电力系统自动化课程设计

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1、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：学生姓名：指导教师： （签字）起止时间：一课程设计（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

2、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

3、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）指导教件语及成绩平时：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

4、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；仿真第1章绪论1励磁自动控制系统概况1本文主要内容1第2章励磁控制系统硬件设计3励磁控制系统功能3励磁控制系统总体设计方案3励磁控制系统测量比较单元电路设计4电压测量42.3.2比较整定52.3.3比较整定

5、电路的整定6第3章系统传递函数的建立7他励直流励磁机的传递函数建立7励磁器各单元的传递函数8电压测量比较单元8综合放大单元8功率放大单元9励磁控制系统的传递函数9同步发电机的传递函数10第4章系统仿真与分析11仿真模型的建立11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

6、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

7、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。

8、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

9、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G，输出量是励磁机的励磁电流或发电机转自电流，统称为 AUK。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

10、，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

11、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

12、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。植压同审测电E调电流调通用V01司1通开入出说关输镣横大申元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。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

13、。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F 1R 2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Ri、 2、 3三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se。电位器Ri、%、R3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。经比较整pR14deC1R8R9 4图.2|擀测量环节原理圜Use R

14、5测量环节输出的于机压的，勰过运算放大器与来定电压进行比较取得偏差信号,送综合放大单元。在这里，.Use自电压整贷T器.p .运放输出即为电压偏差信号如图所示。从测量整流电路来的电压U se正比于发电机电压g ,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vzi是取自稳压管 VZ的恒定负电压，Uvz2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Kju则比较整定电路输出电压为：de =+(ci se - C2 VZ1)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比较整定电路的整定当整定电压随Uv

15、Z2变化时，而固定电压UvZ 1与调压器最小整定电压值有关。 具体调节如下：电位器R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9输入运放，变动部分五输入， 模拟输入机%电压为预定下限电压，调节R 5使AJ输入为0V。电位器R8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 行电压的为限。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R14用作运算放大器AJ的增益系数的调整。增益范围110倍。电压整定器主要

16、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e，UEE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：d EE E EE LEEdt4当不计转速变化时，励磁机的内电动势与磁链e成正比，近似地认为励磁机 电压UE正比于七。他励电流lEE和UE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：u =K4EE一、不计饱和时：u =k i l = iE EE EE

17、G EE函数为：G(s)= #4亳= (励磁系统不计饱和的传递函数) u (S) 1 + T Es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:u (S)E二传递函数为：.-1G（s）= u（S）T S + K + SEEEEEE与其对应的同步发电机励磁电动势Ede的换算关系。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T R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G（、= U （s） = Kgr （S）咛耳六GR3.2.2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

18、 A，时间常数为A。他们的合成函数是G (s)=二A 1 + T S3.2.3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。滞后时间为广z。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U 心(s) _G (s)U G(s)一1 + G(s)H (s)REF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:K K

19、G(S)=rp它 成rfi(1 + T S)(K + T s)1 + T sKH(s)=ksRu所以：U (s)K K (1 + T s)U = (1 + T )(K + T 茄+T )(1 +T s) + K K KREFA E Ed 0RA G R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

20、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Td0，用%表 示发电机的放大系数，得同步发电机的传递函数为：)KG s)= td 0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，

21、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

22、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。111-,t时mr FenDerhjtlve WjsTi-o utr5 igq w 眼D trwativel Wasti-urlSenjorlcjbroijrid 1一厂一L、一 lensa r2Ti i、；如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

23、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4.2 PID闭环励磁控制系统仿真图154.2系统性能的

24、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。

25、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

26、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

27、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1商国才.电力系统自动化.天津大学出版社，2000出版社，34 周双喜.同步发电机数字式励磁调节器.中国电力出版社，19985 出版社，20016 李先彬.电力系统自动化.水利电力出版社，19957 杨冠城.电力系统自动装置原理.水利电力出版社，19958 刘卫国等.MATLAB程序设计与应用（第2版）.高等教育出版社，20089 陈衍主编.电力系统稳态分析.水利电力出版社，199510 涂光瑜编著.汽轮发电机及电气设备.中国电力出版社，1998