第五章 电力系统电压和无功功率自动控制
第一节
电力系统电压和无功功率控制的必要性
一、电力系统电压控制的必要性 （一）电压偏移对电力用户的影响
异步电动机转矩∝电炉有功功率∝
U
2
2
；
U
；
电压高，电气设备绝缘受损，变压器、电动机等铁损增大； 白炽灯，对电压变化敏感；
冲击负荷（如轧钢机等）会引起电压突然下降和恢复，产生电压闪变，引起附近用户灯光闪烁等。 （二）
电压偏移对电力系统的影响
电压↓--→电厂的厂用机械出力↓--→电厂出力↓；
电压过低时，低于临界值时，母线电压有微小下降时，负荷的无功消耗量的增加值大于系统向该节点提供的无功功率的增加值--→无功缺额进一步加大--→电压进一步下降--→恶性循环产生“电压崩溃”（母线电压下降到很低的水平）。
二、无功功率控制的必要性
1、维持电力系统电压在允许范围之内
电力系统中无功电源发出的无功功率等于电力系统负荷在额定电压时所需要消耗的无功功率时，电压是稳定的，可稳定在额定电压下，当无功缺额时，电压下降，可稳定在一个较低的电压。
维持电力系统电压在允许范围之内是靠控制电力系统无功电源的出力实现的。
Q Q 第二节
电力系统电压和无功功率的控制
一、电力系统的电压控制 （一）电力系统的无功负荷
2、提高系统运行的经济性
无功功率一般尽可能地就地就近平衡。 3、维持电力系统稳定
x
系统正常运行时电压变化主要由负荷无功功率变化引起。 电力系统无功负荷变化分两类：
变化周期长、波及面大的负荷变化，可预测；
冲击性造成间歇性负荷变化，不可预测。
（二）电力系统的电压控制
n
m
Gie
l
Lje
任务：①
∑Q
i =1
=
∑Q
j =1
+
∑∆Q
k =1
∑ke
(线损、变压器损耗）
；
②U
≤U （允许电压）y
。
负荷引起的电压波动，采用：
a 、设臵串联电容器；b 、设臵调相机和电抗器；c 、设臵静止补偿器。 仅控制各电压中枢点的电压偏移不超过允许值。
二、电力系统的无功功率控制
n
m
Gie
l
Lje
任务：①
∑Q
i =1
=
∑Q
j =1
+
∑∆Q
k =1
∑ke
(损耗）；
②优化电力系统中无功功率分布。
优化内容：
a 、负荷所需的无功功率让哪些无功功率电源提供最好，即无功电源的最优分布问题；
b、负荷所需的无功功率是让已投入运行的无功电源供给好，还是装设新的无功电源更好，即无功功率的优化补偿问题。
优化目的：保证电压质量的前提下获得更多的经济效益。
第三节 同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求
励磁系统是向发电机供给励磁电流的系统，它包括产生发电机励磁电流的励磁功率单元，自动励磁调节器，手动调节部分，灭磁保护，监视装臵和仪表等。
一、 同步发电机励磁控制系统的主要任务 （一）控制电压
X
+
d
F L Q
U
L
I L
等值电路图
-
q E
X j I G p I
―δ
q I
G U
q X j I d
G
I
向量图
=U + j I G X d 式中X d 为发电机直轴电抗。 E q G
正常时，流经FLQ 的励磁电流I L 在同步发电机内建立磁场，使定子绕组产生空载感应电势E
q
。
E q COS δ=U G +I q X
d
δ
◆
很小
COS δ≈1，则E
q
=U G +I q X
d
发电机单机带负荷运行：
a 、I L 不变时，电压变化主要是由定子电流的无功分量I q 变化引起的；
b 、若I q 不变，改变I L 可以改变E q ，进而可以改变U G 或使U G 保持恒定，即发电机单机运行调节励磁电流可以改变机端电压。 ◆ ◆
发电机并入系统运行改变一台机组的励磁电流对系统电压影响很小，但可以改变机组发出的无功功率，这时机端电压有一些变化。
若接入无穷大系统，则励磁电流的改变不影响机端电压的变化，只改变发出的无功功率。
U G ≈U
X
+I q （X
B
+X L ）
U B ≈U
X
+I q X L
I q =
E q -U X X d +X B +X L
X X
B
X
L
X
（1）I L 变
E
q
变
I q 变U B 或U G 在给定水平
（2）无穷大系统，X B ＝X L =0则U G =U X
X B ：变压器的漏抗
X L ：输电线路电抗
（二）合理分配并联运行发电机间的无功功率 “合理控制”含义：
a 、每台发电机发出的无功功率数量要合理；
b 、当系统电压变化时，每台发电机输出的无功功率要随时自动调节，而且调节量要合理；1、发电机无功功率控制的原理
同步发电机与无限大母线并列运行U G =常数 这里仅调无功故有功P G 不变
A
E E A
‘
K 2
j I G 2X d
d
I q 1I q ‘2
K 1B
P G =U G I G cos ϕ=const
E
q
sin δ=I G X
d
.sin(90
-ϕ)
=I G X
d
cos ϕ 两边同乘以U G 得：
P G =
E q U G X
⋅sin δ= const 故：
d
E
q
sin δ=
X d P U G
G
= const=K 2 I G cos ϕ=
P
G
U G
= const=K 1
E
q
和I L 成正比，故上图中I L 2 I L 1
I q 2 I q 1
由于发电机电压U G 为定值，所以当励磁电流增加时，发电机发出的无功功率（Q G =U G I q ）就增加了，反之减少，即无功功率调节原理。
2、合理分配并联运行发电机间的无功功率
U G *
―――U M 1
――'1U
M
――F 1F
' 1
'1I q
I q 1I q *
*发电机的外特性，表征发电机电压U G *与无功电流I q *的关系（标幺值）由于斜率（调差率）和Y 截距（电压给定值，空载电压）决定。 *改变电压给定值使外特性曲线移动，如F 1
F 1。
'
*当母线电压波动时，并列运行的发电机的无功电流改变量与电压波动量成正比，与调差系数成反比，与电压给定值无关如U
（三）改善电力系统的运行条件 1、改善异步电动机的自启动条件
m 1
U
'
m 1
。
机组有，无励磁控制时短路切除后电压恢复的不同情况： 1、无励磁自动控制时 2、有励磁自动控制时
2、为同步发电机异步运行创造条件 3、提高继电保护装臵工作的正确性 （四）防止水轮发电机过电压 1、水轮发电机过电压产生的原因
水轮机组机械转动惯量大，且水锤效应使机组甩负荷时不能以最快的速度来关闭水轮机导叶
转
速上升很多机端电压与励磁电流和转速成正比电压升高很多
2、防止过电压的方法
发电机电压U G =115%U G e （额定电压）时，强行减磁，减少励磁电流，当U G =130%U G e 时延时0.5s 跳发电机灭磁开关，强行把励磁电流减到零。
二、对励磁系统的基本要求 （一） 具有十分高的可靠性
（二） 保证发电机具有足够的励磁容量
当同步发电机的励磁电压和电流不超过其额定电压和电流的1.1倍时励磁系统应保证能连续运行。 （三）足够的强励能力
强励：在发电机电压下降较多时，励磁系统快速地将励磁电流和电压升到顶值的一种运行行为。 强励指标： a 、励磁顶值电压
励磁系统负载顶值电压指“当提供励磁系统顶值电流时，从励磁系统端部可能提供的最大直流电压”。 励磁系统顶值电流指在规定时间内，励磁系统从它的端部能够提供的最大直流电流。
励磁系统顶值电压的倍数等于励磁系统负载顶值电压与额定励磁电压之比，应满足国标要求。 b 、励磁系统电压响应时间
发电机在额定工况下运行，励磁系统起始电压为发电机额定励磁电压条件下，励磁系统达到顶值电压之差的95%所需时间的秒数。
响应时间小于等于0.1s 则为高起始响应。
一般要求允许励磁时间不大于10s c 、励磁系统标称响应
U U L U L e 0
