自动电压调节(AVR)-详细介绍

自动电压调整zidongdianyatiaozhengautomaticvoltageregulation,AVR同步发电机的励磁控制系统对机端电压实施自动调节的功能。由于同步发电机具有电枢反应，其端电压随负载变化而波动。最早期的透平发电机运行时，电压是人工调节的，由运行人员监视并调节励磁机磁场回路中的变阻器来维持发电机的端电压。后来研制成机电型自动电压调节器，同步发电机端电压的调整才实现了自动化。励磁控制系统自动电压调节器、励磁机和同步发电机形成的反馈控制系统，见图1。自动电压调节器以发电机的运行参数(电压、电流、功率因数等)作为反馈控制信号，调节励磁电流以维持机端电压为给定值，实现并联运行机组间的无功功率自动分配和提高发电机组运行的稳定性等。自动电压调节器(AVR)是励磁控制系统的核心部件，它所选用元件的性能和所采用的调节准则对调节系统的品质起主导作用。自动电压调节器是通过调节励磁电流来实现电压调整的，同时它还兼有强行励磁、强行灭磁等控制功能，所以也称为自动励磁调节器。图1励磁控制系统图发展简况50年代以前只有机电型自动电压调节器，它的执行部件直接作用于变阻器，改变励磁机的磁场电阻，从而改变发电机励磁，达到调节机端电压的目的。由于它需要克服摩擦力，具有呆滞区，所以发电机组不能在人工稳定区域运行。它的任务只是调整电压和无功分配。50年代磁放大器出现后，电磁型自动电压调节器开始问世，这种自动电压调节器的综合放大和功率放大部件都采用磁放大器，用改变励磁机磁场绕组合成安匝的办法来调节发电机的端电压，它没有机械运动部件，因而无呆滞区，发电机组可以在人工稳定区域运行。这种调节器可靠性高、寿命长。它的主要缺点是时间常数较大。60年代由于半导体器件的发展，又出现了半导体型自动电压调节器。半导体器件几乎没有时延，使用寿命长，70年代初半导体型的自动电压调节器就得到了广泛的应用。当前大规模集成电路和计算机技术已日益成熟，应用计算机技术的数字型自动电压调节器(digitalautomaticvoltagereg-ulator，DAVR)已研制成功并投入工业运行。构成和工作原理自动电压调节器由基本调节装置和辅助装置两部分组成，其结构框图如图2所示，前者由电压量测比较、电压整定、综合放大、功率放大和无功补偿等单元组成;后者包括励磁系统稳定器、最低励磁限制器、过励磁限制器、伏/赫保护和电力系统稳定器等。图2自动电压调节装置结构框图1—电流互感器;2—电压互感器(1)基本调节装置：发电机端电压由测量元件转换为可与基准值进行比较的信号，两者间的误差信号经放大后控制励磁电源的输出量以克服机端电压的偏差，使误差信号降至微小值或为零，即调整发电机端电压接近或等于给定值。调节特性是衡量自动电压调节器静态工作性能的依据，比例式电压调节器的输出UL与测量比较后的误差信号成比例，其特性见图3，发电机电压Uf升高时，调节器输出降低，其陡度与放大倍数成正比。通常用发电机的无功调节特性来反映自动电压调节器的静态性能，且用调差系数δ表示：δ%=(U0*—U*)×100式中U0*为发电机空载状态下端电压的标幺值;U*为功率因数等于零，定子电流等于额定值时发电机电压的标幺值。无功补偿器不接入，发电机负载从额定值变化到零时端电压的变化率称为自然调差系数δ0，即δ0%=(U0*—UN*)×100式中UN*为额定工况下发电机端电压的标幺值。图3自动电压调节器特性δ0决定于励磁控制系统的放大倍数，是反映自动电压调节器调节精度的重要指标，也可称电压调节精确度或稳态电压调整率或静差率。中国电力部门规定自动电压调节器应保证发电机端调压精度小于0.5%～1%;中国国家标准则要求电磁型的自动电压调节器静差率小于3%，半导体型的小于1%。无功补偿器用于并联运行机组间无功功率的分配。它的原理是使电压调节器测量元件测到的端电压加入正比于无功电流的分量。改变这一分量的比值即可获得所需δ值的无功调节特性。并联运行的发电机组，其无功调节特性δ应为正值，即具有下倾特性。设发电厂母线电压标幺值为U*，则在母线上并联运行的发电机其无功电流标幺值为：IQ*＝(U0*-U*)×100/δ。U0*是空载电压标幺值，决定于整定输入信号。δ值设定后，改变U0*值可使无功功率作相应的增减。若母线电压波动△U*，发电机组无功电流的波动为△IQ*＝—△U*×100/δ。通常要求各台发电机组无功负载的波动与其容量成比例，即△IQ*相等，所以在公共母线上并联运行机组的调差系数δ要求相等。