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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 3.6.1 励磁调节器的发展及分类 3.6.2 数字式励磁调节器原理 数字式励磁调节器的基本环节和构成 调节和控制的数学模型 励磁调节器的运行 3.6.3 数字式励磁调节器软件 概述 主程序框图 3.6.1 励磁调节器的发展及分类 （一）机电型电压调节器 3.6.1 励磁调节器的发展及分类 （二）磁放 大器型电 压调节器 3.6.1 励磁调节器的发展及分类 典型产品： KFD-3型相复励装置 特点：KFD-3型基于磁放大器原理的相复励装置。 它响应应速度慢，动态动态 性能差； 它的放大倍数有限，装置的静态态特性精度较较差；
2、 它的输输出功率较较小；它的结结构复杂杂笨重，调试调试 困难难，且耗费费大 量金属材料。 运行稳稳定性较较差，在同一母线线上并列运行两台机组组容易产产生“抢抢 无功”的现现象。 运行情况： 从初步调查情况来看，90%以上的KFD-3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。 己成为技改对象 3.6.1 励磁调节器的发展及分类 （三）电子（半导体）型电压调节器 3.6.1 励磁调节器的发展及分类 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 0 1s，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 标较差；分立元件的热稳定性差，
3、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。 应用情况： 从上个世纪70年代在我国开始推广应用半导体励磁调 节器以来,已在许多电站长期使用。 3.6.1 励磁调节器的发展及分类 （四）微机型电压调节器 特点： 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； 可实现完备的励磁限制和保护功能。 应用情况： 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 （一）数字式励磁调节器的基本环节及构成 （1）分类 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 控制主机和移相触发电路。 全数字微
4、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 （2）非全数字式励磁调节器构成 3.6.2 数字式励磁调节器原理 （3）全数字式励磁调节器构成 3.6.2 数字式励磁调节器原理 （4）测量单元原理 滤波、光电隔离、采样保持、数据缓存以及A/D的作用 典型的滤波电路：型、型以及桥式滤波电路 3.6.2 数字式励磁调节器原理 （5）主控制单元原理 主控制单元的输入信号 3.6.2 数字式励磁调节器原理 主控制单元的结构 3.6.2 数字式励磁调节器原理 （6）移相触发单元原
5、理 结构：如下图 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 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。 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 系，一般由同步变压器获得同步电压信号。 3.6.2 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: 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 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 单相同步整形电路 3.6.2 数字式
6、励磁调节器原理 单相同步信号 3.6.2 数字式励磁调节器原理 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 移相触发单元脉冲时序图 3.6.2 数字式励磁调节器原理 脉冲形成及放大 双窄脉冲产生 及放大电路 SCR 1 SCR 3 SCR 5 SCR 4 SCR 6 SCR 2 3.6.2 数字式励磁调节器原理 （7）人机接口 功能： 程序调试 参数设定与维护：PID调节参数，调差系数等 运行操作：起励、灭磁、增减控制等 参数显示：监测的电压、电流、功率及功率因素显示 3.6.2 数字式励磁调节器原理 （二）调节和控制的数学模型 （1）概述 PID原理框图 x x
7、c e(t) P y(t) I D 3.6.2 数字式励磁调节器原理 a. 位置型PID调节算法 位置型PID控制算法的基本思路是对连续PID公式进 行离散化。 位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中 要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算 误差。 3.6.2 数字式励磁调节器原理 b. 增量型PID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 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。 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 会对生产造成恶劣影响。 3.6.2 数字式
8、励磁调节器原理 （2）励磁调节器的调节模式 恒机端电压调节（自动）模式 恒励磁电流调节（手动）模式 恒无功功率调节模式 恒功率因数调节 3.6.2 数字式励磁调节器原理 a. 恒机端电压（自动）调节方式 不考虑调差 考虑调差 3.6.2 数字式励磁调节器原理 b. 恒励磁电流调节（手动）模式 3.6.2 数字式励磁调节器原理 c. 恒无功功率调节模式 3.6.2 数字式励磁调节器原理 d. 恒功率因素调节模式 3.6.2 数字式励磁调节器原理 （3）励磁调节器的辅助控制 辅助励磁控制的必要性： 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 电流
9、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 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 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 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 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 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 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
10、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 最小励磁限制（也称之为“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。 曲线B外侧的阴影区属 不稳定区，而圆内任 意点属稳定区。 3.6.2 数字式励磁调节器原理 因素二、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
11、 着发电机进相程度的增大，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。 3.6.2 数字式励磁调节器原理 因素三、留有适当的裕量 在P-Q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， 将发电机的功率运行点（P、Q）限制在这条 最小励磁限制线之上。 3.6.2 数字式励磁调节器原理 b. 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 长速度由于电力系统稳定的要求，大容量发电
12、机组的励磁系统 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。 3.6.2 数字式励磁调节器原理 c. 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 磁而采取的安全措施。 限制见P92页表3-1。 d. V/Hz（伏/赫）限制 V/Hz（伏/赫）限制器，用于防止发电机的端电压与 频率的比值过高，避免发电机及与其相连的主变压器 铁芯饱和而引起的过热。 最大励磁限制器反时限特性见P92页图3-67。 3.6.2 数字式励磁调节器原理 （三）励磁调节器的运行 （1）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 （3）信号显示：各种
13、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 Working Q/C模式 Q/C -mode 电流模式 M-mode 电压模式 A-mode M S 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 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
14、key Display and set key Signal lamp LCD 3.6.2 数字式励磁调节器原理 （4）调节器的可靠性 主控制单元的双重化配置 励磁功率单元的双重化配置 励磁电流测量的双重化 双重电源的配置 PT的双重化 3.6.2 数字式励磁调节器原理 双调节 器方案 3.6.2 数字式励磁调节器原理 双调节器的硬件结构 3.6.2 数字式励磁调节器原理 双调节器的切换电路 3.6.2 数字式励磁调节器原理 PT断线的监测： q电压突变法 原理：断线时，故障相电压突变，电流无明显变化 缺点：电压电流同时突变，可能引起误判。 q电压三角形面积判别法 原理：断线时，三相电压形成的电压三角形面积为 零 3.6.3 调节器软件 （一）单调节器 的主程序 a.系统初始化 b.模拟信号采样 c.限制和保护判 断 d.调节计算 e.脉冲产生与输 出 f.监控与自诊断 3.6.3 调节器软件 （二） 双调 节器 的主 程序 流程 图 3.6.3 调节器软件 （三）中断程序流 程图
