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1、 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）辽 宁 工 业 大 学 电力系统自动化 课程设计（论文）题目： 500MW汽轮机组励磁机励磁控制系统设计院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间：2013.12.16 12.31 本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化学 号 学生姓名 专业班级 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
2、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
3、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 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要在电力系统运行中，同步发电机的励磁系统对于维持发电机端电压、分配并列运行机组之间的无功分配、提高电力系统稳定性等方面起着重要的作用。并且，励磁控制系统是同步发电机的一个重要组成部分，在保证电能质量、无功功
4、率合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面起着十分重要作用。同步发电机励磁控制器是同步发电机控制系统的核心，本文采用了PID控制系统设计了500MW汽轮机组励磁机励磁控制系统，该系统是一个典型的反馈控制系统，PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。本设计进行了模糊自调整PID 控制设计，克服了传统PID 控制非线性差、对模型要求高的缺点,并深入进行了基于免疫算法的模糊PID 控制设计,把生物学中的细胞免疫原理用于模糊PID 控制器中，加强了控制器的自我校正能力，自适应能力，提高了控制精度和速度。关键词：励磁；Matlab仿真；PID控制目 录第1章
5、 绪论11.1 励磁自动控制系统概况11.2 本文设计内容1第2章 发电机励磁系统设计32.1 励磁控制系统功能32.2 励磁控制系统总体设计方案32.3 励磁控制系统测量比较单元电路设计42.3.1电压的测量52.3.2 比较整定52.3.3 比较整定电路的整定6第3章 系统传递函数的建立73.1 他励直流励磁机的传递函数建立73.2 励磁器各单元的传递函数83.2.1 电压测量比较单元83.2.2 综合放大单元83.2.3 功率放大单元93.3 励磁控制系统的传递函数93.4 同步发电机的传递函数10第4章 PID控制与系统的仿真分析114.1 系统仿真模型的设计114.2 系统性能的分析
6、12第5章 课程设计总结13参考文献14I第1章 绪论1.1 励磁自动控制系统概况同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器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。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈闭环控制系统。励磁系统主要作用是为同步发电机励磁绕组提供直流电流，并且励磁调节器通过控制励磁电压及励磁电流，担负着对电力系统稳定运行的控制和保护功能。按提供励磁功率的方式, 励磁系统分为他励和自励两种形式，前者的励磁功率取自与发电机同轴的励磁发电机,后者的励磁功率由发
7、电机定子提供。对目前存在的自励系统,其励磁功率是由同步发电机的机端电压经励磁变压器降压, 再由可控硅相控整流器整流后向发电机提供励磁电压, 在线检测机端电压和负载电流,按照一定的规律来调节相控整流器的控制角,以满足系统的增、减磁的需要。电机励磁控制是保证发电机和电力系统安全稳定运行和改善电力系统动态品质的一项基本措施。随着电力系统的发展，对发电机励磁提出了更高的要求。除了维持发电机电压水平，合理分配并联机组的无功功率外，还要求励磁控制系统能对电力系统的静态和动态稳定及暂态稳定起作用。国内外的研究和实践证明，励磁控制系统不仅能提高电力系统稳定运行极限，而且通过附加控制，能抑制低频振荡和次同步振荡
8、，对电力系统稳定运行有显著效果。1.2 本文设计内容本文根据发电机励磁系统的基本原理设计了500MW汽轮机组励磁机励磁控制系统。励磁系统已经是电力系统的重要组成部分，它直接影响发电机和整个电力系统的运行特性。励磁系统根据负载电流、功率因数、端子电压的变化而自动调节励磁电流，达到保持发电机机端电压稳定的目的。励磁系统的可靠性对电网的安全运行至关重要。随着发电机和电网技术的逐渐完善，发电机励磁系统也出现了很多种形式，自并励励磁就是其中的一种。自并励励磁系统以其结构简单、造价成本低、故障率低、维护方便等很多优点受到人们的青睐。当然，自并励励磁系统还有很多问题需要解决，出于自并励励磁系统的应用前景，最