在暂态过程中，励磁系统对发电机影响最大的量是转子磁通增量∆φL (t)。
∆φL (t)=
1K
⎰
t 0
∆U L (t)dt
与ADC 围成面积正比
强励时，励磁电压在最初的0.5秒内上升的平均速度
U E =
U
LB
-U
Le
Le
0. 5U
（s
-1
）
定义为励磁系统标称响应。
（四）发电机电压调差率有足够的整定范围
调差率：自动励磁调节器的调差单元投入，电压给定值固定，发电机功率因数为零的情况下，发电机无功负荷从零变化到额定值时发电机机端电压的变化率。
*U G
U G 0
U 0
δ(%)=
U G 0-U U G 0
e *
⨯100
U G 0：发电机空载额定工况下的发电机机端电压 U ：发电机无功电流等于额定值时的发电机机端电压
国标规定：±10%（半导体） ±5%（电磁型调节器） （五）保证发电机电压有足够的调节范围
自动电压调节器应保证在发电机空载额定电压的70%～110%范围内能稳定平滑地调节。 （六）保证发电机励磁自动控制系统具有良好的调节特性 1、保证发电机机端电压调节精度不大于规定值
调压精度用静差率表示，是指发电机励磁自动控制系统投入运行，励磁系统调差单元切除，发电机电压的给定值不进行调节的情况下，原动机转速及功率因数在规定范围内变化，发电机负载从额定变化到零时发电机端电压变化率即：
δ(%)=
U G 0-U Ge
U Ge
⨯100
U G e ：发电机在额定工况下的发电机端电压 U G 0同上
国标：±1% (半导体) ±3%（电磁型） 2、保证励磁自动控制系统具有良好的动态特性
±10%阶跃响应，超调量≤50%阶跃量，摆动次数≤3，调节时间≤10s ，零起升压，超调量≤15%
额定值，摇动次数≤3，调节时间≤10s
第四节 同步发电机的励磁自动控制系统的分类 一、 同步发电机励磁自动控制系统基本构成
发电机励磁系统：自动励磁调节器+励磁功率单元
同步发电机励磁自动控制系统由发电机及其励磁系统组成的反馈自动控制系统。 按功率单元分类：直流励磁机系统（分自励，它励） 交流励磁机系统（分自励，它励） 静止励磁系统 按调节器水平分：电磁式励磁调节器 半导体励磁调节器 计算机励磁调节器 二、 直流机励磁系统
（一）自励直流励磁系统 时间常数大 （二）它励直流励磁系统 时间常数较小 （三）评价
1、存在机械整流子换向，维护不方便 2、由于换向原因，容量有限P G 100MW 3、体积大，造价贵 三、交流励磁机系统
（一） 它励交流励磁机静止整流励磁系统 1、系统基本情况（见书P146图4-14）
交流副励磁机JFL
FL
不可控整流
励磁绕组
2、对系统的基本评价
a、容量比直流机大，维护方便
b、由同轴JFL ，JL 供电，不受电网干扰，可靠性高 c、调节相对较快
d、交流励磁机时间常数较大，控制环节多，更使时间常数升高 e 、仍存在集电环和碳刷，不能用于巨型机 f 、三机、主轴长，增大厂房投资 （二）自励交流励磁机静止硅整流励磁系统 取消副励磁机，直接控制发电机励磁电流 评价：a 、时间常数小
b、缩短了主轴长度，土建投资较省
c 、可控硅电流较大
（三）交流励磁机旋转整流励磁系统（无刷励磁）
1、基本情况
交流副励磁机为永磁发电机，没有碳刷 2、评价
a、解决了巨型机组励磁电流引入转子绕组的技术困难。 b、取消集电环和碳刷，维护量小 c、无法实现转子回路直接灭磁
d 、励磁电流等无法直接测量 e 、时间常数较大
四、静止励磁系统 （一）自并励励磁系统
优点：（1）结构简单，可靠性高，造价低，维护量小 （2）无励磁机，主轴短，土建造价低 （3）响应时间快
人们曾担心：
（1）机端三相短路，切除时间较长，LB 原边电压为零，系统能否及时提供足够的强励电压； （2）
短路电流迅速衰减，带时限的继电保护能否正确动作。
实验证明，在0.5s 内强励能力同它励方式，一般主保护动作时间在0.1s 内且设有双重保护，不必担心继保问题。
五、自复励励磁系统
自励和复励两部分输出的直流并在一起，共同供给发电机励磁电流的方式称为自复励励磁方式
特点：系统短路时复励部分电流增大，强励能力较强。
第五节 比例式励磁自动控制的基本原理 一、 基本结构与工作原理 （一）基本结构
测量比较单元，综合放大单元，移相触发，可控硅功率单元
比例式自动励磁控制系统
（二）工作原理
I LL
G 1G 2
G
I LL 2I LL 1
阻止U G 减小 阻止U G 增大
U G 减小
U G 增大
I LL 1增大I LL 1减小
I L 增大I L 减小
比例调节的结果不能使发电机电压维持恒定
存在∆U G 误差，故比例调节作用（∆I L ）是以被控参数存在调节误差（∆U G ）为代价换取的。 比例调节器励磁系统的调节特型（静态调节特性） 设各环节均工作于线性段
∆U E =U gd -U c =U gd
K c =
—K c U G
U C U G
U G =K A K L K G ∆U E
K A :励磁调节器放大系数，K A =
I LL ∆U E
K L , K G ：励磁机和发电机的放大系数
∆U E =
U gd
1+K C K A K L K G
∆U E 是发电机电压与给定电压之差，随着放大倍数的增大而减小，但分母为有限数，K A 太大会影
响动态指标，所以比例调节是有差调节，如果要使静态调差为零，应加上积分调节。 （一）
电压测量比较单元
1、基本要求
（1） （2） （3）
给定电压应稳定，电压调整范围须满足运行要求； 测量电路应有足够高的灵敏度，反应迅速； 测量电路的输出电压应平稳，纹波要小。
2、电路的工作原理及特性
（1）
电路的结构
U
（2）
比较整定电路
gd
*作用a 、把测量输出的电压U C 与给定电压U
压U b
b、通过调节发电机电压的给定值U *比较整定电路分析：
相比较，输出一表征发电机电压与其给定值偏差的直流电
gd
去调节U b 的大小，进而调节发电机端电压，或无功功率
U b
1
b
a b
2
WY1，WY2稳压值均为Uw ，Uab ＜Uw ，WY1，WY2开路。
U 1=0U 2=Uab
U b =U1-U 2=-Uab
U1, U2以b 点为参考点位的电压，Ub 以②点为参考电压。 Uab ＞Uw ，WY1,WY2导通，两端电压为Uw 。
U 1=Uab -U w U 2=Uw
U b =U1-U 2=Uab -2U w
式中U ab 正比于发电机电压U G ，U ab =Kc U G ，2U w 为比较电路基准电压，2U w =Kc U GD , U GD 为归算到发电机端的给定值。 U b =Kc U G -K c U GD =Kc (UG -U GD )=Kc ΔU G (3)发电机电压整定的原理
发电机电压整定是通过调整电位器W 的阻值RW 实现的。
Rw ↑(开始Uc 不变) →Uab
↓→Ub ↓（往负的方向变小）→Uk ↑→α↓→ILL ↑→IL ↑→U G ↑→Uc ↑→Uab ↑→Ub ↑
当上升到Ub ≈0时, 调节过程停止，发电机进入新的稳定点运行。
增加W 的电阻值结果使发电机电压升高了，减少W 的阻值时，调节过程相反，可以使发电机电压下降。
（二）综合放大单元 1、综合放大单元的作用
①综合放大各种励磁控制信号，发电机电压偏差信号，电力系统稳定信号以及低励限制和过励限制信号等； ②改善励磁自动控制系统的静态和动态性能指标； ③输出移相单元所需的输入电压。 2、对综合放大单元的基本要求 ①输出和输入之间成线性关系； ②有足够的运算精度和放大系数； ③响应速度要快；
④工作稳定，输出阻抗低；
⑤输出电压范围满足移相触发单元的要求。 3、综合放大单元的工作原理及特性 a 、集成电路运算放大器
U U K
b U FZ
U
=-⎛
FK FK ⎫⎪ K
⎝
R
U b
