化了晶闸管的换相工作条件，并在晶闸管元件导 通与关断瞬间引起危及到转子励磁绕组安全运行的过电压。 因此，在自并励励磁系统中采用性能更好的励磁功率单元来取代三相全控整流 装置显得尤为重要。 在国内外，同步发电机的半导体励磁调节器的构成已从模拟电路发展到数字电 路，后者主要以微型计算机为核心。另外，还有旧式的单通道模拟一数字混合电路 形式的半导体励磁调节器。微机励磁调节器的控制方式从5 0 年代到现在，大约经 历了三个发展阶段：第一阶段是古典励磁控制方式( 又称为比例式调节方式) ；第 二阶段为p i d + p s s ( 电力系统稳定器) 控制方式；第三阶段是以基于系统稳定思 想的现代控制理论设计的励磁控制方式 6 。”。 到目前为止，国内外中小型同步发电机组多采用以单片机为核心的励磁调节 器，单片机内部资源较少、运算速度慢，不能实现励磁电流的实时控制。由于采用 三相全控整流电路，单片机的主要功能是实现数字触发器来控制整流电路中晶闸管 的导通与关断【l “，并不能在本质上克服相控整流电路作为励磁控制系统主电路本身 的缺点。 1 4 本论文的主要工作和意义 本论文针对同步发电机励磁控制系统的特点，分析励磁控制方法，在仿真分析 的基础上采用自并励励磁方式提出斩控式励磁主电路，选用t i 公司的数字信号处 理器芯片完成数字励磁调节器的设计。然后通过稳态运行实验和机端电压、发电机 无功调节实验，分析数字励磁调节器的性能。具体包括以下几方面的内容： ( 1 ) 对同步发电机的工作原理及运行特性做深入了解，研究同步发电机励磁系 统的控制原理和控制策略； ( 2 ) 针对系统的特点进行方案论证和总体方案设计确定各种运行状态量的测 量、计算和控制方法； ( 3 ) 进行系统的励磁功率单元设计和基于数字信号处理器的数字式励磁调节器 的硬件设计、调试。编写控制软件，并进行测试，实现恒机端电压和恒功率因数相 互切换的励磁电流控制方法； ( 4 ) 现场实验测量系统的运行数据，记录系统调节时重要参数的稳态和暂态波 形； ( 5 ) 分析实验结果得出控制系统的控制性能对其中某些控制模块提 h 改进意 见。 本论文把数字式励磁调节器用于同步发电机励磁控制系统中，具有灵活性大、 重庆大学硕士学位论文1 绪论 通用性强、结构简单的特点，可以大量节约硬件成本，同时具有较为满意的工作特 性。其原因在于数字信号处理器依靠软件的灵活性，既有较强的处理复杂函数的能 力，还有较好的信息存储及逻辑分析判断的能力，尤其是它的自诊断能力，更是模 拟电路难以实现的。数字信号处理器在励磁系统中的应用是目前同步发电机自动励 磁调节器的发展方向。对该课题进行研究可以推动自动励磁调节器的发展，具有重 大的现实和长远意义。 重庆大学硕士学位论文2 励磁控制系统方案分析 2 励磁控制系统方案分析 同步发电机励磁控制系统包括励磁主电路和控制电路两个部分。主电路即为励 磁功率单元，它的结构随着电力电子器件的发展而发展。特别是大功率i p m 模块的 广泛应用使得励磁功率单元的性价比大幅度增加。由于计算机控制技术突飞猛进地 发展，励磁控制系统已经由传统的模拟技术转向计算机控制的数字技术。微型计算 机作为控制系统的核心部件不仅可以按照各种控制思想及数学模型进行在线地快速 计算和控制，而且还有监视显示、故障自诊断等功能 1 7 1 。因此，数字励磁控制技术 不仅使励磁系统获得高精度、高可靠性，还为新的现代控制理论与方法在励磁系统 中的应用提供了极大的可能性。所以微型计算机在励磁系统中的应用由通用型走向 专用控制器的专业化道路已势在必行阻 【2 ”。 本章将分别对系统主电路和控制电路的几种可能实现方案进行充分对比论证。 提出系统所采纳的方案并说明选用该方案的原因。 