9、近一段时间，自并励励磁系统成为研究的热点。通过设计基本参数达到如下要求：1、水轮发电机容量500MW，功率因数0.8，定子额定电压20KV，空载额定转电压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。5 、自动电压调节范围：90110。6 、起动升压至额定电压时，超调量不大于10。第2章 发电机励磁系统设计2.1 励磁控制系统功能励磁控制器、励磁功率单元和同步发电机共同组成的反馈系统即是励磁控制系统。励磁功率单元负责向发电机转子提供直流励磁或交流励磁电流；励磁控制器负责根据检测到的发电机的电压、电流或其他状态量的输入信
10、号，按照给定的励磁控制准侧自动调节励磁功率单元的输出。根据运行方面的要求，同步发电机励磁控制系统任务：1. 电压调节：在电力系统运行的过程中，同步发电机电压会随负荷波动而变化，这就要求发电机励磁系统对励磁电流进行调节，以维持发电机电压在给定水平。2. 控制无功功率分配：在电力系统运行的过程中，大多数发电机呈并列运行，为保证系统电压稳定和无功的合理分布，需要对发电机励磁进行调控，以保证并联运行机组无功功率的合理分配。3. 提高同步发电机并联运行的稳定性：在电力系统的正常运行中，由于各种因素，电网可能遭受干扰，在扰动后，发电机组需要恢复到原来的运行状态或过渡到一个新的运行状态，这需要对发电机励磁进
11、行调节，以期尽快恢复。2.2 励磁控制系统总体设计方案发电机处于正常运行时，励磁电源取自发电机电压；发电机在正常运转之前无法提供励磁电流，所以发电机起励时要外加起励电源。为了提高起励电源的可靠性，一般选用厂用交流电和直流蓄电池两种方式共同供电，其中，厂用交流电需经过降压整流后，供给励磁绕组进行起励。当程序判断出机端电压达到额定电压时此值可在线修改，自动发出一个控制信号，断开接触器，切断起励电源，进入正常调节升压。采集系统采集的模拟量应包括发电机端电压、电网瞬时电压、定子电流、励磁电压以及励磁电流。各电压互感器、电流互感器所得交流信号，励磁电压、励磁电流经隔离后，进入模拟量输人通道转换成数字量，
12、由主控系统滤波处理后，经过均方根算法，计算出机端电压、系统电压、定子电流的有效值、有功功率、无功功率、功率因数以及励磁电流、励磁电压的平均值，这些状态反馈信号数据供控制器进行计算和分析使用，同时将A相电压经同步方波变换电路得到同步信号，供频率检测和同步脉冲触发使用。为了保证控制调节的实时性，程序在计算模块中首先对采集到的最新模拟量进行计算，按照控制算法推算出三相全控桥的移相触发角，然后将此触发角换算为定时器的计数值，到达定时值时利用DSP芯片上的电机控制PWM模块产生控制脉冲，此脉冲经隔离和功率放大后去触发三相全控桥，来控制励磁电流的大小。当发电机机端电压的测量值低于给定值时，增大励磁电流，使
13、机端电压上升；反之，减小励磁电流，从而达到控制和调节发电机机端电压和无功功率的目的。控制器还将根据现场输人的操作和状态信号进行逻辑判断，实现各种运行方式所需的励磁调节和限制、保护、检测、故障判断等功能。图2.1励磁控制系统总体结构框图2.3 励磁控制系统测量比较单元电路设计本设计的测量比较单元的作用是测量发电机端电压并变换为直流电压，与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号。测量比较单元由电压测量、比较整定环节组成。2.3.1电压的测量电压测量的是将机端三相电压经过变压器降压、桥式整流整流、滤波后转换成的直流电压。如图2.2所示，三相电压由变压器左端输入，经过两个变压器变压之后，降压后的三相
14、电压分别送至三相桥式整流器整流成直流电压，再经RC滤波器滤波后，得到正比于机端电压的直流电压。图2.2 电压测量环节原理图2.3.2 比较整定经电压测量环节输出的正比于机端电压的直流电压通过运算放大器与来自电压整定器的给定电压进行比较，取得偏差信号，送综合放大单元。在这里，运放输出即为电压偏差信号,如图2.3所示。图2.3 比较整定电路原理图从测量整流电路来的电压正比于发电机电压,作为加法器的一个输入量，加法器的灵两个输入量是比较整定电路的整定电压，其中是取自稳压管VZ的恒定负电压，是可变的整定电压。先考虑前两个输入量，若该两路运放的闭环放大倍数分别为,则比较整定电路输出电压为：=（-）上式中第一项为随机发电机端电压而变化的量，第二项是一恒定量。2.3.3 比较整定电路的整定当整定电压随变化时，而固定电压与调压器最小整定电压值有关。具体调节如下： 电位器用作电压调节范围整定，其阻值减小，电压调节范围增加；其阻值增加，电压调节范围减小。当最小电压整定后，调节范围的大小决定了发电机运行电压的上限。整定时，置给定电压为最大值，模拟输入机端电压为预定上限电压，调节，AJ的输出为0V。电位器用最下电压整
