100MW汽轮机励磁控制系统设计要点

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

院（系）： 电气工程学院

专业班级： 电气工程及其自动化

学 号: 080303109

学生姓名： 常佳宁

指导教师： （签字）

起止时间： 2014.12.15 — 2014.12.26

院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程学院

11190202专业班级 电气

5 111

课程设计

100MW汽轮机组励磁机励磁控制系统设计

'I

经乂彳尊

2

题目

本科生课程设计（论文）

课程设计（论文）任务及评语

学生姓名

常佳宁

设计要求

1.

2.

3.

确定励磁自动控制系统的原理接线图。

说明各个环节作用及系统的工作原理。

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。

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

4

行线性化，采用 PID控制，确定PID控制参数。

根据系统传递函数，对系统进行仿真，分析系统性能。

对结果进行分析总结。

基本参数及要求：

发电机容量100MW，

220V。

要求电压调差系数在土

强励倍数1.6,不小于

功率因数0.85，定子额定电压 18KV，空载额定转子电压

14%范围内可调。

1 %。 调压精度，机端电压静差率小于

15%。 6起动升压至额定电压时，超调量不大于

（1天）

（3天）

（2天）

PID控制参数。（1天）

（

论

文 ）

任

务

10秒

5自动电压调节范围：85%〜120%。

7

2、 确定励磁方式，设计励磁自动控制系统接线图。

1、 布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。

3、 建立励磁自动控制系统各个环节的传递函数及框图。

4、 绘制传递函数框图，对传递函数进行线性化，确定

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）

平时:

总成绩: 指导教师签字:

论文质量:

答辩:

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20%以百分制计算

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摘要

本科生课程设计（论文）

在电力系统运行中，同步发电机的励磁系统对于维持发电机端电压、分配并 列运行机

组之间的无功分配、提高电力系统稳定性等方面起着重要的作用。并且， 励磁控制系统是

同步发电机的一个重要组成部分，在保证电能质量、无功功率合 理分配和提高电力系统运

行的可靠性方面起着十分重要作用。同步发电机励磁控 制器是同步发电机控制系统的核

心，本文采用了 PID控制系统设计了 100M汽轮机

组励磁机励磁控制系统，该系统是一个典型的反馈控制系统，PID控制器简单易懂, 使用中

不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。本设 计进行了模糊自

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

I

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目 录

本科生课程设计（论文）

第1章绪论 .............................................................................................................................................. 1

1.1励磁自动控制系统概况 ....................................................................................................... 1

1.2本文设计内容 ......................................................................................................................... 1

第2章发电机励磁系统设计 ................................................................................................................ 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 电压的测量 ...................................................................................................................... 5

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PID控制与系统的仿真分析 .............................................................................................. 11

4.1系统仿真模型的设计 ....................................... 错误！未定义书签。

4.2系统性能的分析 .................................................................................................................. 12

第5章课程设计总结 .......................................................................................................................... 13

参考文献 ............................................................................................................................................... 14

I

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本科生课程设计（论文）

本科生课程设计（论文）

第章绪论

1

1.1

励磁自动控制系统概况

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是由励 磁调节器、励磁功率单元和发电

机构成的一个反馈闭环控制系统。励磁系统主要 作用是为同步发电机励磁绕组提供直流电

流，并且励磁调节器通过控制励磁电压 及励磁电流，担负着对电力系统稳定运行的控制和保

护功能。

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

本文设计内容

本文根据发电机励磁系统的基本原理设计了 500MW汽轮机组励磁机励磁控制 系统。

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。

1

本科生课程设计（论文）

通过设计基本参数达到如下要求：

1 、水轮发电机容量100MW，功率因数0.85，定子额定电压18KV,空载额定 转电压

220V。

2、要求电压调差系数在土 14%£围内可调。

3 、强励倍数1.6，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：85%〜120%。

6 、起动升压至额定电压时，超调量不大于 %。15

2

本科生课程设计（论文）

第章发电机励磁系统设计

2

2.1

励磁控制系统功能

励磁控制器、励磁功率单元和同步发电机共同组成的反馈系统即是励磁控制 系统。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。根据运行方面的要求，同步发电机 励磁控制系统任务：

1. 电压调节：

在电力系统运行的过程中，同步发电机电压会随负荷波动而变化，这就要求 发电机励磁

系统对励磁电流进行调节，以维持发电机电压在给定水平。

2. 控制无功功率分配：

在电力系统运行的过程中，大多数发电机呈并列运行，为保证系统电压稳定 和无功的

合理分布，需要对发电机励磁进行调控，以保证并联运行机组无功功率 的合理分配。

3. 提高同步发电机并联运行的稳定性：

在电力系统的正常运行中，由于各种因素，电网可能遭受干扰，在扰动后， 发电机组

需要恢复到原来的运行状态或过渡到一个新的运行状态，这需要对发电 机励磁进行调节，

以期尽快恢复。

2.2

励磁控制系统总体设计方案

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。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，其中，厂用交流电 需经过降压整流后，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 入正常调节升压。

采集系统采集的模拟量应包括发电机端电压、电网瞬时电压、定子电流、励

3

本科生课程设计（论文）

磁电压以及励磁电流。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PW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。

0

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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。

4

2.3.1

电压测量

i

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本科生课程设计（论文）

电压测量的是将机端三相电压经过变压器降压、桥式整流整流、滤波后转换

成的直流电压。如图2.2所示，三相电压由变压器左端输入，经过两个变压器变 压之后，

降压后的三相电压分别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。

1 A

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)

