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1、电力系统自动化励磁第1页，本讲稿共74页3.1励磁控制系统的组成及任务励磁控制系统的组成及任务同步发电机励磁电流的特征：（1）直流；（2）大小可调；励磁系统就是为同步发电机提供大小可调的直流励磁电流的设备总体。励磁系统=励磁功率单元+励磁调节器；第2页，本讲稿共74页励磁系统励磁功率单元：为同步发电机励磁绕组提供可控直流励磁电流；励磁调节器：根据同步发电机的运行要求，调整励磁电流的大小；第3页，本讲稿共74页励磁功率单元可控直流电源类型：（1）直流发电机；（2）交流发电机+可控整流器；（3）变压器+可控整流器；可控整流器：（1）晶闸管换流器；（2）基于全控器件的SPWM换流器（在励磁系统中暂无
2、实际应用）；第4页，本讲稿共74页励磁调节器连续调节的闭环控制器；控制规律：（1）经典控制：PID控制；（2）现代控制：最优控制；（3）智能控制：自适应控制等。第5页，本讲稿共74页励磁控制系统的组成励磁控制系统是由励磁功率单元、励磁调节器和同步发电机共同构成的一个闭环控制系统。励磁控制系统=励磁系统+同步发电机直流励磁的同步发电机（转子单向旋转和转子双向旋转）；交流励磁的同步发电机；第6页，本讲稿共74页励磁控制系统的任务励磁控制系统的任务励磁控制系统的三大任务：（1）调压稳压；（2）无功分配；（3）提高电力系统稳定性；第7页，本讲稿共74页调压稳压调压：70%110%（85%115%）VN
3、稳压：调压精度要求为0.2%0.5%VN；动态性能指标：超调、振荡次数、调节时间、延迟时间、响应时间等（参见：DL/T583-2006）；为了满足调压精度和动态性能指标的要求，对励磁调节器提出如下要求：（1）测量精度高，速度快；（2）优良的控制规律和控制参数；（3）必要时需配备时间常数补偿器和励磁系统稳定器。第8页，本讲稿共74页无功分配无功分配：同一并列点上，并列运行机组间的无功功率分配。合理分配无功的原则：按机组容量等比例分配，即按无功功率标幺值相等的原则进行分配，做到各机组所承担的无功功率占本机额定无功（或容量）的比例均相等，称为无功的合理分配。第9页，本讲稿共74页提高电力系统稳定性稳
4、定性的概念：（1）静态稳定性；（2）暂态稳定性；（3）动态稳定性；第10页，本讲稿共74页励磁对静态稳定的影响静态稳定即无扰动或微小扰动的稳定性问题。其实就是稳定裕度（或功率极限）大小的问题；（1）不调节励磁时的功率极限；（2）在良好励磁调节作用下的功率极限；第11页，本讲稿共74页励磁对暂态稳定的影响暂态稳定即大扰动下的稳定性问题。大扰动改变了网络结构和参数，研究是否存在新工作点的问题；恰当的励磁控制，可以减小加速面积，增加减速面积；为了有效提高暂态稳定性，要求：（1）励磁电流顶值足够大（强励倍数1.82.0，三峡2.5）；（2）励磁电流上升速度足够快；（励磁电压上升速度等）第12页，本讲稿
5、共74页励磁对动态稳定的影响动态稳定即系统阻尼问题，即在工作点上稳定运行的能力问题；低频振荡的概念；励磁对阻尼的影响；提供正阻尼的励磁控制辅助单元：电力系统稳定器PSS、线性最优励磁控制等。第13页，本讲稿共74页电力系统低频振荡所谓电力系统低频振荡所谓电力系统低频振荡,是指在电力系统中发生频率较低的（是指在电力系统中发生频率较低的（0.2Hz2Hz）机械）机械-电气振荡。电气振荡。阻尼：阻尼：与运动方向相反的作用力，类似于摩擦力与运动方向相反的作用力，类似于摩擦力；根据功角特性方程可知：长距离、重负荷、大容量机组将降低运根据功角特性方程可知：长距离、重负荷、大容量机组将降低运行的稳定裕度和减