2 1 系统主电路的分析比较 本论文的励磁控制系统针对中小型同步发电机，为了简化控制电路、提高整个 励磁系统的可靠性，考虑到相控整流电路作为励磁控制系统主电路的缺点，我们在 借鉴传统的自并励励磁系统主电路的基础上提出了自并励励磁系统的斩控式励磁 控制主电路，如图2 1 所示。直流变换电路采用斩控方式，能够克服相控方式的缺 点。 f 懈 图2 1 系统主电路 f i g 2 1m a i n c i r c u i t so f s y s t e m 7 重庆大学硕十学位论文2 励磁控制系统方案分析 自并励励磁系统中的大功率整流装鼍采用三相桥式全波整流电路，这种电路的 优点是： ( 】) 整流= 极管承受的电压低，变压器的容量利用率高 5 】。 ( 2 ) 在励磁变压器缺相的情况下，励磁主电路仍然可以正常工作。 ( 3 ) 三相桥式全波整流电路输出端的滤波电容可以使得直流斩控电路输入端电 压电流为较平滑的直流，谐波含量较小。 ( 4 ) 改变以i g b t 为核心的大功率i p m 模块的占空比，即可改变同步发电机的 励磁电压，进而实现励磁电流的控制。i p m 模块的开关频率较高，可以使得励磁控 制系统具有较快的动态响应。 ( 5 ) 斩控方式下励磁系统的主电路比相控方式主电路简单，其控制电路相对于 半控桥和全控桥电路也就简单、可靠的多。 不论是三相全控整流电路还是三相桥式全波整流电路加直流斩波电路，都会使 励磁电压、电流中含有谐波成分。下面我们先找出两种电路输出电压谐波最大的情 况。 三相桥式整流电路交流侧输入电压的线电压为嘞，电流连续时无论控制角为 何值，负载电压妇的傅氏级数表达式均为刚4 3 】： u d = + s i n n “+ 玩c o s n “= u d + z c n c 。n c o t 一乱)( 2 1 ) 而= 5 c 。s 晓= k 。2 托2 r 以呵1 鲁 由于u d 的基频是6 0 ) ，可以由下面的积分形式确定和b 。，即 驴詈臣。；一棚向) = 导臣8 、2 u 2 l s i nc o ts i n n c o t d ( t a t ) n = 6 、1 2 、1 8 驴i 6 垃 1 2 - + t z “删删岫r ) = 昙最。x - 2 u 2 l s i n o o tc o s n o o t d ( t o t ) n = 6 、】2 、1 8 、 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 根据上述关系，做出以n 为参变量，栉次谐波幅值的标么值善对“的关系 4 2 u 2 l 曲线，如图2 2 所示。可以看出，当a - = 9 0 0 时，谐波幅值最大。 直流斩波电路的输入电压为u ，输出电压的波形为方波( 占空比为d ，周 期为，) 。将u 。的波形用富氏级数展开( 为方便将时间坐标右移d t 2 ) ，得到4 】： = ( 。+ 昙s i n d ，r c o s c o i n + 砉s i nz 桕c o s 2 0 j l f i + + 。s i n n n 。c 。s ”。r 。) 哪。叫。+ 芝去s 血n 加c o s 岛 ( 2 4 ) 重庆大学硕+ 学位论文2 励磁控制系统方案分析 令凡= 鲁= 。，4 = 兰茅= 昙s m 柏，一z = u u 0 2 m = 去s 血：廊，以= 百u o n _ m = 磊2 s i n 一加 可以看出输出电压u 。包含各次谐波，其幅值与占空比有关，图2 3 中画出了爿。、 一、一2 和彳3 与d 的关系曲线。可以看出d 为0 5 时，一次谐波幅值最大。 