励磁机励磁控制系统设计..doc
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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：
励磁机励磁控制系统设计
（1）
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
电气084
学号：
080303109
学生姓名：
张英福
指导教师：
（签字）
起止时间：
2011.12.26—2012.01.06
-15-
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：
电气工程学院
学号
080303109
学生姓名
张英福
专业班级
电气084
课程设计题目
励磁机励磁控制系统设计
（1）
课程设计（论文）任务
基本参数及要求：
1发电机容量200MW，功率因数0.85，定子额定电压18KV，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1.8，不小于10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：
80％～120％。
6起动升压至额定电压时，超调量不大于10％。
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。
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
电力系统在现在社会的发展十分迅猛。
计算机技术、控制理论、电力电子技术的发展也促进了自并励励磁制造技术逐渐趋向于成熟、稳定、可靠。
本文是将励磁自动控制系统拆分成各个环节，明确各个环节的作用以及它们的工作原理，从而推导出系统总的工作原理并设计发电机自并励励磁自动控制系统。
以同步发电机励磁自动控制系统作为研究对象,针对同步发电机励磁控制方式现状,在研究模糊控制的基础上,将模糊PID控制用于同步发电机励磁控制系统。
并对所设计的模糊PID励磁控制器进行优化。
本文主要内容是进行了模糊自调整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：
最优控制理论；励磁系统；仿真
目录
第1章绪论 1
1.1励磁自动控制系统概况 1
1.2本文主要内容 1
第2章励磁控制系统硬件设计 3
2.1励磁控制系统功能 3
2.2励磁控制系统总体设计方案 3
2.3励磁控制系统测量比较单元电路设计 4
2.3.1电压测量 4
2.3.2比较整定 5
2.3.3比较整定电路的整定 6
第3章系统传递函数的建立 7
3.1他励直流励磁机的传递函数建立 7
3.2励磁器各单元的传递函数 8
3.2.1电压测量比较单元 8
3.2.2综合放大单元 8
3.2.3功率放大单元 9
3.3励磁控制系统的传递函数 9
3.4同步发电机的传递函数 10
第4章系统仿真与分析 11
4.1仿真模型的建立 11
4.2系统性能的分析 13
第5章课程设计总结 14
参考文献 15
第1章绪论
1.1励磁自动控制系统概况
励磁系统的控制性能不仅影响着电力系统中电能质量、电压的稳定,系统的功率因数和稳定运行极限,而且影响着电力系统的暂态性能、动态性能,特别是对系统的低频振荡,次同步振荡的抑制。
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，对电力系统稳定运行有显著效果。
1.2本文主要内容
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，最近一段时间，自并励励磁系统成为研究的热点。
自并励励磁系统在最近一些年发展势头非常迅猛，在水轮发电机上应用广泛，励磁系统的电压依赖于发电机出口电压，人们一直担心励磁系统的强励能力和发电机出口侧发生短路时对发电机励磁系统的影响问题。
当前，我国随着电力系统负荷的急剧增加，电力系统结构和运行方式越来越复杂多变，电力系统仿真的重要性也越来越突出。
MATLAB软件提供了一个用于电力系统专业领域的、具有仿真、分析与计算功能的工具箱，也是众多电力系统仿真软件中较为优秀的其中之一。
在仿真研究方面，本文致力于研究如何在MATLAB仿真环境下，实现对励磁控制系统的仿真建模，并通过仿真实验，对励磁系统的研发提供必要的实验数据。
第2章励磁控制系统硬件设计
2.1励磁控制系统功能
励磁调节单元（即自动调压器）的最基本部分是一个闭环比例调节器。
他的输入量是发电机电压，输出量是励磁机的励磁电流或发电机转自电流，统称为。
它的主要功能有二：
一是保护发电机的端电压不变；其次是保持并联机组间的无功电流的合理分配。
同其他的自动调节装置一样，也可以把自动励磁调节系统理解为：
人工对“调节励磁电流的长期操作经验进行了总结”的产物。
2.2励磁控制系统总体设计方案
