同步发电机励磁系统的研究

东北农业大学学士论文 学号：A07070363

同步发电机自动励磁系统的研究

学生姓名：林鹏 指导教师：李艳军

所在院系：工程学院电气工程系 所学专业：农业电气化与自动化 研究方向：地方电力系统及其自动化

东 北 农 业 大 学 中国·哈尔滨 2011年6月

The Bachelor's degree thesis of Registration number: Northeast Agricultural University A07070363

Synchronous generator excitation system

automatically

Name: Lin Peng Faculty adviser: Li Yan jun

College: College of Engineering, Electrical Engineering Major: Agricultural Electrification and Automation Research Fields: Local power system and its automation

Northeast Agricultural University

Harbin·China June, 2011

同步发电机自动励磁系统的研究

摘 要

同步发电机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。

同步发电机励磁系统是同步发电机重要组成部分，其主要任务是通过调节发电机励磁绕组的电流来控制发电机的端电压，并使其维持在一个恒定的水平上。要实现这个目的，就必须根据负载的大小和性质随时调节发电机的励磁电流，显然，这一调节过程只有通过自动励磁控制装置才能实现。随着科学技术和电力系统的发展，对同步发电机励磁装置的要求也在不断提高。同时随着大规模集成电路技术和计算机技术的发展，采用微处理器作为硬件控制核心的微机励磁装置将成为今后自动励磁装置的发展方向。

本文针对同步发电机论述了微机励磁装置的特点及发展现状，分析了微机励磁调节的原理和设计方法，提出了同步发电机自动励磁装置的设计思路，并在此基础上开发了励磁装置的硬件系统和软件模块。

单片机的开发采用C-51语言，C语言是一种结构化程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，用C语言编写软件可以大大缩短开发周期提高效率。软件开发采用模块化结构设计，通用性好，便于改进和扩充。

该系统具有体积小，可靠性高，专用性强，性价比理想等优点。

关健词：同步发电机，励磁，C语言

I

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Abstract

Synchronous generator excitation system control performance not only affects the power system of power quality, voltage stability, the power factor of system and stable operation, but also affects the limit of the power system transient performance,dynamic performance, especially on the system frequency oscillation times synchronous oscillation of inhibition. By the way, provide excitation power into his excitation control system shunt and interpret two forms, former excitation power from the exciting generator with generator coaxial, which provided by the generator stator excitation power. The existing motivated excitation system, and its power is the machine by synchronous generator voltage transformer step-down, again by excitation by silicon-controlled phased rectifier to generators provide after rectifying on-line detection machine, excitation voltage terminal and load current, according to certain rules to regulate phased rectifier control Angle to satisfy the system increase and decrease magnetic needs

Synchronous generator excitation control of synchronous generator system is an important component of the system, whose main task is by regulating the excitation current to control the winding of the generator terminal voltage, and to be maintained at a constant level. To achieve this objective, it is necessary in accordance with the size and nature of the load at any time adjust the generator excitation current, it is clear that the adjustment process only through the automatic excitation control device can be achieved.With the power system of science and technology and the development of synchronous generator excitation equipment requirements are also rising. At the same time as the large-scale integrated circuits and computer technology development, hardware control using a microprocessor as the core of the Microcomputer Excitation Device will automatically become the future direction of development of excitation device.

This article discusses the synchronous generator excitation microcomputer device characteristics and the development of the status quo, an analysis of microcomputer-based excitation regulator and the realization of the principle methods of synchronous generator excitation device automatically design and development on the basis of the excitation device hardware systems and software modules.

The development of single-chip using c-51 language, C language is a structured programming language, which take into account the characteristics of a variety of high-level language, using C language software can significantly shorten the development cycle and improve efficiency. Modular structure of software design, versatility, and to facilitate the improvement and expansion.

The system has a small size, high reliability and a dedicated and strong, ideal price-performance advantages.

II

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Key words: Synchronous generator, excitation, C language

III

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目录

摘 要......................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................... II 目录 ......................................................................................................................................... IV 1 前言.................................................................................................................................. - 1 - 1.1 传统励磁系统的概况 ............................................................................................... - 1 - 1.2 对自动励磁调节装置的要求 ................................................................................... - 2 - 1.3 励磁调节方式 ........................................................................................................... - 2 - 1.3.1 按电压偏差的比例调节 .................................................................................... - 2 - 1.3.2按定子电流、功率因数的补偿调节 ................................................................... - 3 - 1.4 自动励磁装置的系统结构 ....................................................................................... - 3 - 2 同步发电机励磁控制系统组成 ...................................................................................... - 5 - 2. 1 概述.......................................................................................................................... - 5 - 2. 2 功率单元及励磁变压器 .......................................................................................... - 6 - 2. 3 起励单元 .................................................................................................................. - 7 - 2. 4 灭磁单元 .................................................................................................................. - 8 - 2. 5 励磁系统的控制、保护及信号 .............................................................................. - 8 - 2. 6 励磁系统的工作电源 .............................................................................................. - 8 - 3 励磁系统的要求及控制算法 ........................................................................................ - 10 - 3. 1 发电机对励磁控制系统的要求 ............................................................................ - 10 - 3. 2 PID控制算法 ........................................................................................................ - 14 - 4 励磁控制系统硬件和软件设计 .................................................................................... - 20 - 4. 1 系统的硬件构成 .................................................................................................... - 20 - 4. 2 主回路电压、电流的计算及励磁变压器的选择 ................................................ - 22 - 4. 3 三相整流桥可控硅的选择 .................................................................................... - 23 - 4. 4 逻辑回路 ................................................................................................................ - 25 - 4.5 总体软件结构 ......................................................................................................... - 25 - 4. 6 主要保护功能 ........................................................................................................ - 29 - 5 控制模型的分析 ............................................................................................................ - 31 - 5.1 各环节的传递函数 ................................................................................................. - 31 - 5.2 励磁装置的稳定性分析 ......................................................................................... - 33 - 6 结论................................................................................................................................ - 35 - 参考文献.............................................................................................................................. - 36 - 致谢 ..................................................................................................................................... - 37 - 附图 ..................................................................................................................................... - 38 -

IV

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1 前言

1.1 传统励磁系统的概况

同步发电机的运行特性与它的空载电势E值的大小有关。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提高系统的稳定性，提供合格的电能，而且还可以有效地提高系统的经济技术指标。

最初的励磁调节器是以发电机的机端电压偏差(△Vt)为反馈量，由于当时的机组容量不大，电网规模较小，所以基本能满足安全运行的要求。通过链条传动以改变励磁机磁场回路中的磁场电阻的方案。这就带来了调节速度慢的问题，而且有一定的调节死区。磁放大器式的励磁调节器克服了死区的问题，然而仍有较大的时间常数。随着半导体工业的发展，七十年代后，执行环节大部分采用可控硅整流桥，这样既解决了灵敏度的问题，也大幅度地提高了反应速度。

单机容量的增大，使得仅以电压偏差(△Vt)作为反馈量的比例式励磁调节器不能满足对电压精度及稳定运行的要求，因此出现了“PID”励磁控制方式。它是从受控对象及调节器的常微分方程出发，经过拉氏变换建立各个环节的传递函数，进而得到受控系统及调节器的传递函数。其调节算法为：?y?Kr?U?Kt??udt?K?d?u dt这种励磁控制方式对发电机的运行性能有了较大的改善，为了维持机端电压的恒定，人们希望励磁系统具有高的放大倍数和短的响应时间。随着电力系统的发展，人们发现高的放大倍数和快速的响应在系统运行的某些条件下，具有产生负阻尼的效果，对系统的稳定运行不利。为了削弱和平息低频振荡，改善系统的阻尼，人们通常的方法是在反馈环节中引入功率、速度等信号作为励磁调节器的辅助信号。习惯上把这种有附加信号的励磁控制称为电力系统稳定器，简称为PSS。PSS在一定程度上解决了发电机低频振荡问题，但PSS的参数整定比较复杂，在某些运行条件下，其对系统振荡的抑制效果会明显的降低甚至起反作用。现代控制理论的发展，为人们寻找理论上更先进、性能更好的调节器提供了可能。