图2 2 三相全控桥电流连续，n 次谐波幅值标么 值与a 的关系曲线 f i g 2 2r e l a t i o no f 。王a n do w h e nc u r r e = 1 1 l 2 i sc o n f i n u o h s 0 20 40 60 81 o d 图2 3 也、4 n 也和一j 与刀的关系曲线 f i g 2 3r e l a t i o no f 4 na n dd ( h 卸，1 ，2 ，3 ) 励磁电流的傅氏级数可根据励磁电压的傅氏级数求得，同步发电机在其转子侧 可以等效为励磁绕组的电阻r f 和电感l f 以及反向电动势e 的串联。 三相全控桥电路中励磁电流于的疗次谐波电流的幅值为： ：鱼：鱼 “r f ：+ g 础，) 2 i ( 2 5 ) 三相全波整流电路加直流斩波电路中励磁电流扣的n 次谐波电流的幅值为： 2 s 1 - 1 1 ”i r d d 。= _ 盟_ 可 ( 2 6 ) b 2 + b m t l ，) 2 f 由式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可以得出励磁电压谐波幅值最大时，相应的励磁电流谐 波幅值也最大。三相全控整流电路的控制角为9 0 度时，励磁电压谐波幅值最大， 但此时励磁电压的平均值为0 ，对于发电机来说不能工作在此状态下：斩波电路占 空比为0 5 时，励磁电流一次谐波幅值最大。励磁绕组本身就是一个电感，它对励 9 重庆大学硕十学位论文 2 励磁控制系统方案分析 磁电流中的谐波分量有一定的抑制作用。直流斩波电路的开关频率较高，励磁电流 中含有频率较高的谐波分量，而三相全控整流电路中励磁电流的谐波分量频率较 低。这些谐波分量会给同步发电机定子端电压带来什么影响以及两种电路性能的比 较还需进一步仿真分析。 2 2 系统辅助电路的分析 对于励磁变压器接在发电机机端这种自并励励磁系统，当机组起动后转速接近 额定值时，机端电压为残压，其值一般比较低( 约为额定电压的1 2 ) 。此时 既使1 g b t 全导通，由于励磁电压太低不能输出足够的励磁电流使发电机建立电压。 因此，必须采取措施，首先供给发电机初始励磁，使发电机逐步达到稳定运行的电 压，这一过程称为起励【2 j 。 当励磁变压器接在同步发电机机端时，起励措施有两种方式：一种是他励起励， 即另设起励电源及起励回路，供给初始励磁；另一种是残压起励，利用机组剩磁所 产生的残压，供给初始励磁。本论文采取蓄电池他励起励方式，由系统控制电路根 据采样得到的发电机机端电压选择正确的时间自动切断起励回路，使斩控励磁主电 路投入运行。 发电机内部或发电机端子与断路器之问的引线发生短路时，只能切除从系统来 的短路电流，而发电机还在运转，如还有励磁电流的话，定子将继续产生电动势， 短路电流继续流过短路点，这将使故障进一步扩大，以致严重损坏发电机。励磁控 制系统中灭磁电路的作用就是把转子励磁绕组中磁场储能尽快的减弱到尽可能小 的程度。将转子励磁绕组自动接入到灭磁电阻或其他吸能装置上的同时，断开励磁 电源，把磁场中储存的能量迅速消耗掉。如图2 1 所示，本论文选用灭磁电阻灭磁。 可以手动按按钮也可以由d s p 控制继电器来控制灭磁电路和励磁电源的投切。 因为系统主电路的负载是感性负载，i p m 模块的开关频率较高，为了使励磁电 流连续，图2 1 所示电路中的续流二极管必须采用快恢复续流二极管。在删模块 关断的瞬间，励磁绕组上的电流不能跳变，在励磁绕组两端会产生一个很高的反向 电动势。为了保证i p m 模块安全工作，在电路中加入缓冲电路是十分必要的。在高 频电路中，普通电容的等效串联电阻( e s r ) 和等效串联电感( e s l ) 较大，使得 电容两端的电压脉动较大，包含比开关频率高的多的高次谐波。