（电气工程专业论文）同步发电机pwm整流器励磁系统的研究.pdf

查! ! 奎兰堡圭芏堡堡查 垒! ! ! 堡璺 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - t h er e s e a r c ho ft h e s y n c h r o n o u s g e n e r a t o rp w me x c i t a t i o nr e c t i f i e r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t sh a v eb e e nu s e di n c r e a s i n g l yc o n s q u e n t l y ， h a r m o n i cp o l l u t i o np r o b l e mh a sb e e nm o r es e r i o u s t oi m p r o v et h ep o w e r s u p p l y sq u a l i t yi s o n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a y st os p i t et h i sp r o b l e m g o o de x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m sn o to n l y p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mb u ta l s oc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fg e n e r a t o r sa n dp o w e rs y s t e m i ti sa l li m p o r t a n tw a yt oa m e l i o r a t et h ep e r f o r m a n c eo f s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rt h a ti m p r o v i n go nt h ee x c i t a t i o ns y s t e mo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r s t h et r a d i t i o n a la c d cf u l l b r i d g ec o n v e r t e ru s i n gm o s f e t si sp h a s ec o n t r o lr e c t i f i e r i t h a sal o wp o w e rf a c t o ra n dp r o d u c tm u c hh a r m o n i c h a r m o n i cc u l t e n t ，b e s i d e sw o r s e nt h e q u a l i t yo fp o w e rs u p p l yi t a l s oi nc r e s st h ea d d i t i o n a lw a s t a g ea n da d d i t i o n a lt e m p e r a t u r e c h a n g e t e c h n o l o g i c a la d v a n c e si np o w e re l e c t r o n i cd e v i c e si nr e c e n ty e a r sh a v em o t i v a t e dr i c h s t u d yo nt h ep w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) a c d cc o n v e r t e r s a sc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a l p h a s ec o n t r o l l e dr e c t i f i e r s ，p w mc o n v e r t e rh a st h ea t t r a c t i v ef e a t u r e ss u c ha sc o n t r o l l a b l e p o w e rf a c t o r ，n e a r l ys i n u s o i d a li n p u tc u r r e n t ，s i m p l i c i t yi nc o n t r o lc i r c u i ta n db i d i r e c t i o n a l p o w e rf l o wa b i u t y t os i m u l t a n e o u s l ya c h i e v et h e s ep e r f o r m a n c e s ，o n em u s tp a ya t t e n t i o no n t h ed e s i g no fc o n t r o l l e r