第10-11次课第3章(6节)

1、电力系统自动装置原理 水电学院电力系 王德意3.6 励磁调节装置原理励磁调节装置原理 3.6.1 励磁调节器的发展及分类励磁调节器的发展及分类3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理 数字式励磁调节器的基本环节和构成数字式励磁调节器的基本环节和构成 调节和控制的数学模型调节和控制的数学模型 励磁调节器的运行励磁调节器的运行3.6.3 数字式励磁调节器软件数字式励磁调节器软件 概述概述 主程序框图主程序框图3.6.1 励磁调节器的发展及分类励磁调节器的发展及分类（一）机电型电压调节器（一）机电型电压调节器GGEWEEWTV3.6.1 励磁调节器的发展及分类励磁调节器的发展及分类（二（

2、二）磁放磁放大器型电大器型电压调节器压调节器3.6.1 励磁调节器的发展及分类励磁调节器的发展及分类典型产品：典型产品： KFD-3型相复励装置型相复励装置特点：特点：KFD-3型基于磁放大器原理的相复励装置。型基于磁放大器原理的相复励装置。它响应速度慢，动态性能差；它响应速度慢，动态性能差；它的放大倍数有限，装置的静态特性精度较差；它的放大倍数有限，装置的静态特性精度较差；它的输出功率较小；它的结构复杂笨重，调试困难，且耗费大量它的输出功率较小；它的结构复杂笨重，调试困难，且耗费大量金属材料。金属材料。运行稳定性较差运行稳定性较差，在同一母线上并列运行两台机组容易产生在同一母线上并列运行两台

3、机组容易产生“抢无抢无功功”的现象。的现象。运行情况：运行情况：从初步调查情况来看，从初步调查情况来看，90%以上的以上的KFD-3型相复励装置都没有投型相复励装置都没有投入实际运行，只采用手动方式调节励磁。入实际运行，只采用手动方式调节励磁。己成为技改对象己成为技改对象3.6.1 励磁调节器的发展及分类励磁调节器的发展及分类（三（三）电子（半导体）型电压调节器电子（半导体）型电压调节器GTVTA交流副励磁机（400Hz）交流励磁机（100Hz）自励恒压调节器启励电源调差测量比较综合放大电力系统稳定器励磁系统稳定器励磁限值移相触发同步手控3.6.1 励磁调节器的发展及分类励磁调节器的发展及分类

4、电子型励磁调节器的特点：电子型励磁调节器的特点： 响应速度大大加快，强励时励磁电压上升时间小于响应速度大大加快，强励时励磁电压上升时间小于01s，称为高起始响应励磁系统。称为高起始响应励磁系统。结构复杂，维修不便；只采用简单控制规律，性能指结构复杂，维修不便；只采用简单控制规律，性能指标较差；分立元件的热稳定性差，整机故障率较高；标较差；分立元件的热稳定性差，整机故障率较高；经常出现触发脉冲不对称、丢失脉冲以及失控等。经常出现触发脉冲不对称、丢失脉冲以及失控等。应用情况：应用情况： 从上个世纪从上个世纪70年代在我国开始推广应用半导体励磁调年代在我国开始推广应用半导体励磁调节器以来节器以来,已

5、在许多电站长期使用。已在许多电站长期使用。 3.6.1 励磁调节器的发展及分类励磁调节器的发展及分类（四（四）微机型电压调节器微机型电压调节器特点：特点： 方便实现复杂的励磁控制策略；方便实现复杂的励磁控制策略； 励磁控制算法由软件实现，便于修改；励磁控制算法由软件实现，便于修改； 可实现完备的励磁限制和保护功能。可实现完备的励磁限制和保护功能。应用情况：应用情况： 普遍应用于各种同步发电机的励磁控制。普遍应用于各种同步发电机的励磁控制。3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（一）数字式励磁调节器的基本环节及构成（一）数字式励磁调节器的基本环节及构成 （1）分类）分类非全数字式励

