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1第一章系统概述随着经济建设的发展，我国的电力工业正迅速发展。电力系统的规模日益扩大，发电设备的容量也相应增大，系统的运行方式的变化越来越频繁。为了更好地保证安全，经济运行并保证电能质量，电力系统运行对自动控制装置提出了更高的要求。对励磁系统而言，除了要求励磁装置维持发电机电压水平外，还要求它对电力系统动态和暂态稳定起作用。因此有必要引入如电力系统稳定器，线性最优控制和非线性最优控制等复杂的控制方式以充分发挥励磁控制系统在电力系统中的积极作用。过去，为了实现这些控制必须靠大量相应的硬件，这使得调节电路非常复杂，实现困难且可靠性低。近年来，微处理机技术发展迅猛，应用微处理机的自动励磁调节器更好地满足了励磁系统的复杂要求。GEC系列微机励磁装置是清华大学电机工程系研制的具有自主知识产权的高科技产品，也是目前国内外具有最简单的硬件结构与最丰富的软件功能的工业微机励磁装置。GEC系列微机励磁装置依据先进的非线性控制理论和采用全数字化的微机控制技术，使产品在改善发电厂和电力系统运行稳定性方面具有明显的优越性，本产品可应用在容量为50MW及以上的水、火电机组中。GEC系列微机励磁装置已有一百多台套运行在大、中型水、火电机组上，最长运行时间已超过七年，从未发生过失磁和过电压等故障，创下了微机励磁装置新的安全运行记录。1.1、产品特点•全数字化：从输入通道的交流采样到控制脉冲的输出全部实现数字化，没有模拟环节，无电位器调整，全数字化大大提高了精度和可靠性，维护十分方便。•控制方式：有四种控制方式可供选用。NOEC方式(非线性最优，NonlinearOptimalExcitationControl)LOEC方式(线性最优控制，LinearOptimalExcitationControl)PSS方式(电力系统镇定器，PowerSystemStabilizer)PID方式(比例、积分、微分，ProportionalIntegralDifferential)•方便直观的人机接口：操作面板上有32个轻触薄膜键及8位LED数码管，2可显示16个参数，能非常直观地了解GEC的状态和励磁系统、发电机的状态。•完善的试验功能：可以在线修改调差率，放大倍数，微分时间常数，惯性时间常数，以及进行±10%的阶跃、灭磁实验。所有这些修改及实验均只需进行键盘操作即可，不用改接线。还可以用50Hz变压器代替中频机做开环实验，GEC能自动适应500Hz(400Hz/350Hz)/50Hz励磁功率源的频率。•完备的保护功能：具有PT断线保护，强励反时限、低励限制、V/F限制、过无功限制、过定子电流限制等，以保证发电机的安全稳定运行。所有这些保护特征均比模拟装置有很大改善。•试验、故障录波功能：自动记录故障前4秒，故障后16秒的故障数据，故障数据包括发电机电压、转子电压、控制电压、电流、有功、无功、转速及保护/出错标志。试验录波功能能自动记录试验过程中的各种波形。•平面彩色显示器PPC：GEC-II型自并励励磁控制器上配套了一体化的平面彩色显示器，配以全汉化界面、菜单、简化的按键操作，可以做到无需说明手册而操作(NMO:Non-MenualOperation)。并可以轻易联网实现全厂自动化。1.2、可靠性保证1.2.1、硬件措施•采用全双置，任一通道均满足强行励磁在内的功率的要求。•选用进口开关、电源等器件，并经严格筛选测试；•双套电源并列供电，采用日本电源模块，平均无故障时间40年；•采用工业控制标准的STD总线结构；•输入输出通道双重隔离（电磁隔离与光电隔离）；3•可靠的脉冲自封锁电路，防止误强励、误触发；1.2.2、软件管理•结构化程序设计规范；•单元测试、功能测试和总体联调；•完备的文档管理。1.2.3、整机测试•绝缘耐压实验/抗干扰试验；•连续拷机试验。