+
1
R
U FE ⎪2⎭
放大倍数取决于FK FK R
，
。
1
R
2
b 、分立元件组成综合放大单元
K
U b
0V
0V
8642
b
*晶体管T 工作于放大区，3R6为电流串联负反馈电阻。
∆U ∆U
b
==
∆I e ⋅R 6∆I ⋅R
c
7
c
=
∆I ⋅R
e
7
∴电压放大倍数k
=
∆U ∆U
c b
=
R
76
，改变R 7调节电压放大倍数。
*3R 4建立静态工作点。
*3R 10，3R 11，3W 3组成下限位电路，3R 8，3R 9，3W 2组成上限位电路，使U k 变化时，触发脉冲控制角在所需要的范围内。
（三）同步和移相触发单元
①作用：产生SCR 触发脉冲，其相位可以移动，用来改变可控硅元件的控制角α，使输出电压变化而改变，达到调节励磁电流的目的。
U
d
随
U
k
U
k
↑→α↓→U
d
↑→IL ↑
②要求
A 、触发脉冲采用励磁电源同步，即每只SCR 的触发脉冲应在相应的自然换相点以后α角度时发出。 对三相半控桥：SCR1的自然换相点是Uac=0(从负到正) ； SCR2的自然换相点是Uba=0(从负到正) ； SCR3的自然换相点是Ucb=0(从负到正) 。
B 、触发脉冲数、脉冲方式及移相范围应满足要求。
对半控桥：
每周波三个脉冲，单脉冲(窄) ，0°～180°(实际10°～170°) 。 对全控桥：
每周波六组双脉冲或不大于60°的宽脉冲，0°～150°(实际10°～140°) 。
C 、触发脉冲对称度要好，不对称度：全控桥≤5°，半控桥≤10°，否则会增加输出电压的谐波分量。 D 、触发脉冲功率要够，幅值要够，电流也要够。 E 、脉冲前沿要陡。 F 、脉冲要有一定宽度。
G 、触发回路与主回路要严格隔离。 ③锯齿波型触发电路
三相半控桥式电路共用三套触发电路，电路完全一样，不同的是同步电压不同，以SCR1为例，
U
ac ⋅LB
从负到正过零点是它的自然换相点，同步电压应比
U
超前180°，励磁变压器采用△/Y-1，PT 采用
ac ⋅LB
Y/Y0-12，故选取
U
作为同步电压。
c ⋅PT
ac ⋅LB c U
B (PT ) U
b ⋅LB
LQ 1
0V ⋅P T
LQ 2
LB 二次侧
触发电路原理线路图
O
工作原理：
U
c ⋅PT
经TBa 降压为20V 左右的电压，其正半周经稳压管4WY1消波后（电网电压会波动）向
4C1充电，充电至稳压值Uw(10V左右) 。当消波后同步电压从Ｕw 下降时，4D1截止，电容4C1开始向4D2、4R3，4W1、4R2放电。电压按指数规律下降，直到下个周波同步电压大于电容电压值以后又开始充电。
BG 的发射极与基极间加有电压Uk －Uc ，当Uk ＜Uc 时，BG 截止，当Uk ＞Uc 时，BG 导通。
MBa 为脉冲变压器，有三个线圈，Q3为输出，当BG1从截止转变到导通时，IQ1增大，Q2中感生电流使BG 导通更快，称为正反馈，它使IQ 迅速增大，使Q3输出的脉冲前沿很陡。4C2为微分电容，加速开始时的正反馈速度，目的在于使脉冲前沿更陡峭。4C4充电完毕，感生电流继续沿4D5，4R5流过，保持BG1导通，直到铁心饱和为止，这使得脉冲有一定宽度。
改变ＵK 的大小就可以改变α角的大小。为了使α限制在一定范围内αmin ≤α≤αmax ，就必须限制ＵK
的大小。
4D6能截去负脉冲，4D7起脉冲导向作用，4R7可限制脉冲功率的大小。+2V为抗干扰电压，使BG1截
止时更可靠，不易受干扰。
同理：B 相SCR 触发电路使用 C相SCR 触发电路使用
U U
作为同步电压。
a ⋅PT
作为同步电压。
b ⋅PT
MBa 起隔离作用和阻抗变换作用。
④移相触发单元工作特性曲线
U
⑤锯齿波型电路特点
简单、移相范围可达180°，缺点是采用正反馈，在电磁场强的场合可能引起误触发。 （四）可控硅整流电路 1、作用
将交流电压整流成直流电压向发电机励磁绕组或励磁机励磁绕组供给可控制的励磁电流。
２、可控硅整流电路的工作原理及特性
三相半控桥电路图
（1）整流元件的通断
导通：加正向电压，控制极加正向触发脉冲，导通后脉冲失效。 关断：I ＜I 维持，一般加反向电压。
对共阴半控桥电路，在有触发脉冲的前提下，阳极电压最高的SCR 元件和阴极电压最低的SR 元件导通。
（2）整流元件导通次序
（3）控制角α
三相半控桥式整流电路中可控硅控制角的零度为可控硅阳极电压的自然换相点，控制角是向可控硅
元件施加触发脉冲的角度。
三相半控桥式整流电路的电压波形图
（4）可控硅的导通角β （5）整流电路的输入电压
来自交流励磁机或励磁变压器的副边。 （6）整流电路的输出电压
三相半控桥：
U
L
=1. 35U
1+cos α
线
2
=2. 34U
1+cos α
相
2
U
线
，
U
相
——输入线电压和相电压。
（7）续流管的作用
①保证可控硅整流电路不失控；
②使励磁电流IL 保持连续状态。
当α＞60°，Ｕd ＞0时，IL ＞0，储能（磁能）于励磁绕组电感中，Ｕd=0时，储能释放成电能，续流管提供回路，若没有则通过可控硅强行放电，失控。 作业：
1、画出三相半控桥式整流电路，说明对触发脉冲的要求，画出α=30°，α=110°的输出电压波形，要画出相电压波形作对照。
2、画出三相半控桥式电路的B 相锯齿波形移相触发单元和工作特性曲线，并说明其工作原理。三、比例式半导体励磁调节器的静态工作特性
U G
U G
b
1GD
G 综合放大单元：
U
K
=
K 2
U
b
移相触发单元：α=K 3
U
K
SCR 功率单元：
I
L
=
K 4
⋅α
将各曲线某工作点附近不大的变化范围内看成是线性关系，则有：
∆U ∆U
b
=-K 1∆U =
2
b
G
K ∆U
∆α=K ∆U ∆I =K ⋅∆α
∆I =K K K K
K
3
K
L
4
L
1
2
3
4
(-∆U G )
静态放大系数K =
∆L
∆U
=
G
-K ⋅K
1
2
⋅K 3⋅K
4
K 即为励磁自动调节器的静态工作特性的斜率。
第六节 同步发电机励磁控制系统的静态特性
定义：人工不调节情况下，机端电压U G 与发电机无功电流I q 之间的静态特性。又称发电机外特性、电压调差特性。
U G
δT
δT >0
I q
发电机电压调节特性
一、发电机机端电压调差率
定义：自动励磁调节器的调差单元投入，电压给定值固定，发电机功率因数为零情况下，发电机无
功负荷从零变化到额定值时，用发电机额定电压的百分数表示的发电机机端电压相对下降值。
δT (%)=
U G 1-U G 2
U Ge
⨯100
U G
U G 1
U G 2
I q
I qe
U G 1：发电机空载电压（V ）
U G 2：发电机带额定无功负荷I qe 时的电压（V ）
U Ge ：发电机额定电压（V ）
要求：调差率整定范围不小于±10%(±15%)，档距1%，线性度要好。
二、发电机调压精度
定义：自动励磁调节器投入运行，调差单元退出，电压给定值不进行调整的情况下，发电机负载从零变化到额定值以及环境温度，频率在规定范围内变化时：
δJ (%)=
U G 1-U G 2
U Ge
⨯100
U G 1：发电机空载电压（V ）
U G 2：发电机带额定负荷时的电压（V ）
U Ge ：发电机额定电压（V ）
作图法求取发电机调压精度
I q =0
G
U G =f 2(I L ) |I q =const I q =I qe
G 1
U G 2
自动励磁调节器静
态特性I l =f 1(U G )
I L
I qe
I q
三、 励磁调节器的调差单元 为什么要设调差单元：
① 不能平稳地投入机组或退出运行 ② 不能使发电机并联稳定运行
③ 不能在并联运行机组间合理分配无功负荷 ④ 不能根据需要调整发电机的调差系数 分类：单相、两相、三相三种方式