6、小系统阻尼（功角增加行的稳定裕度和减小系统阻尼（功角增加阻尼减小）。阻尼减小）。另外高增益的快速励磁调节也产生负阻尼，使总阻尼进一步减弱。另外高增益的快速励磁调节也产生负阻尼，使总阻尼进一步减弱。例如：例如：负荷负荷 P n ，按机端，按机端电压反反馈的励磁的励磁调节：PVtIf P，加，加剧 了了，产生了生了负阻尼。阻尼。第14页，本讲稿共74页系统正阻尼和电压反馈负阻尼系统阻尼：当系统阻尼：当090时，负荷时，负荷 P，由，由转子运子运动方程方程 n，由功角特性方程，由功角特性方程 P，趋于于稳定，是正阻尼；定，是正阻尼；电压反反馈：负荷负荷 P，由于，由于发电机内机内电阻阻 VtVt，由
7、，由调节 If ，由功角特性方程，由功角特性方程 P，由由转子运子运动方程方程 ，加，加剧，是，是负阻尼（阻尼（调节的影响与的影响与扰动的影响具的影响具有相同方向，助有相同方向，助长了了扰动）；）；第15页，本讲稿共74页电力系统稳定器PSS引入有功功率反馈或机组转速反馈，以增加正阻尼。按有功功率反馈的（辅助）励磁调节：当P n 时，按有功功率，按有功功率P反反馈的励磁的励磁调节：PIf ，抑制，抑制 变化化，产生正阻尼。生正阻尼。按机组转速反馈的（辅助）励磁调节：当P n 时，按机，按机组转速反速反馈的励磁的励磁调节：P n If ，抑制，抑制 变化化，产生正阻尼。生正阻尼。第16页，本讲稿
8、共74页按电功率反馈的PSS的“反调”引起电功率引起电功率P变化的原因有两种：变化的原因有两种：（1）负荷功率波动；（）负荷功率波动；（2）原动机输入功率波动；）原动机输入功率波动；这两种原因对功角这两种原因对功角的影响是截然相反的：的影响是截然相反的：负荷功率增加，负荷功率增加，功角功角减小；减小；原动机输入功率增加，原动机输入功率增加，功角功角增大；增大；按负荷功率波动设计的电功率反馈的按负荷功率波动设计的电功率反馈的PSSPSS，在原动机，在原动机输入功率波动时必然对输入功率波动时必然对功角功角产生相反的作用，表产生相反的作用，表现为负阻尼，使波动加剧，称之为现为负阻尼，使波动加剧，称之
9、为“反调反调”。按电角速度反馈的按电角速度反馈的PSSPSS则没有则没有“反调反调”现象。现象。第17页，本讲稿共74页线性最优励磁控制性能指标：求解令J为最小的控制U，就得到线性最优励磁控制输出方程：第18页，本讲稿共74页3.2励磁控制系统典型接线方式励磁控制系统典型接线方式（励磁方式）及特点（励磁方式）及特点励磁方式，实际上就是同步发电机励磁绕组的供电方式。根据励磁电源的来源进行分类：（1）它励；（2）自励；它励：励磁电源取自同步发电机以外的电源。直流励磁机（用作励磁电源的发电机）或交流励磁机（加整流器）；自励：励磁电源取自同步发电机自身（变压器或定子专用绕组）；第19页，本讲稿共74页
10、直流励磁机同轴，主、副励磁机；直流电机的缺点：电刷和整流子已逐渐退出励磁应用领域。第20页，本讲稿共74页交流励磁机同轴，交流主励磁机和永磁副励磁机；励磁机的工作频率：通常高于50Hz，可以缩小体积；主励磁机100Hz，可以减小励磁电压纹波；副励磁机400500Hz，可以加快调节速度。第21页，本讲稿共74页典型的三机（它励）励磁系统 第22页，本讲稿共74页无刷（它励）励磁系统 第23页，本讲稿共74页它励励磁系统的特点运行方面的特点：（1）励磁电源专用、独立，可靠性高；（2）控制励磁机的励磁电流，响应速度慢；（3）轴系长，易扭振；三机励磁系统开始走下坡路，将逐渐被自并励取代；无刷励磁，巨型
11、发电机的选择。第24页，本讲稿共74页自励励磁系统自并励和自复励；自并励的接线：机端变压器供电；自复励的接线：机端变压器+变流器；第25页，本讲稿共74页自并励励磁系统 第26页，本讲稿共74页自复励励磁系统第27页，本讲稿共74页自并励的特点近端三相短路时的强励能力问题讨论；带时限的继电保护动作问题讨论；系统电压降低时，无功支撑能力问题讨论；需要附加起励设备；无轴系扭振问题；占地面积小，经济性好；全静止部件，运行可靠；响应快，动态稳定性好；自并励有一统天下的势头。第28页，本讲稿共74页3.3励磁调节器的基本组成和工作原理励磁调节器的基本组成和工作原理励磁调节器是励磁控制系统中的智能单元；根