6、磁调节器组成：测量单元，主控制单元，移相非全数字式励磁调节器组成：测量单元，主控制单元，移相触发单元和人机接口等以及辅助电路组成。其核心为控触发单元和人机接口等以及辅助电路组成。其核心为控制主机和移相触发电路。制主机和移相触发电路。全数字微机励磁调节器组成：全数字微机励磁调节器主机和全数字微机励磁调节器组成：全数字微机励磁调节器主机和辅助电路组成，其核心是全数字微机励磁调节器，它是辅助电路组成，其核心是全数字微机励磁调节器，它是一台专用计算机控制系统，由硬件和软件组成。一台专用计算机控制系统，由硬件和软件组成。3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（2）非全数字式励磁调节器构成）

7、非全数字式励磁调节器构成GTVTA测 量 单 元主 控 制 单 元开 关 量 输 出内 存 储 器 单 元局 部 总 线 接 口通 信 接 口操 作 面 板现 场 控 制手 动 控 制转 换 接 口触 发 装 置励 磁 变 压 器I/o测 量 单 元主 控 单 元移 相 触 发 单 元人 机 接 口3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（3）全数字式励磁调节器构成）全数字式励磁调节器构成3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（4）测量单元原理）测量单元原理滤波、光电隔离、采样保持、数据缓存以及滤波、光电隔离、采样保持、数据缓存以及A/D的作用的作用典型的滤波电路：典

8、型的滤波电路：型、型、型以及桥式滤波电路型以及桥式滤波电路滤 波采样保持A/D数据缓存数据计算A/D控制光电隔离数据总线3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（5）主控制单元原理）主控制单元原理主控制单元的输入信号主控制单元的输入信号3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理主控制单元的结构主控制单元的结构CPU局部总线接口内存储器地址缓冲器数据缓冲器控制总线缓冲器3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（6）移相触发单元原理）移相触发单元原理结构：如下图结构：如下图功能：功能： 产生可调相位的脉冲，用来触发晶闸管，使其触发角能够产生可调相位的脉冲，用来触发

9、晶闸管，使其触发角能够随着主控制单元输出的控制值而改变，以控制晶闸管整流随着主控制单元输出的控制值而改变，以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机励磁电流。电路的输出，从而调节发电机励磁电流。同步：同步： 晶闸管触发脉冲与主电路三相电压信号之间的相位配合关晶闸管触发脉冲与主电路三相电压信号之间的相位配合关系，一般由同步变压器获得同步电压信号。系，一般由同步变压器获得同步电压信号。门极驱动接口整流器接口移相同步移相控制信号同步信号至晶闸管门极3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理励磁调节器对移相触发单元的要求励磁调节器对移相触发单元的要求: 触发脉冲移相范围要符合可控硅整流电路的

10、要求触发脉冲移相范围要符合可控硅整流电路的要求 触发脉冲要有足够大额功率使晶闸管可靠导通触发脉冲要有足够大额功率使晶闸管可靠导通 触发脉冲的上升前沿要陡触发脉冲的上升前沿要陡 触发单元与主电路应相互隔离以保证安全触发单元与主电路应相互隔离以保证安全 在整个移相范围内保证各相的触发脉冲控制角一致在整个移相范围内保证各相的触发脉冲控制角一致3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理单相同步整形电路单相同步整形电路电压比较器光电隔离同步方波信号ACU3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理单相同步信号单相同步信号00UAUBUCUtt0UA BUA CUB CUB AUC AU

11、C BUA BUA CU自 然 换 流 点自 然 换 流 点0t0UA CUC AUA CU自 然 换 流 点D ifC n3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理移相触发单元原理框图移相触发单元原理框图单相同步信号3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理移相触发单元脉冲时序图移相触发单元脉冲时序图换相点触发脉冲由LTXdilD()得到换相时刻计算出a对应的延时计数值 N由LTXdol0()发1号触发脉冲延时60度，由LTXdol1()发2号触发脉冲延时60度，由LTXdol2()发3号触发脉冲延时60度，由LTXdol3()发4号触发脉冲延时60度，由LTXdol4(