∙
U
A
U B U C
两相式
∙
∙
∙
U c ' =U c -I a R c
∙
∙
U b ' =U b
∙
∙
∙
U a ' =U a +I c R a
① 发电机带纯无功负荷 cos ϕ=0, ϕ=90
U a ' c R a
∙
∙
U a
∙
I q ≠0
I c
∙
I p =0
ϕ=90
I a
`
∙
U c '
∙
-I a R c
∙
∙
∙
∙
U c
∙
U b
∙
U a ' ，U b ' ，U c ' 随发电机电流的增加而增加，励磁系统会自动减少发电机励磁电流，使得发
电机电压下降，形成下斜的发电机电压调节特性。 ② 发电机带纯有功负荷cos ϕ=1, ϕ=0
∙
U a '
I q =0
∙
I c R U a
∙
A
∙
I p ≠0
I C
∙
I B
`
-I a R c
U c '
∙
∙
∙
U c
∙
U b
∙
∙
∙
U a ' ，U b ' ，U c ' 基本上不随发电机电流的增加而变化
结论：发电机的励磁电流和机端电压不随发电机有功电流的变化而变化，励磁调节器的调差单元只反映发电机无功功率变化而基本不反映有功功率变化。
U
U 0
U M
I q ⋅R
123
U 0=U G 1+I q ⋅R =const
改变R 大小可改变δ
改变CT 的极性可改变δ的符号 负调差特性：U 0=U G 1-I q ⋅R
四、 发电机电压调节特性的平移
I q 2I q 1
I q
改变R w （见图4-34）→平移磁调节器静态工作特性曲线→改变发电机电压调节特性
U G =f 2(I L )
I q =0
G G ' I q =I qe
B '
发电机电压调节
特性
I l =f 1(U G ) I L
I qe
I q
*发电机电压下降且I q 增加时励磁系统将按直线AB 工作。当I q 增加到I qe 时运行在B 点。 *平移发电机电压调节特性是由运行人员手动或通过自动装臵调节励磁调节器电压给定值实现的。
第七节 同步发电机微机励磁系统
一、概述
国外20世纪70年代开始研究数字式励磁调节器，到80年代中期进入成熟阶段。1980年国外将数字式励磁调节器在发电厂正式运行。我国1986年、福大1990年。 优点：1、可靠性高
硬件：大规模数字集成，各种抗干扰措施
软件：自诊断，自恢复 2、功能多，性能好
如各种励磁电流限制及保护功能，通用性好，性能好 3、运行维护方便
二、SMER-C 型单片微机励磁的基本原理 1、概述
微机励磁调节器要实现发电机的外特性，如下图：
U U g U c
f
I w
U c 即电压采样值，反映发电机机端电压，I w 为发电机输出无功电流的大小。U c 与I w 交点必须落
在特性曲线上。
特性曲线是具有一定斜率（调差系数） 和一定给定电压U 一定U c 下，增大U
g
（等于空载机端电压）的一条直线。在
不变时，机端电压U c 波动，要引
g
可使特性曲线平行上移，从而增大无功电流。U
g
起无功电流的波动，U c 升高I w 要减小，反之亦然。
测量比较单元、综合放大单元、移相触发单元由一个单片机系统组成。 2、原理框图及控制算法
+U g -
SMER-C 微机励磁调节器原理框图
从发电机机端电压互感器PT 来的电压信号和电流互感器CT 来的电流信号经无功电流测量单元得到机端电压U c 和变换电阻后的电压U t ，由U t 可算出无功电流I w 的大小。
定义偏差e =U g -U c -I w δ，调节结果是e →0，即运行点落在外特性曲线上。 采用变参数PID 调节，调节周期采用一个周波算法为：
∆y k =k B [k p (e k -e k -1) +k I e k +k D (e k -2e k -1+e k -2)]
式中∆y k 为输出增量，k p 、k I 、k D 为比例系数，k B 为变参数因子，e k 、e k -1、e k -2为本次、上次、上二次偏差值。
输出算式为：y k =y k -1+∆y k 式中y k 、y k -1为本次输出和上次输出。
微机励磁调节器是一种数字式励磁调节器。
① 采样的U c 、I w 等都转化成数字量。给定值U
g
、IL g 等都是全数字式，增减量准确。可方便地
实现不同运行方式之间的跟踪，做到无波动切换运行方式。
② 控制算法采用数字式，可根据运行工况自动地变化增益，达到了良好的静态和动态调节性能。 ③ 它的输出方式，即触发器方式也是全数字化，因此，对称性好，精度高。
3、移相触发单元原理
以AT89C51为核心组成触发器，触发脉冲由可编程接口芯片8155的c 口输出。它采用单相同步，定时器分相的方案，实测上一周波的周期作为下一周期分相的依据。
介绍三相全控桥式整流电路触发器工作原理：
利用AT89C51内部的CTC0和CTC1工作于定时器状态用作周期测定及定时器分相，当U ac 由负到正
过零时向AT89C51申请中断，此即一周波内的第一自然换相点，这时CTC0装入相当于触发角α的值，并启动CTC0计时，为CTCO 溢出中断时发出第一组脉冲，触发SCR6和SCR1。此后向CTC1装入相当于60的延时值，启动CTC1，当它计时到时发出第二组脉冲。触发SCR1和SCR2。依此类推，CTC1共发出五组脉冲，即完成一个周波的触发过程。
∙
CTC0经过延时α角后，产生溢出中断。这时计数到零又继续计数，到下一次U ac 中断到来时，取出CTC0计数值，再加上α角延时值，即等于周波长度。
三、SMER-C 型微机励磁调节器的硬件结构
1、以AT89C51单片机为核心，适用于中小型机组的微机励磁系统； 2、硬件结构框图
SMER-C微机励磁调节器硬件结构图 3、主机板结构
主机板由8155、ADC0809、AT89C51等组成微机系统。同步信号经滤波限幅后进入LM339进行过零检测，变成方波后加在CPU 的中断上。
8155的A 口与召唤显示拨盘开关相连，B 口采集八位地址开关状态用以决定PID 调节规律的比例、积
分、微分项的系数，共有256种组合。C 口用来输出触发脉冲信号，送往脉冲放大板放大并隔离后去触发可控硅。
4、变送器板的结构
电源发生电路：利用振荡变压器输出三组互相独立的电源，第一组±8V , 供运放用。第二组12V ，供555电路用，第三组5V ，作为LM339(V/F)及光耦二极管一侧的电源。
主机板完成测量、比较、控制计算、移相触发脉冲形成，限制保护等功能。
励磁电流测量变送器：由励磁电流主回路分流器FL 来的0~75mV 信号经4558放大后，由压/频变
换芯片LM331变成一定频率的脉冲，经4N25隔离后，由555重新变成0~5V 的直流电压信号，送到主机板，由ADC0809转换成数字量。
5、触发脉冲放大板
触发脉冲放大电路
图中MB 为铁淦氧圆形磁罐做成的脉冲变压器，BG 为达林顿型复合三极管，MB 起阻抗变换作用，同时起到计算机部分与主回路强电部分隔离开来的作用。 6、召换显示的设计
面板上6个发光数码管和7只LED 信号灯由7片串入并出移位寄存器74LS164驱动，AT89C51串行口输出RXD 和TXD 信号驱动74LS164。这是一种静态显示方案，每周波刷新一次。
7、工作电源部分 两种设计方案： ①
AC100V
V cc GND
②
U V cc GND
在全厂停电情况下，厂内有110V ，220V 或48V 直流保护与操作电源，则开机可以建压。 四 、保护与限制功能 1、过励与强励延时限制
恒电压方式运行时，若电网电压下降，引起机端电压下降，本机按调节规律，会增大无功电流。这时励磁电流可能超过额定值甚至进入强励状态。当励磁电流显示值IL c >110时过励灯亮。当IL c >150时强励灯亮。过励或强励持续30秒钟仍未解除，则调节器自动减励把IL c 降低为110。