1.3、主要性能指标可控硅控制角分辨率0.004度/码A/D转换量分辨率2-12A/D转换速率100K/S调压范围5%-130%调压精度＜0.5%移相范围10-150度（根据要求而定）附加调差正负30%内任选，极差1%阶跃特性10%阶跃超调量小于20%，振荡次数小于2次，调整时间小于10秒电源适应性当供电电源在-30%，+50%范围内波动时装置可以可靠运行功率消耗小于300WMUX&S/HA/DCPUPC机RAMEPROM键盘UabcIabcSCRGPPTGEC*调试*操作41.4、型号说明GEC-I型：适用于100MW及其以上的三机励磁系统GEC-IA型：GEC-I的改进型、采用了进口开关及进口电源模块GEC-ID型：适用于带有直流励磁机的间接自励系统GEC-IK型：适用于带有直流励磁机的IGBT开关式励磁调节器GEC-II型：适用于水、火电机组的自并励系统，基本型GEC-IIA型：适用于自并励，带PPC平板显示器GEC-IID型：适用于自并励，带数字信号处理器DSP加速板1.5、典型应用自1993年底第一台GEC系列微机非线性励磁装置在丰满发电厂10#机组自励励磁系统投入运行以来，至今已有近一百多台机组应用了GEC系列励磁调节装置，在内蒙、河南、东北、山西、浙江、河北、贵州和广东等电力系统投入运行。另一批电厂还在洽谈新机励磁配套及老机励磁系统改造事宜。由于GEC系列微机励磁系统的优异性能及至今的无故障安全运行，深得用户的欢迎。为此本产品曾获得东北电管局科技进步一等奖、电力部科技进步三等奖。其中值得一提的是在1994年底在内蒙海勃湾电厂火电机组投入了非线性励磁调节器，投运后曾先后避免了两次内蒙西部电网稳定破坏事故，取得了良好的运行实践经验。在1998年11月，张家口发电厂2300MW发电机组利用事故停机的机会，在48小时内完成了旧励磁控制器的拆解，GEC系列调节器的安装、调试、并网投入运行，深得现场工作人员的好评。同时，采用GEC系列非线性励磁调节器的励磁控制系统对改善电力系统的静态稳定、暂态稳定、电压稳定及抑制各种功率振荡方面具有良好的性能，这是现有其它励磁调节器所不能比拟的。附表中列出了GEC系列励磁装置应用业绩实例。1.5.1、静止式自励励磁系统(GEC-II)对于新建的大中型汽轮发电机组，自并励励磁系统是一种良好的选择。因为这种励磁方式具有可以降低厂房造价、减少机组轴系长度、简化励磁系统接线等优点。此外自并励励磁系统为固有高起始响应系统，具有快速响应的性能。自并励励磁系统的典型接线如下图所示。-SCRarccosctiVfVabcIabcK非线性励磁控制器GEC-I微机CTET+PT5由本公司供货的广东粤连电厂、赤峰电厂成套励磁装置采用了如图1所示的自励励磁方式。1.5.2、三机励磁系统(GEC-IA)对于具有主、副励磁机的它励静止二极管励磁系统，简称三机励磁系统，如下图所示。在我国火电机组中，三机励磁系统是一种应用较广泛的励磁方式。对早期产品，励磁调节器为电磁式结构，惯性时间常数较大，其后改用分立组件的模拟式励磁调节器，但由于功能模块数量过多，给调试及维护带来诸多不便。基于上述情况，本公司励磁部对100MW及以上容量级的三机励磁系统进行了研究，并完成了以GEC系列微机励磁调节器为基础的，适用于三机励磁系统的方案。如图2所示。现已有多台励磁调节器投入运行,其中包括海勃湾电厂1#、2#,沙角A厂2#、3#机组等三机励磁系统。1.5.3、具有直流励磁机的间接自励系统(GEC-ID)对于具有直流励磁机的水、火电机组,传统上采用电磁型相补偿式励磁调节器,由于运行多年,设备有待更新.另外,依据现代电力系统运行的要求,励磁系统应具有较高的励磁电压响应比.针对这一要求,本公司推出了GEC-ID系列间接自励系统,如下图所示.GEXPEX-arccosctiVfVabcIabcK非线性励磁控制器GEC-I微机SCR+CTPTSCR-arccosctiVfVabcIabcK非线性励磁控制器GEC-I微机+CTETPTGEX6间接自励系统的优点是在保留原有设备的基础上,利用自励励磁系统快速性的特点,改善了励磁系统的性能.