国外从20世纪70年代开始研究数字励磁调节器，从80年代中期世界上第1台DER问世以来，国内外的众多生产厂家纷纷研制并不断推出新的产品，大大推动了DER的发展和应用。我国早在80年代初就开始了机组的DER的研制开发，并于1989年投入试运行。其中一些电力科研单位和高校先入为主，电力部电力自动化研究院(原电力部南京自动化研究所)先研制出了适应机组的WLT-1型、WLT-2型励磁调节器，SJ-820型双CPU励磁调节器等多种型号的DER，其后又研制成功SAVR-2000型励磁调节器。哈尔滨电机厂有限责任公司与华中理工大学合作研制的HWLT-型微机励磁装置采用二台MIT-2000工控机组成的双微机励磁调节器，并设有带触摸屏的PPC-102平板式工控机，为用户提供显示和控制、数据设定、状态监视、故障指示和故障分析的人机界面。此外还配置了一套模拟电路的磁场电流调节器，它与数字调节器互相跟踪，自动切换。广西

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大学自动化研究所研制的可编程微机励磁调节器，其硬件采用可编程控制器，软件采用非线性智能控制方法，大大提高了产品的可靠性、励磁系统的动态和静态响应指标，装置的维护检修等方面达到了一个新的水平。

在国外瑞士BBC公司、英国Rolls-Royce工业动力集团公司，ABB公司，奥地利ELIN公司以及德国SIEMENS公司等均生产DER，这些公司具有很强的科研开发能力，DER用的硬件一般自制专用控制板，10多年以来，我国在引入大容量发电机组的同时，也引入了一定数量的DER。从DER的硬件构成来看，分为单CPU系统和多CPU系统以及模拟一一数字混合系统(数字部分采用PLC)等三种。单CPU系统的特点是快速、总体集成度高，因而成本也高。主要生产厂家有ABB公司和我国的大部分生产厂家。多CPU系统兼有并行处理的特点，可满足快速要求，调节器功能分配给不同的CPU单元，软件编程简化，缺点也是明显的。多CPU需要一个多机并行的管理系统。采用多CPU厂家主要有英国Rolls-Royce工业动力集团公司、瑞士BBC公司UNITROL-O型励磁调 节器(6个CPU)，至于模拟-数字混合系统应该说是一种过渡系统，在国内仍受到一部分用户的青睐，但无论如何数字式励磁调节器己成为大型、具有复杂的多功能励磁系统的首选，是最新励磁调节器的发展方向。

目前，一些小型电站(尤其是黑龙江)还没有配置相应的自动励磁装置，而在加拿大、瑞典等国，小型电站保护完善，自动化水平程度高，有的还设有微机自动监控系统对发电机有功、无功自动进行调节使其处于最佳运行状态。

1.2 对自动励磁调节装置的要求

(1)在正常情况下,能按机端电压的变化自动地改变励磁电流,维持发电机电压值在给定范围,这就要求发电机励磁系统有足够的励磁容量。

(2)并列运行发电机上装有自动励磁调节器,能稳定分配机组间的无功负荷。

(3)电力系统发生事故导致电压降低时,励磁系统应有很快的响应速度和足够大的强励顶值电压,以实现强行励磁的作用。

(4)励磁装置要简单可靠,动作要迅速,调节过程要稳定,调节系统应无死区,以保证在人工稳定区内运行。

1.3 励磁调节方式

1.3.1 按电压偏差的比例调节

是一个以电压为被调量的负反馈控制系统,被调量与给定量的偏差越大,调节作用越强,这种调节系统,不管引起被调量变化的原因是什么,只要被调量变化,调节系统都能进行调整。为使被调量维持在给定水平有两种方法,一种方法是通过自动调节励磁装置的调节作用,改变励磁机的附加励磁电流,附加励磁电流与机端电压的变化量成正比。另一种方法是通过自动调节励磁装置的调节作用,改变可控整流桥中可控硅的导通角来改变励磁电流维持机端电压在给定水平上,导通角的大小与机端电压的变化量有关。

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1.3.2按定子电流、功率因数的补偿调节

同步发电机由于电枢反应的存在,当励磁电流保持不变时,在功率因素滞后情况下,机端电压随定子电流的增大而下降,在同样的定子电流下,功率因数(滞后)愈低,机端电压降得愈多。同步发电机的端电压受定子电流和功率因数变化的影响,在这种补偿调节中作为输入量的定子电流并非是被调量,它只补偿由于定子电流变化所引起的端电压的变化,仅起到补偿作用,对补偿后机端电压的高低并不能直接进行调节。另一种补偿调节为相位补偿调节,它能补偿定子电流和功率因素变化对机端电压的影响,所以在运行中机端电压随定子电流、功率因素的变化不大。

1.4 自动励磁装置的系统结构

同步发电机的励磁装置是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机的励磁电源的一套系统。励磁装置一般由两部分组成，一部分用于向发电机提供直流电流以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分；另一部分用于在正常运行或发电机发生故障时调节励磁电流以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分(或称控制单元，亦称励磁调节器)。

本课题研究的微机励磁控制系统采用自并励励磁方式。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，由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进入计算机，经过控制规律运算后输出控制量即三相全控桥的可控硅的触发角，通过改变触发角来调节发电机励磁电流的大小。励磁装置系统结构如图1-1所示。

LHLBSCRYH功功功功功功功功功功功功功功功功功功功功功

图1-1同步发电机励磁装置系统结构图

当发电机机端电压的测量值高于整定值时，自动励磁调节器发出的信号脉冲推迟，可控硅的触发角增大，励磁电流减小，此时机端电压下降：当发电机的端电压测量值低于整定值时，自动励磁调节器发出的脉冲提前，可控硅的触发角a变小，励磁电流增大，从而使发电机的端电压升高。上述两种过程都使发电机端电压趋近于整定值，达到恒压

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的目的。

励磁系统是一种闭环控制系统，它控制着同步发电机的电动势，所以，它不仅控制发电机的端电压，还控制发电机的无功功率、功率因数和电流等参量。

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2 同步发电机励磁控制系统组成

2. 1 概述

目前，在我国中小型同步发电机组中，采用的励磁方式大致有两种：一种是自励直流励磁机励磁，这是一种较为原始的方式，虽然原理简单，便于理解，但是直流励磁机励磁系统工程投资较大，运转噪音高，反应速度慢，故障率高，整流子和碳刷维护困难，而且维修周期长，己远远不能满足现代电网对发电机提出的快速励磁的要求。

另一种方式是，由半导体元件构成的调节器共同组成的所谓半导体励磁系统。采用该种方式，具有投资少，使用灵活，反应速度快，便于维修的特点，己成为同步发电机励磁发展的方向。而其中全静态启并励接线简单，可靠性高，一次投资少等特点应用广泛。采用微机数字技术，调节器的操作逻辑电路，晶闸管的触发电路，机械或电子的电压整定机构都可以简化或取消。调节器插件少，装置可靠性高。

对于中小型同步发电机组，宜采用自并励静止励磁系统。所谓静止励磁系统是指有接于发电机端的励磁变压器作为励磁功率电源的晶闸管励磁系统。这种励磁方式在性能上的显著特点是具有高起始励磁电压响应速度，可靠性较高。

自励晶闸管励磁系统主电路采用典型接线方式，即将励磁电源的励磁变压器连接在同步发电机的出口端，这种接线方式比较简单，励磁系统的大功率整流装置采用三相全控桥式接线。这种接线的优点是晶闸管元件承受的电压低，而变压器的容量利用率高。图2-1为同发电机励磁控制系统组成框图。

同步电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流电场，通常称作励磁功率输出部分(主回路)。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分(调节器)。

励磁控制是一种控制系统，它控制同步电动机发出的电势，所以它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机的无功功率，功率因数和电流等参量。由于大型机组的这些参量直接影响系统的运行状态，因此在某种程度上也可以说，励磁装置也控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定和励磁控制方式密切相关。

无论是何种励磁调节器，其核心部分的构成都是很相似的。它由基本控制和辅助控制两大部分组成。基本控制由测量比较、综合放大和移相触发三个主要单元构成，实现电压调节和无功功率分配等基本调节功能。辅助控制是为了满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态性能而设置的单元，包括励磁系统稳定器，电力系统稳定器及励磁限制、保护器等。

测量比较单元的作用是测量发电机的端电压，综合无功调差信号后与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号，供后级环节使用。测量比较电路应具有足够高的灵敏度与优良的动态性能，即要求测量精确、反应迅速、电路的时间常数要小。测量比较单元的性能如何将直接影响到发电机电压调节精度与励磁系统的动态性能。

综合放大单元对测量单元输出的电压偏差起综合和放大的作用。为了得到调节系统

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良好的静态和动态性能，除了由电压测量比较单元来的电压偏差信号外，有时还根据要求综合来自其他装置的信号，如励磁系统稳定器信号、最大、最小励磁限制信号等。放大的作用是为了消除电压的静态偏差，改善励磁系统的动态性能。综合放大后的控制信号输出到移相触发单元。