为了尽可能减低 e s r 和e s l 的不良影响，我们在主电路直流侧并联了高频无感电容。它可以使i p m 模块关断时电压缓升，也称为缓压电容。并且在安装工艺上尽量缩短滤波电容和无 感电容的引线，减少分部电感。同时对于滤波用电解电容，我们采用多个小容量的 电容器并联，以减小e s r 。 重庆大学硕士学位论文2 励磁控制系统方集分析 2 3 系统控制电路的选择 控制电路贯彻系统的控制策略并且实现系统预定的性能指标。因此，控制电路 的设计是论文工作的主要组成部分。伴随着微型计算机技术以及大规模集成电路制 造技术的发展，控制电路大大简化。 低价格高性能的数字信号处理器( d i 舀t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) 集成了高性能 的d s p 内核和丰富的片上外设为数字电机控制提供了种理想的解决方案。改进的 哈佛结构、硬件乘法器、流水线技术、专用于信号处理的寻址方式构成了d s p 高速 的运算能力，可以实现实时处理算法而不是通过查表方法获得近似结果。高精度a d 采样、专用于电机控制的强大事件管理器、灵活的通信接口、大量可配置i o 口、完 善的保护功能为嵌入式应用构建片上系统( s o c ) 提供了低成本、高可靠性的硬件 资源。t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f 8 x x 系列、m i c r o c h i p 公 司的d s p i c x x x x 系列、a d 公司的a d m c 3 x x 和a d m c 4 x x 系列都是专用于数字电 机控制的高性价比d s p t 2 ”。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t i 公司2 0 0 0 系列用于电机控制的d s p 芯片( 以下简称 l f 2 4 0 7 a ) 。具有以下几个方面的显著特点：采用高性能静态c m o s 技术，供电电 压为3 3 v ，减小了控制器的功耗；有两个事件管理器e v a 和e v b ，包含p w m 输 出电路和4 路e 交编码脉冲等电路。定时器为a d 的等间隔采样提供时间参考，捕 获单元可以实现信号频率的实时跟踪；1 6 个通道的1 0 位模数转换模块( 以下简称 a f d 模块) 可在5 0 0 n s 内完成一个通道的a d 转换，并且具有灵活的通道转换排序 功能；串行通信模块s c i 和c a n 控制器可实现l f 2 4 0 7 a 和p c 机之间的数据交换； 一个中断级可同时挂接几个外部中断源，这样d s p 能够处理的外设硬件中断近5 0 个，具有很强的事务处理能力；l f 2 4 0 7 a 采用典型的哈佛总线结构，运算速度快， 数据处理能力强【8 1 。 由于l f 2 4 0 7 a 有运算速度快、数据处理能力强和资源丰富等其它单片机无呵比 拟的特点，本系统采用了l f 2 4 0 7 a 作为自动励磁调节器的主控芯片。 2 4 励磁控制系统的控制策略 同步发电机励磁控制系统包括励磁功率单元、电气量变送器、基于d s p 的数 字式励磁调节器、发电机起励电路及灭磁电路等几个部分，励磁控制系统的原理框 图如图2 4 所示。 本论文的励磁控制系统要实现的主要功能是在同步发电机单机运行时，实现发 电机的恒机端电压控制；在同步发电机并网运行时，实现发电机的恒功率因数控制。 这些功能都是通过调节励磁电流实现的。从系统框图可以看出励磁电流的调节是通 过励磁电压的调节实现的，即调节i p m 模块的核心器件i g b t 的占空比。 