要小于100时过励灯才灭。这里设臵了回差环，在过励灯亮期间，增励钮被封锁。 2、低频过流的防止反励磁电流截止功能
当发电机解列后关机，发电机转速逐渐降低，由于励磁调节器要努力维护机端电压，会发生低频过（励）流现象。
调节器在断路器跳闸后，发电机频率低于46HZ 时，对于三相半控桥，自动将可控硅触发角α变成 180，这时励磁电流靠续流慢慢减到0。对于三相全控桥则自动将控制角α变成140，实现逆变灭磁。
第八节 PLC型励磁调节器
一、构成
（1）西门子公司S7-226CN CPU，模拟量输入/输出模块EM235； （2）触摸屏K-TP178 Micro； （3）频率测量电路； （4）控制量限幅电路； （5）同步移相触发电路； （6）触发脉冲放大电路；
（7）机端励磁及仪用电压互感器二次侧电压、系统电压、有功功率、无功功率、励磁电流等测量变送电路等组成。
L Q
2
到上位机
励磁变
可控硅
机端PT 1机端PT 2网端PT
计算机
按 键
电流C T
开 关控 制指 示
分流器
远程维护
二、实现
1、触摸屏的软件用WinCC Flexible 4.0组态设计，触摸屏设有主监控参数、异常信息屏、定控制角控制、参数设臵、开停机控制等。
32
2、S7-226CN CPU，模拟量输入/输出模块EM235
（1）S7-226CN 自带的数字量端口共有24路输入、16路输出。 表1 开关量输入/输出分配表 地址 输 注释 I0.0 开机令 I0.1 停机令 I0.2 增磁 I0.3 减磁 I0.4 灭磁开关
I2.0 断路器
I1.2 基准频率
I0.7 风机停转
6、起励方式
（1）额定电压正常起励
（2）跟踪电网电压正常起励
（3）额定电压软起励（即无超调起励）、 （4）跟踪电网电压软起励 （5）低给定电压起励方式 7、运行方式
（1）4种闭环运行方式
a 、恒定电压；b 、恒定励磁电流； c 、恒定功率因数；d 、恒定无功功率。 （2）1种开环运行方式
恒定可控硅控制角运行方式，用于机组初次升压，或机组检修后的零起升压试验，或对机组进行短路烘干。 8、灭磁方式
（1）停机命令下先自动进行逆变灭磁，灭磁后跳开灭磁开关； （2）灭磁命令下自动进行逆变灭磁，不跳灭磁开关； （3）无命令时，转速低于70%额定转速时自动逆变灭磁。 9、限制保护功能
（1）最大励磁电流瞬时限制功能； （2）过励、强励延时限制功能； （3）低励瞬时限制功能； （4）空载V/F限制功能； （5）空载过电压保护功能；
（6）正常运行时的1.1倍额定励磁电流限制功能，当励磁电流超过1.1倍额定励磁电流时，闭锁增磁操作并自动减磁至额定励磁电流的1.1倍以下；
（7）可控硅整流柜快熔熔断时的励磁电流限制功能，自动减磁至额定励磁电流的60%-70%； （8）风机停转时的励磁电流限制功能，自动减磁至额定励磁电流的60%-70%； （9）机端励磁用PT 断线时，自动无波动切换至恒定励磁电流运行方式并告警； （10）机端仪表用PT 或网端仪表用PT 断线时，保持原运行方式不变，自动告警。
低励瞬时限制功能的原理：
发电机并网工作于恒电压运行方式时，若电网电压升高，机端电压也跟着升高，励磁调节器按正常调节规律，会自动减小励磁电流，可能使发电机进入进相运行状态。发电机进相运行时，为使发电机不失去同步，应对最小励磁电流进行限制。低励限制曲线按照同步发电机功率圆图来制定。对中小型同步发电机组可用一条直线来近似。
图中坐标值为对应变量以发电机额定容量为基准的标幺值。Q * 为正值，表示发电机向电网输出感性无功功率；反之，表示发电机向电网输出容性无功功率。由Kp 、Kq 两点构成的直线，即为发电机的低励限制曲线。当发电机处于进相运行状态，且进相无功值超出该限制曲线时，“低励”指示灯点亮，励磁调节器低励限制功能瞬时启动，自动增大励磁电流，使发电机退出限制区。退出限制区后，“低励”指示灯熄灭。“低励”指示灯点亮期间，减磁按钮被软件闭锁。Kp 取值范围为0.9～1.2，默认值为1.1；Kq 取值范围为-0.5～-0.2，默认值为-0.3。低励判断方法如式（1）。
Q *
p
+
Q *K q
⎫
⎪ ⎬----------(1) >1
⎪⎭
低励限制直线图
10、软件开机流程
开机软件结构框图
Uf>30%Ue？--→灭磁开关--→f>47.5Hz？--→自动起励 11、数字式调差
U g /kVδt
0的情况，其它情况类似。
发电机电压调节特性图
根据发电机机端电压调差率δt 的定义，由图可得到δt 的计算方法，如式（3）。这里仅介绍δt 大于
δt (%)=
U
g 1
-U
ge
g 2
式（3）中Ug1为发电机空载电压，单位kV ；Ug2为发电机带额定无功负荷（Iqe ）时的电压，单位kV ；Uge 为发电机额定电压，单位kV 。
如图，根据三角形相似定理得到式（4）。
U
⨯100%-----(3)
U U
g 1g 1
-U -U
x g 2
=
I qx -0I qe -0
-----(4)
式（4）中Iqx 为发电机无功电流，单位kA ；Ux 为发电机机端电压，单位kV 。式（4）两边同乘以Uge ，并将式（3）带入式（4）得到式（5）。
U
g 1
=U
x
+
δt
100
⨯
I qx I qe
⨯U
ge
----(5)
式（5）中的无功电流Iqx PLC没有直接采样，但可通过无功功率用标幺值方法求得，如式（6）。
I qx I qe
=I
*
qx
=
Q x U
**x
=
Q x S e U
x
----(6)
ge
*
式（6）中Se 为发电机额定视在功率，单位MVA ；Qx 为Iqx 对应的发电机无功功率值，单位Mvar 。I qx ，
Q x 及U
*
*
x
分别为发电机无功电流，无功功率及机端电压的标幺值。Se ，Uge ，δt 由触摸屏输入，Qx ，Ux
由PLC 实时采样得到。由式（5）和（6）可求得作为反馈量的调差后的电压Ug1。 12、改进的PID 算法
在线变增益改进PID 算法，该控制算法根据偏差|e|的大小以及PID 参数对系统性能影响的专家知识实时在线调整PID 参数，改善了PID 控制器的动静态特性，系统具有一定的鲁棒性，且算法简单有效易于在PLC 中实现。
根据PID 控制知识，结合响应过程中偏差|e|的大小，总结出PID 参数动态校正规则。
规则1：调整PID 回路的增益Kc ，按|e|由大到小，Kc 逐渐减小，既提高动态响应速度，又不致影响静态稳定性。
规则2：调整积分项系数Ki ，按|e|由大到小，Ki 逐渐增大，既保证静态精度，又减小积分累积超调。 规则3：调整微分项系数Kd ，按|e|由大到小，Kd 逐渐减小，在不影响稳态抗干扰能力前提下，改善
系统特性。
在规则1，2，3的基础上，对Kc ，Ki ，Kd 三个参数采取了分段处理方法。具体方法如下。 离散的常规位臵式PID 算法如式（7）。 M
n
=K c e n +K i e n +MX +K d (e n -e n -1) =K c e n +
k c T s T i
e n +MX +
K c T d T s
(e n -e n -1) --(7)
式（7）中Mn 为第n 个采样时刻PID 回路的输出的计算值；MX 为积分项前值（在第n-1采样时刻的积分项），在PID 运算过程中对其进行抗饱和处理； Ts为采样周期；Ti 为积分时间常数；Td 为微分时间常数；en 为第n 个采样时刻的偏差值；en-1为第n-1个采样时刻的偏差值（偏差前值）。将式（7）中的Kc 提取
出，考虑到规则2，
令
T i =T i ⨯K c
' 2
，得到式（8）。
M
n
=K c [e n +
T s T i
'
e n +MX +