在自并励励磁控制系统中，励磁电源取自发电机机端电压，发电机正常运转之前，不能提供励磁电流，所以发电机起励时要外加起励电源，一般为提高励磁电源的可靠性，选用厂用交流电和直流蓄电池两路供电，对于前者经过降压整流后，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，进人正常调节升压。
在发电机正常工作时，励磁电源由接在发电机机端的励磁变压器提供，经三相全控桥整流后供给发电机励磁电流。
控制部分负责将电量采集送人DSP芯片，经过实时计算后送人控制器，经过控制算法处理后输出控制量，即三相全控桥的触发角仅通过触发角的改变来控制发电机励磁电流的大小。
装置采集的模拟量包括发电机机端电压、系统电压（电网电压）、定子电流、励磁电压、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，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（后续章节简称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电压测量
电压测量是将机端三相电压降压、整流、滤波后转换成一较下波纹的直流电压。
如图2.2所示三相电压由端子8、10和12输入，两个单项变压器和接成“V”型，作三相电压降压和隔离之用。
降压后的三相电压分别经、、三个相位平衡调节电位器，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信号。
电位器、、主要用作相位平衡调整，通过改变其大小，使进入三相整流桥的三相电压趋于对称，从而使整流后的直流电压对称，减小波纹，有利于滤波和减小时延。
同时这些电位器对电压调节范围的上下限及电压偏差检测的增
益均有影响，因此，调定后不应随意在作改变。
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2.3.2所示。
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。
图2.3比较整定电路原理图
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：
电位器用最下电压整定，其阻值减小，发电机运行电压下限降低；阻值增加，运行电压下限升高。
整定时只有固定部分经输入运放，变动部分五输入，模拟输入机端电压为预定下限电压，调节使AJ输入为0V。
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。
电位器用作运算放大器AJ的增益系数的调整。
增益范围1~10倍。
电压整定器主要用作电压水平的给定和调整，由微型控制电机和可调电位器构成。
电位器与控制电机同轴，电机正转或反转便带动电位器的滑动触电移动，达到改变给定电压的目的。
第3章系统传递函数的建立
3.1他励直流励磁机的传递函数建立
如图3.1所示，图中，分别为励磁机输出电压和他励绕组的输入电压。
他励绕组的电压平衡方程为：
=+
当不计转速变化时，励磁机的内电动势与磁链成正比，近似地认为励磁机电压正比于。
他励电流和的关系取决于励磁机的饱和特性曲线，不计饱和时为一条曲线。
根据上述情况有下列关系：
=K
一、不计饱和时：
=K=
函数为：
G（s）==（励磁系统不计饱和的传递函数）
如图3.1所示
图3.1他励直流励磁机的传递函数框图
二、计饱和时定义饱和函数为：
=
传递函数为：
G（s）==
所以，他励直流励磁机的传递函数框图如图3.2.在图中考虑了励磁机端电压与其对应的同步发电机励磁电动势的换算关系。
图3.2他励直流励磁机规格化框图
3.2励磁器各单元的传递函数
3.2.1电压测量比较单元
电压测量比较单元由测量变压器、整流滤波电路及测量比较电路组成。
其时间常数主要取决滤波的参数。
测量比较电路的传递函数可用下式表示
==
3.2.2综合放大单元
综合放大单元、移相触发单元可以合并且近似地当作一个惯性环节。
放大倍数为,时间常数为。
他们的合成函数是
=
3.2.3功率放大单元
励磁调节器中的功率放大单元是晶闸管整流器。
晶闸管整流元件工作是断续的，而晶闸管的这一断续控制现象就有可能造成输出平均电压滞后于触发器控制电压信号。
滞后时间为。
3.3励磁控制系统的传递函数
求得励磁控制系统各单元的传递函数后，可组成励磁控制系统的传递函数框图，如图3.3所示，在图中，如果采用G（s）表示前向传递函数，H（s）表示反馈传递函数，则该系统的传递函数为
=
为简化起见，忽略励磁机的饱和特性和放大器的饱和限制，则可得：
G（s）=
H（s）=
图3.3励磁控制系统传递函数框图
所以：
=
上式为同步发电机励磁控制系统的闭环传递函数。
3.4同步发电机的传递函数
同步发电机的传递函数是相当复杂的，但如果只研究发电机空载时励磁控制系统的有关性能，则可对发电机的数学描述进行简化。
简单说来，发电机端电压的稳态幅值被认为与其转子励磁电压成正比。
这是因为在运行区域内，发电机电压不会经历大的变化，而可以不考虑它的饱和特性；其次，认为发电机的动态响应可以简化为用一阶惯性元件的特性来表示。