i nt h i sp a p e r , t h ee x c i t a t i o ns y s t e m su s et h ep w m h i g hp o w e rf a c t o r r e c t i f i e ri n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lr e c t i f i e r ，t h et o p o l o g i c a lg r a p ha n dc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do n t h i sd e s i g ni sa l s oe x p a t i a t e d d e t a i l e da n a l y s i so ft h em a t h e m a t i c sm o d e li nd i f f e r e n t c o o r d i n a t e si sa l s op r e s e n t e d o p e r a t i n gp r i n c i p l e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h eh i 【g h p o w e rf a c t o ra n dl o wh a r m o n i cc o n v e r t e r ，a n da s ar e s u l tt h ee f f e c tf o rt h es y n c h r o n o u s g e n e r a t e k e yw o r d s ：s i m u l a t i o n ，h i i g h - p o w e r - f a c t o rr e c t i f i e r ，e x c i t a t i o ns y s t e m ，m a t l a b l l l 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：州硝， v 签字日期：州，z 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名 签字f 1 期签字日期 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在现代化的电力系统中，提高和维持同步发电机运行的稳定性，是保证电 力系统安全、经济运行的基本条件之一。自5 0 年代以来，随着时代的进步，不论 是在控制理论还是在电子器件的研制和实际应用方面，均取得长足的进展，这些 成果进一步促进了励磁控制技术的发展。目前，广泛应用于发电机励磁系统功率 输出部分的可控硅整流器不仅会产生谐波，而且功率因数低，不利于发电机安全、 经济的运行。随着电力电子技术的不断发展，设计出避免或减小这些缺点的励磁 系统己成为可能。 同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，励 磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流：励磁调节器根据输入 信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励 磁调节器、励磁功率单元和发电机所构成的一个反馈控制系统。 在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的 作用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而 且还可有效地提高系统的技术指标。根据运行方面的要求，励磁控制系统应该承 担如下的任务。 ( 一) 电压控制 电力系统在正常运行时，负荷总是经常波动的，同步发电机的功率也就相应 变化，随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点的 电压在给定的水平。励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务。 ( 二) 控制无功功率的分配 为了使分析简单起见，设同步发电机与无限大母线并联运行，即发电机端电 压不随负荷大小而变，是一个恒定值 由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁电流的大小无关。故无 论励磁电流如何变化，发电机的有功功率p 。均为常数，即 p c = u 。：1 6 c o s 巾= 常数 由此可见，与无限大母线并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改变发电 机无功功率的数值。 在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是无限大母线，即系统等值阻 抗并不等于零，母线的电压将随着负荷波动而改变。电厂输出无功电流与它的母 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 线电压水平有关，改变其中台发电机的励磁电流不但影响发电机电压和无功功 率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功率，其影响程度与系统情况有关。 