電力系統(tǒng)自動化 第2章 勵磁自動系統(tǒng)04

第二章同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)（4）王軍Email：wjoyn@163.com2/462023/2/2主要內(nèi)容勵磁調(diào)節(jié)裝置原理勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成1）主控單元，2）信息采集單元，3）調(diào)節(jié)控制輸出單元4）人—機接口調(diào)節(jié)和控制的數(shù)學(xué)模型勵磁調(diào)節(jié)器的輔助控制瞬時勵磁電流控制-（轉(zhuǎn)子電壓極限）最大勵磁限制器OEL-（轉(zhuǎn)子熱極限）最小勵磁限制器UEL-(穩(wěn)定極限)電壓/頻率限制與保護－(鐵芯飽和過熱)發(fā)電機失磁監(jiān)控數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的可靠性（雙重化）數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的軟件3/462023/2/2第六節(jié)勵磁調(diào)節(jié)裝置原理

勵磁調(diào)節(jié)單元（自動調(diào)壓器）的最基本部分是一個閉環(huán)比例調(diào)節(jié)器，它的輸入量是發(fā)電機電壓，輸出量是勵磁機的勵磁電流或者是發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流他的功能有二：1、保持發(fā)電機端電壓不變2、保持并聯(lián)機組間的無功負荷的合理分配4/462023/2/21勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程機電型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器

機電型勵磁調(diào)節(jié)器的任務(wù)是調(diào)節(jié)電壓，其調(diào)節(jié)線圈中的電流與發(fā)電機電壓成正比，調(diào)節(jié)線圈中產(chǎn)生的磁場力作用于變阻器，從而改變勵磁機磁場電阻以達到調(diào)節(jié)電壓的目的。由于它操作中需要克服摩擦力，故而具有不靈敏區(qū)5/462023/2/21勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程機電型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器

電磁型勵磁調(diào)節(jié)器是以磁放大器為基礎(chǔ)，構(gòu)成電磁型電壓調(diào)節(jié)器，各個單元均由電磁單元構(gòu)成，時間常數(shù)較大，但是可靠性高，任務(wù)是維持電壓水平和無功功率分配6/462023/2/21勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程機電型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器

電子型勵磁調(diào)節(jié)器是以電子元件為基礎(chǔ)所構(gòu)成的，沒有時間滯后，綜合放大能力強，發(fā)展成為“對勵磁系統(tǒng)具有多種綜合控制調(diào)節(jié)能力的勵磁調(diào)節(jié)器”。基本上由“調(diào)差”“測量比較”“綜合放大”“移相觸發(fā)”等單元組成，實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和無功負荷分配等基本調(diào)節(jié)功能7/462023/2/21勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程機電型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器

數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器實質(zhì)上是一臺專用的微型計算機勵磁控制系統(tǒng)，核心是主機，主機通過總線、接口電路與具體的控制對象的過程通道連接，采集發(fā)電機組的運行狀態(tài)信息，輸出脈沖調(diào)節(jié)勵磁功率單元（晶閘管），實現(xiàn)對發(fā)電機勵磁的綜合調(diào)節(jié)控制。8/462023/2/22數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成1主機（主控單元）4人—機接口2信息采集單元3調(diào)節(jié)控制輸出單元9/462023/2/2（1）主控單元CPU部分總線接口存儲器部分10/462023/2/2（1）主控單元CPU部分總線接口存儲器部分

主控單元可以通過總線采集發(fā)電機組的運行信息，存入存儲區(qū)形成實時數(shù)據(jù)庫，主機可以從實時庫中調(diào)取相關(guān)信息進行調(diào)節(jié)計算、邏輯判斷等各種控制功能。

在數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器上增設(shè)輔助控制功能無需增加特定的硬件設(shè)備，這是與電子型相比的最顯著的區(qū)別。11/462023/2/2（2）信息采集單元電壓調(diào)節(jié)/無功功率分配勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定器電力系統(tǒng)穩(wěn)定器勵磁系統(tǒng)限制器采集發(fā)電機電壓、電流及反映機組運行的開關(guān)量采集發(fā)電機頻率和勵磁機電流等模擬/數(shù)字量過程通道A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字量輸入總線接口CPU12/462023/2/2模擬量輸入通道1、發(fā)電機電壓/電流過程通道發(fā)電機的電壓過程通道：將TV二次側(cè)輸出的100V再經(jīng)過TMV轉(zhuǎn)換為A/D的量程以內(nèi)，同時也起到了電氣隔離的作用。發(fā)電機的電流過程通道：將TA二次側(cè)的5A轉(zhuǎn)換為A/D所能接受的電壓信號(中間變流器或者霍爾元件等)，且在其量程以內(nèi)，也起到了電氣隔離的作用13/462023/2/2模擬量輸入通道2、勵磁電流過程通道

