-MW汽轮机组励磁机励磁控制系统设计

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力系统自动化电力系统自动化 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 500500MWMW汽轮机组励磁机励磁控制系统设计汽轮机组励磁机励磁控制系统设计院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：2015.11.302015.11.30 12.1112.11 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）课程设计（论文）报告的内容及其文本格式课程设计（论文）报告的内容及其文本格式1、课程设计（论文）报告要求用 A4 纸排版，单面打印，并

2、装订成册，内容包括：封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、起止时间等）设计(论文)任务及评语中文摘要 （黑体小二，居中，不少于 200 字）目录正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）参考文献2、课程设计（论文）正文参考字数：2000 字周数。3、封面格式4、设计（论文）任务及评语格式5、目录格式标题“目录”（小二号、黑体、居中）6、正文格式页边距：上 2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，页眉 1.5cm，页脚 1.75cm，左侧装订；字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字，小四号字、宋体；行

3、距：20 磅行距；页码：底部居中，五号、黑体；7、参考文献格式标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。示例：（五号宋体）期刊类：序号作者 1,作者 2,作者 n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:页次.图书类：序号作者 1,作者 2,作者 n.书名.版本.出版地:出版社，出版年:页次.本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程学院注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号 学生姓名 专业班级电气123课程设计题目500MW汽轮机组励磁机励磁控制系统设计课程设计（论文）任务设计要求1.确定

4、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。基本参数及要求：1 发电机容量 500MW，功率因数 0.8，定子额定电压 20KV，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 2，不小于 12 秒4 调压精度，机端电压静差率小于 1.0。5 自动电压调节范围：90110。6 起

5、动升压至额定电压时，超调量不大于 10。 进度计划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）4、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）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）I摘 要在我们正常的的生活中，汽轮机扮演者重要的角色，其在生产生活中都有着至关重要的作用，而汽轮机大部分都使用同步励磁

6、发电机。汽轮发电机的励磁系统对于维持汽轮发电机的端电压、分配并列运行机组之间的无功功率、提高电力系统稳定性等方面都有重要的作用。由此可见，励磁系统时汽轮发电机的的重要的组成部分，是发电机的核心，对于供电的电能质量，无功功率的分配的重要环节有较深的影响。励磁就是向发电机或者同步电动机定子提供定子电源的装置。根据直流电机励磁方式的不同，可分为他励磁，并励磁，串励磁，复励磁等方式。本设计根据要求，需要采用 PID 控制电路，并确定 PID 控制参数，写出系统的传递函数。并且设计参数按照：发电机容量 500MW，功率因数 0.8，定子额定电压 20KV，空载额定转子电压 220V 等要求设计，同时要求

7、电压调差系数在15%范围内可调，强励倍数 2，不小于 12 秒，调压精度，机端电压静差率小于 1.0，自动电压调节范围：90110，起动升压至额定电压时，超调量不大于 10。按照以上要求设计出适合的励磁系统。关键词：汽轮机；励磁系统；PID 控制；MATLAB 仿真本科生课程设计（论文）II目 录第 1 章 绪论 .11.1 励磁自动控制系统概况 .11.2 本文主要内容 .2第 2 章 汽轮机励磁系统设计 .32.1 励磁控制系统介绍与功能 .32.2 励磁控制系统总体设计方案 .42.3 励磁控制系统测量比较单元电路设计 .4第 3 章 系统传递函数的建立 .73.1 他励直流励磁机传递函

8、数建立 .73.2 励磁器各单元及控制系统传递函数 .8第 4 章 系统仿真与分析 .114.1 仿真模型的建立 .114.2 系统波形分析 .11第 5 章 课程设计总结 .13参考文献 .14本科生课程设计（论文）0第 1 章 绪论1.1 励磁自动控制系统概况励磁就是向发电机或者同步电动机定子提供定子电源的装置。对于励磁发电机主要分为自励跟他励。对于自励电机，其指的是旋转电机中产生磁场的方式。现代电机大都以电磁感应为基础，在电机中都需要有磁场。这个磁场可以由永久磁铁产生，也可以利用电磁铁在线圈中通电流来产生。对于他励电机他励电机是指电机的励磁线圈和电枢绕组是分开的，励磁电流单独提供，与电枢

9、电流无关。其优点是控制方便，容易实现调速，控制器控制正反转不需要安装切换接触器 一般被广泛使用在电动叉车，电动汽车，电动观光车，电动牵引车。按照励磁调节的原理还可以分成补偿性和反馈型。补偿型调节器是补偿某些引起被调量产生偏差的因素。由于是开环补偿，只能使电压维持在一定水平。常用的有电流复式励磁及相位复式励磁装置。反馈型调节器是以被调量与给定值的偏差作为控制信号对系统进行闭环控制，常用的为负反馈比例式调节器。因为是闭环调节，所以调节性能优于补偿型。为改善比例式调节器中存在的稳态指标与动态性能的矛盾,发展了 PID 型调节器。用积分环节来提高稳态电压水平，用微分环节来改善动态特性。一些大型机组的励