因此，同步发电机的励磁自动控制系统还担负着并联运行机组间无功功率合理分 配的任务。 ( 三) 提高同步发电机并联运行的稳定性 保持同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供电的首要条件。电力系统在 运行中随时都可能遭受各种干扰，在各种扰动后，发电机组能够恢复到原来的运 行状态或者过渡到另一个新的运行状态，则称系统是稳定的。其主要标志是在暂 态过程结束后，同步发电机能维持或恢复同步运行。 为了便于研究，将电力系统的稳定分为静态稳定和暂态稳定两类。电力系统 静态稳定与自动控制中的稳定概念一样，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。可采用自动控制理论所介绍的方法，用 微分方程建立该动态系统的数学模型。 1 1 发电机励磁系统的发展 5 0 年代初期，自动电压调节器的主要功能是维持发电机电压为给定值。当时 应用的电压调节器多为机械性的，其后又发展为电子型或电磁型。之后，随着电 力系统的大型化和发电机单机容量的增长，出于提高电力系统稳定性的考虑，自 动电压调节器的功能已不再局限于维持发电机电压恒定这一要求上，而更多的体 现在提高发电机的静态及动态稳定性方面。这标志着对励磁调节器的功能要求已 有了根本的转变。 至今，励磁控制技术有了极大的发展。概括的说，励磁方式的演绎大致经历 了单变量输入及输出的比例控靠4 方式、线性多变量输入及输出的多变量反馈控制 方式以及伴随控制理论发展起来的非线性多变量控制方式等几种主要的演绎段。 同步发电机的励磁系统一般由两部分组成。一部分是用于向发电机的磁场绕 组提供直流电流以建立直流磁场，通常称为励磁功率输出部分( 或称功率单元) 。 另一部分用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流，以满足运行的需要。这一 部分包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等，一般称为励磁控制部 分( 或称控制单元，或统称为励磁调节器) 。励磁系统总体框图如图1 1 所示。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 i 恤c吲一* l 刊 hm $ & t 托 # l 船卜 。， | j li * 毒 i 控一幕t 图1 1同步发电机励磁系统控制框图 f i g1 1d i a g r a mo f s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o n c o n t f o h e r 1 2 励磁系统的作用 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对发电机的运行可靠性、经济性及 其它特性有直接的影响。它的主要作用有： ( 1 ) 正常运行时供给发电机励磁电流，并根据发电机负载的变化做相应调 整，以维持发电机端电压或电网中某一点电压在给定水平上。当发电机突然甩负 荷时，实行强行减磁以限制其端电压，使其不会过度升高。此外，当几台发电机 并联运行时通过励磁系统的作用可使无功功率在机组间得到稳定和合理的分配。 ( 2 ) 通过灵敏而又快速的励磁调节，提高电力系统运行的静态稳定和输电线 路的传输能力。当电力系统发生短路或因其他原因使系统电压严重下降时，对电 机实行强行励磁，以提高电力系统的动态稳定。如果发电机内部发生短路故障， 则对发电机实行自动灭磁，以降低故障的损坏程度。 为完成上述任务，特别是第( 2 ) 点，要求励磁系统应具有较高的励磁电压定 值和较快的励磁电压上升速度。 电子技术的发展，使得大功率硅整流器和大功率可控硅在制造技术、应用技 术及其可靠性方面都等到了不断的提高。在这种情况下以大功率硅整流装置可 控硅整流装曼及其相应的交流电源为励磁功率单元( 取消直流励磁机) ，以半导体 励磁调节器为励磁控制单元而组成的励磁系统，及可控硅励磁系统，便在适应电 力系统发展和单机容量增大需要的情况下发展起来。可控硅励磁系统具有调节速 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 度快、调节范围宽、强力定值高、制作容易、运行维护简便等优点。 然而，这种相控式整流电路交流输入功率因数低，并且在工作时会产生大量 的谐波分量，谐波电流将引起同步发电机定子特别是转子附加损耗和附加温升， 降低了发电机的额定出力，这对以整流负荷为主或以发电机电压直接供给整流负 荷的同步发电机尤为严重。 随着电力电子技术的发展和全控型器件的诞生，脉宽调$ 1 j p w m 整流器得以迅 速发展，解决了以往励磁电流谐波于扰及功率因数低的不足。 1 3 传统整流技术 传统励磁系统中，如图1 1 中所示的功率电源部分，一般采用不控整流，输 出大电容滤波。这种电路的优点是结构简单，不需要控制电路，并且具有很高的 可靠性。但它也存在很大的问题，即使为纯电阻负载，由于滤波电容的使用，输 入端电流为一个负值很大的脉冲电流，虽然其输入电流的基波分量相位与电网电 压相位大体相同，但其输入电流的谐波分量却很大，因而功率因数很低。