直接測量法：將直流/直流變送器串入轉(zhuǎn)子回路中，將直流電流轉(zhuǎn)換為直流電壓間接測量法：全控整流橋的交流側(cè)電流與轉(zhuǎn)子直流電流成正比，因此，經(jīng)過TA測量出交流側(cè)電流而間接得到轉(zhuǎn)子電流14/462023/2/2模擬量輸入通道3、濾波電路直流濾波電路：保證直流成分，去掉諧波成分交流濾波電路:提取有用信號，濾出諧波和直流等常用濾波電路型式：巴特沃思、鍥比雪夫、貝塞爾15/462023/2/2數(shù)字量輸入通道及A/D數(shù)據(jù)采集數(shù)字量采集:斷路器狀態(tài)、操作盤上開關(guān)狀態(tài)、輸入調(diào)節(jié)量增/減控制信息等。一般采用光電耦合器來進行電氣隔離。A/D轉(zhuǎn)換接口電路主要是將模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可以接受的二進制數(shù)字信號AD主要技術(shù)指標：分辨率、量程、轉(zhuǎn)換時間、轉(zhuǎn)換精度。A/D轉(zhuǎn)換板接口電路由模擬多路切換開關(guān)MUX、程控放大器、采樣保持器S/H、A/D轉(zhuǎn)換器和定時與邏輯控制等部件構(gòu)成。16/462023/2/2（3）調(diào)節(jié)控制輸出單元勵磁調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量為控制勵磁功率單元的移相觸發(fā)脈沖，輸出的控制信號有保護跳閘觸點信號、報警信號等。移相觸發(fā)單元的任務(wù)：為了使全控（半控）整流橋正常工作，需要使晶閘管按照一定的次序?qū)?，也就需要按照一定的次序?qū)чl管門極施加觸發(fā)脈沖移相觸發(fā)單元的要求：1、觸發(fā)脈沖移相范圍要求符合相應(yīng)的可控整流電路的要求。2、觸發(fā)脈沖具有足夠的功率使晶閘管可靠地導(dǎo)通3、觸發(fā)脈沖上升沿要陡（10微秒），要有一定的寬度4、觸發(fā)單元與主電路相互隔離以保證安全5、在整個移相范圍內(nèi)保證各相的觸發(fā)脈沖控制角一致17/462023/2/2移相觸發(fā)單元

同步整形電路：將同步變壓器二次側(cè)電壓整形成方波，其上升沿作為控制角的計時起點。18/462023/2/2移相觸發(fā)單元

主控制單元輸出的數(shù)字量數(shù)據(jù)裝入到計數(shù)寄存器，同步電壓經(jīng)過隔離、電平轉(zhuǎn)換，在電壓過零點處形成正脈沖，加到Gate端，使計數(shù)器開始計數(shù)（作減法），計數(shù)結(jié)束時輸出端的低電平信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后形成觸發(fā)脈沖輸出，他與同步電壓過零點間的相差的時間就是相移角19/462023/2/2移相觸發(fā)單元

整流器接口電路：實現(xiàn)光電電氣隔離，具有測量整流橋輸出電流，并監(jiān)視橋臂電流和部件運行狀態(tài)。

門極驅(qū)動電路：用于放大脈沖，使之與晶閘管觸發(fā)水平相當，具有足夠的功率，脈沖具有一定的陡度、幅度和寬度。20/462023/2/2（4）人——機接口人—機接口滿足：1、程序調(diào)試2、參數(shù)設(shè)定與維護3、運行操作21/462023/2/23調(diào)節(jié)控制的數(shù)學(xué)模型PID調(diào)節(jié)控制的算法方程式：PID差分變換的離散方程式：22/462023/2/2PID調(diào)節(jié)位置式增量式

增量式PID調(diào)節(jié)算法與位置式并無本質(zhì)區(qū)別，由于輸出增量，計算誤差或精度對控制量影響較小，控制作用不會發(fā)生大幅度的變化，而且輸出只與最近幾次采樣值有關(guān)，容易獲得較好的控制效果23/462023/2/2勵磁調(diào)節(jié)器的基本調(diào)節(jié)方式1、電壓調(diào)節(jié)（比例式調(diào)節(jié)方式）2、電壓調(diào)節(jié)附加無功功率分配24/462023/2/24勵磁調(diào)節(jié)器的輔助控制勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)輔助控制滿足：1、發(fā)電機在進相運行時，發(fā)電機最小勵磁電流值應(yīng)該限制在發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定極限和發(fā)電機定子端部發(fā)熱允許的范圍內(nèi)，為此需要設(shè)立“最小勵磁限制器”2、為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，勵磁系統(tǒng)具有高起始響應(yīng)特性，勵磁電流過大，則會危及發(fā)電機的安全，故而需要限制強勵頂值電流，為此需要設(shè)置“瞬時電流限制器”輔助控制與正常控制的區(qū)別在于：輔助控制不參與正常調(diào)節(jié)，僅在發(fā)生非正常工況時，特定的限制輔助功能才起作用。輔助控制包括：瞬時勵磁電流控制、最大勵磁限制器、最小勵磁限制器電壓/頻率限制與保護、發(fā)電機失磁監(jiān)控25/462023/2/2(0)發(fā)電機運行狀態(tài)——定轉(zhuǎn)子熱極限定子電流限制：轉(zhuǎn)子電流限制：26/462023/2/2(0)發(fā)電機運行狀態(tài)－端部熱極限電樞端部熱極限：疊片渦流，進相時，漏磁通增加更加明顯27/462023/2/2(0)發(fā)電機運行狀態(tài)——靜態(tài)穩(wěn)定極限aSMIB28/462023/2/2(0)發(fā)電機運行狀態(tài)——靜態(tài)穩(wěn)定極限b29/462023/2/2(0)發(fā)電機運行狀態(tài)——靜態(tài)穩(wěn)定極限c穩(wěn)定極限δ＝90o30/462023/2/2(0)發(fā)電機運行狀態(tài)——靜態(tài)穩(wěn)定極限d31/462023/2/2發(fā)電機失磁保護-機端測量阻抗判據(jù)機端測量阻抗判據(jù)等有功圓靜穩(wěn)極限圓RjX-jXd-jXd’jXsP1P2aa?bb’cc?阻抗靜穩(wěn)極限圓PQ靜穩(wěn)極限圓等價否？32/462023/2/2兩個靜穩(wěn)極限圓——等價關(guān)系阻抗靜穩(wěn)極限圓PQ靜穩(wěn)極限圓等價否？33/462023/2/2（1）瞬時勵磁電流控制