12、据自动控制理论，一个闭环控制系统的基本环节：（1）反馈（测量）环节；（2）给定环节；（3）比较环节；（4）调节计算环节；（5）执行环节；（6）控制对象。习惯上，将励磁调节器分成三个基本组成单元：（1）测量比较单元；（2）综合放大单元；（3）移相触发单元；第29页，本讲稿共74页励磁调节器的测量测量内容：发电机机端电压，发电机励磁电流、励磁电压，有功功率和无功功率等；测量指标：精度和速度；注意两者的折衷。傅氏算法（定子交流电量检测）；霍尔传感器工作原理（转子直流电量检测）；第30页，本讲稿共74页傅氏算法数学描述；离散化的基波分量公式；12点傅氏计算公式基波电压幅值计算公式；基波有功功率和无功功
13、率计算公式；第31页，本讲稿共74页傅立叶级数傅立叶级数的数学描述如下：对于周期为T的函数f（xT）f（x），如果满足狄氏条件，就可以分解为如下形式的傅立叶级数：第32页，本讲稿共74页 傅立叶级数式中，n0，1，2，3，n1，2，3，第33页，本讲稿共74页傅立叶级数的离散化用在工频电量检测时，周期T=2，x=t；微机计算时，需要将“连续积分公式”离散化为“差分求和公式”：将函数值改为采样值、一个周期内的积分改为N项求和，角度变量t改为（2/N）k，则成为：第34页，本讲稿共74页12点傅氏算法公式当n取1，则计算的是基波分量；当N取12，则为12点采样算法；12点傅氏算法公式如下：第35页
14、，本讲稿共74页傅氏算法傅氏级数的n次分量：由两项组成，分别等于幅值为 ，初相角为 的矢量在静止复平面上以角速度nt旋转时，在实轴和虚轴上的投影。在以角速度nt旋转的复平面上，它们可以写成：其中，an是实部，bn是虚部。基波电压幅值计算公式：第36页，本讲稿共74页傅氏算法傅氏级数的n次分量：正弦函数：对比，可得：推导引用的三角公式：第37页，本讲稿共74页 傅氏算法 有功功率和无功功率计算公式：视在功率：式中I为I的共轭。无功功率：有功功率：第38页，本讲稿共74页霍尔传感器霍尔效应；直测式霍尔传感器；磁平衡式霍尔传感器；霍尔电压传感器；第39页，本讲稿共74页霍尔效应霍尔效应是物理学家E.
15、H.Hall于1879年发现的半导体电磁现象：在磁场B和电流Ic的作用下，半导体3-4端将产生正比于磁场强度和电流强度乘积的电动势E。第40页，本讲稿共74页直测式霍尔传感器内置一个恒流源，利用待测电流产生比例磁场，将霍尔电压进行放大输出，就得到正比于磁场（被测电流）的输出电压，称为直测式霍尔传感器；第41页，本讲稿共74页磁平衡式霍尔传感器 内置一个恒流源（图中省略），利用被测电流产生比例磁场，再将霍尔电压进行放大，驱动内置线圈产生去磁磁场，当放大倍数足够大时，合成磁场趋向于零，此时内置线圈补偿电流与被测电流遵循精确的安匝比关系，称为磁平衡式霍尔传感器；第42页，本讲稿共74页霍尔电压传感器
16、在霍尔电流传感器的输入侧，通过标准电阻器将待测电压转换为待测电流，再进行测量。霍尔传感器是检测励磁电流、励磁电压等直流量的最佳选择。第43页，本讲稿共74页励磁调节器的电压给定单元对励磁给定单元的要求：（1）定值稳定；（2）调节平滑；（3）调节范围（70%110%）；（4）调节速度符合要求（0.3%1%/s）；给定与比较单元电路；微机励磁调节器的给定与比较；第44页，本讲稿共74页电压给定与比较电路 第45页，本讲稿共74页发电机电压给定值调节范围整定步骤 电位器电位器R1：用来整定：用来整定Vgmin。整定时，置电压给定电位器为最小值位。整定时，置电压给定电位器为最小值位置（端子置（端子A调
17、至调至COM端，相当于端，相当于R2支路输入为零），给测量电路输支路输入为零），给测量电路输入入Vgmin，调节，调节R1，使放大器输出为零。此时输入电压给定电压，使放大器输出为零。此时输入电压给定电压=Vgmin。电位器电位器R2：用来整定励磁控制器电压调节范围或：用来整定励磁控制器电压调节范围或Vgmax。整定时，。整定时，（此时（此时R1应已整定完毕），置给定电压为最大值（端子应已整定完毕），置给定电压为最大值（端子A、B短接），短接），给测量电路输入给测量电路输入Vgmax，调节，调节R2，使放大器输出为零。至此整定完，使放大器输出为零。至此整定完毕。毕。当给定电位器在行程范围内调节时