研究表 明，赢流侧采用电容滤波的单相不控整流中，输入电流的高谐波成分、网侧电压 也因晶闸管的环流作用产生硫变。因此，相控整流方式对电网存在严重的谐波污 染。 1 4p w m 整流技术 1 4 1p w m 整流技术的发展 作为一种电力电子的变换技术，p w m 整流器有蔫与p w m 逆变器和其他电力电子 装置相似的发展历程。电力电子装置的发展离不开电力半导体器件、交流器主电 路拓扑和控制技术的发展。 从功率器件、电路拓扑、控制方法和控制手段来看，电力电子换流技术的发 展大致可划分为三个阶段： 第一阶段，以晶闸管为代表的整流器阶段。该阶段主要以功率二极管和晶闸 管为主，采用不控或相控整流技术将交流电转变为直流电提供给负载，在控制方 法上主要是经典控制理论，控制手段上主要是模拟电路控制。 第二阶段，采用以g t o ，g t r ，m o s f e t ， g b t 为代表的自关断器件的阶段，电 力电予变换变流技术在大功率交流传动、开关电源和u p s 等领域内得到了广泛应 用。 第三阶段，以i g c t , 1 3 功率集成电路为代表的电力电子变换阶段，以软开关、 东北大学硕士学位论文第一章绪论 度快、调节范围宽、强力定值高、制作容易、运行维护简便等优点。 然而，这种相控式整流电路交流输入功率因数低，并丑在工作时会产生大量 的谐波分量，谐波电流将引起同步发电机定子特别是转子附加损耗和附加温升， 降低了发电机的额定出力，这对以整流负荷为主或以发电机电压直接供给整流负 荷的同步发电机尤为严重。 随着电力电子技术的发展和全控型器件的诞生，脉宽调制p w m 整流器得以迅 速发展，解决了以往励磁电流谐波干扰及功率因数低的不足。 1 3 传统整流技术 传统励磁系统中，如图1 1 中所示的功率电源部分，一般采用不控整流，输 出大电容滤波。这种电路的优点是结构简单，不需要控制电路，并且具有很高的 可靠性。但它也存在很大的问题，即使为纯电阻负载，由于滤波电容的使用，输 入端电流为一个负值很大的脉冲电流。虽然其输入电流的基波分量相位与电网电 压相位大体相同，但其输入电流的谐波分量却很大，因而功率因数很低。研究表 明，直流侧采用电容滤波的单相不控整流中，输入电流的高谐波成分、网侧电压 也因晶闸管的环流作用产生畸变。因此，相控整流方式对电网存在严重的谐波污 染。 1 4 p w m 整流技术 1 4 1p w m 整流技术的发展 作为一种电力电子的变换技术，p 脯整流器有着与p 删逆变器和其他电力电子 装置相似的发展历程。电力电子装置的发展离不丌电力半导体器件、变流器主电 路拓扑和控制技术的发展。 从功率器件、电路拓扑、控制方法和控制手段来看，电力电子换流技术的发 展大致可划分为三个阶段： 第一阶段，以晶闸管为代表的整流器阶段。该阶段主要以功率二极管和晶闸 管为主，采用不控或相控整流技术将交流电转变为直流电提供给负载，在控制方 法上主要是经典控制理论，控制手段上主要是模拟电路控制。 第二新段，采用以g t o ，g t r ，m o s f e t ，i g b t 为代表的白关断器件的阶段，电 力电子变换变流技术在大功率交流传动、开关电源和u p s 等领域内得到了广泛应 用。 第三阶段，以i g c t 和功率集成电路为代表的电力电子变换阶段，h 软开关、 第三阶段，以i g c t 和功率集成电路为代表的电力电子变换阶段，以软丌关、 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 度快、调节范围宽、强力定值高、制作容易、运行维护简便等优点。 然而，这种相控式整流电路交流输入功率因数低，并且在工作时会产生大量 的谐波分量，谐波电流将引起同步发电机定子特别是转子附加损耗和附加温升， 降低了发电机的额定出力，这对以整流负荷为主或以发电机电压直接供给整流负 荷的同步发电机尤为严重。 随着电力电子技术的发展和全控型器件的诞生，脉宽调$ 1 j p w m 整流器得以迅 速发展，解决了以往励磁电流谐波于扰及功率因数低的不足。 1 3 传统整流技术 传统励磁系统中，如图1 1 中所示的功率电源部分，一般采用不控整流，输 出大电容滤波。这种电路的优点是结构简单，不需要控制电路，并且具有很高的 可靠性。但它也存在很大的问题，即使为纯电阻负载，由于滤波电容的使用，输 入端电流为一个负值很大的脉冲电流，虽然其输入电流的基波分量相位与电网电 压相位大体相同，但其输入电流的谐波分量却很大，因而功率因数很低。研究表 明，赢流侧采用电容滤波的单相不控整流中，输入电流的高谐波成分、网侧电压 也因晶闸管的环流作用产生硫变。因此，相控整流方式对电网存在严重的谐波污 染。 1 4p w m 整流技术 1 4 1p w m 整流技术的发展 作为一种电力电子的变换技术，p w m 整流器有蔫与p w m 逆变器和其他电力电子 装置相似的发展历程。电力电子装置的发展离不开电力半导体器件、交流器主电 路拓扑和控制技术的发展。 从功率器件、电路拓扑、控制方法和控制手段来看，电力电子换流技术的发 展大致可划分为三个阶段： 第一阶段，以晶闸管为代表的整流器阶段。该阶段主要以功率二极管和晶闸 管为主，采用不控或相控整流技术将交流电转变为直流电提供给负载，在控制方 法上主要是经典控制理论，控制手段上主要是模拟电路控制。 第二阶段，采用以g t o ，g t r ，m o s f e t ， g b t 为代表的自关断器件的阶段，电 力电予变换变流技术在大功率交流传动、开关电源和u p s 等领域内得到了广泛应 用。 