12、)发5号触发脉冲60延时60度，由LTXdol5()发6号触发脉冲（N1）（N）a00UACUCAUACU自然换流点DifCn3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理脉冲形成及放大脉冲形成及放大双窄脉冲产生双窄脉冲产生及放大电路及放大电路SCR 1SCR 3SCR 5SCR 4SCR 6SCR 23.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（7）人机接口）人机接口功能：功能： 程序调试程序调试 参数设定与维护：参数设定与维护：PID调节参数，调差系数等调节参数，调差系数等 运行操作：起励、灭磁、增减控制等运行操作：起励、灭磁、增减控制等 参数显示：监测的电压、电流、功率及功

13、率因素显示参数显示：监测的电压、电流、功率及功率因素显示通信接口操作面板现场控制手动控制人机接口3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（二）调节和控制的数学模型（二）调节和控制的数学模型（1）概述）概述PID原理框图原理框图 xxce(t)Py(t)IDdttdeKdtteKteKtydtip)()()()(03.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理a. 位置型位置型PID调节算法调节算法 位置型位置型PID控制算法的基本思路是对连续控制算法的基本思路是对连续PID公式进行公式进行离散化。离散化。位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中位置型算式每次输出与整个过

14、去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差。误差。KjDIPTKTeKTeTTjTeTTKTeKKTu0)()()()()(KjDIPTKTeKTeKjTeKKTeKKTu0)()()()()(3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理b. 增量型增量型PID调节算法调节算法增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。小，容易取得较好的控

15、制效果。采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。会对生产造成恶劣影响。)2() 1(2)()()1()()(KeKeKeKKeKkeKeKKuDIP3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（2）励磁调节器的调节模式）励磁调节器的调节模式恒机端电压调节（自动）模式恒机端电压调节（自动）模式恒励磁电流调节（手动）模式恒励磁电流调节（手动）模式恒无功功率调节模式恒无功功率调节模式恒功率因数调节恒功率因数调节3.6.2

16、 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理a. 恒机端电压（自动）调节方式恒机端电压（自动）调节方式 不考虑调差不考虑调差 考虑调差考虑调差)()()(KTUKTUKTeGREF)()()()(KTUKTQKTUKTeGREF比例积分微分PSS综放脉冲同步低励限制PFUtPQ增量过励限制顶值限制V/F限制DrIUgUsUFSKDLFIfUk+-+-图5 电压调节原理框图Q3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理b. 恒励磁电流调节（手动）模式恒励磁电流调节（手动）模式综放脉冲同步欠励限制Ut过励限制顶值限制IgIfUk+-图6 电流调节（手动）原理框图KH1+TiS3.6.2 数字

17、式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理c. 恒无功功率调节模式恒无功功率调节模式比例积分微分PSS综放脉冲同步低励限制PFUtPQ增量过励限制顶值限制QgUgUFIfUk+-+-图7 无功调节原理框图Eu+-DrQ3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理d. 恒功率因素调节模式恒功率因素调节模式比例积分微分PSS综放脉冲同步低励限制PFUtPQ增量过励限制顶值限制CgUgUFIfUk+-+-图8 功率因素调节原理框图Eu+-DrCOS3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（3）励磁调节器的辅助控制）励磁调节器的辅助控制辅助励磁控制的必要性：辅助励磁控制的必要性： 最小励

18、磁限制：在发电机进相运行时，容许吸收的无最小励磁限制：在发电机进相运行时，容许吸收的无功功率和发出的有功功率有关，此时发电机最小励磁功功率和发出的有功功率有关，此时发电机最小励磁电流值应限制在发电机静态稳定极限及发电机定子端电流值应限制在发电机静态稳定极限及发电机定子端部发热允许的范围内。为此，在自动励磁调节器中设部发热允许的范围内。为此，在自动励磁调节器中设置了最小励磁限制。置了最小励磁限制。 瞬时电流限制：大容量发电机组由于系统稳定的要求瞬时电流限制：大容量发电机组由于系统稳定的要求励磁系统具有高起始响应特性，使发电机励磁顶值电励磁系统具有高起始响应特性，使发电机励磁顶值电压大大超过其允许