為了滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，大容量發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)必須具有高起始響應(yīng)的性能。

通常采用高勵磁頂值的方法來提高勵磁機輸出電壓的起始增長速度(斜率大)高值勵磁電壓將會危及勵磁機及發(fā)電機的安全，為此設(shè)置了“瞬時勵磁電流控制器”具體控制——當勵磁電流超過發(fā)電機允許的勵磁頂值，立即限制勵磁電流為34/462023/2/2（2）最大勵磁限制器最大勵磁限制是為了防止轉(zhuǎn)子繞組長時間過勵磁而采取的措施。為了保證發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱的安全，勵磁系統(tǒng)強勵時間不允許超過規(guī)定值。若超過允許時間，勵磁電流仍然降不下來，則執(zhí)行最大勵磁限制。他有兩個設(shè)定值：1、強勵頂值電流限制值

2、連續(xù)運行允許的過熱限制值轉(zhuǎn)子電壓標么值允許時間(s)轉(zhuǎn)子電壓標么值允許時間(s)1.121201.46301.25602.081035/462023/2/2（2）最大勵磁限制器(OEL)

只要勵磁電流超過過熱限制值，勵磁調(diào)節(jié)器就會啟動一個過熱電力積分器：勵磁電流限制值為調(diào)節(jié)器按恒勵磁電流運行勵磁電流限制值為調(diào)節(jié)器按恒勵磁電流運行36/462023/2/2（3）最小勵磁限制器(UEL)Q增加（AC）失去穩(wěn)定穩(wěn)定極限考慮裕度的穩(wěn)定極限P增加（AB）失去穩(wěn)定需要增加最小勵磁限制37/462023/2/2（3）最小勵磁限制器(UEL)發(fā)電機在實現(xiàn)欠勵限制時，考慮留有一定的穩(wěn)定儲備后，限制值為一直線調(diào)節(jié)器發(fā)出欠勵限制信號，勵磁電流不再減少38/462023/2/2UEL考慮的三個限制欠勵限制器失磁繼電器小信號穩(wěn)定靜態(tài)極限過勵欠勵容量極限39/462023/2/2（4）電壓/頻率限制與保護U/f比超過限制值的原因：1、發(fā)電機甩負荷或者解列2、發(fā)電機組啟動時誤投勵磁開關(guān)3、系統(tǒng)故障使頻率降低在規(guī)定的時間內(nèi)，仍然，則跳主開關(guān)滅磁延時滅磁。限制限制磁通限制器：防止發(fā)電機/變壓器鐵心過熱40/462023/2/2（5）發(fā)電機失磁監(jiān)控

發(fā)電機“失磁”是指發(fā)電機在運行中全部或者部分失去勵磁電流，使轉(zhuǎn)子磁場減弱或者消失，這是發(fā)電機運行中可能發(fā)生的一種故障狀態(tài)。造成發(fā)電機失磁的原因：1、勵磁開關(guān)誤跳閘2、勵磁機或晶閘管勵磁系統(tǒng)元件損壞或發(fā)生故障3、自動滅磁開關(guān)誤跳閘4、轉(zhuǎn)子回路某處斷線及誤操作發(fā)電機組均配置有失磁保護，還設(shè)置了失磁監(jiān)視功能41/462023/2/2發(fā)電機失磁保護低電壓判據(jù)逆無功判據(jù)機端測量阻抗判據(jù)等有功圓靜穩(wěn)極限圓RjX-jXd-jXd’jXsP1P2aa?bb’cc?42/462023/2/25數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的可靠性1、主控單元雙重化配置2、勵磁功率單元雙重化3、勵磁電流測量雙重化4、雙電源配置5、TV/TA的雙重化可靠性提高多少？(1)單套(2)雙套不切換(3)雙套切換43/4