第三阶段，以i g c t , 1 3 功率集成电路为代表的电力电子变换阶段，以软开关、 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 功率因数校正和谐波消除为特性的新的控制方法和处理速度更高的微处理器将 应用于电力电子领域。 整流器技术也基本符合这种发展。1 9 7 9 年，t k a t a o k a ，k m i z u m a c h i 和s m i y a i r i 率先将p 嘲技术应用到整流器中。在其方案中，主电路采用晶闸管，并带 有强迫换流电路，开关模式则采用s p w m 控制。1 9 8 1 年，a b e l l i n i 和g f r i g a l l i 提出了现代意义的p w m 整流器：采用可关断器件g t o ，实现了输入电流正弦，功率 因数接近于1 ，输入直流电压可控的变换器。 此后的二十年中，o o ib o o nt e c k ，j h o l t 等人，进一步发展t p w m 整流技 术，使p w m 整流器实现了可任意调节的功率因数，及功率因数角从0 0 到3 6 0 0 任意可 调。主电路拓扑结构从最初的b u c k 型结构，发展到b o o s t 型、b u c k b o o s t 型等各 种结构：在控制方法上，发展了滞环控制、p i 调节控制等，八十年代中期发展起 来的电压空间矢量控制也被引入到p w m 整流器中：在控制手段上，由最初的模拟控 制逐步发展到以单片机、数字信号处理器( d s p ) 等微处理器为核心的全数字控制。 八十年代后期i g b t 的出现和普遍应用又促使p w m 整流器朝着高频化方向发展。 现在，随着i g b t 的电压和电流等级的提高、i g c t 的出现，p w m 整流器技术一 方面向着高压大容量方向发展，另一方面，软开关技术和新型控制方法的应用不 断提高p w m 整流器的控制性能。 1 4 2 三相p w m 整流器的分类 1 ) 按整流器的电路拓扑来分 整流器的电路拓扑有单开关b o o s t 型，单开关b u c k 型、六开关b o o s t 型，六开 关b u c k 型；此外，还有单开关b u c k b o o s t 型、三相全开关b u c k b o o s t 型等。 zl l、 r ! h 一 j2 一 z l 图1 2 单开关b o o s t 整流电路 f i g1 , 2s i n g l es w i t c h b o o s lr e c t i f i c a t i o nc i r c u i t 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 与单相p f c 电路相似，三相单开关整流器也是在三相不控整流桥和滤波电容 之间加上一级功率变换电路。如果功率变换电路有b o o s t 垂c j 斩波器构成，则组成 了个单开关b o o s t 型整流器，如图1 2 所示：如果功率变换电路f l j b u c k 型斩波器构 成，则组成了一个单开关b u c k 型整流器，如图1 3 所示。 ，一 - ， r 2lzl l l !： 。_ l 一 - j 2f2 2 j 图1 3 单开关b u c k 整流电路 f i g1 3s i n g l es w i t c hb u c k r e c t i f i c a t i o n c i r c u i t 如果分别用六个功率开关管代替髂流桥的六个二极管，则构成了六开关 b o o s t 型整流桥：而六开关b u c k 型整流器如图1 4 所示。 旨告 b辽 _ r i 一 耳 。 i ：_ 、 ! ! - l - l 里 。tw r j j f ： 图1 4 六开关b u c k 整流电路 f i g1 , 4 s i xs w i t c h e sb u c kr e c t i f i c a t i o nc i r c u i t 单开关的三相功率因数校工f 器的优点是：开关器件少，结构简单，成本低， 缺点是输入电流波形较差，能量不能双向流动，在需要抑制谐波的场合如某些类 型开关电源中应用较多。与此相对应，六开关整流器能够时间能量的双向流动， 并且其输入电流波形基本为正弦，功率因数高达0 9 9 以上，但是它是以开关器件 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 多，成本提高为代价的。 2 ) 按直流例的储能元件来分 变流器可分为两大类：电压型变流器和电流型变流器，其输出的电源特性分 别为电压源和电流源。 图l 5电压型p w m 整流电路 f i g1 5 p w m v o l t a g et y p e r e c t i f i e r 研究表明：电压型交流器的一个桥臂的开关信号是二逻辑的，即桥臂的上下 开关信号互补：而电流型变流器的一个桥臂的开关信号是三逻辑的，即桥臂的上 下开关信号是三逻辑的，及桥臂的上下开关信号不互补，存在桥臂的上下开关均 关闭的状态。 3 ) 按电流控制的方式分 根据是否检测整流器的输入电流作为反馈和被控制量，三相p w m 楚流器的控 制可分为间接电流控制和直接电流控制两种方式。