19、值，而励磁电流超过规定的强励电压大大超过其允许值，而励磁电流超过规定的强励电流会危及发电机的安全，为此，在调节器中必须设置流会危及发电机的安全，为此，在调节器中必须设置瞬时电流限制器以限制强励顶值电流。瞬时电流限制器以限制强励顶值电流。3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理辅助励磁的特征：辅助励磁的特征：辅助控制与励磁调节器正常情况下的自动控制的区别辅助控制与励磁调节器正常情况下的自动控制的区别是，辅助控制不参与正常情况下的自动控制，仅在发是，辅助控制不参与正常情况下的自动控制，仅在发生非正常运行工况，需要励磁调节器具有某些特有的生非正常运行工况，需要励磁调节器具有某些特有的限制

20、功能时，通过信号综合放大电路中的竞比电路闭限制功能时，通过信号综合放大电路中的竞比电路闭锁正常的电压控制使相应的限制器起控制作用。锁正常的电压控制使相应的限制器起控制作用。3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理a.最小励磁限制（也称之为最小励磁限制（也称之为“欠励磁限制欠励磁限制”）因素一、静态稳定极限的限制 发电机欠励磁运行时，发电机吸收系统的无功功率，这种运行状态称为进相运行。 发电机进相运行时受静态稳定极限的限制，这里以单机无限大系统为例来讨论电力系统静态稳定极限的问题。qEdxGULTexxxU曲线曲线B B外侧的阴影区属外侧的阴影区属不稳定区，而圆内任不稳定区，而圆内任

21、意点属稳定区。意点属稳定区。3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理因素二、因素二、防止发电机定子端部过热防止发电机定子端部过热在相同的视在功率和相同的端部冷却条在相同的视在功率和相同的端部冷却条件下，发电机随着功率因数由滞相向进件下，发电机随着功率因数由滞相向进相转移，发电机定子端部漏磁磁密值相相转移，发电机定子端部漏磁磁密值相应增高，这将引起定子端部元件的损耗应增高，这将引起定子端部元件的损耗发热也趋向严重。因此，随着发电机进发热也趋向严重。因此，随着发电机进相程度的增大，要维持发电机端部元件相程度的增大，要维持发电机端部元件的温度不超过允许值，其出力便要相应的温度不超过允许值

22、，其出力便要相应的降低。显然，防止定子端部过热，是的降低。显然，防止定子端部过热，是发电机进相运行深度的一个限制因素发电机进相运行深度的一个限制因素。3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理因素三、留有适当的裕量因素三、留有适当的裕量在在P-QP-Q平面上，绘制出发电机运行容量曲线和平面上，绘制出发电机运行容量曲线和临界失步曲线，再在两曲线围定的公共区域内临界失步曲线，再在两曲线围定的公共区域内留有适当的裕量，整定一条最小励磁限制线。留有适当的裕量，整定一条最小励磁限制线。欠励限制器的任务就是确保在任何情况下，将欠励限制器的任务就是确保在任何情况下，将发电机的功率运行点（发电机的功

23、率运行点（P P、Q Q）限制在这条最小限制在这条最小励磁限制线之上。励磁限制线之上。图10-1 过励限制特性曲线1.11020 30 40 50 601.21.31.41.51.61.71.8Ift(s)0.20.40.60.81.0-0.4-0.200.20.40.60.801.0QP图10-2 低励限制特性曲线曲线根据设置的参数而有所不同曲线根据设置的参数而有所不同低励限制区3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理b. 瞬时电流限制瞬时电流限制 唯有采用高励磁顶值的方法才能提高励磁机输出电压的起始增唯有采用高励磁顶值的方法才能提高励磁机输出电压的起始增长速度由于电力系统稳定的