其空载时的时间常数为，用表示发电机的放大系数，得同步发电机的传递函数为：
第4章系统仿真与分析
4.1仿真模型的建立
要实现大范围电力系统计算除了需要电网各元件参数外，还需要能够进行高阶计算的程序和各种应用程序，而这种高阶的计算限于计算机的计算速度很难实现。
我们取得励磁系统的相关参数和模型后，需要对其模型和参数进行进一步的验证和调试，以最后整定最适合的参数及模型。
而通常励磁调节器的试验是在制造厂家完成静态测试和非实际参数动态试验后，在实际机组上完成参数的最终整定和系统的动态试验，这种试验需要试验者有丰富的经验，以避免损坏设备或发生电网事故的危险性。
改善励磁系统标准要求励磁系统在电力系统各种故障情况下均有正确的反应，由于不便实现电力系统对称不对称故障试验，励磁系统对故障的反应只有遇到了系统冲击时才能知道。
纵然在改进设计防范于未然，而一次故障可能已经支付了全套励磁系统设备的代价了。
因此在验证仿真模型是否符合实际模型上，采用现场试验的方法是不太现实的，这就需要实时仿真系统。
对发电机励磁自动控制系统进行仿真，就要对系统的各个环节进行建模，得到他们的数值解法，这样才能根据输入信号实时的计算出输出信号。
本仿真所构造的系统包括同步发电机（300MW）、出口侧单元式升压变压器、传输线、模拟负载、电网电源等设备，仿真软件采用MATLAB，图3.1就是MATLAB提供的励磁控制器模型。
图4.1励磁控制器模型
调试主要包括对励磁控制器的调试和对电力系统稳定器等其它设备的调试。
励磁控制器调试的主要参数包括滤波时间常数的选择、超前滞后时间的选择，控制的增益及其他的一些参数选取。
另外，系统的各个元件之间还有一个电压电流等级的变压器的变比等基本参数的匹配问题，这些问题都需要考虑，并对这些需进行必要的计算。
当系统匹配完成后，系统才能正常运行。
发电机容量500MW，功率因数0.85，定子额定电压18KV，空载额定转子电压117V，要求电压调差系数在±15%范围内可调，自动电压调节范围在60％～140％，起动升压至额定电压时，超调量不大于5％。
常规PID闭环励磁控制系统的仿真图如图3.2所示。
系统的给定机械功率输入为1p.u，励磁电压为0.92p.u。
图3.3为三相短路时发电机电磁功率仿真曲线；图3.4为三相突然短路时发电机励磁电压仿真曲线。
仿真结果表明，系统能够稳定运行，当系统受到短路干扰后，能够重新回到稳定运行点，但收敛时间相对较长。
图4.2PID闭环励磁控制系统仿真图
图4.3电磁功率仿真曲线
图4.4励磁电压仿真曲线
4.2系统性能的分析
从以上仿真结果可以看出，发电机励磁系统对电网电压变化反应灵敏。
闭环励磁控制能很好的保持发电机输出侧电压的恒稳运行。
随着电网无功功率需求的变化，必然导致电网电压发生波动。
而同步发电机励磁系统出去保证发电机正常励磁外，对稳定电网电压、保持电网无功功率的平衡有很好的调节作用。
通过对仿真结果的分析，得到系统的优点和不足，我们还对系统仿真分析的步骤、注意事项、参数调试时的一些具体问题进行了讨论。
最后得到的结论是新型电力系统稳定器有明显的优越性。
新型电力系统稳定器尽管在调试时会遇到麻烦，增加了系统的调试难度，但同时大大缩短了系统的稳定时间，减少了系统的超调量，即提高了系统的控制性能指标。
第5章课程设计总结
随着电力系统的迅速发展，对励磁系统的静态和动态调节性能以及可靠性等提出了更高的要求。
计算机技术、控制理论、电力电子技术的发展也促进了自并励励磁制造技术逐渐趋向于成熟、稳定、可靠。
相对其它励磁方式而言，自并励励磁系统具有主回路简单、调节性能优良、可靠性高的优点，已取代励磁机励磁方式和相复励方式，在水电厂得到普遍使用。
最近几年，自并励励磁方式也取代了三机励磁方式，成为新建火电厂的首选方案，逐渐在大型汽轮发电机组中推广应用。
本文是设计发电机自并励励磁自动控制系统。
首先，掌握励磁自动控制系统的原理接线图，了解什么是PID控制；其次，将励磁自动控制系统拆分成各个环节，明确各个环节的作用以及它们的工作原理，从而推导出系统总的工作原理；然后，根据总接线图，列写励磁自动控制系统各个环节的传递函数及框图；最后，列写励磁自动控制系统总的传递函数以及框图，并在空载点对传递函数进行线性化。
当前，我国随着电力系统负荷的急剧增加，电力系统结构和运行方式越来越复杂多变，电力系统仿真的重要性也越来越突出。
MATLAB软件提供了一个用于电力系统专业领域的、具有仿真、分析与计算功能的工具箱，也是众多电力系统仿真软件中较为优秀的其中之一。
在仿真研究方面，本文致力于研究如何在MATLAB仿真环境下，实现对励磁控制系统的仿真建模，并通过仿真实验，对励磁系统的研发提供必要的实验数据。
本文先介绍励磁控制系统仿真的概念，使读者尽快了解仿真；然后，根据电力系统的结构，建立仿真模型；PID参数控制仿真，得出结果并对系统性能进行分析总结。
参考文献
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15
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