移相触发单元包括同步、移相、脉冲形成及放大环节。移相触发环节根据输入控制信号(U)的大小，改变输送到晶闸管的脉冲触发角a，以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机的励磁电流。为了使触发脉冲能可靠地工作，还需采用脉冲放大环节。移相触发单元和整流桥相当于信号转换、功率放大及控制器的执行机构。

CS33TZFMKTA14A411B411C411N411TV功功功CPU功功功IO功功功功功功功3A611C611B611TA2SCR3功功功功功功功功图2-1 同步发电机励磁控制系统组成框图

2. 2 功率单元及励磁变压器

2.2.1 功率单元

(1)功率单元为三相桥式全控整流电路。

(2)功率单元能保证发电机在各种工况下正常运行(包括强励)。

(3)功率单元一般采用单桥，如有需要也可采用双桥；采用双桥时，每个单桥都能单独确保发电机在各种工况下正常运行。

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功功功功功4A421B421C421N421功功功功功功功功功功功功功功功功功功功功功同步发电机自动励磁系统的研究

(4)可控硅整流桥的每个桥臂上均装有一个与之配套的快速熔断器，作为可控硅的过流后备保护，快熔断时，装在快速熔断器的信号指示器会发出故障信号。 (5)可控硅全控桥的过压保护有：

·每个可控硅旁并联有阻容过压吸收回路 ·全控桥交流侧装有SPD过压吸收元件 ·全控桥直流侧并联有阻容过压吸收回路

·全控桥直流侧并联有相当于转子电阻100倍的过压抑制电阻

(6)功率单元采用强迫风冷，功率柜装有低噪声风机，风机能长期运行，如果风机出现问题，风机控制电路会发出故障信号。

2.2.2 励磁变压器

励磁变压器一般采用环氧树脂浇注干式变压器。其容量、初次级的电压和电流根据发电机的定子电压和额定励磁电压电流计算。变压器的容量应满足强励运行要求，并留有裕度。变压器的连接组别为yd11或dy11，如采用yd11则一次侧应为不接地系统。变压器为F级绝缘。其冷却方式为自然空气冷却。变压器还配置有超温报警元件，当变压器超出允许温升时，会发出报警信号。

2. 3 起励单元

2.3.1 起励方式

本装置通过软件设置，有多种起励方式供选择： (1)按起励后的机端电压分为：

按设定的机端电压(包括额定电压)起励 跟踪系统(母线)电压起励

(2)按起励后机端电压上升的方式分为： 快速上升

软起励(又称无超调起励) (3)零起升压

以上方式，用户可通过操作触摸屏的“起励方式”菜单选择。

2.3.2 起励条件

本装置的起励操作受如下条件限制： (1)调节器必须先上电

(2)发电机的转速必须达到额定值的95%左右(转速信号由机组自动屏提供) (3)其余条件必须满足电站运行规程的要求

2.3.3起励电源

本励磁装置为自并励系统，当发电机达额定转速附近时，发电机的励磁电压切换到

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全控桥输入端的电压如果能满足可控硅导通所需的阳极电压，这时只要调节器已经上电并接到起励指令，无需外加起励电源，发电机即能逐渐建立起电压至额定值，这就是所谓励磁起励。

如果励磁电压不足以使可控硅导通，则需投入电源助励，助励电源一般为直流，可取自电站的直流电源系统，电压一般为直流220伏。本装置设有限流电阻，可使起励电流限制在10A左右，在这10A电流的作用下，只要调节器已经上电，机组会顺利起励。

2.3.3 起励信号

起励指令发出经过10秒延时，如果发电机仍不能建立起预定电压，装置会发出起励不成功信号。

2. 4 灭磁单元

2.4.1 逆变灭磁

机组正常停机(包括自动停机和人工停机)采用逆变灭磁。

2.4.2 灭磁开关灭磁

发电机事故状态下，灭磁开关FMK动作，将储存于转子中的能量通过FMK的常闭接点向灭磁电阻释放，实现事故灭磁。灭磁开关一般采用DW10M, DW16M或DM3等，其最大分断电流和电压应大于强行励磁时发电机转子的顶值电流和电压，并有一定裕度，灭磁电弧不应外喷。灭磁电阻分线性电阻和非线性电阻两种。无论采用何种灭磁开关和电阻，都能满足标准对灭磁性能的要求。

在任何需要灭磁的工况下(包括发电机空载和强励情况下)，上述两种灭磁方式都能保证发电机快速可靠灭磁。

2. 5 励磁系统的控制、保护及信号

励磁系统的控制可以在现地进行，也可以在中控室进行。现地控制可通过设在面板上的相关按钮开关进行。如果电站采用计算机监控系统，可通过串行通讯接口，由上位机直接控制本装置的运行(包括起励、调整电压、调整无功、灭磁并进行参数设定及采集励磁系统各种信号)。如果电站采用常规控制系统，可以通过设在中控室的远控开关接点对励磁系统进行控制。这时励磁系统的各种信号通过信号继电器点燃中控室光字牌显示。 励磁装置的保护与电站的保护系统兼容，机组出现事故需进行灭磁时，装置的灭磁开关可通过继电保护的指令实现跳闸灭磁。

本装置的控制回路既能满足机组同期(包括自动或手动)并网的要求，也能满足机组自同期并网的要求。

2. 6 励磁系统的工作电源

微机和相关中间继电器的工作电压为直流24伏，由两路开关电源提供，一路为直流，

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由电站直流电源系统提供，另一路为交流220伏，由厂用交流电源提供，这种供电模式，大大提高了电源的可靠性。

灭磁开关及其操作保护用的继电器的工作电压为直流，由电站直流电源系统提供。整流桥冷却风机的工作电源为380伏，由厂用交流电源提供。

微机励磁调节装置的主控单元的输入电气信号有发电机量测PT电压，仪表PT电压及从发电机电流互感器来的三相定子电流信号。直流信号有发电机转子电流及励磁装置输出电流。各路信号经各自的信号处理及变换电路(传感器、变送器)对信号滤波、隔离放大，变换成适合于A/D采样的信号。送入主控单元A/D变换器，由程序控制依次转换成数字量，存放在存储器中供软件使用。 利用以上采集到的数据，通过软件计算可以得到发电机的运行工况、励磁系统参数、励磁装置输出参数等全部信息，如发电机三相电压平均值、三相电流平均值、有功功率P、无功功率Q、转子电流(励磁装置输出电流)、功率因数角、频率、可控硅控制角等供励磁装置各软件功能模块使用。

主控室对励磁系统工作方式的选择、增、减励磁操作、油开关和灭磁开关等状态量作为开关量输入信号以及故障报警等开关量输出信号，在主控单元内经过光电隔离。 功率输出部件可选择为晶闸管三相全控桥整流电路或其它方式。晶闸管根据发电机的容量选择快速风冷方式或水冷方式，晶闸管接有阻容保护，快速熔丝保护及过电压吸收部件，熔丝熔断有报警信号。为了保证其输出直流电压连续可调及逆变运行，要求控制角α在10^150度冲同步电路来保证各晶闸管的依次导通。

在定时中断控制程序之间变化。由脉冲计算发电机电压与参考电压之差，并按控制规则进行运算后，综合其他附加控制信号及附加调差信号得到一个控制量去改变晶闸管的导通角，双窄脉冲经脉冲变压器隔离去触发晶闸管，这就是励磁调节系统的主调节环。控制参数的正确选择，附加控制信号的大小将直接影响励磁系统的静态和动态特性。 励磁装置中的保护功能模块如脉冲检测、低励磁限制、过励限制、V/HZ限制、PT断线保护等都是用软件来实现的。励磁装置的前面设有操作显示面板供人机对话用。人机界面可采用触摸屏或中文文本显示器，全汉化界面，便于运行人员的监视。另外开关量输入的实时状态显示、开关量强制输出、控制和保护参数设定、运行方式的切换、故障率波数据的提取等功能均可在此人机对话窗口上实现。

励磁装置主控单元的工作电源也是独立的。输出电压有四种：+5V、+15V供模拟通道使用；24VI供脉冲回路;24VII供继电器及操作回路用。电源采用两路供电：一路来自蓄电池直流电源，另一路来自厂用交流电或机端交流电压经降压整流成直流电源。两路直流电源通过二极管并联运行，任何一路失电，励磁装置仍能正常工作。