24、要求，大容量发电机组的励磁系统长速度由于电力系统稳定的要求，大容量发电机组的励磁系统必须具有高起始响应的性能。必须具有高起始响应的性能。 高值励磁电压将会危及励磁机及发电机的安全高值励磁电压将会危及励磁机及发电机的安全。3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理c. 最大励磁限制最大励磁限制最大励磁限制是为了防止发电机转子绕组长时间过励最大励磁限制是为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施。磁而采取的安全措施。限制见限制见P92P92页表页表3-13-1。d. V/Hz（伏伏/赫）限制赫）限制 V/Hz（伏伏/赫）限制器，用于防止发电机的端电压与频赫）限制器，用于防止发电机

25、的端电压与频率的比值过高，避免发电机及与其相连的主变压器铁率的比值过高，避免发电机及与其相连的主变压器铁芯饱和而引起的过热。芯饱和而引起的过热。最大励磁限制器反时限特性见最大励磁限制器反时限特性见P92P92页图页图3-673-67。图10-1 过励限制特性曲线1.11020 30 40 50 601.21.31.41.51.61.71.8Ift(s)0.20.40.60.81.0-0.4-0.200.20.40.60.801.0QP图10-2 低励限制特性曲线曲线根据设置的参数而有所不同曲线根据设置的参数而有所不同低励限制区3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（三（三）励磁调

26、节器的运行励磁调节器的运行（1）对发电机组运行工况的监控）对发电机组运行工况的监控（2）增加或减少励磁，实现对电压及无功功率的调节）增加或减少励磁，实现对电压及无功功率的调节（3）信号显示：各种限制动作、保护动作、主要部件故障）信号显示：各种限制动作、保护动作、主要部件故障系统跟踪Net tracing报警信号Alarm signal限制动作Limiter action本机正常Normal本机工作WorkingQ/C模式Q/C -mode电流模式M-mode电压模式A-modeMS增加INC减少DEC复位RST电压A-mode电流M-mode无功Q/C-mode跟踪Net tracing永 州

27、 市 智 达 自 动 控 制 设 备 有 限 公 司操作按键显示与设置按键液晶显示屏信号指示灯测量参数显示设置参数显示限制保护查询设置参数修改Operate keyDisplay and set keySignal lampLCDAFLFFLQCTLPTYPTXPTZBLBLCTABC+-B1ABC+-Bn脉冲功率放大DQLRQL= 220V+-QLCPWFL-02PWFL-021# AVR2# AVR3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理（4）调节器的可靠性）调节器的可靠性主控制单元的双重化配置主控制单元的双重化配置励磁功率单元的双重化配置励磁功率单元的双重化配置励磁电流测量的

28、双重化励磁电流测量的双重化双重电源的配置双重电源的配置PT的双重化的双重化3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理双调节双调节器方案器方案电压、电流交流采样电压、电流交流采样电路A电路A采样保持转换电路A采样保持转换电路ADSP调节器ADSP调节器A电压、电流交流采样电压、电流交流采样电路B电路B采样保持转换电路B采样保持转换电路BDSP调节器BDSP调节器B阻容吸收及压阻容吸收及压敏电阻保护敏电阻保护PT1PT1LBLBCAN通讯CAN通讯励磁绕组励磁绕组触发脉冲触发脉冲触发脉冲触发脉冲同步信号同步信号测频信号测频信号励磁电压励磁电压励磁电流励磁电流同步信号同步信号测频信号测频信

29、号励磁电压励磁电压励磁电流励磁电流PT2PT2CTCT脉冲放大板脉冲放大板放大后触放大后触发脉冲发脉冲可控硅整流桥可控硅整流桥双机切换双机切换灭磁回灭磁回路路过电压过电压保护保护起励回起励回路路3.6.2 数字式励磁调节器原理数字式励磁调节器原理双调节器的硬件结构双调节器的硬件结构TMSTMS320320F F28122812DSPDSP基本系基本系统统A ACANCANRSRS422422模拟模拟量量、开关开关量输量输入通入通道道开关开关量输量输出通出通道道TMSTMS320320F F28122812DSPDSP基本系基本系统统B BCANCANRSRS422422开关开关量输量输出通出通道道模拟模拟量量、开关开关量输量输入通入通道道同步同步、测频信号测频信号开关量输入开关量输入机端电压机端电压无功功率无功功率励磁电压励磁电压、电流电流同步同步、