T d T s
(e n -e n -1)]------(8)
根据|e|的大小对PID 回路的增益进行分段处理，如图1及式9所示。
K c
⎧K c 1, (0≤e n
=⎨32⨯e n , (e 1≤e n
⎩K c 2, (e n ≥e 2)
调节器有4
扰动切换。
SP n =PV n ⎫
⎪
SP n -1=PV n -1⎬----
--(10)
⎪MX =M n
⎭
式（10）中SP n 为第n 采样时刻的给定值；PV n 为第n 采样时刻的过程变量；SP n －1为第n －1采样时刻的给定值；PV n －1为第n －1采样时刻的过程变量。 13、通信
S7-226CN CPU与监控计算机之间通信采用MODBUS 协议，RS485自由口通信方式。 监控计算机可对励磁调节器实现四遥功能，通信方式下的自动带、卸无功负荷。
四遥数据表
四遥 遥测
内容
频率，控制角，各种电压、电流，功率因数，无功功率值及其给定值
遥信 遥控
断路器、灭磁开关状态，各种运行方式、起励方式、故障信号指示
开、停机控制，增、减磁控制，各种运行方式、起励方式控制，灭磁开关控制，起励、灭磁控制
遥调
电压，励磁电流，功率因数，无功功率
监控主界面
14、发电机组试验
对设计的调节器进行了静态和动态试验，试验表明其性能指标满足或优于国标要求，具有很高的可靠性、快速性和稳定性，其中主要的试验结果如图7－10。试验用的发电机，型号：STC －3，额定功率：5 kW ，额定电压：400 V，额定电流：5.4 A，额定转速：1 500 r/min， 功率因数：0.8，励磁额定电压：70 V，励磁额定电流：3 A。
图7 全压起励响应曲线
图9空载扰动曲线
图8 灭磁曲线
图10甩负荷曲线
第五章 电力系统电压和无功功率自动控制
第一节
电力系统电压和无功功率控制的必要性
一、电力系统电压控制的必要性 （一）电压偏移对电力用户的影响
异步电动机转矩∝电炉有功功率∝
U
2
2
；
U
；
电压高，电气设备绝缘受损，变压器、电动机等铁损增大； 白炽灯，对电压变化敏感；
冲击负荷（如轧钢机等）会引起电压突然下降和恢复，产生电压闪变，引起附近用户灯光闪烁等。 （二）
电压偏移对电力系统的影响
电压↓--→电厂的厂用机械出力↓--→电厂出力↓；
电压过低时，低于临界值时，母线电压有微小下降时，负荷的无功消耗量的增加值大于系统向该节点提供的无功功率的增加值--→无功缺额进一步加大--→电压进一步下降--→恶性循环产生“电压崩溃”（母线电压下降到很低的水平）。
二、无功功率控制的必要性
1、维持电力系统电压在允许范围之内
电力系统中无功电源发出的无功功率等于电力系统负荷在额定电压时所需要消耗的无功功率时，电压是稳定的，可稳定在额定电压下，当无功缺额时，电压下降，可稳定在一个较低的电压。
维持电力系统电压在允许范围之内是靠控制电力系统无功电源的出力实现的。
Q Q 第二节
电力系统电压和无功功率的控制
一、电力系统的电压控制 （一）电力系统的无功负荷
2、提高系统运行的经济性
无功功率一般尽可能地就地就近平衡。 3、维持电力系统稳定
x
系统正常运行时电压变化主要由负荷无功功率变化引起。 电力系统无功负荷变化分两类：
变化周期长、波及面大的负荷变化，可预测；
冲击性造成间歇性负荷变化，不可预测。
（二）电力系统的电压控制
n
m
Gie
l
Lje
任务：①
∑Q
i =1
=
∑Q
j =1
+
∑∆Q
k =1
∑ke
(线损、变压器损耗）
；
②U
≤U （允许电压）y
。
负荷引起的电压波动，采用：
a 、设臵串联电容器；b 、设臵调相机和电抗器；c 、设臵静止补偿器。 仅控制各电压中枢点的电压偏移不超过允许值。
二、电力系统的无功功率控制
n
m
Gie
l
Lje
任务：①
∑Q
i =1
=
∑Q
j =1
+
∑∆Q
k =1
∑ke
(损耗）；
②优化电力系统中无功功率分布。
优化内容：
a 、负荷所需的无功功率让哪些无功功率电源提供最好，即无功电源的最优分布问题；
b、负荷所需的无功功率是让已投入运行的无功电源供给好，还是装设新的无功电源更好，即无功功率的优化补偿问题。
优化目的：保证电压质量的前提下获得更多的经济效益。
第三节 同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求
励磁系统是向发电机供给励磁电流的系统，它包括产生发电机励磁电流的励磁功率单元，自动励磁调节器，手动调节部分，灭磁保护，监视装臵和仪表等。
一、 同步发电机励磁控制系统的主要任务 （一）控制电压
X
+
d
F L Q
U
L
I L
等值电路图
-
q E
X j I G p I
―δ
q I
G U
q X j I d
G
I
向量图
=U + j I G X d 式中X d 为发电机直轴电抗。 E q G
正常时，流经FLQ 的励磁电流I L 在同步发电机内建立磁场，使定子绕组产生空载感应电势E
q
。
E q COS δ=U G +I q X
d
δ
◆
很小
COS δ≈1，则E
q
=U G +I q X
d
发电机单机带负荷运行：
a 、I L 不变时，电压变化主要是由定子电流的无功分量I q 变化引起的；
b 、若I q 不变，改变I L 可以改变E q ，进而可以改变U G 或使U G 保持恒定，即发电机单机运行调节励磁电流可以改变机端电压。 ◆ ◆
发电机并入系统运行改变一台机组的励磁电流对系统电压影响很小，但可以改变机组发出的无功功率，这时机端电压有一些变化。
若接入无穷大系统，则励磁电流的改变不影响机端电压的变化，只改变发出的无功功率。
U G ≈U
X
+I q （X
B
+X L ）
U B ≈U
X
+I q X L
I q =
E q -U X X d +X B +X L
X X
B
X
L
X
（1）I L 变
E
q
变
I q 变U B 或U G 在给定水平
（2）无穷大系统，X B ＝X L =0则U G =U X
X B ：变压器的漏抗
X L ：输电线路电抗
（二）合理分配并联运行发电机间的无功功率 “合理控制”含义：
a 、每台发电机发出的无功功率数量要合理；
b 、当系统电压变化时，每台发电机输出的无功功率要随时自动调节，而且调节量要合理；1、发电机无功功率控制的原理
同步发电机与无限大母线并列运行U G =常数 这里仅调无功故有功P G 不变
A
E E A
‘
K 2
j I G 2X d
d
I q 1I q ‘2
K 1B
P G =U G I G cos ϕ=const
E
q
sin δ=I G X
d
.sin(90
-ϕ)
=I G X
d
cos ϕ 两边同乘以U G 得：
P G =
E q U G X
⋅sin δ= const 故：
d
E
q
sin δ=
X d P U G
G
= const=K 2 I G cos ϕ=
P
G
U G
= const=K 1
E
q
和I L 成正比，故上图中I L 2 I L 1
I q 2 I q 1
由于发电机电压U G 为定值，所以当励磁电流增加时，发电机发出的无功功率（Q G =U G I q ）就增加了，反之减少，即无功功率调节原理。
2、合理分配并联运行发电机间的无功功率
U G *
―――U M 1
――'1U
M
――F 1F
' 1
'1I q
I q 1I q *
*发电机的外特性，表征发电机电压U G *与无功电流I q *的关系（标幺值）由于斜率（调差率）和Y 截距（电压给定值，空载电压）决定。 *改变电压给定值使外特性曲线移动，如F 1
F 1。
'
*当母线电压波动时，并列运行的发电机的无功电流改变量与电压波动量成正比，与调差系数成反比，与电压给定值无关如U
（三）改善电力系统的运行条件 1、改善异步电动机的自启动条件