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3 励磁系统的要求及控制算法

3. 1 发电机对励磁控制系统的要求

通常发电机对励磁控制系统的基本要求是：当发电机负载变化时，维持机端或系统某一点的电压为设定值，在系统受到扰动时，保持发电机运行的稳定性。发电机励磁控制系统的结构方框图如图3-1所示。

在图3-1中，AVR自动电压调节器的作用是：由发电机电压互感器TV测量出的发电机电压Ub在综合点与电压设定器的设定电压Uref进行比较，其偏差值Uerr进入AVR放大部分进行运算，再经励磁机EX功率放大环节对发电机励磁回路进行调节。励磁控制系统的等效方框图见图3-2。在正常状态下，发电机电压与扰动量的关系为：

Ug?KAKEXKGKG?Uref??Udis （3-1）

1?KAKEXKGKB1?KAKEXKGKB式中：KA—放大器增益： KEX—励磁机增益： KG—发电机增益： KB—反馈增益： Kdis—扰动量：

TVUgUerrUbUrefAVREX

图3-1发电机励磁控制系统结构方框图

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Uref?UerrUfKAUdis?UbKEX?KGUgKB

图3-2励磁系统等效方框图

通常励磁系统的开环增益Ub/Uerr? KAKEXKGKB在（100～300）之间。同时，

KAKEXKGKB≥依此，由式(3-1)可求

Ug=

UrefKB?Udis （3-2）

KAKEXKB 代入（3-2）整理得

另由 Ug=Ub/KB Uref?Ub?Udis （3-3）

KAKEX因为 Uref?Ub?Uerr 故式（3-3）可改写为 Uerr=

Udis

KAKEX

（3-4）

或写为：

Uerr1?UdisKAKEXUdis扰动值主要是由发电机的电枢反应引起的，当发电机由空载变化到额定负载，相应的扰动值如果归算到发电机端电压约为15%。在此条件下如果将控制误差Uerr/Uref限制在1%以内，由式(3-4)可求得励磁系统增益：

KAKEX?150UfUerr

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通常励磁系统的开环增益Ub/Uerr?KAKEXKGKB在（100～300）之间，根据发电机电压精度要求，可确定总增益。

发电机励磁控制系统的基本要求是维持其端电压为设定值。但是当发电机与电力系统并联时，仅考虑维持设定点电压是不充分的，还应考虑到无功功率分配的稳定性。为此，须采用诸如无功电流补偿、无功功率调节器等具有辅助控制功能的单元[1]。

现以图3-3所示的等效两机系统单线图讨论有关无功功率分配问题。

在图3-3中等效两机端处的电压分别为U1及U2，线路电抗为XL,发电机G1的有功及无功功率分别为P1及Q1。

G1U1XLP1Q1U2G2

图3-3所示的等效两机系统单线图

由图3-3可求得： P1?U1U2sin? （3-5） XLU1 （3-6）

U1?U2cos?XL Q1?通常，线路电抗XL的数值较小，发电机间功率角?的数值亦不大，一次近似为

sin???,cos??1,由此可将式（3-5）、式（3-6）改写为：

P1?U1U2? （3-7） XLU1XL （3-8）

U1?U2 Q1?由式(3-7)、（3-8)可看出：有功功率与发电机间的内部的功率相角差成正比，而无功功率与（U1?U2）电压差成正比，其方向是由高电压U1侧流向低电压U2侧输送滞后相位无功功率。为保证并联机组间无功功率分配的稳定性，须附有无功电流补偿装置（RCC），如图3-4所示。

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U1无RCC有RCC?Q进相Q迟相

图3-4发电机负载特性

发电机采用无功电流补偿后具有下垂的特性，即正调差特性。应用正调差下垂特性的理由，可用图3-5所示的两机并联线路予以说明。

52GTR?QtjX1jX2TVUref1AVRTVUref2AVRUb1?1U?2UUb2EXEXG1G2图3-5低压侧母线直接并联的机组单元接线图

对于两相同容量的发电机，如果励磁装置设定值Uref1?Uref2相同，则两台发电机具有一致的端电压值U1=U2。由式(3-8)可看出，两机组间的无功功率?Q=0。但实际上，

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由于机组特性的差异，负载的不同以及温度等因素U1≠U2，存在U1?U2??U的电压差。在此电压差作用下，两机组间将产生无功功率?Qr其值为：

?Qr?U1(U1?U2) （3-9）

X1?X2由于两机组间的电抗X1+ X2其值甚小，对式(3-9)而言，在有限的电压差作用下，X1+ X2也之值近于零，其商△Qr，近于无限大。环流过大将影响到机组的安全运行。为避免上述情况，可利用励磁调节器的无功电流补偿装置(RCC)等效地加大机组间的电抗，使机组具有下垂的外特性，达到机组间并联运行的稳定性。

3. 2 PID控制算法

3.2.1 PID控制算法的特点

由于微处理器具有强大、快速的运算能力和逻辑判断功能，数字式励磁系统可执行十分复杂的控制算法。数字式励磁调节器在硬件配置基本相同的情况下。采用不同的算法可以灵活的实现不同的调节规律。按偏差的比例，积分微分进行调节的，称为PID(Proportional +Integra l+ Differential)调节器，PID调节器技术成熟，并且由于其具有算法简单，普遍性好和可靠性高等优点，被广泛应用于工业控制中。

PID算法三种环节的调节作用：

比例环节：及时成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。

积分环节：主要用于消除静差，强弱取决于积分时间常数大小，积分时间常数越大积分环节越弱，反之则强。

微分环节：能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前发生作用，从而加快了动作速度，减少调节时间。

比例、积分、微分三环节结合起来可以满足不同的控制要求而且系统结构简单，参数调整方便，程序设计简单，因此对于改普发电机电压的静态、动态性能，PID控制规律完全可以满足要求。

现在的PID控制算法已能用单片机，计算机来实现。由于软件的灵活性，PID算法可以得到及时修正而更加完善。其算法的原理图如图3-6所示，在应用中按控制要求又可取其中一部分形成所需的控制算法，例如比例调节器、比例积分调节器、比例微分调节器。

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Kpe(t)?Ue(t)?Kt?e(t)dt?Y(t)Kdde(t)dtUG

图3-6 PID 调节算法原理框图

PID调节器设计是以连续系统的PID控制规律为基础，然后将其数字化，写成离散形式的控制方程，根据离散方程进行控制程序设计的。本励磁调节器采用PID调节算法可用下列微分方程表示

Y(t)?Kp*[e(t)?式中 Y(t)—控制输出

e(t)—电压偏差信号，e(t)=UREF-UG：

其中 Kp,Ti,Td--分别为比例系数，积分，微分时间常数： UREF—发电机电压设定值（基准值）： UG—发电机电压测量值

自动励磁调节器是一种采样控制，用差分方程代替微分方程，因此式（3-10）中的积分和微分项目数值计算的方法逼近，在采样时刻t=KT(T为采样周期)，可得：

1de(t) e(t)dt?T] （3-10）d?0TidtT Y(k)=Kp{e(k)?Ti?e(j)?j?1kTd[e(k)?e(k?1)]} (3-11) T式中e(k)为第k次采样时电压的偏差值，e(k)=UREF-U0(k)式（3-11）表示的算法提供了执行机构的位置Y(k)，所以称为位置式PID算法，如采样周期T足够小，这种逼近相当准确。当需要的不是控制输出的实际值而是其增量时，式（3-11）中的k用k-1置换，并将两式相减可以推导得出 ??Y(k)?Y(k)?Y(k?1)

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=Kp{[e(k)?e(k?1)]?TT e(k)?d[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]} （3-12）

TiT??Y(k)=Y(k)-Y(k-1)

=Y(k?1)?Kp[e(k)?e(k?1)]?Ki*e(k)?Kd[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)] 式中 Ki — 积分系数，Ki?KpT TiKp— 微分系数，Kd =KpTd/T

位置式算法每次输出与整个过去状态有关，式中用到过去偏差的累加值

?e(j)，容易产

j?1k生误差。而增量式PID计算是将当前时刻的控制输出增量加上前一时刻的输出t作为该次的控制输出，计算误差或精度对控制量的影响较小且增量算式只与最近几次的采样值有关，所需内存也少，因此在实际应用中增量式算法更为广泛。同时，也为保证被控对象调节平稳，无冲击，我们在电压调节计算中采用增量式算法。

