25MW励磁机励磁控制系统设计

辽宁工业大学电力系统自动化课程设计（论文）题目：25MW励磁机励磁控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：电气111学号：110303029学生姓名：杨隽懿指导教师：李宝国起止时间：2014.12.01—2014.12.12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：电气工程学院注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号110303029学生姓名杨隽懿专业班级电气111课程设计题目25MW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25MW，功率因数0.85，定子额定电压10KV，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％～110％。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：年月日本科生课程设计（论文）摘要近年来，随着发电机容量的不断增大，远方水电厂到负荷中心的长距离输电线路的出现,这时，发电机间的联系变得比较松散，就出现了输送功率的极限问题。特别是在发生故障的情况下，有可能使发电机失去同步。因此，电力系统的稳定性问题历来为世界各国所普遍关注。在当前，为提高电力系统稳定性而采取的措施中，励磁控制有明显的作用。在诸多改善发电机稳定性的措施中，提高励磁系统的控制性能，被公认为是最有效和最经济的措施之一。本文主要是对控制系统进行简要说明，并对系统进行传递函数的建立，画出其传递函数框图，最后对系统进行PID控制设计。建立一个25MW汽轮机组励磁机励磁控制系统，利用MATLAB软件进行仿真实验，根据设计的基本要求进行系统简要的分析。关键词：励磁系统；MATLAB仿真；PID控制；本科生课程设计（论文）目录第1章绪论..........................................................11.1励磁自动控制系统概况.........................................11.2本文主要内容.................................................1第2章发电机励磁控制系统的设计......................................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电压测量...............................................52.3.2比较整定...............................................52.3.3综合放大单元...........................................6图2.4综合放大单元电路图.....................................62.3.4比较整定电路的整定.....................................6第3章系统传递函数的建立............................................73.1励磁控制系统数学模型建立.....................................73.2励磁机的传递函数.............................................73.3同步发电机的传递函数.........................................73.4励磁调节器各单元的传递函数...................................83.4.1电压测量比较单元.......................................83.4.2综合放大单元...........................................83.4.3功率放大单元...........................................93.5励磁控制系统的传递函数.......................................9第4章系统仿真与分析...............................................114.1仿真模型的建立..............................................114.2系统性能的分析..............................................14第5章课程设计总结.................................................15参考文献............................................................16本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1励磁自动控制系统概况随着电力电网的不断发展，电力系统的结构和运行方式也变得越来越复杂，改善和提高电力系统稳定性的主要手段是控制。其目的是在保证系统电压和频率的水平下，使发电机功率能时刻与负荷功率保持平衡。有两种有效控制措施和方法：一种是有功功率控制，如切机、切负荷、快关汽门、电气制动等。另一种是无功功率控制，如发电机组的励磁控制、串联电容补偿、输电线路并联电抗补偿、设置开关站和加设调相机等。同步电机的励磁控制系统对电力系统的暂态稳定和动态稳定有重要影响。因此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。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的转子提供直流励磁或交流励磁电流，即励磁电流；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。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控制系统。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。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。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。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。本文采用同步发电机的基本原理设计对25MW汽轮机组励磁机励磁控制系统进行设计，其中包括励磁控制系统的测量比较单元电路的设计，传递函数的建立等，最后并对其系统进行MATLAB仿真。以达到实验的基本参数要求,如下所示:基本参数及要求：1、发电机容量25MW，功率因数0.85，定子额定电压10KV，空载额定转子电压本科生课程设计（论文）2220V。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％～110％。6、起动升压至额定电压时，超调量不大于10％。本科生课程设计（论文）3第2章发电机励磁控制系统的设计2.1励磁控制系统功能励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机的可靠运行，提供合格的电能，而且还可以有效的提高系统的技术指标。根据运行方面的要求，励磁控制系统应具有以下功能：1、电压控制电力系统正常运行时，负荷总是经常波动，发电机的功率也就相应的变化，随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节以维持机端或系统中的某一点电压在给定水平。2、提高同步发电机并联运行的稳定性在发电机组受到扰动后，能使发电机组恢复到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳定运行状态。3、改善电力系统的运行条件电力系统由于种种原因，出现短时低电压时，励磁控制系统可以发挥其调节功能，即大幅度的增加励磁以提高系统电压。2.2励磁控制系统总体设计方案众所周知，同步发电机的励磁电源实质是一个可控的直流电源。为了满足正常的运行的要求，发电机励磁电源必须具备足够的调节容量，并要有一定的强励倍数和励磁电压响应速度。所以，在设计励磁系统方案时，首先需要考虑它的可靠性。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，为了防止系统电网故障对它的影响，励磁功率单元往往作为发电机的专用电源。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。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。本科生课程设计（论文）4同步发电机的励磁控制系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成，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由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。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。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测量比较单元的作用是测量发电机的机端电压，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。测量比较单元由电压测量、比较整定环节组成。本科生课程设计（论文）52.3.1电压测量励磁系统的电压测量是将机端的电压经过变压器变压，然后经过桥式电路的整流，最后经过滤波后转化成直流电压。三相电压由变压器左端输入，由变压器变压后的电压经过电位器进行1R、2R、3R相位调整，是进入三相桥式整流电路的三相电压趋近于对称，也使得整流后的直流电压对称，最后经过滤波器后输出。R1UseR2R3T1T2C1R4D1D3D5D2D4D6图2.2电压测量环节原理图2.3.2比较整定通过电压测量的直流电压经过运算放大器与来自电压整定器的电压的给定电压进行比较，选定其偏差信号，将其送到综合放大单元。在加法器的输入量中，如果运放的闭环放大倍数分别是1cK、2cK，那么整定输出电压