18、，对应的电压给定值就在当给定电位器在行程范围内调节时，对应的电压给定值就在VgminVgmax范围内。范围内。第46页，本讲稿共74页微机励磁调节器的给定与比较数字给定：指定一个存储单元存放给定值，指定两个开入通道分别用作增加和减少的命令接口；调节速度：固定增减步长和调节频率，即固定调节速度，调节量正比于增减命令的持续时间；限幅：设置数字上下限幅环节；比较：偏差=测量值-给定值；第47页，本讲稿共74页励磁调节器的综合放大单元任务：（1）综合；（2）放大；综合：（1）线性综合：电压偏差、励磁系统稳定器、电力系统稳定器等线性相加；（2）非线性综合：各种励磁限制器限幅；放大：偏差放大和/或综合信号
19、的放大；第48页，本讲稿共74页典型的综合放大电路 第49页，本讲稿共74页综合放大电路分析综合：（1）线性综合电路 标准加法器电路，各输入信号线性相加，始终有效；（2）非线性综合电路 正、负竞比门电路，各输入信号竞比n选1有效；P点，Q点的电位分析放大：标准的反相放大电路；微机综合放大参见3.5小节。第50页，本讲稿共74页移相触发单元是励磁调节器与晶闸管变流器的接口单元；任务：生成与交流电源电压同步的，相位受控于综合放大单元输出电压（控制电压）的晶闸管触发脉冲。移相原理：用一条与交流电源电压同步的单调曲线与控制电压比较，两者相等时产生触发脉冲。改变控制电压的高低，可以前后移动交点位置，改变
20、触发脉冲产生的时刻或角度，称之为“移相”。有两种常用移相方法：（1）线性移相（锯齿波移相）；（2）余弦移相；第51页，本讲稿共74页移相触发功能的实现方法硬件移相触发电路参见电力电子相关参考书；软件移相触发参见3.5小节；第52页，本讲稿共74页线性移相和余弦移相的原理及特点线性移相：产生一个起于0，止于180且与交流电源电压同步的锯齿波，将其与控制电压比较，两者相等时输出触发脉冲。控制角与控制电压成线性关系：余弦移相：引入一个与交流电源电压同步的余弦信号，将其与控制电压比较，两者相等时输出触发脉冲。控制角与控制电压成余弦关系：第53页，本讲稿共74页三相全控桥输出电压与控制电压的关系三相全控
21、桥输出电压与控制电压的关系将余弦移相与全控桥一起考虑，全控桥的输出电压Ud与控制电压Uk成正比（线性）关系：将线性移相与全控桥一起考虑，全控桥的输出电压Ud与控制电压Uk的关系为：第54页，本讲稿共74页比例式励磁调节器举例功能：具有调压稳压功能，但无功分配不尽合理，也没有励磁限制器功能和PSS稳定器等功能；注意：必须是负反馈！励磁调节器的输入输出特性：输入：发电机机端电压，输出：全控桥输出电压，即励磁电压；参见孙莹：T2-35，曲线体现出负反馈特性。第55页，本讲稿共74页3.4调差与无功分配无功分配是励磁控制系统的三大任务之一。发电机外特性：发电机机端电压与其输出无功功率之间的关系；定义发
22、电机外特性曲线的斜率为发电机无功功率调差系数：正、负调差与零调差及其曲线；第56页，本讲稿共74页调差系数与并列运行的稳定性调差有正负零三种，两机并列运行共有以下6种组合：（1）正正；（2）正零；（3）正负；（4）零负；（5）零零；（6）负负。逐一分析如下：（1）可以稳定分配无功，无功分配量与调差系数成反比；（2）零调差将承担全部无功增量；（3）（6）均不能稳定分配无功。可见正正是唯一选择。第57页，本讲稿共74页无功分配的合理性合理分配无功：按机组容量等比例分配。无功静态分配，可以通过上下平移外特性曲线来实现；无功动态分配，按调差系数自动分配，为了保证无功分配的合理性，要求：并列运行的机组对