3.2.2 PID调节器的微分方程表达式

对模拟式励磁调节器，PID调节规律可用下列微分方程表示：

de(t)1de(t)y(t)?Kpe(t)?Ki?e(t)?Kd?Kp[e(t)??e(t)dt?Td] (3-13)

d(t)Tdti00 e(t)?ug?uc 式中 y(t)— 控制输出 e(t)— 机端电压偏差信号 ug— 电压给定值

Kp— 比例系数用于提高控制系统的响应速度，以减少静态偏差 Ti— 积分时间常数用于消除静态误差

Td— 微分时间常数用于改善系统的动态性能。

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tt

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对于计算机控制，必须将式(3-13)离散化，用差分方程代替微分方程。采用梯形积分来逼近积分，采用后向差分来逼近微分，可得PID数字控制算法：

T y(k)?Kp{e(k)?Ti e(k)?ug(k)?uc(k) 式中

?e(j)?j?1kTd （3-14） [e(k)?e(k?1)]}TT— 采样周期

e(k)— 第k次采样时的机端电压偏差值

式(3-14)为数字控制PID的位置控制算法，其存在的问题是：每次输出与过去所有采样值有关，占内存多；如果计算有误，将使y(k)的累积误差很大，影响安全运行。故PID调节多采用增量式算法。

将式(3-14)中的k用k?1置换，得：

T y(k?1)?Kp{e(k?1)?Ti?e(j)?j?1k?1Td[e(k?1)?e(k?2)]} （3-15） T由式(3-14)减去式(3-15)，得增量方程： ?y(k)?y(k)?y(k?1) =Kp{[e(k)?e(k?1)]?故

TTie(k)?Td[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]} Ty(k)?y(k?1)?Kp{[e(k)?e(k?1)]?Kie(k)?Kd[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]}

(3-16) 式中： Ki?Kp?T/Ti Ki— 积分系数 Kd?Kp?Td/T Kd— 微分系数

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PID调节须确定的主要参数有Kp、Ki、Kd。利用临界比例整定法确定参数当测出临界振荡周期Tu及相应比例系数Ku，可得：Kp=0.6Ku，Ti=0.5Tu，Ki=Kp?T/Ti，

Td?1.125Tu， Kd?Kp?Td/T

在式（3-16）中，如果取Kd=0，则为PI调节算法，如再取Ki?0，则为比例调节算法。

根据算法公式，不难编制出相应的程序。

应予以说明的是PID滤波器在频域中的传递函数表达式为：

Gc(S)?Kp(1?STC2)(1?STC1) （3-17）

(1?STB2)(1?STB1)上式以波德图表示的幅频特性如图3-7所示。

G(dB)GAINKRK??KRTC1TC2TB1TB2KP?KRTC1TB11TB11TC11TC21TB2?(rad/s)

图3-7标准PID滤波器的幅频特性

在图3-7中，KR表示直流增益，用于确定调节露的调压精度，经过积分带宽控制时间常数TB1、积分时间常数TC1。确定的积分区段，在中频区表现为瞬时增益降低的比例增益Kp，以提高系统的暂态稳定性；通过微分时间常数TC2和微分带宽控制时间常数TB2确定的微分区段，在高频区表现为微分增益抑制的高频增益T，用于防止高频杂散信号对微分环节的干扰。在具有励磁机的励磁系统中，微分区段主要用于补偿励磁机滞后对增益和相位裕度的影响，以提高调节系统的稳定性。如不采用微分调节(或暂态增益增加的超前—滞后校正)时，可应用转子电压软反馈或励磁机励磁电流的软反馈或硬反馈

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达到相同目的。Kp与大信号调节性能有关，当机端电压降低至额定值的80%时,Kp的最小值应保证不至于在所处频段对强励顶值形成限制[10]

在微机励磁数字化控制系统中，应使用前述离散法和双线性变换将式(3-17)转化为差方程式。为简化运算，可令式(3-17)中

a?2TC1/T,b?2TC2/T,c?aKR/Kp,d?bKp/K

则超前滞后校正环节1的差分方程为：

ya(k)?[(b?1)e(k)?(b?1)e(k?1)?(d?1)Ya(k?1)]/(d?1) （3-18） 超前滞后校正环节2的差分方程为：

y0(k)?KR[(a?1)Ya(k)?(a?1)Ya(k?1)?(c?1)Yb(k?1)]/(c?1) （3-19）式中： T — 采样周期

e(k)— 第k次采样时的机端电压偏差值 yb(k)— 为PID输出的控制电压

yb(k)— 在用于移相触发之前还需加入适当的限幅环节。

3.2.3 对控制算法的评价

PID控制算法经过长期工程实践，形成了典型结构，且参数整定简单、方便，结构改变灵活，具有良好的适应能力和极强的普遍性，在大多数工业控制中效果尚满意，因此被长期广泛的采用着。其中比例调节器对误差是即时响应的，误差一但产生，调节器立即产生控制作用。但比例调节器不能使误差减小到零，有残存的误差(静差)。加大比例系数Qp可以减小静差，但当Qp过大时，又会使动态质量变差，导致系统不稳定。为了消除静差，我们引进了积分调节器。积分调节器虽然能消除静差，但使系统的响应速度变慢。进一步改进控制器的方法是通过检侧误差的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是引进微分调节器。

数字化PID控制算法只要采样调节周期选择适当，系统就不会出现振荡和大的超调。采样调节相当于一个有经验的操作者在断续调节的间隔里，利用这一时间间隔等待看下一周期是否需要调整，这样不易产生超调现象(在参数适当的条件下)，这是常规PID调节器难以达到的。

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4 励磁控制系统硬件和软件设计

4. 1 系统的硬件构成

针对具体要求和不同的发电机组，微机励磁调节装置的配置可以由两个自动通道与一个模拟通道构成。控制柜中含有主控单元、功率单元、电源及相关的逻辑操作回路。每套系统均 能满足包括强励在内的发电机各种运行工况对励磁调节特性及可靠性的要求。如图4-1微机励磁调节装置励磁系统逻辑系统图。

(1)微机励磁调节装置的配置

主控制单元： 性能优越的16位嵌入式微控制器

控制电源： 交直流双路供电，采用进口高可靠电源模块 功率桥： 可控硅全控，其参数依实际需要计算 切换逻辑： 继电器控制逻辑 录波功能： 试验/故障录波

(2)模拟量量测转换器(传感器、变送器)

现场送给励磁装置的信号都是100V、5A的强电信号，而主控单元的A/D转换一般只能处理10V以内的弱电信号，微机型励磁装置采用进口的量测转换器ATD(如变送器ATD3131, ATD3133等)将一次系统中的强电信号转换为弱电信号，完成强、弱电的隔离。 ATD分别将测量PT和仪表PT的100V电压经二次电压传感器电路隔离、转换成2. 5V左右的交流弱电信号，将定子CT的A, C相电流经二次电流传感器隔离、转换成3. 6V左右的交流弱电信号，将励磁电流 (或励磁电压)经进口传感器LEM转换成5V以内的弱电信号，供给主控单元作A/D采样。

励磁电流If或励磁电压Uf的测量主要用于构成励磁系统稳定器以及作为保护限制的输入量。对发电机的定子电压采用的是V型接线，即以B相为参考点分别量测AB, CB线电压，取平均后得到定子电压值。量测PT用于反馈调节，仪表PT用于辅助判断PT断线。采样定子电流的A, C相取平均后得到定子电流值。对有功功率Pe，无功功率Qe的测量采用的是两表法，即以B相为参考点分别用AB线电压对A相电流，CB线电压对C相电流作计算，取其和为发电机的有功功率Pe和无功功率Qe，两表法的计算可参考式(4-1)

S=VABIA +VCBIC=Pe+ jQe （4-1）

(3）主控单元

微机主控单元基本配置包括6种控制模块，它们分别是中央控制器模块(CPU) CKK9601(含人机接口模块(DISPLAY) KCD2864)，模拟量/数字量转换模块(A/D) ATD8386，开关量输入输出模块(DIO) DI01616,模拟量变送模块(PTCT)、ATA8383，继电

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器报警输出模块(SSR)，脉冲放大模块(PULSA) MCF2406。 CPU：CKK9601