10、磁调节器还引入发电机的电压、电流、功率、转速等的微分信号，构成镇定环节及强力调节器。励磁发电机主要用以提高远距输电机组的稳定性和传输容量。它对电力系统的作用是：在正常运行工况下维持母线电压为给定水平，即起调压作用；稳定地分配机组间的无功功率；提高电力系统运行的动态性能及输电线路的传输能力；励磁控制中引入镇定器后，可提供合适的阻尼力矩，有力地抑制低频振荡和改善电力系统动态品质。汽轮发电机的励磁自动控制系统的任务就是保证电力系统安全稳定的运行并提供合乎要求的电能质量。现如今随着科技的不断进步，电力系统的发展也是日新月异，所以现在对于对发电机励磁的要求也更加严格，标准也更高。现在的励磁除了维持发电机

11、电压水平，合理分配并联机组的无功功率外，励磁系统还需要对于电力系统的稳态跟暂态稳定有一定的调节作用。本科生课程设计（论文）11.2 本文主要内容本实验设计主要针对 500MW 汽轮发电机组励磁机励磁控制系统进行设计。按照实验要求首先需要确定励磁自动控制系统的原理接线图，同时说出其各部分的工作原理与所完成的任务，再根据课题给出要求确定总接线图，并写出励磁自动控制系统每个环节的传递函数及原理框图。并在空载点对传递函数进行线性化。同时还要根据实验要求的参数还设计电路，各部分参数需要满足：发电机容量500MW，功率因数 0.8，定子额定电压 20KV，空载额定转子电压 220V，还要求电压调差系数在1

12、5%范围内可调，并且强励倍数 2，不小于 12 秒，调压精度，机端电压静差率小于 1.0，自动电压调节范围：90110，起动升压至额定电压时，超调量不大于 10等。由于本次试验采用 PID 控制，所以还需要确定 PID 控制参数。设计完各部分电路之后，还需要用 MATLAB 软件进行仿真实验，并观察测出的波形分析其性能，并与最初的设计预期比较设计的实验是否合格。本科生课程设计（论文）2 第 2 章 发电机励磁控制系统设计2.1 励磁控制系统介绍与功能励磁控制系统的主要功能有：（1）保证发电机端电压在允许范围内，当发电机负荷发生变化时，可以通过调节磁场来恒定机端电压；（2）合理分配并列运行机组之

13、间的无功分配，可增强发电机并列运行的稳定性；（3）提高电力系统的稳定性，包括静态稳定性、暂态稳定性及动态稳定性。励磁控制系统也可以实现自动调节励磁，即是在改变发电机的励磁电流中，一般不直接在其转子回路中进行，因为该回路中电流很大，不便于进行直接调节，通常采用的方法是改变励磁机的励磁电流，以达到调节发电机转子电流的目的。为了实现自动调节励磁，常用方法有：（1）改变励磁机励磁回路的电阻；（2）改变励磁机的附加励磁电流；（3）改变可控硅的导通角等。而自动调节励磁装置的组成单元通常包括：测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一些辅助单元构成。而励磁系统包括励磁电源、自动电压调节器

14、、手动控制单元、灭磁、保护、监视装置和仪表等。供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。其工作原理为：励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则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。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。同步发电机的励磁系统主要由功率单元和调节器装置两大部分组成。其中励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、

15、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励本科生课程设计（论文）3磁系统控制系统。励磁系统是发电机的重要组成部份，因为励磁系统对于电力系统的静态，暂态及动态的稳定运行都具有很大的影响。2.2 励磁控制系统总体设计方案对于发电机的励磁控制，简单来讲就是在发电机要启动时在发电机的两端施加励磁电压，而励磁调节最基本的部分时一个闭环比例调节器，它的输入量是发电机机端电压，输出量时励磁机的励磁电流或发电机转子电流。它主要是使发电机机端电压保持不变，还有保持并联机组无功电流的合理分配。励磁控制系统设计原理框图如图 2.1： 图 2.1 励磁控制系统原理框图2.3 励磁控制系统测量比较单元电路设计测量

16、比较单元的功能就是将发电机输出的交流电压转换为直流电压，再将测得的信号与选定的基准电压相比较，得出偏差信号。（1）电压测量电压测量的本质就是将发电机输入的交流信号通过变压器、整流器、滤波器等器件进行变换，最终将交流电压变为直流电压。输入电压由输入端子输入系统，本科生课程设计（论文）4在经过两个单相变压器进行变换降压。输入的电压通过降压之后会经过三个电位调节器，之后到达三相桥式整流器变换为直流电压。得到直流信号后还需要经过一个滤波器进行滤波，最后才会得到所需要的正比于机端电压的直流电压信号。 本科生课程设计（论文）5如图 2.2 即为电压测量元件原理图： 图 2.2 电压测量元件原理图（2）比较