直接电流控制的p w m 整流器的 控制策略又包括：p i 调节控制、滞环控制，电流无差拍控制和模糊逻辑控制等。 本文中的励磁系统功率电源部分将采用电压电流双闭环控制。其内环是电流环， 外环是电压环，且电流环比电压环响应速度快得多。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 6电流型p w m 整流电路 f i g1 6 p v c v lc u r r e n tt y p er e c t i f i e r p w m 整流技术是中等容量的单位功率因数变流器采用的主要技术，一般需要 使用自关断期间。三相p w m 整流电路是把在p 删逆变电路中使用的p 脒技术移植到 整流电路中形成的。其基本原理是，检测交流侧的电压波形和电流波形，通过控 制功率开关管的通断状态，使输入电流接近正弦波，并且电流和电压同相位，从 而消除大部分电流谐波并使功率因数接近l 。目前，p w m 控制技术已在交流调速用 变频器和不间断电源中获得了广泛的应用。随着用电设备谐波标准日益严格，采 用这种高功率因数、低谐波的高频开关模式p w m 整流器s m r( s w i t c h e dm o d e r e c t i f i e r ) ，代替传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流装置已是大势所趋。 和传统整流器相比，p 删s m r 可以控制交流电源电流为畸变很小的正弦化电流， 且功率因数为l 。此外，s m r 和传统相控整流器相比较，体积重量可以大大地减少， 动态响应速度显著提高。 1 5 课题的主要内容与研究方法 本课题将p w m 高功率因数整流器应用于发电机励磁系统，代替原有的可控硅 励磁系统，分析得出了p 删整流器在不同坐标系下的数学模型，并研究了控制系 统调节器参数对励磁系统的影响。采用双闭环控制策略使同步发电机机端电压得 到较好的控制，避免了励磁系统的谐波输出、提高了功率因数，使系统更有效地 运行。文末给出了用m a t l a b 仿真了所设计系统的运行结果，验证了设计思想的 准确性。 东北大学硕士学位论文 第二章传统可控硅整流的励磁系统 第二章传统可控硅整流的励磁系统 可控硅整流器是近年来广泛应用于励磁系统的功率电源，本文所研究的p 1 n m 整流的励磁系统，也是在借鉴了可控硅整流的励磁系统的基础上分析的。因而对 它的分析研究是十分必要的。 励磁调节系统是同步发电机的重要组成部分，其主要任务是向同步发电机的 励磁绕组提供一个可调的直流电流( 电压) ，控制机端电压恒定，满足发电机正常 发电需要，同时控制发电机组间无功功率的合理分配，提高同步发电机并列运行 的稳定性，以满足电力系统安全运行的需要。 2 1 可控硅励磁系统的分类 可控硅励磁系统采用硅整流器或可控硅整流器，将交流励磁电源转变为直流 电源而进行励磁，取消了传统的直流励磁机，这种励磁系统的种类很多，按励磁 能源取得方式的不同，可分为两大类：一类的励磁能源取自发电机轴端，另一类 的励磁能源取自发电机机端。前者为采用交流励磁机方式，后者则为无励磁机的 励磁方式。 2 1 1 交流励磁机励磁方式 这类可控硅励磁系统采用与发电机同轴的交流发电枫作为交流励磁电源，晶 硅整流器或可控硅整流器整流后对发电机进行励磁。同轴交流发电机称为交流励 磁机，或称为同轴辅助发电机。由于这类系统的交流励磁电源是主机外的独立电 源，且采用整流器将交流电源转变为直流电源，故称为他励整流器励磁系统( 包 括他励硅整流器励磁系统和他励可控硅整流器励磁系统) ，简称他励系统。 2 1 2 无励磁机励磁方式 这类励磁系统的交流励磁电源，通过励磁变压器取自发电机出口或厂用电母 线。由于励磁电源取自发电机自身或其所在的电力系统，故称为自励整流器励磁 系统，简称为自励系统。在这个系统中，由于励磁变压器、整流器都是静止元件， 不像他励系统中交流励磁机是旋转机械，故又称为全静态励磁系统，或称为自励 静止励磁系统。 9 东北大学硕士学位论文 第二章传统可控硅整流的励磁系统 2 2 可控硅励磁系统的基本组成 同步发电机的可控硅励磁系统，由两大部分组成：一部分用于向发电的磁场 绕组提供直流电流，以建立直流磁场，成为励磁功率输出部分( 亦称功率单元) 。 另一部分用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流，以满足运行时的需要。这 一部分包括励磁调节器、强行励磁和自动灭磁等，称为励磁控制部分( 或称控制 单元，也可统称为励磁调节器) 。 励磁主回路又可分为三部分： ( 1 ) 励磁功率源。励磁功率由同步发电机本身供给，称为自励。由交流励磁机本 身供给者，称为他励。 ( 2 ) 整流电路。整流电路的作用是将励磁功率源的交流电流变换成直流电源，供 给励磁绕组。 ( 3 ) 励磁绕组。同步发电机的励磁绕组与传统励磁方式的励磁绕组无异。 可控硅励磁控制回路，又嬲自动励磁调节器，它是可控硅励磁装置及其重 要的组成部分。可控硅励磁装置能否稳定持久、安全可靠的运行，在很大 程度上取决于控制回路技术性能的优劣。与主回路相比，控制回路的线路 复杂、元件多，运行时发生故障的可能性较大，维护工作量也多。各种自 动励磁调节器尽管形式有别、结构不同，但基本原理是一样的。