重庆大学硕十学位论文2 励磁控制系统方案分析 发电机的三相定子电压、电流分别经电压互感器和电压变送器、电流瓦感器和 电流变送器接入励磁控制系统的a d 采样信号调理电路。通过l f 2 4 0 7 a 的捕捉模 块捕捉发电机定了电压的频率信号，得到发电机的机端电压频率。l f 2 4 0 7 a 的a d 模块根据机端电压频率对经过调理之后的定子电压、电流信号进行等间隔采样，通 过交流采样算法我们可以得到定子电压、电流基波分量的实部和虚部。由此可以算 出定子电压、电流基波分量的有效值，发电机的功率因数、有功功率和无功功率。 同时l f 2 4 0 7 a 的a d 模块还对经过调理的励磁电压、电流信号采样，通过数值滤 波可以得到励磁电压、电流的平均值。 图2 4 励磁控制系统原理框图 f i g 2 4b l o c kd i a g r a mo f e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m 发电机单机运行时，把三相定子电压基波分量有效值的平均值作为反馈量与键 盘设置的给定量比较，通过数字p i d 运算控制l f 2 4 0 7 a p w m 输出的占空比米控制 励磁电压，进而控制励磁电流的大小来实现发电机恒机端电压控制。发电机并网运 行时，其机端电压可以认为是恒定不变的。在原动机转速恒定和有功功率不变的情 况下，调节励磁电流大小即是对发电机无功功率的调节。进而通过调节无功功率来 实现功率因数的调节。与单机运行时的控制方法类似，只是把通过计算得到的发电 机功率因数作为反馈量，给定量也是通过键盘设置得到，再通过数字p i d 运算控制 l f 2 4 0 7 a p w m 输出的占空比，实现励磁电流的调节，进而实现恒功率因数的控制。 除了实现以上这些主要功能外，励磁控制系统可以根据采样和计算得到的一螳 电参量及相应的算法程序对整个励磁系统进行故障检测并实现报警，如过励、欠励、 雨庆大学硕士学何论文2 励磁控制系统方案分析 失磁和发电机机端过电压检测等。励磁控制系统还可以通过开关量输出控制火磁电 路的投切，以保证发电机机端短路时不会损坏发电机。在发电机残压较小的情况下， 励磁控制系统可以通过开关量输出控制起励电路的投切，以保证发电机的起动运 行。 2 5 励磁控制系统的故障检测和保护策略 为了提高电力系统的稳定性及发电机励磁系统本身的稳定性，必须在励磁控制 系统中附加一些提高稳定性的措施。为了避免励磁电流产生不必要的超调以及在系 统电压和频率降低时励磁电流超过额定值而引起的励磁绕组过热等，必须对励磁加 以限制【”。本论文设计的励磁控制系统中的故障检测是通过软件判断采样计算得到 的电参数实现的，相应的保护也是通过软件控制d s p 的开关量输出，使相应的继 电器动作来实现的。 ( 1 ) 过励限制 过励限制是防止发电机励磁绕组长期过负荷而损坏所采取的措施。一般有定时 限和反时限两种方案。定时限是经过一段时间( 如o 0 2 s ) 后，就将励磁电流限制 到允许值；反时限是随过电流的增大，时限减小。此外，瞬时过电流限制和宅载过 电流限制的原理和过励限制是致的 3 2 。 ( 2 ) 欠励限制 同步发电机进相运行时，从系统中吸收无功功率，励磁电流处于欠励状态。而 其输出的有功功率和吸收的无功功率必须为一定值，否则发电机的静态稳定可能受 到破坏。因此，必须对发电机的最小励磁电流进行限制。 ( 3 ) 失磁 同步发电机突然失去励磁是电力系统比较常见的故障。失磁的主要原冈有：励 磁绕组短路；励磁回路因断线而开路；灭磁开关误跳闸使励磁绕组经灭磁电阻闭路： 自动调节励磁装置故障等。 。