由于原有的直流励磁机具有功率放大的作用,为此作为自励系统电源的励磁变压器ET其容量是较小的.当直流励磁机具有副励磁机时,亦可采用由副励磁机及间接自励系统复合供给主励磁机励磁的方式.如图所示.本公司曾为丰满电厂、大同一电厂等提供了间接自励系统。在间接自励系统中,亦可取消直流副励磁机，单独由励磁变压器ET供电的方案。1.5.4、晶体开关管式微机励磁系统（GEC-IK）作为晶体开关管的电力元件原采用巨型晶体管GTR（GiantTransistor）以及功率场效应管（MOS-Power）、目前则采用性能更加优越的绝缘栅双极型大功率晶体管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）作为开关管元件用。开关管式调节器结构简单、易于维护，可用于直流励磁机励磁系统。如图所示。－+PEX-arccosctiVfVabcIabcK非线性励磁控制器GEC-I微机+CTPTGEXTSSCRRVfVabcIabc非线性励磁控制器GEC-I微机tc-arccosiK+zCTETPTGEX71.6、产品的选用与合作结合我公司近年来与国内各网局、电力试验研究所，水、火电厂以及制造厂的合作经验，在产品选用方面建议采用以下合作方式。1.6.1先期立项论证，可与用户共同编制选型或改造的先期论证、可行性分析报告，以推动立项的目标。1.6.2实际考察及技术咨询1.6.3共同举办地区性的励磁专题研讨班，以加深对现代励磁控制技术的了解和推动励磁改造及应用的力度。这种方式在广东地区取得了良好的效果。1.6.4鉴定新机励磁配套及老机励磁系统的改造合同1.6.5设备出厂试验的验收及人员的培训1.6.6为加强产品的售后服务，可与应用本产品较多的地区电力试验研究所合作，建立地区产品调试及技术服务中心，有关人员的先期培训由我公司负责进行。1.6.7其它双方认为合适的合作方式为便于用户了解本产品的技术性能及最新产品的开发情况，除欢迎用户来北京清华大学参观考察，亦欢迎来函索取相关技术资料以及对有关问题的咨询。8第二章励磁控制原理2.1、励磁系统同步电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分(或称功率单元)；另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分(或称控制单元,或统称励磁调节器)。励磁控制是一种控制系统，它控制同步发电机发出的电势，所以它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机的无功功率，功率因素和电流等参量。由于大型机组的这些参量直接影响系统的运行状态，因此在某种程度上也可以说，励磁控制器也控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定和励磁控制方式密切相关。G3SCRG2D1G1PTCTGEC-1微机非线性励磁控制器IabcUabcUfa上图为他励静止硅整流器励磁系统的原理接线图。发电机G1的励磁电流由交流励磁机G2经硅整流装置D1整流后通过滑环引入，交流励磁机的励磁电流则由交流副励磁机G3经可控硅整流装置SCR整流后供给。励磁控制器随发电机运行工况的变化而改变可控硅的控制角α，以改变交流励磁机的励磁电流和端电压，从而起到调节发电机G1励磁电流的作用。2.2、励磁控制的作用A.在稳态运行时1.保持发电机在运行中电压的恒定.2.在并列运行时,调节无功功率的分配.3.提高静稳极限和输电线路和传输能力.B.在暂态过程中(大干扰时)1.抑制切负荷时的电压升高.2.提高暂态稳定性.92.3、励磁反馈控制励磁反馈控制是通过以下过程来实现的：首先励磁控制器检测PT的信号从而获知发电机的机端电压Ut，然后将Ut与参考（给定）电压Ur相比较得电压差（Ur-Ut）,该电压差（Ur-Ut）经综合放大环节后得到控制电压Uc。若是最简单的比例调节，那么控制电压Uc与电压差（Ur-Ut）有以下的关系式（不考虑调差）：trC