中国国家标准规定无功补偿点最大的附加调差系数应在±10%范围内。调差系数的整定是连续的，也可以在全程内均匀分档。(2)辅助装置：包括①励磁控制系统稳定器，可以是一个元件或一组元件，用串联或反馈补偿来校正正向信号，改进励磁控制系统的动态特性，使调节器工作时不会产生持续振荡。一般采用调节器输出电流或发电机励磁电压的微分信号反馈加到综合放大器的输入端;②过励磁限制单元;③最低励磁限制单元;④伏/赫保护单元;⑤电力系统稳定器等。图4机电型自动电压调节器1—电压互感器;2—发电机励磁绕组;3—励磁机励磁绕组分类自动电压调节器按组成的元件及其性能可分为机电型、电磁型、半导体和数字式等四种类型。(1)机电型自动电压调节器：这是50年代以前早期的产品，如图4所示。电压基准是作用于螺线管的弹簧拉力，发电机电压增高时，调节线圈的电流增加，操作螺线管作用于变阻器，增加磁场电阻，使发电机电压降低。如发电机电压降低，则调节作用与上述相反。(2)电磁型自动电压调节器：调节器中的综合放大和功率放大单元均由磁放大器组成，其工作原理见图5。当控制绕组W1和W2中的直流电流增加时，交流绕组W～的电抗下降，使负载电阻R上的电流I增大。为了减小磁放大器的时间常数，要求尽量减小磁放大器的功率，一般和复式励磁配合应用。图6为相复励自动电压调节器原理，图中相复励变压器副边绕组W的交流输出经整流后直接控制励磁机的励磁安匝。它的原边有电流绕组Wi和电压绕组Wu。两个绕组的合成安匝是相复励变压器的原边总磁势。合理选择参数，就可以使相复励变压器的输出反映原边电流的大小和相位。相复励变压器中还设有控制绕组Wk，由电压校正器输出控制其铁芯的饱和程度来改变其副边绕组与原边绕组间的耦合系数，从而调节发电机的电压。这类调节器在中、小型发电机组上被广泛采用。图5磁放大器原理(3)半导体自动电压调节器：其量测比较、综合放大和功率放大等单元以及辅助装置各单元均采用半导体器件组成，实施的方案很多。图7是半导体自动电压调节器的基本框图。①量测比较单元用来测量发电机电压并变换为直流电压，与给定的基准电压比较，得到电压误差信号。②综合放大单元一般由运算放大器组成。为了获得良好的工作性能，除由电压量测比较单元送来的电压误差信号外，还要综合来自辅助装置的各种信号，如过励磁限制、最低励磁限制，电力系统稳定器等的信号。综合放大后的信号控制移相触发单元。③移相触发单元(图8)，用来改变脉冲的相位，经脉冲形成、放大环节去控制可控整流器的导通角，改变其输出电流的大小。它与可控整流电路一起组成电压调节器的功率放大输出单元。图6相复励自动电压调节器原理1—相复励变压器;2—复励整流器;3—电压互感器;4—电流互感器;5—电抗器W—副边绕组;Wi—电流绕组;Wu—电压绕组;Wk—控制绕组(4)数字式自动电压调节器(DAVR)：采用微型计算机作为综合、处理信号的“智能”部件，可控整流电路作为其功率输出单元。它能比较方便地构成多输入一多输出的反馈控制系统，且可应用现代控制理论实现最优励磁控制。发电机的电压、电流等运行参数经模/数(A/D)转换后输入计算机，计算程序按所选用的调节准则运行，获得恰当的调节量输出，控制可控整流电路的输出电流，完成其调节任务。为了提高可靠性，DAVR一般采用双重化工作方式，即相同的两套计算机同时工作，其中一台为调节工作状态，另一台为监视状态，当工作状态的计算机不正常时，立即切换，由监视状态计算机担任调节。图7半导体自动电压调节器基本框图图8移相触发单元的构成调节准则又称调节方式或调节规律，即自动电压调节器对被调量进行调节所采用的数学模型，常用的有比例、比例积分、比例微分、比例微分积分和最优控制等几种。比例调节按发电机电压、电流等运行参数的偏差按比例进行调节，大多数自动电压调节器采用这一调节准则。比例积分调节除按电压、电流等运行参数的偏差按比例调节外，还设有积分环节，按偏差的积分调节，以提高调节精度。比例微分调节除按运动参数偏差的比例进行调节外，还引入某些运行参数的导数(如电压、电流的导数，频率或转速)以改善机组运行的稳定性，以前苏联称之为强力式励磁调节器。比例、微分、积分(PID)调节按运行参数偏差的比例、微分和积分进行调节，选用不同的放大系数以求得较佳的调节性能。最优控制是在现代控制理论的基础上提出的一种调节准则，主要依赖于电子计算机的应用和发展。最优控制的目标通常为在动态过程中使状态变量偏差平方和对时间的积分为最小，同时其控制量也最合适。实际上是多状态反馈的比例式调节，通过计算求得各状态量反馈的最佳