它们大致 由下列单元组成： ( 1 ) 测量比较单元： ( 2 ) 校正发大单元： ( 3 ) 移相脉冲单元： ( 4 ) 无功调差单元； ( 5 ) 欠励磁限制单元： ( 6 ) 过电流限制单元： ( 7 ) 起励单元： ( 8 ) 过电流保护单元。 下图为自并励同步发电机励磁系统原理图。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章传统可控硅整流的励磁系统 图2 1 自并励同步发电机励磁系统图 f i 9 2 1d i a g r a mo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rs e l f - s h u n te x c i t a t i o nc o n t r o l l e r 2 3 系统性能指标要求 2 3 1 对发电机励磁控制系统的要求 按照我国的标准，有以下几点要求： ( 1 ) 保证励磁控制系统的运行稳定性。发电机稳态电压精度不低于0 5 - 1 0 ： 无功调差范围：汽轮机组为士1 嘣，永轮机组为士1 5 。 ( 2 ) 发电机对电压随频率的变化要小，当频率变化为1 时，电压变化小于士0 2 5 具有良好的动态品质：在1 0 阶跃信号输入时，发电机端电压的超调量不超过 5 0 ( 快速励磁系统不超过3 0 ) ：振荡次数不超过3 5 次：调节时间：汽轮发电 机组不大于1 0 s ，水轮机组不大于5 s 。用额定负载时超调量不大于1 5 - 2 0 。 ( 3 ) 发电机在各种运行方式下，灭磁开关应能可靠灭磁，并且不产生过高的电压。 由于发电机是被控制对象，给定后不能再换，必须依靠励磁电源和调节器来 满足整体要求，所以对他们也分别提出要求。 2 3 2 对励磁电源的要求 ( 1 ) 励磁电源要有足够的调节容量，以适应各种运行方式的要求。 ( 2 ) 励磁电源要提供足够的强励倍数和电压上升速度。强励倍数2 倍，强励允许 时间：空冷方式的机组为5 0 s ，水内冷等其他方式只能为l o s ( 水轮机组可为 2 0 s ) ：电压上升速度( 电压响应比) 不小于2 倍s 。 2 3 3 对励磁调节器的要求 ( 1 ) 具有较小的时间常数，励磁调节器总的等值时问常数不大于0 0 5 s 。 东北大学硕士学位论文第二章 传统可控硅整流的励磁系统 ( 2 ) 为保证闭环控制系统的稳定性和良好的动、静态性能指标，应采取适当的控 制规律和必要的校正措施，女i p i d 控制、转子电压负反馈等。快速励磁系统 应配置p s s 或多变量控制装置，以利于电力系统稳定性的要求。实现励磁控 制多功能的其他控制规律。 ( 3 ) 采取必要的限制措施以保证整体系统的可靠性，例如防止转子过电压的励磁 过电压限制：防止转子过载的转子过电流限制：防止失磁的最低励磁电流限 制等。 2 4 励磁调节器的调节运行方式 励磁调节器可以适应发电机或电力系统的不同运行需求，而实现多种调节运 行方式，包括恒机端电压运行方式、恒励磁电流运行方式、恒无功功率恒功率 因数运行方式、跟踪母线电压运行方式等等。这些运行方式基本上能够满足发电 机或电力系统的各种运行要求。 1 ) 恒机端电压运行方式该方式为发电机励磁系统闭环自动调节方式。在此种 运行方式下，数字励磁调节器的首要任务是维持发电机端电压恒定。一般是 将发电机端电压环作为反馈量，实现p i d 调节。为了提高电力系统稳定性，数字 式励磁调节器加入电力系统稳定器( p s s ) 附加控制等复杂的控制规律，具体可 以根据运行的需要灵活选择。图2 2 为此种调节方式的方框图，恒机端电压运 行方式是数字式励磁调节器的主要运行方式。 图2 2p i d + p s s 控制方式框图 f i g2 2 p i d + p s sc o n t r o l l e r 2 )恒励磁电流运行方式数字式励磁调节器以励磁电流i 为反馈信号，与给定 值比较，经调节运算后送出控制信号到移相触发单元。此种调节方法为手动 凋节方式，即对于励磁电压的小环是闭环调节运行，对于反映发电机电压的 大环是开环运行。这种调节方式在机组安装、检修测试时经常采用，这样通 过凋节励磁电流从而调节机端电压或发电机的无功，调节平稳、调节范围宽。 东北大学硕士学位 仑文第二章传统可控硅整流的励磁系统 另外，在开环空载运行时，对于自并励系统由于机端电压与励磁电流近似成 线性关系，所以调节效果类似于恒机端电压方式：并网后，调整励磁电流可 以改变机组输出无功功率，无需调差就可以实现并网后的无功调节。此种方 式的调节方框图见图2 3 。 图2 3 恒励磁电流方式控制方框图 f i g2 3 i d e n t i c a lr e c t i f i c a t i o nc i r c u i tc o n t r o l l e r 3 )恒无功功率恒功率因数运行方式这种方式通过检测反馈或计算得到的无 功功率或功率因数与给定值比较，经调节器运算，得出控制电压。一般方法 是通过附加在恒机端电压或恒励磁电流调节方式上，调节励磁电流去给定或 机端电压u 给定来实现。 4 )跟踪母线电压运行方式这种方式主要用于发电机空载起励升压时跟踪母 线电压，为机组的准同期并列创造电压条件。当发电机与系统解列空载运行 时，跟踪母线电压为再次并网创造条件。 5 )微机调节器( a v r ) 硬件组成：p t c t 板、h o 板、信号处理板、p s s 板、桥 控单元、主控单元p t c t 板：完成三相定子电压、三相定子电流的采接，并转 换成o 一+ 5 v a c 的正弦波，经i o 板转接到信号处理板。