中央处理器： MCS8098/80C196KB/80C196KC, 16位 工频频率： 12MHZ/16MHZ/20MHZ

存储容量： EPROM 16KB/RAM 72KB/E2PROM 2KB 高速输入： 4HSI 高速输出： 6HSO

定时器： 2个硬件定时器加4个软件定时器，16位

串行口： 全双工，9600/19200 BPS A/D：ATD8316

A/D芯片： ADS774 分辨率： 12位 转换时间： 8.5?S

通道数： 8116通道同时采样保持 电源： 自带DC/DC隔离电源

功率消耗： 5VDC, 50mA DIO：DI01616

点数： 光电隔离式 16入/16出 输入阻抗： 2KΩ

输出驱动： 50VDC, 200mA 延迟时间： 不大于 10?S 功率消耗： 5VDC, 60mA PTCT：ATA8383

模拟通道数： 12通道电压，4通道电流 输入： 电压100VAC, 电流5A 输出： 0～5VAC 时间延时： 10mS

功率消耗： 5VDC,100mA SSR：DEL1616

控制点数： 16点，共16个端子 直流输入： 30VDC～ 220VDC 节点电流： 最大2A

功率消耗： 5VDC, 100mA PULSA：MCF2406

脉冲点数： 6路

输入： 光电隔离

输出： 脉冲变压器隔离 电源： +24VDC

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功率消耗： 24VDC, 200mA (4)功率单元

功率单元可采用可控硅三相全控桥整流电路或其它电路形式。可控硅三相全控桥整流电路，共采用了6个可控硅单元，每个SCR上均有RC吸收回路，整流电源由励磁机供给，交流侧装有的空气开关以及快速熔断器作为电源开关及保护。在整流桥的直流侧接有直流电流表及直流电压表，以监视整流桥的直流输出。整流桥的输出通过开关与发电机的励磁绕组相连接。对于电阻电感负载，不同的a角时输出的直流电压为：

Ue=1.35U2cosa设计可控硅励磁系统时，需对励磁主回路电

压、电流功率因数及控制角进行计算，三相整流桥短路电流计算，整流装置元件选择。

4. 2 主回路电压、电流的计算及励磁变压器的选择

设计主回路可控硅整流桥，计算时根据直流侧所要求的电流、电压值，计算交流侧的电流、电压值，从而确定电源的容量。此外还应计算在不同运行工况下主回路可控硅的控制角。

(1)励磁系统的参数和特性

发电机额定励磁电压：Ufn =79V 发电机额定励磁电流：Ifn= 243A 强励倍数Kc=Ufn(q)/ Ufn =1.8

式中Ufn(q)～强励顶值电压，即励磁系统在强励中可能提供的最高输出电压的支流分量

Ufn(q)=1.8 x 79V=142.2Y Ufn—额定励磁电压 (2)交流电源功率的计算

Ufn(q)=1.35 x 142.2V x 243=46.65(KYA)

(3)交流侧额定线电压的计算

交流侧额定线电压的确定，应保证强励倍数的要求。在强励倍数给定，并设定可控硅最小控制角amin(即强励时控制角a0)后，交流侧额定线电压U2计算公式如下：

Uf=1.35Uz cosa

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同步发电机自动励磁系统的研究

由上式计算出交流侧额定电压后，还应考虑一定的裕度。 在初步设计中，用下式近似计算

1.35Uz=KcUfn/0.85

U2?(KcUfn/0.85)/1.35U?1.8?79?0.85?1.35?123.9(V)

(4)交流侧线电流计算

给定直流侧电流Idc?Ifn，要求计算交流侧线电流有效值Iz。由于整流桥负载为转子励磁绕组，是一个大电感负载，为计算简单起见，忽略换流过程(即设换流角y=0)，认为交流为矩形波，幅度为Idc，其有效值(均方根值)的大小与可控硅的控制角a有关，即与矩形波的宽度有关。

对于全控桥I2?2Idc 3通常要求确定交流侧的额定电流。对应于发电机在额定功率因数、额定有功负载和11096额定端电压下运行时的励磁电流。一般取Idc=Ifn(e)，另外考虑裕度系数1. 15。对于全控桥，I2?1.1522Idc?1.15??243?228(A) 33故可控硅励磁变压器选择为50KVA,6300V/120V

4. 3 三相整流桥可控硅的选择

整流桥臂可控硅的质量好坏，其额定参数选择的是否正确，对保证励磁装置可靠运

行有很大的关系。设计时主要选择可控硅的额定正向电流和额定反向峰值电压两个参数，这是硅元件的主要规格。 (1)选择硅元件额定电流

在额定工况时，整流桥直流侧电流Idc(e)?Ifd(e)桥臂平均电流IA(AV)=元件的额定正向平均电流为IT(AV)?KiIA(AV) 式中Ki一额定工况时电流裕度系数，通常取3^5。

在强励情况下，整流桥直流侧电流Id(q)?Ifd(q)?KcIfd(e)这时，桥臂平均电流

1Ifd(e),此可选择硅3- 23 -

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IA(AV)?1?1.8?243?145.8A,硅元件的额定正向平均电流应为 3IT(AV)?KiIA(AV)

式中Ki— 强励工况下的电流裕度系数，宜取2以上，这样可保证在额定工况时，电流裕度系数达到3～5。

IT(AV)?KiIA(AV)?(3^5)?145.8?437?729(A)

可取IA(AV)=500A

(2)可控硅额定电压的选择

在使用可控硅时，应了解它在阻断状态下能够承受多大的正向与反向电压。选择可控硅时，应使元件的额定正向与反向电压比实际工作中所承受的正向与反向电压最大值高2倍以上。

在设计时先算出桥臂的反向工作电压最大瞬时值，即

UARM?2U2?1.414?123.9?175.19V

式中U2— 整流桥交流侧线电压有效值。

所选择的可控硅的额定重复反向峰值电压URRM，可按下式计算：

URRM=KMKcgKbUARM

式中 KM一 电压裕度系数，为了提高励磁装置的可靠性，取其值大于2

Kcg— 过电压冲击系数，取1.3～1.6，视过电压保护完备情况而定

Kb— 电源电压升高系数，通常取1. 05～1. 10特殊情况，例如考虑发电机甩

负荷的电压升高，可取更高值

URRM=KMKcgKbUARM?2.5?1.6?1.1?175.19?770.8V

如果一个可控硅元件的电压定额不够大，每臂可用n个硅元件串联，串联运用的硅元件之间应注意其均压问题。故可控硅选择为KP-500A/1000V (3)可控硅的冷却

硅元件的冷却方式一般有自冷、风冷和水冷三种。自冷方式简单、运行费用低，可靠性高，但硅元件利用率低，仅适用于小功率整流设备。在大功率整流装置中，多采用

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风冷或水冷方式。风冷指强迫通风式，设备简单，维护较方便。小机组一般采用强迫通风式，设备简单，维护较方便。

4. 4 逻辑回路

微机励磁由于大部分功能均由软件实现，外部逻辑回路就显得非常简单，主要是用若干直流220V继电器完成外部开关量信号的隔离以及节点的扩展，从现场来的灭磁开关、主油开关、增、减磁节点，均经过直流220V继电器隔离，因为这些信号一般传送距离较远，且混在强电电缆里，直流224V操作有利于提高抗干扰能力。经隔离后的继电器节点经光隔后读入主控单元，由此可见，开关量经过电磁与光电双重隔离，并保证柜外均是强电接口，柜内24V电源不引出柜体，从而保证可靠性。

4.5 总体软件结构

双微机励磁调节装置的软件由主程序和中断服务程序两部分组成。主程序控制微机励磁装置的主要工作流程，完成数据处理、控制规律的计算、控制命令的发出及限制、保护等功能；中断服务程序则用于实现交流信号的采样及数据处理、触发脉冲的软件分相和机端电压的频率测量等功能。

4. 5. 1 软件设计方法

双微机励磁调节装置软件设计满足可靠性、可测试性、可维护性的要求，采用结构化和模块化设计方法。

在进行软件设计时，遵循以下原则：

(1)独立性原则；即对问题、任务进行分解时，应使各任务之间最大地无关，而在同一个子任务内的内容应强相关，这样，程序各模块的独立性高，模块之间耦合弱，接口关系简单。

(2)简单性原则；即一个模块应在一页纸内写完，也就是一个模块的语句数最好不超过50句，因为语句多了，可读性、可理解性就差了。

(3)单入口、单出口原则；即一个模块只允许有一个入口和一个出口，不允许从模块的外部直接跳到模块的内部。也不允许从模块的内部直接跳到模块的外部。一个模块只能通过CALL调用，用RET返回。在一个模块内则可以用JUMP指令跳转。