m 1
U
'
m 1
。
机组有，无励磁控制时短路切除后电压恢复的不同情况： 1、无励磁自动控制时 2、有励磁自动控制时
2、为同步发电机异步运行创造条件 3、提高继电保护装臵工作的正确性 （四）防止水轮发电机过电压 1、水轮发电机过电压产生的原因
水轮机组机械转动惯量大，且水锤效应使机组甩负荷时不能以最快的速度来关闭水轮机导叶
转
速上升很多机端电压与励磁电流和转速成正比电压升高很多
2、防止过电压的方法
发电机电压U G =115%U G e （额定电压）时，强行减磁，减少励磁电流，当U G =130%U G e 时延时0.5s 跳发电机灭磁开关，强行把励磁电流减到零。
二、对励磁系统的基本要求 （一） 具有十分高的可靠性
（二） 保证发电机具有足够的励磁容量
当同步发电机的励磁电压和电流不超过其额定电压和电流的1.1倍时励磁系统应保证能连续运行。 （三）足够的强励能力
强励：在发电机电压下降较多时，励磁系统快速地将励磁电流和电压升到顶值的一种运行行为。 强励指标： a 、励磁顶值电压
励磁系统负载顶值电压指“当提供励磁系统顶值电流时，从励磁系统端部可能提供的最大直流电压”。 励磁系统顶值电流指在规定时间内，励磁系统从它的端部能够提供的最大直流电流。
励磁系统顶值电压的倍数等于励磁系统负载顶值电压与额定励磁电压之比，应满足国标要求。 b 、励磁系统电压响应时间
发电机在额定工况下运行，励磁系统起始电压为发电机额定励磁电压条件下，励磁系统达到顶值电压之差的95%所需时间的秒数。
响应时间小于等于0.1s 则为高起始响应。
一般要求允许励磁时间不大于10s c 、励磁系统标称响应
U U L U L e 0
在暂态过程中，励磁系统对发电机影响最大的量是转子磁通增量∆φL (t)。
∆φL (t)=
1K
⎰
t 0
∆U L (t)dt
与ADC 围成面积正比
强励时，励磁电压在最初的0.5秒内上升的平均速度
U E =
U
LB
-U
Le
Le
0. 5U
（s
-1
）
定义为励磁系统标称响应。
（四）发电机电压调差率有足够的整定范围
调差率：自动励磁调节器的调差单元投入，电压给定值固定，发电机功率因数为零的情况下，发电机无功负荷从零变化到额定值时发电机机端电压的变化率。
*U G
U G 0
U 0
δ(%)=
U G 0-U U G 0
e *
⨯100
U G 0：发电机空载额定工况下的发电机机端电压 U ：发电机无功电流等于额定值时的发电机机端电压
国标规定：±10%（半导体） ±5%（电磁型调节器） （五）保证发电机电压有足够的调节范围
自动电压调节器应保证在发电机空载额定电压的70%～110%范围内能稳定平滑地调节。 （六）保证发电机励磁自动控制系统具有良好的调节特性 1、保证发电机机端电压调节精度不大于规定值
调压精度用静差率表示，是指发电机励磁自动控制系统投入运行，励磁系统调差单元切除，发电机电压的给定值不进行调节的情况下，原动机转速及功率因数在规定范围内变化，发电机负载从额定变化到零时发电机端电压变化率即：
δ(%)=
U G 0-U Ge
U Ge
⨯100
U G e ：发电机在额定工况下的发电机端电压 U G 0同上
国标：±1% (半导体) ±3%（电磁型） 2、保证励磁自动控制系统具有良好的动态特性
±10%阶跃响应，超调量≤50%阶跃量，摆动次数≤3，调节时间≤10s ，零起升压，超调量≤15%
额定值，摇动次数≤3，调节时间≤10s
第四节 同步发电机的励磁自动控制系统的分类 一、 同步发电机励磁自动控制系统基本构成
发电机励磁系统：自动励磁调节器+励磁功率单元
同步发电机励磁自动控制系统由发电机及其励磁系统组成的反馈自动控制系统。 按功率单元分类：直流励磁机系统（分自励，它励） 交流励磁机系统（分自励，它励） 静止励磁系统 按调节器水平分：电磁式励磁调节器 半导体励磁调节器 计算机励磁调节器 二、 直流机励磁系统
（一）自励直流励磁系统 时间常数大 （二）它励直流励磁系统 时间常数较小 （三）评价
1、存在机械整流子换向，维护不方便 2、由于换向原因，容量有限P G 100MW 3、体积大，造价贵 三、交流励磁机系统
（一） 它励交流励磁机静止整流励磁系统 1、系统基本情况（见书P146图4-14）
交流副励磁机JFL
FL
不可控整流
励磁绕组
2、对系统的基本评价
a、容量比直流机大，维护方便
b、由同轴JFL ，JL 供电，不受电网干扰，可靠性高 c、调节相对较快
d、交流励磁机时间常数较大，控制环节多，更使时间常数升高 e 、仍存在集电环和碳刷，不能用于巨型机 f 、三机、主轴长，增大厂房投资 （二）自励交流励磁机静止硅整流励磁系统 取消副励磁机，直接控制发电机励磁电流 评价：a 、时间常数小
b、缩短了主轴长度，土建投资较省
c 、可控硅电流较大
（三）交流励磁机旋转整流励磁系统（无刷励磁）
1、基本情况
交流副励磁机为永磁发电机，没有碳刷 2、评价
a、解决了巨型机组励磁电流引入转子绕组的技术困难。 b、取消集电环和碳刷，维护量小 c、无法实现转子回路直接灭磁
d 、励磁电流等无法直接测量 e 、时间常数较大
四、静止励磁系统 （一）自并励励磁系统
优点：（1）结构简单，可靠性高，造价低，维护量小 （2）无励磁机，主轴短，土建造价低 （3）响应时间快
人们曾担心：
（1）机端三相短路，切除时间较长，LB 原边电压为零，系统能否及时提供足够的强励电压； （2）
短路电流迅速衰减，带时限的继电保护能否正确动作。
实验证明，在0.5s 内强励能力同它励方式，一般主保护动作时间在0.1s 内且设有双重保护，不必担心继保问题。
五、自复励励磁系统
自励和复励两部分输出的直流并在一起，共同供给发电机励磁电流的方式称为自复励励磁方式
特点：系统短路时复励部分电流增大，强励能力较强。
第五节 比例式励磁自动控制的基本原理 一、 基本结构与工作原理 （一）基本结构
测量比较单元，综合放大单元，移相触发，可控硅功率单元
比例式自动励磁控制系统
（二）工作原理
I LL
G 1G 2
G
I LL 2I LL 1
阻止U G 减小 阻止U G 增大
U G 减小
U G 增大
I LL 1增大I LL 1减小
I L 增大I L 减小
比例调节的结果不能使发电机电压维持恒定
存在∆U G 误差，故比例调节作用（∆I L ）是以被控参数存在调节误差（∆U G ）为代价换取的。 比例调节器励磁系统的调节特型（静态调节特性） 设各环节均工作于线性段
∆U E =U gd -U c =U gd
K c =
—K c U G
U C U G
U G =K A K L K G ∆U E
K A :励磁调节器放大系数，K A =
I LL ∆U E
K L , K G ：励磁机和发电机的放大系数
∆U E =
U gd
1+K C K A K L K G
∆U E 是发电机电压与给定电压之差，随着放大倍数的增大而减小，但分母为有限数，K A 太大会影
响动态指标，所以比例调节是有差调节，如果要使静态调差为零，应加上积分调节。 （一）
电压测量比较单元
1、基本要求
（1） （2） （3）
给定电压应稳定，电压调整范围须满足运行要求； 测量电路应有足够高的灵敏度，反应迅速； 测量电路的输出电压应平稳，纹波要小。
2、电路的工作原理及特性
（1）
电路的结构
U
（2）
比较整定电路
gd
*作用a 、把测量输出的电压U C 与给定电压U
压U b
b、通过调节发电机电压的给定值U *比较整定电路分析：
相比较，输出一表征发电机电压与其给定值偏差的直流电
gd
去调节U b 的大小，进而调节发电机端电压，或无功功率
U b
1
b
a b
2
WY1，WY2稳压值均为Uw ，Uab ＜Uw ，WY1，WY2开路。