同步发电机失磁后，转子的励磁电流逐渐衰减，发电机的感应电势随之减小， 使输出有功功率降低，但原动机供给的机械功率因调速器尚未动作保持不变。这时， 原动机输给转子的机械转矩大于定子输出有功所对应的制动转矩，在机轴上产生过 剩转矩，转子的转速开始上升，功角逐步拉大而造成发电机失步。失步后，转速将 继续上升。与此同时，原动机的调速系统开始工作，转速一直上升到异步转矩与机 械转矩相等时为止，发电机进入稳态异步运行。 在励磁电流下降的过程中，发电机很快转入失磁异步运行时的迸相运行。发 电机运行规程已明确规定，水轮发电机在失去励磁时，应立即从系统切断，不允 f l ：异步运行。 重庆大学硕士。学位论文2 励磁控制系统方案分析 ( 4 ) 电压频率限制 电力系统的电压升高或频率降低时，会引起发电机和变压器铁心饱和而过热。 当发生这种情况时，有必要对发电机的励磁加以限制。这种限制是按照电压与频率 的比值比额定情况增大而动作。 ( 5 ) 发电机机端短路 电力系统中的短路故障分为突然短路和稳定短路两个阶段。同步发电机突然短 路时，各绕组中会出现很大的冲击电流，将在电机内产生很大的电磁力和电磁转矩。 有可能损坏与发电机相连接的其他电气装置。尽管突然短路的瞬态过程很短，却可 能带来严重的后果。因此，励磁控制系统要在发电机短路瞬间，对发电机进行灭磁， 减小短路对发电机的损害。 ( 6 ) p t 断线 励磁控制系统中的p t 断线时，在同步发电机中性点接地的情况下，d s p 采样 得到的发电机三相定子电压是不平衡的，这时计算得到的发电机机端电压的负序分 量会明显增大，而这时发电机的运行是正常的，自动励磁调节器不应该按照机端电 压变化来调节励磁。所以必须做出正确的判断，发出p t 断线信号。因此，我们在 检测到发电机三相电流正常而机端电压负序分量增大的情况下，就认为是p t 断线。 ( 7 ) 同步发电机机端过压 同步发电机机端过压会使发电机定子绕组发热，损坏定予绕组的绝缘。按规定 同步发电机机端电压不能超过其额定值的1 1 倍。在同步发电机单机运行时，机端 电压受励磁电流的控制。在自动励磁调节发生故障，不能调节励磁电流时，机端电 压有可能过压；在发电机并网运行时，电网电压过高也会对发电机的定子造成损坏。 因此，励磁控制系统必须实时检测发电机端电压，及时发出故障报警信号。 2 6 本章小结 本章对励磁系统的励磁方式、系统主电路、辅助电路及控制电路进行比较、分 析，得出： ( 1 ) 选择自并励励磁方式作为系统的励磁方式，这样不仅可以具有较高的起 始响应比，而且可以简化系统结构、提高系统可靠性。 ( 2 ) 采取斩控式励磁主电路，使得励磁电压上升速度快、控制电路简单可靠。 ( 3 ) 选用t i 公司用于电机控制的数字信号处理器l f 2 4 0 7 a 作为系统控制电 路的主控芯片。 ( 4 ) 给出整个励磁控制系统的原理框图，介绍了控制、故障检测和保护策略。 蘼庆大学硕士学位论文3 同步发电机s a b e r 仿真模型的建立与土电堕塑堕壅 3同步发电机s a b e r 仿真模型的建立与主电路的仿真 3 1s a b e r 仿真软件介绍 对于从事电气工程领域的研究人员，p s p i c e 和m a t l a b 是两种较为常见的仿 真软件。p s p i c e 适用于电路仿真，它提供各种电路元器件的模型，能对电路的动 态工作过程进行细致的仿真分析。但很难用p s p i c e 直接建立电机模型，只能用等 效的电路模型来代替，另外它缺乏控制部分的分析手段，不能进行控制及机电系统 的混合仿真。m a t l a b 在控制领域应用广泛，用它进行电路仿真需自行分析电路 网络结构，再构造出相应的数学模型，这一工作比较繁琐。利用m a