17、整定电路通过上一部分我们可以知道在电压测量部分输出的电压为正比于机端电压的直流电压信号，这一部分信号将流入比较整定电路，测量电路作为一个加法的输入量，所以其两端的输入电压就时比较整定电路的整定电压，流入电路的整定电压通过与其中的运算的放大器进行比较，获得偏差信号。如图 2.3 即为比较整定电路原理图： 图 2.3 比较整定电路原理图本科生课程设计（论文）6（3）综合放大单元当输入信号从比较整定电路中流出之后则进入综合放大单元，综合放大单元输入信号中，除了在比较整定电路中已经测量出来的偏差信号之外，由于电力系统各元件对于电压等级的要求各有不同，所以还需要输入一些外加的辅助信号，这么做可以改善励磁

18、控制系统的动态性能。如图 2.4 即为综合放大单元电路原理图： 图 2.4 综合放大单元原理图本科生课程设计（论文）7 第 3 章 系统传递函数的建立3.1 他励直流励磁机传递函数建立如图 3.1 为他励直流励磁机的电路简图： 图 3.1 他励直流励磁机电路通过图 3.1 我们可以知道 Uee 为他励绕组的输入电压，Ue 为励磁机的输出电压。其电压平衡方程式为： =+ueeiReeedLdteee 当忽略转速对于电路的影响时，励磁机的内电动势与磁链成正比，此时我们可以近似地认为励磁机电压正比于磁链。而我们通过观察励磁机特性的饱和曲线可以得出定义记饱和函数饱和与不不记饱和函数两种情况。（1）计饱

19、和时定义饱和函数: IBIBIASe其传递函数： G(s)= = )()(eeessuuSKTs,eee1本科生课程设计（论文）8（2）不计饱和时定义饱和函数： =K=ueieeLeeG1iee其传递函数： =K= uEiEELEEiEEG1 3.2 励磁器各单元及控制系统传递函数励磁各单元传递函数：根据第 2 章的研究我们可以发现发电机的励磁系统主要由测量比较单元、综合放大单元和功率放大元件三部分组成。（1）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数。数值通常在 0.02s-0.06s 之间；TR（2）综合放大元件的放大倍数为，时间常数为；KA

20、TA（3）功率放大元件时励磁调节器中的晶闸管整流器。晶闸管整流元件并不能连续工作，而这种断续的工作方式就有可能造成输出平均电压滞后于触发器ud控制电压信号。滞后时间为。TZ测量比较电路传递函数:=)(sGR)()(ssUUGdesTKRR1综合放大元件合成传递函数： = )(sGAsTKAA1功率放大元件合成传递函数： = )(zsGsTKzz1本科生课程设计（论文）9励磁控制系统传递函数：通过查阅资料发现同步发电机的传递函数太过复杂，为了化简其传递函数又不至于失去其意义，本实验选择同步发电机空载时的传递函数进行研究分析。其空载时的时间常数为，用表示发电机的放大系数。0dTGK同步发电机传递函

21、数： 01GGdKGsT s通过上面我们已经求得了励磁各单元传递函数以及同步发电机传递函数，我们可以根据如图 3.2 所示的励磁控制系统传递函数框图来得出励磁控制系统的传递函数。 图 3.2 励磁控制系统传递函数框图通过观察分析励磁控制系统传递函数框图我们可以得出，该系统的传递函数为： = )()(ssUUREFG)()(1)(sHsGsG之后我们需要分析得出的励磁控制系统传递函数，联系上一部分求得的励磁各单元传递函数与同步发电机传递函数我们可以得到： G（s）=ssSTTKTKKdEEAGA,01 )(1 ( H(s)=STKRR1本科生课程设计（论文）10 将得出的 G（s）和 H（s）带

22、入励磁控制系统传递函数，可以得到励磁控制系统的传递函数：=)()(ssUUREFGKKKTTTKTTKKRGARdEEARGAsss)1)(1)()(1 ()1 (,0本科生课程设计（论文）11 第 4 章 系统仿真与分析4.1 仿真模型的建立本实验使用 MATLAB 软件进行仿真，按要求绘制 PID 闭环励磁控制系统的仿真图。对于仿真软件的参数设定需要依照任务书所给的参数要求：发电机容量500MW，功率因数 0.8，定子额定电压 20KV，空载额定转子电压 220V，要求电压调差系数在15%范围内可调，自动电压调节范围在 90110，起动升压至额定电压时，超调量不大于 10。按要求参数设定好

23、之后，接好线路并观察出现的波形，将所得波形与实验预期波形进行比较，根据所的波形与显示示数判断实验设计是否满足要求。 图 4.1 PID 闭环励磁控制系统的仿真图4.2 系统波形的分析根据如图 4.2 和图 4.3 得出的阶跃响应波形图与控制系统伯德图，我们可以分析得出：如果要使励磁控制系统在允许范围内稳定运行，则需要对调节器的放大倍数进行上限设定。根据阶跃响应波形曲线的变化可以发现，调节器的放大倍数越大，系统的阶跃响应曲线波动就越小，当调节器的放大倍数达到一定值时，阶跃响应曲线将趋近于稳定状态。而同步发电机励磁系统一方面的作用是保证发电机正常励磁，而另一方面还要稳定电网电压、保持电网无功功率的平衡。本科生课程设计（论文）12 图 4.2 励磁系统阶跃响应波形图 图 4.3 控制系统伯德图本科生课程设计（论文）13 第 5 章 课程设计总结此次试