(4)流水线原则；即对于顺序连接的模块，前一模块的输出应尽可能直接地作为下一个模块的输入，避免再进行额外的格式转换。

(5)可测试性原则；软件的错误具有积累性和放大性，前一阶段的错误会使后一阶段工作中产生相应的错误，甚至造成后一阶段几个错误的出现，因此要及早发现错误，越早修正，所花的代价越小。因此软件从一开始就应可测试，并在每一阶段中引入计算审核和错误反馈，使得错误能尽早发现并修正。

(6)最后，建立完备的软件文档；软件不单单是程序，往往软件设计思想的文档比程序清单更重要。一个模块完成后，至少应提供三份文档：①含有简单说明的程序清单。②该程序模块的流程图。③该程序的设计思想、变量说明、实现原理、数据结构及参考

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文献等。

4. 5. 2 主控制程序

本系统的总体软件设计如图4-4所示。除主程序外，软件中还有三个起不同作用的中断服务子程序。分别用于交流信号的采样、触发脉冲的软件分相和机端电压的频率测量(流程图如图4-6所示)

主控制程序每个周波执行六次(由锁相环控制精确均匀进行)，主要完成下列功能。 模拟输入量有发电机量测PT输出电压和仪表PT输出电压以及发电机定子电流(均为三相)，另外还有转子电流以及励磁装置的输出电流等，在主控制程序中进行模拟量的采样。

·计算发电机电压，有功功率和无功功率等。

·按照设定好的调差系数和调差极性进行调差计算。 ·按照给定的控制规律和运行参数进行控制量。

在自动运行方式下主控制程序按照控制量计算值执行自动输出操作。 (1)给定子程序

设定发电机在不同的运行工况下的参考电压或参考转子电流值。在自动运行方式下，按下置位按钮，在设定的时间内电压给定值增加到95%额定，并且置位功能闭锁。

(2)起励控制

对于自励系统，由于发电机残压不足以建压，所以必须加装起励回路，当起励按钮按下且机端电压低于20％时，由程序控制将起励接触器闭合，起励回路工作，同时开始计时，当在设定时间内电压达到20%，立即跳开起励接触器，如果超过设定的起励时间，电压仍没有建起，则跳开起励接触器，同时发起励失败信号。

(3)跟踪切换

手动运行方式时，自动通道实时跟踪发电机电压；自动运行时，手动通道延时20秒跟踪转子电流(或输出电流)。两种运行方式之间能进行无扰动切换。

通道之间通过调整跟踪系数，即自动运行时调整跟踪系数1，手动运行时调整跟踪系数2，使得两个通道显示的触发角大致相等，当进行切换时，就不会产生波动。

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开始 初始化 系统各部分 计算电压、 电流功率等值 手动 手动、自动 运行 读励磁电流给定植与实际值 比例调节 限幅 得到相应的α角 送α角计算值至相应的计数器 读无功给定 与当前无功比较 恒Q 恒Q还是恒cosφ 限制动作 Yes 限制动作？ No 自动 Yes 有否恒Q恒No cosφ调节 恒cosφ 读当前电压给定 PT断线检侧 手自动跟踪及 系统电压跟踪 读cosφ给与当前cos φ比较 调节 非线性调节 键盘及显示的监控 给定修改 比例调节 失磁、失控的 判断及动作 PID调节 给出触发角α 看门狗复归

图4-4励磁系统的总体软件设计流程图

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保护现场 读入此通道采样结果放在对应的缓冲区里 启动下一个通道的A/D转换 修改通道指针和数据区地址指针 恢复现场 返回 图4-5触发脉冲及 预测子程序流程图

保护现场 软件分相，按脉冲列发下一个脉冲 测量同步电压频率 恢复现场 中断返回 图4-6触发脉冲

及预测子程序流程图- 28 -

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4. 6 主要保护功能

为了保证发电机的安全稳定运行，双微机励磁调节装置具有全面的保护功能，所有限制保护功能的定值和时间均能在现场进行设定。

1.低励限制和保护 如果bP-Cq >D1(第I条线)，则判定为低励，发低励信号(面板低励指示灯亮，低励限制继电器动作)闭锁减励。并自动进行增磁操作直到低励故障消失。

如果bP-cQ>D2(第II条线)，则除执行上述操作外，延时1s切手动(面板上“手动”指示灯亮，切手动继电器动作)，励磁装置转为手动运行。限制和保护线见图4-8 。

BP?bP?cQ?D1?bP?cQ?D2A 图4-8低励限制和保护

最大励磁电流限制采用反时限特性，模拟转子的发热模型

?I2rt，其允许的过励时

间t是随发电机励磁电流的大小而变化的。过励限制和保护按照下列原则:

If(A)t(s) 图4-9过励限制和保护 (1)转子电流I(2) I

fd

>2.25时，瞬时封锁脉冲退出运行；

<1.0时计算反时限等效时间；

fd> 1.06, I

fd detg=

?(Ifd 2-1 )

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注: detg为转子电流反时限积分值； (3) 1.0

(5)如detg≥8S发过励报警信号(面板过励故障指示灯亮)，过励继电器动作。并且在If>1.3的情况下执行限制转子电流操作，把转子电流控制在1.3以下；在If<1.3的情况下，自动执行减励操作直至满足If≤1.04；

(6)如detg≥9S，延时1S切脉冲退出运行。

3. V/HZ限制和保护

V/HZ限制和保护的原则是:

(1)当V/HZ>1.15时，发过V/HZ信号(面板V/HZ故障指示灯亮，过V/HZ继电器动作)闭锁增励，自动减励至过V/HZ故障消除。

(2)当V/HZ >1.25时，除执行上面的动作过程外，延时1S后切手动(面板上“手动”指示灯亮，切手动继电器动作)，励磁装置转为手动运行。

4. PT熔丝断

如果检测到仪表PT熔丝断，发PT熔丝断继电器动作)，如果是量测PT熔丝断，则除发PT熔丝断信号外，切手动继电器动作，面板显示切手动故障，励磁装置转手动运行如果检测到它柜发生误强励，发误强发PT熔丝断信号(PT熔丝断继电器则除发PT熔丝断信号外，切手动继电励磁装置转手动运行。

5.失脉冲检测

当检测到失脉冲故障后，失脉冲继电器动作面板显示失脉冲相。同时通道退出运行。

6.均流越限检测

在双柜均流运行时，如果两柜电流差超过两柜电流和25%，发均流越限信号（面板均流越限故障指示灯亮，均流越限继电器动作）；如果两柜电流差超过两柜电流和的75%则退出均流运行。

7.系统自检功能

系统自检功能含存储器校验、电源检测、可控硅故障等，当有故障发生时，发硬件故障信号，同时本通道退出运行。对于双通道系统，备用通道自投。

8.故障录波

记录故障前4秒，故障后16秒所有采集到的模拟量数据，故障录波的触发量为通道故障退出信号。

9.事件记忆

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按照时间的先后记录20组事件发生的时间，包括:运行操作信号如通道投入、退出；开关量输入信号，如:油开关的合、分闸；以及其它故障信号，如硬件故障等。

5 控制模型的分析

本励磁装置属于静止自励系统，装置主要环节有六个：

检测环节；用来测量发电机电压的变化，并将它转变成直流电压信号，经比较后输出电压偏差信号。该环节主要包括降压电路、整流电路和比较电路。

综合放大环节；用于将辅助控制信号和电压偏差信号合成后放大，并输出控制电压信号。该环节主要由LM324集成电路组成。

移相触发环节；根据控制电压的大小，产生相位随之变化的触发脉冲，触发功率整流环节中的可控硅，该环节主要由三相移相触发芯片TC787组成。

最小励磁限制环节；当电压变化时，自动调节励磁电流，使发电机端电压稳定在额定值。该环节主要包括检测电路及执行电路。

功率整流环节；将励磁电源电压变换成一定比例的励磁直流电压，该环节主要由三相全控整流电路组成。

无功调差环节；用来使发电机能并列运行稳定且无功分配合理。该环节主要包括调差单元及测量单元。

5.1 各环节的传递函数

(1) 检测环节的传递函数

检测环节的传递函数可写为：

?U(S)?Ug(S)?K1UF(S)

1?T1S式中： ?U(S)，电压偏差

Ug(S)，发电机基准端电压 UF(S），发电机端电压

K1, 电压比例系数，K1＜1

T1 检测环节时间常数，T1≤0.05s

（2）综合放大环节的传递函数

放大电路可按常规处理，用一阶滞后环节来描述，同时考虑到放大电路的上下限，其传递函数可写为：

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UK(S)??K2?U(S) （5-2）

1?T2S式中： UK(S)，控制电压 ?U(S)，电压偏差

K2, 放大环节的放大系数，负号表示反比关系 T2, 放大环节的时间常数，一般很小, T2≈0 (3) 移相触发环节的传递函数

移相触发电路可认为是一阶延时电路，其传递函数为:

a(S)?K3UK(S)