L c

II

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 U，通过运算放大器与来

输出即为电压偏差信号U，如图2.3所示

de

Se

自电压整定器RP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

图2.3比较整定电路原理图

5

本科生课程设计(论文)

从测量整流电路来的电压 U正比于发电机电压U作为加法器的一个输入量，加 法器的灵

SeG,

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V的恒

分别为则比较整定电路输出电压为：

KK,

CIC

2

U=( K-KU)

declUec2z1

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。

&1Z

定负电压，U/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

Z2

2.3.3 比较整定电路的整定

当整定电压随U变化时，而固定电压U与调压器最小整定电压值有关。具 体调节

z2z1

如下：

电位器R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，

8

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R, AJ的输出为

0V。电位器R5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 R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 耳使AJ输

o

9

入为0V电位器 弘用作运算放大器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。

6

本科生课程设计（论文）

第章系统传递函数的建立

3

3.1

他励直流励磁机的传递函数建立

图3.1他励直流励磁机的传递函数框图

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

UU

E

EE

励绕组的电压平衡方程为：

d *

URi L

EEEEE

=

EE _

+

d

t

©

电压正比于

U

EE

。

地认为励磁机

计饱和时为一条曲线

他励电流和的关系取决于励磁机的饱和特性曲线，不 根据

i

EE

U

E

上述情况有下列关系：

e

成正比，近似当不计转速变化时，励磁机的内电动势与磁链

U

=K

E E

、不计饱和时:

“ -1

UjLi

EEE EE EE

=K=

G

函数为:

7

本科生课程设计（论文）

1

G(s)=

U

U

（S）1 S励磁系统不计饱和的传递函数

T

E

(S)

EEE

（）

、计饱和时定义饱和函数为:

S

E

=

I^I

8

本科生课程设计(论文)

传递函数为：

其对应的同步发电机励磁电动势 的换算关系。

E

de

所以，他励直流励磁机的传递函数框图如图 32在图中考虑了励磁机端电压 与

U

E

U

（）

S

G（s）=

UTKS

（S）S

EEE

E

EE

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

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=

R

（S）

U = K

（）

S

U

（）

S

T

deR

G R

1

S

3.2.2综合放大单元

时间常数为。他们的合成函数是

T

A

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,

K

A

G

A

（S）

=

K

A

T

S

9

本科生课程设计（论文）

323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

T

Z

。

U

d

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，如果米用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

()

=

G(s)

G

S

u

REF

()

S

V G(s)H(s)

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)；

=

KK

AG

TKT

T

6

图3.3励磁控制系统传递函数框图

所以：

U

(s) = ______________________

KK+T

(S)_____________________________

1

GAGR

10

本科生课程设计(论文)

U T

REF AE EdoRAGR

(s)1

(1 )(

TKTTKKK

)(S)(S)

1

上式为同步发电机励磁控制系统的闭环传递函数。

11

本科生课程设计（论文）

3.4

同步发电机的传递函数

由于同步发电机传递函数的复杂，并且只研究发电机空载时励磁控制系统的 设计，则

可对发电机的数学描述进行简化。由于在运行区域内，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，并且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。因此，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。其空载时的时间常

数为 Tdo，用表示发电机的放大系数，得 同步发电机的传递函数为：

K

G

G

G

s

K

G

二

1

TS

d'o

12

本科生课程设计（论文）

第章控制与系统的仿真分析

4PID

4.1

系统仿真模型的设计

PID闭环励磁控制系统的仿真图如图 4.1所示发电机容量500MV，功率因数 0.8，

,

定子额定电压20KV空载额定转子电压220V,要求电压调差系数在土 15% 范围内可调，

自动电压调节范围在 90%〜110%，起动升压至额定电压时，超调 量不大于10%。

图4.2 PID控制阶跃输入响应曲线

13

本科生课程设计（论文）

Bode Degram

Gm = Inf Inf rad/c: Pm - 52.3 dsg (.st 1 - rack'^ec)

FreQuenc； -

图4.3控制系统伯德图

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。

第章课程设计总结

5

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。同步发电机的励磁系统对于维 持发电机端电

14

本科生课程设计（论文）

压、分配并列运行机组之间的无功分配、提高电力系统稳定性等方 面起着重要的作用。励

磁控制系统主要作用是自动检测、分析并控制发电机的励 磁系统为同步发电机励磁绕组提

供直流电流，并且励磁调节器通过控制励磁电压 及励磁电流，担负着对电力系统稳定运行

的控制和保护功能。 MATLAB^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。 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。 本文基于发电机励磁系统的原理， 结合设

计要求设计了 500MW汽轮发电机设置了励磁系统并进行了仿真，仿真结果 符合题目要

求。

15

本科生课程设计（论文）

参考文献

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[2] 王葵等•电力系统自动化.中国电力出版社， 2007.1

[3] 何仰赞等•电力系统分析•华中科技大学出版社，2002.3

[4] 于海生•微型计算机控制技术•清华大学出版社，2003.4

⑸刘卫国等.MATLAB程序设计与应用（第 2版）•高等教育出版社，2008

⑹梅丽凤等•单片机原理及接口技术•清华大学出版社，2009.7

[7] 张桂香•电气控制与单片机应用•北京：化学工业出版社，2003,8.

[8] 李广弟•单片机基础•北京：北京航空航天大学出版社， 2001

[9] 王毓银主编•数字电路逻辑设计•北京：高等教育出版社，1999

[10] 隋振有•单片机应用与编程技术•北京：中国电力出版社， 2009

[11] 王永华•现代电气及可编程控制技术 2002,9 •北京航空航天大学出版社，

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