自并励励磁系统的原理与分析

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摘 要： 本课题论述的是在自动励磁调节器的作用下，采用自并励励磁方式，基于PID控制算法，结合MATLAB和Simulink工具箱对AVR励磁系统进行仿真建模。通过调节参数，得到380MW汽轮发电机发生故障后尽快恢复稳定运行的参数。

关键词： 调节器； PID控制； 自并励励磁； 仿真

中图分类号： TM311 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）（11-12）-0080-01

1 自并励励磁系统方式的简介

自并励励磁系统也称为整流器励磁系统或称静态励磁系统。励磁电源为并联在机端的励磁变压器，由可控硅整流后向励磁绕组供电，励磁调节器通过调节可控硅的触发角来维持发电机端电压稳定。因其电源取自发电机出口，电源电压受电力系统故障的影响，又称为电源不独立系统。自并励励磁系统优点在于：结构简单，发生故障的概率较低，提高了系统运行的可靠性而且维护起来方便；励磁响应迅速，这使得励磁调节器的调节速度大大增加；同时，也避免了由机组轴系长带来的轴系扭振问题。

自并励励磁系统缺点在于：由于励磁系统响应的快速性，导致了系统阻尼的减弱，因而易引发电网的低频振荡，这会影响电力系统的稳定运行；由于励磁系统的电源来自发电机的机端电压，因此容易受到电网运行状况的影响。

2 自并励励磁系统的基本构成

自并励静止励磁系统由励磁变压器、励磁调节装置、功率整流装置、发电机灭磁装置以及过电压保护装置、起励设备及励磁操作设备等部分组成。

2.1 励磁功率单元。励磁功率单元用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，从而建立直流磁场，这部分又称为励磁功率输出部分。自并励励磁系统的功率单元是由励磁变压器和晶闸管整流装置构成，一般由一个比例环节和延时环节组成。

2.2 常规PID励磁控制器研究。常规PID励磁控制器是指采用经典控制理论中的PID控制算法，即AVR。励磁控制器是实现励磁系统控制的智能部件，它根据发电机机端电压或电流的变化情况，实现机组励磁的校正，从而实现对励磁系统的调节[2]。在励磁控制器中，励磁控制器是核心，与硬件部分相结合，完成励磁系统的调节任务。

自动励磁调节器在基本上可划分为三个环节。测量环节：检测各处偏差量，将实际电压与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号。综合放大环节――放大及综合各类信息。执行环节――实现移相和可控触发。

PID是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与参数实际输出值c（t）构成控制偏差。控制量是由偏差的比列（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成的。如果Kp为比例系数，Kd为微分系数，Ki为积分系数，则其传递函数的形式为：

G（s）=■=Kp+■+Kds （1）

模拟PID控制系统原理图如图1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

微分环节能反映偏差信号的变化速率，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。但过大的微分时间常数会使响应过程过分提前制动，从而拖长调节时间，而且系统的抗干扰性能差[3]。

3 励磁系统的建模与仿真

本课题中建立了基于双机系统中380MW汽轮发电机励磁系统的模型。当在系统运行10s后，将发生0.1s的三相短路故障，在自动励磁调节器的作用下，系统将会在短暂的时间内恢复稳定运行。

同步发电机参数：汽轮发电机的转子的类型是隐极式。视在功率等于发电机容量380MW；发电机电压20KV；d轴次暂态电抗Xd″=0.189pu；d轴暂态电抗Xd′=0.250pu；d轴电抗Xd=1.980pu；q轴次暂态电抗为Xq″=0.186pu；q轴暂态电抗Xq′=0.405pu；q轴电抗Xq=1.928pu；Td′=0.860s；Td″=0.044s；Tqo′=0.956s；Tqo″=0.073s。

自动励磁调节器参数：增益Ka和时间常数Ta是系统中的主调节参数，Ka=100；Ta=0.4。Tb和Tc是系统中的辅助调节参数，Tb=4.78；Tc=2.65。

三相变压器标称功率为 kVA，频率为50Hz。一次侧电压为20kV，二次侧电压为110kV。三相变压器的连接方式采用的是星角接法。

发电机转子转速的仿真图形如图2所示。

励磁电压的仿真图形如图3所示。

在上述的建模仿真图形中，可以得出以下结论：在有自动励磁调节器的作用下，系统将在4秒后则会保持稳定运行，当系统在第10秒发生0.1秒的三相故障时，系统会在第14秒后恢复稳定运行。因此，当发生发电机出力变化和系统故障等工况时，在自动励磁调节系统的作用下可以使发电机端电压恒定或在给定水平；保证机组间无功功率的合理分配；提高电力系统运行的稳定性以及提高继电保护动作的灵敏性。

结论

本课题应用MATLAB/Simulink软件建立了双机无穷大系统仿真模型。通过对仿真结果的分析，得出以下结论：自动励磁调节器检测到故障后，经过PID控制方式，调节励磁器的参数，从而使故障在短暂的时间内使系统稳定运行。但由于现场的实际调试过程中，有许多诸如天气等客观因素，因此，难免会有一定的出入，还需具体情况具体分析。自并励励磁方式是直接使用发电机的端电压作为励磁电流的电源，其特点是发生故障概率低，结构简单，可以提高系统运行稳定性；PID是一种经典的控制理论，方法简单，可靠性高，已成为最成熟、应用最广泛的控制系统。

参考文献：

[1]刘健.大型汽轮发电机自并励励磁系统分析设计与仿真[D].硕士学位论文.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007.7-10.

[2]黄耀群.同步电机现代励磁系统及其控制[M].成都：成都科技大学出版社，1993.17-25.

[3]刘镇，姜学智，李东海.PID控制器参数整定方法综述[J].电力系统自动化，1997，21（8）：79-83.