1?T3S式中：a(S)，可控硅控制角 UK(S)，控制电压

K3，移相触发环节的比例函数 T3，移相环节的时间常数，一般取0.01 (4) 最小励磁限制环节的传递函数

该环节的传递函数可写为：

UZ(S)?K4UF(S)

1?T4S式中：UZ(S)，最小励磁限制电路的输出电压 UF(S)，发电机端电压

K4， 最小励磁限制环节的比例函数

T4, 最小励磁限制环节的时间常数，一般取0.005 (5) 功率整流环节的传递函数

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由于本装置的功率整流环节主要由三相全控整流电路组成，其传递函数如下：

UL(S)?KA1?TCSa(S)

1?TBS式中：UL(S)， 可控硅整流电路输出电压 a(S)， 可控硅控制角 KA, 整流环节的比例函数

TB， 滞后相位补偿时间常数，TB?0.5 TC， 超前相位补偿时间常数，TC?0.22

5.2 励磁装置的稳定性分析

根据Routh稳定依据，将一个闭环控制系统的传递函数W(S))写成

A(S)形式，把 B(S)B(S)=0作为系统的特征方程式。当特征方程式中出现负系数或零系数时，则闭环系统为不稳定系统或临界稳定系统。当特征方程式中各项系数均大于零时，可列写出Routh阵列，当Routh阵列中第一列各元素均大于零时，则系统是稳定的。

W(S)的特征方程式： (1?T1S)(1?T2S)(1?T3S)(1?T4S)(1?TBS)[(1?T6S)(1?T5S)+K5K6] +K1K2K3K5(1+T6S)[K4(1?TBS)+KA(1?T4S)(1?TCS)]?0

将特征方程式展开，有a7S7?a6S6?a5S5?a4S4?a3S3?a2S2?a1S1?a0?0

根据特征方程式及Routh判据，可计算出稳定条件：

a5a6?a4a7＞0

a4a5a6?a42a7?a3a6?a2a6a7＞0

2(a3a6?a2a7)2＞0 a3a4?a2a5?a1a6?a0a7?a2a6?a4a7其中：

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(a1a6?a0a7)2E?a0a3?a1a2?

a5a6?a4a7G?a4(a5a6?a4a7)(a1a6?a0a7)

将励磁装置元件参数及发电机参数代入不等式，可得a0<12014。由于a0 =l+K5K6?K2K3K4K5KA因此系统稳定的条件为：1?K5K6?K2K3K4K5K<12014由前面分析可知：K1＜1，取0.1；K2取决于放大电路参数，并可作适当调节：K3最大值取决于最大移相范围与控制电压变化量的比值，一般最大移相范围是π，而控制电压变化范围在5V以内，所以取K3约为0.6～0.65，取0.6，K4表示移相角与励磁电压转换关系KA整流环节增益，一般取150;K5可近似用发电机额定电压与励磁额定电压的比值替代，一般可取25：K6可认为是无功调差电路输出电压与发电机端电压比值，取0.015。因此可知，励磁装置稳定须满足2250K2K4 +225K2+1.375<12014。显然，这个条件容易满足。

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6 结论

发电机励磁控制系统除了保持用电和供电的无功负荷的平衡、保持电力系统的电压稳定外，还对提高发电机及电力系统稳定、改善电力运行条件有显著的作用。它的性能指标和可靠性的好坏直接影响到电力系统和发电厂运行的可靠性和稳定性。

本文研究了以静止半导体励磁系统代替同轴励磁机励磁方式励磁，以微机励磁调节器代替模拟励磁调节器，用于改造企业自备电站小型同步发电机组励磁系统。在分析了当今同步发电机励磁控制系统研究现状和发展方向、同步发电机励磁控制系统的组成的基础上，对励磁控制系统进行了理论分析、改造。具体完成的工作如下：

1.确定了微机励磁控制系统的总体方案。对同步发电机励磁系统方案进行了分析，并着重对数字式励磁控制系统作了描述，对三相桥式全控整流线路和线性移相环节进行了分析。

2.设计了微机励磁控制系统硬件，进行了励磁调节器主回路的计算，选择了励磁变压器及可控硅。

3.确定了微机励磁调节器软件的总体结构，设计了微机控制软件，阐述了微机励磁调节器实现的主要功能及保护方式。

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参考文献

[1]陈龙三.8051单片机C语言控制与应用.清华大学出版社.1999 [2]迟正刚，微机励磁控制系统的抗干扰研究.继电器.1999.

[3]戴恒阳，刘小宝，王代华.小型水电站发电机组励磁调节系统.电气传动自动化.2002. [4]丁则信.单片机微处理器在PID调节器中的应用.化学工业与工程技术.1997. [5]商国才.电力系统自动化.天津大学出版社.

[6]马忠梅，籍顺心，张凯等.单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版

社.1999

[7]贾小会.微机励磁调节器功能的完善和改进.电力系统自动化.1999

[8]晋清祥，李志民，陈学允.同步发电机非线性PID励磁控制.电力系统及自动化学 报.1997

[9]李文清.微机励磁调节器的抗干扰技术措施.华东电力.1997

[10]厉小润一种与接线无关的三相功率因数的检测方法.电子技术应用.2003

[11]Fan, S.，C. -X. Mao, and L. -N. Chen. Optimal coordinated control of synchronous

generator-power electronic transformer unit. Power System Technology, 2005.

[12]Chan, T. F.，L. T. Yan, and L. L. Lai，Permanent-magnet synchronous generator with

inset rotor for autonomous power-system applications. IEE Proceedings: Generation, Transmission and Distribution, 2004.

[13] Corney, A. C.，Digital generator assisted impedance bridge. IEEE Transactions on

Instrumentation and Measurement, 2003.

[14] Junying, S.，C. Yunping, and L. Dichen. Decentralized variable structrue control for

Asynchronized Synchronous Generator paralleled with Synchronous Generator. 2003. Singapore:Nanyang Technological University, Singapore, 639873, Singapore.

[15] Westlake, A. J. G.，J. R. Bumby, and E. Spooner, Damping the power-angle

oscillations of a permanent-magnet synchronous generator with particular reference to wind turbine applications. IEE Proceedings: Electric Power Applications 1996.

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致谢

在完成本文以及即将结束研究生生活之际，我谨表达如下谢意:

首先感谢我的导师李艳军老师，四年来老师对我学业上的精心指导和生活上无微不至的关怀令我终身难忘。特别是在课题试验的过程当中，从选题到成文，她一直都给予了我悉心的指导和帮助，并提出了许多宝贵的意见和建议，使我得以顺利完成本文的工作。在我就读期间，导师严谨的治学态度，精深的专业知识，不断创新的科研精神，以及他对我的谆谆教诲将使我终身受益。

在课题的研究和论文的撰写过程当中还得到了田思华，马淳峰，吕丙寅等同学的热心帮助，在此表示感谢。

另外，在大学期间，电气工程系的老师和同学都给了我很大的支持与鼓励，在此我也表示衷心的谢意。

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附图

微机励磁调节装置励磁系统逻辑系统图

RaCbRbCa /Y-11励磁变压器RcCcABCYA1B1C1LZKA2B2C2KSD3KSD2KSD1KSD1KSD2KSD3PT1KMZR1~ZR2TCL6PT2CT2YKRA~KRCA2B2C23TILYGRA~GRCA4B4C43桥I1Ra1Rb1Cb4Rb4Ra4Cb4操作电源（24VII）220Vor开关电源操作电源（24VI）110V220Vor开关电源110V操作电源+5V +12V操作电源-12V脉冲形成串脉冲检测行脉冲切换口CPU板（主机板）EPROM桥IIG~GS开关量输入输出（光耦隔离）1KGZ3Ra3Rb3CbA44KGZ6Ra6Rb6CbROMROM6FL2信号隔离与调理定子电压定子电流励磁电流同步信号HSII脉冲放大 继电器输出（信号指示灯）3KGZB46KGZ2Ra65Ra5Rb5Cb2Rb2CbFL15KGZC42KGZ3灭磁单元过电压保护单元IIA4IIB4IIC436YTR2起励QC厂用电Y

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