23、并列点具有相同的（正）调差系数。第58页，本讲稿共74页励磁调节与调差系数无励磁调节：正调差，调差系数较大；比例式调节：正调差，调差系数与放大倍数成反比；比例积分调节：零调差；零调差不能用=积分调节不能用？为使调差系数不受控制参数的影响，需要专门设置“调差单元”，使调差系数独立可调。第59页，本讲稿共74页调差单元工作原理鉴于励磁调节的终了，电压偏差必将趋向零值的结论，将无功功率（无功电流）部分地迭加于发电机电压测量或电压给定，就可以实现无功调差功能：迭加于测量电压时：迭加于给定电压时：第60页，本讲稿共74页调差单元工作原理当电压偏差趋向于零值时：迭加于测量电压时：迭加于给定电压时：两者的区
24、别仅在于调差系数的符号。第61页，本讲稿共74页硬件调差单元的接线原则要点：提取无功电流分量，将其迭加于被测电压之上。硬件调差单元接线方式有：（1）单相接线方式（杨冠城T2-65）；（2）两相接线方式（孙莹T2-40）；（3）三相接线方式（杨冠城T2-61）。第62页，本讲稿共74页负调差的应用场合对两机共一变的扩大单元接线，必须采用正调差；对一机一变的单元接线，由于并列点在升压变压器的高压侧，机端调差必须为负调差-5%-7%，与由升压变阻抗引起的大约10%左右的正调差相加后，才能得到并列点为3%5%的正调差。第63页，本讲稿共74页3.5 微机励磁调节器与模拟式励磁调节器一样，也分为三大基本
25、组成部分，只是采用数字（软件）方法实现而已：（1）测量比较与调差；（2）调节计算与综合；（3）移相触发；第64页，本讲稿共74页微机励磁的测量比较与调差测量内容：（1）模入量：发电机定子电压、电流、有功和无功等；（2）开入量：发电机出口开关、励磁开关等；（3）开出量：初始励磁的投切，冷却风机起停等；调差计算公式；偏差计算（比较）公式；第65页，本讲稿共74页调节计算PID：线性最优：线性最优：第66页，本讲稿共74页微机励磁调节器的综合计算线性综合：PID+ESS+PSS；非线性综合：内容：各种励磁限制器方法：将所有励磁限制器分为励磁给定限制器和励磁输出限制器两大类，当某励磁限制器动作，将对励
26、磁给定值或对“PID+ESS+PSS”计算所得输出值进行限制。详见“同步发电机微机励磁控制”第67页，本讲稿共74页 软件移相原理简介（1）生成一个同步信号作为中断申请信号；（2）以同步信号为时间基准，将控制角换算成定时器定时的时间常数，交定时器定时；（3）定时时间到，输出第1个触发脉冲的前沿，然后再定时脉冲宽度和定时60；（4）脉宽定时时间到，输出脉冲后沿；（5）60 定时时间到，输出第2个脉冲前沿，第68页，本讲稿共74页微机励磁调节器构成框图和主要软件流程图微机励磁调节器构成框图和主要软件流程图硬件结构框图；软件流程图：（1）主程序框图；（2）中断服务子程序流程图：12点采样；移相触发；
27、频率测量；主程序定时循环与延时控制等等；详见“同步发电机微机励磁控制”第69页，本讲稿共74页3.6 励磁限制器简介作用：保障励磁系统、机组、电力系统安全；两大类型：过励限制和欠励限制；过励限制器简介：（1）最大励磁电流限制；（2）反时限励磁电流限制；（3）无功过载限制；（4）功率单元局部故障强励限制；（5）伏赫限制；欠励限制器简介第70页，本讲稿共74页3.7 电力系统稳定器简介标准型：（1）I型：Figure 8-1Type PSS1ASingle-input PSS第71页，本讲稿共74页 电力系统稳定器简介（2）II型：第72页，本讲稿共74页同步发电机灭磁原理特点：电感电流不能突变，感应电压正比于电流变化率：理想灭磁：励磁电流以最大允许的、恒定不变的衰减速度减小到零值的过程。常用典型灭磁方式：（1）线性电阻灭磁；（2）非线性电阻灭磁：并联型；串联型。第73页，本讲稿共74页本章小结1、励磁控制系统的构成；2、励磁控制系统的三大任务及其相关概念；3、两种应用广泛的励磁方式及其特点；4、励磁调节器的三大基本单元的工作原理；5、傅氏算法（电压、功率测量）；6、软件移相；7、励磁限制器的作用和基本原理；8、电力系统稳定器的作用和基本原理；9、同步发电机灭磁原理；第74页，本讲稿共74页