要求u a ，u b ，u c 值相差不大，且相位互差1 2 0 0 ，i a ，i b ，i c 值相差不大，且相位互差1 2 0 “， 差值为0 时，u a 与i a 同相，u b 与i b 同相，u c 与i c 同相。 励磁电源，经可控硅整流装景熬流后输出到转子，成为可控直流输出。调节 发电机励磁电流，从而调节发电机输出。自并励励磁系统中由于发电机残压比较 低，励磁投入时不足以使可控硅触发单元可靠触发，必须投起励回路，使发电机 出口电压足以使可控硅触发单元可靠工作。a v r 通过p t c t 板采集发电机电压、定 子电流，并经过集成放大电路调制成对应额定发电机电压、电流为4 v 交流电压的 位置；三机励磁系统，通过电流传感器测量直流侧的转子电流；自并励励磁系统， 通过交流排三相c t 测量交流侧的转子电流；电压传感器测量转子电压经过i v 变 换调制成对应额定转子电压、转子电流为4 v 直流电压的位置。这些控制信号经信 号处理板采样后，经a d 转换成数字信号寄存在缓存中，主控单元的c p u 对缓存 东北大学硕士学位论文第二章传统可控硅整流的励磁系统 中的数字信号经数字滤波后计算发电机电压、定子电流，有功功率、无功功率、 功率因数、转子电流、转子电压。中控室的远动信号如主开关、增减励、励磁投 入、励磁退出、模式切换、通道选择等信号经i 0 板光电隔离后送入主控单元。 主控单元下两种运行模式：自动模式、手动模式。自动模式中，发电机电压给定、 附加调差单元及v h z 限制后，与发电机电压测量值比较形成偏差，经p i d 计算后送 出控制量；手动模式中，转子电流给定，与转子电流狈量值比较形成偏差，经p i 计算后送出控制量。低励限制、过流限制、p t 断线、v h z 限制等保护环节每1 0 m s 执行一次。限制动作后控制量与主控程序输出控制量进行比较，选择一组最优控 制量。对有p s s 输出量相加后形成最终控制量，最终控制量经桥控单元转换成对 应于可控硅整流元件输出的脉冲触发信号，再经过光电隔离，功率三极管和脉冲 变压器放大驱动功率单元，调节励磁电流，从而调节发电机输出，维持发电机电压 恒定。开关量输出如低励限制、过流限制、p t 断线、v h z 限制等信号先经过i o 板光电隔离，驱动小型继电器，继电器的干结点为开关量的最终输出。继电器的 干接点能驱动3 a 2 5 0 v a c ，0 5 a 2 2 0 v d c 的信号。通道间通过r s 4 8 5 通讯，每2 0 s 交换一次数据。备用通道在线监测工作通道的运行情况，当发现工作通道的运行 异常或出现死机无法自动复归等，自动退出工作通道，投入备用通道。主控制单 元与触摸屏通过r s 4 2 2 通讯，触摸屏根据规定的地址读写数据至主控单元的缓存 中。 2 5 励磁调节和控制的一些算法 2 5 1p i d 调节器 按偏差的比例、积分和微分进行控制的p i d 调节器，是连续系统控制中技术 成熟、应用最为广泛的一种调节器。励磁系统中采用的p i d 调节，输入量是机端 电压的偏差e ( t ) 。 电压偏差的比例调节，是按电压偏离整定值( 额定值) 的大小成比例的改变励 磁，以维持机端电压为恒定。实际调节结果仍有一定偏差，其偏差大小主要与放 大倍数有关，放大倍数越大，偏差越小。电压偏差的积分调节，是按积累的偏差 调节励磁，调节结果是偏差很小。完全积分调节可以是调节误差接近为零。 电压偏差的微分调节，是按预测的电压变化趋势进行调节，可以减小超调量， 缩短调整时间，改善调节的动态品质，提高控制系统的稳定性。 在励磁控制系统中，应用p i d 调节可以达到： 1 4 东北大学硕士学位论文第二章 传统可控硅整流的励磁系统 1 ) 稳态时有较大的放大倍数，使机端电压接近恒定。调节精度达o 1 以内，从 而有较大的小干扰稳定极限； 2 ) 暂态时有较小的放大倍数，以避免超调和振荡。 对模拟式励磁调节器，p i d 控制是调节规律可用下列微分方程表示： y ( ，啤蜀舻m 局掣3 卜水川m 掣j ， g ( f ) ；坛一犹 式中y ( t ) 一控制输出： e ( t ) 一机端电压偏差信号： u g 一电压给定值； u c 一电压测量值，与机端电压成比例： k p 一比例系数用于提高控制系统的相应速度，以减少静态偏差： t i 一积分时间常数用于消除静态性能： t 。一微分时间常数用于改善系统的动态性能。 对于计算机控制，必须将式( 2 1 ) 离散化，用差分方程代替微分方程。采用 梯形积分来逼近积分，采用后向差分来逼近微分，可得p i d 数字控制算法： y ( t ) i k j e ( 七) + 号翥e ( ，) + 争 e ( t ) 一e ( 膏一) 】)( 。) e ( k ) 一u g u c ( 女) 式中t 一采样周期 e ( k ) 一第k 次采样时的机端电压偏差值。 式( 2 2 ) 为数学控$ f j p i d 的位置控制算法，其存在的问题是：每次输出与过去 所有采样值有关，占内存多：如有计算有误，将使y ( k ) 的累积误差很大，影响安 全运行。故p i d 调节多采用增量式算法。 将式( 2 2 ) 中的k 用( k - 1 ) 置换，得： y ( k - i ) = k j e ( t 一，) +