U 1=0U 2=Uab
U b =U1-U 2=-Uab
U1, U2以b 点为参考点位的电压，Ub 以②点为参考电压。 Uab ＞Uw ，WY1,WY2导通，两端电压为Uw 。
U 1=Uab -U w U 2=Uw
U b =U1-U 2=Uab -2U w
式中U ab 正比于发电机电压U G ，U ab =Kc U G ，2U w 为比较电路基准电压，2U w =Kc U GD , U GD 为归算到发电机端的给定值。 U b =Kc U G -K c U GD =Kc (UG -U GD )=Kc ΔU G (3)发电机电压整定的原理
发电机电压整定是通过调整电位器W 的阻值RW 实现的。
Rw ↑(开始Uc 不变) →Uab
↓→Ub ↓（往负的方向变小）→Uk ↑→α↓→ILL ↑→IL ↑→U G ↑→Uc ↑→Uab ↑→Ub ↑
当上升到Ub ≈0时, 调节过程停止，发电机进入新的稳定点运行。
增加W 的电阻值结果使发电机电压升高了，减少W 的阻值时，调节过程相反，可以使发电机电压下降。
（二）综合放大单元 1、综合放大单元的作用
①综合放大各种励磁控制信号，发电机电压偏差信号，电力系统稳定信号以及低励限制和过励限制信号等； ②改善励磁自动控制系统的静态和动态性能指标； ③输出移相单元所需的输入电压。 2、对综合放大单元的基本要求 ①输出和输入之间成线性关系； ②有足够的运算精度和放大系数； ③响应速度要快；
④工作稳定，输出阻抗低；
⑤输出电压范围满足移相触发单元的要求。 3、综合放大单元的工作原理及特性 a 、集成电路运算放大器
U U K
b U FZ
U
=-⎛
FK FK ⎫⎪ K
⎝
R
U b
+
1
R
U FE ⎪2⎭
放大倍数取决于FK FK R
，
。
1
R
2
b 、分立元件组成综合放大单元
K
U b
0V
0V
8642
b
*晶体管T 工作于放大区，3R6为电流串联负反馈电阻。
∆U ∆U
b
==
∆I e ⋅R 6∆I ⋅R
c
7
c
=
∆I ⋅R
e
7
∴电压放大倍数k
=
∆U ∆U
c b
=
R
76
，改变R 7调节电压放大倍数。
*3R 4建立静态工作点。
*3R 10，3R 11，3W 3组成下限位电路，3R 8，3R 9，3W 2组成上限位电路，使U k 变化时，触发脉冲控制角在所需要的范围内。
（三）同步和移相触发单元
①作用：产生SCR 触发脉冲，其相位可以移动，用来改变可控硅元件的控制角α，使输出电压变化而改变，达到调节励磁电流的目的。
U
d
随
U
k
U
k
↑→α↓→U
d
↑→IL ↑
②要求
A 、触发脉冲采用励磁电源同步，即每只SCR 的触发脉冲应在相应的自然换相点以后α角度时发出。 对三相半控桥：SCR1的自然换相点是Uac=0(从负到正) ； SCR2的自然换相点是Uba=0(从负到正) ； SCR3的自然换相点是Ucb=0(从负到正) 。
B 、触发脉冲数、脉冲方式及移相范围应满足要求。
对半控桥：
每周波三个脉冲，单脉冲(窄) ，0°～180°(实际10°～170°) 。 对全控桥：
每周波六组双脉冲或不大于60°的宽脉冲，0°～150°(实际10°～140°) 。
C 、触发脉冲对称度要好，不对称度：全控桥≤5°，半控桥≤10°，否则会增加输出电压的谐波分量。 D 、触发脉冲功率要够，幅值要够，电流也要够。 E 、脉冲前沿要陡。 F 、脉冲要有一定宽度。
G 、触发回路与主回路要严格隔离。 ③锯齿波型触发电路
三相半控桥式电路共用三套触发电路，电路完全一样，不同的是同步电压不同，以SCR1为例，
U
ac ⋅LB
从负到正过零点是它的自然换相点，同步电压应比
U
超前180°，励磁变压器采用△/Y-1，PT 采用
ac ⋅LB
Y/Y0-12，故选取
U
作为同步电压。
c ⋅PT
ac ⋅LB c U
B (PT ) U
b ⋅LB
LQ 1
0V ⋅P T
LQ 2
LB 二次侧
触发电路原理线路图
O
工作原理：
U
c ⋅PT
经TBa 降压为20V 左右的电压，其正半周经稳压管4WY1消波后（电网电压会波动）向
4C1充电，充电至稳压值Uw(10V左右) 。当消波后同步电压从Ｕw 下降时，4D1截止，电容4C1开始向4D2、4R3，4W1、4R2放电。电压按指数规律下降，直到下个周波同步电压大于电容电压值以后又开始充电。
BG 的发射极与基极间加有电压Uk －Uc ，当Uk ＜Uc 时，BG 截止，当Uk ＞Uc 时，BG 导通。
MBa 为脉冲变压器，有三个线圈，Q3为输出，当BG1从截止转变到导通时，IQ1增大，Q2中感生电流使BG 导通更快，称为正反馈，它使IQ 迅速增大，使Q3输出的脉冲前沿很陡。4C2为微分电容，加速开始时的正反馈速度，目的在于使脉冲前沿更陡峭。4C4充电完毕，感生电流继续沿4D5，4R5流过，保持BG1导通，直到铁心饱和为止，这使得脉冲有一定宽度。
改变ＵK 的大小就可以改变α角的大小。为了使α限制在一定范围内αmin ≤α≤αmax ，就必须限制ＵK
的大小。
4D6能截去负脉冲，4D7起脉冲导向作用，4R7可限制脉冲功率的大小。+2V为抗干扰电压，使BG1截
止时更可靠，不易受干扰。
同理：B 相SCR 触发电路使用 C相SCR 触发电路使用
U U
作为同步电压。
a ⋅PT
作为同步电压。
b ⋅PT
MBa 起隔离作用和阻抗变换作用。
④移相触发单元工作特性曲线
U
⑤锯齿波型电路特点
简单、移相范围可达180°，缺点是采用正反馈，在电磁场强的场合可能引起误触发。 （四）可控硅整流电路 1、作用
将交流电压整流成直流电压向发电机励磁绕组或励磁机励磁绕组供给可控制的励磁电流。
２、可控硅整流电路的工作原理及特性
三相半控桥电路图
（1）整流元件的通断
导通：加正向电压，控制极加正向触发脉冲，导通后脉冲失效。 关断：I ＜I 维持，一般加反向电压。
对共阴半控桥电路，在有触发脉冲的前提下，阳极电压最高的SCR 元件和阴极电压最低的SR 元件导通。
（2）整流元件导通次序
（3）控制角α
三相半控桥式整流电路中可控硅控制角的零度为可控硅阳极电压的自然换相点，控制角是向可控硅
元件施加触发脉冲的角度。
三相半控桥式整流电路的电压波形图
（4）可控硅的导通角β （5）整流电路的输入电压
来自交流励磁机或励磁变压器的副边。 （6）整流电路的输出电压
三相半控桥：
U
L
=1. 35U
1+cos α
线
2
=2. 34U
1+cos α
相
2
U
线
，
U
相
——输入线电压和相电压。
（7）续流管的作用
①保证可控硅整流电路不失控；
②使励磁电流IL 保持连续状态。
当α＞60°，Ｕd ＞0时，IL ＞0，储能（磁能）于励磁绕组电感中，Ｕd=0时，储能释放成电能，续流管提供回路，若没有则通过可控硅强行放电，失控。 作业：
1、画出三相半控桥式整流电路，说明对触发脉冲的要求，画出α=30°，α=110°的输出电压波形，要画出相电压波形作对照。
2、画出三相半控桥式电路的B 相锯齿波形移相触发单元和工作特性曲线，并说明其工作原理。三、比例式半导体励磁调节器的静态工作特性
U G
U G
b
1GD
G 综合放大单元：
U
K
=
K 2
U
b
移相触发单元：α=K 3
U
K
SCR 功率单元：
I
L
=
K 4
⋅α
将各曲线某工作点附近不大的变化范围内看成是线性关系，则有：
∆U ∆U
b
=-K 1∆U =
2
b
G
K ∆U
∆α=K ∆U ∆I =K ⋅∆α
∆I =K K K K
K
3
K
L
4
L
1
2
3
4
(-∆U G )
静态放大系数K =
∆L
∆U
=
G
-K ⋅K
1
2
⋅K 3⋅K
4
K 即为励磁自动调节器的静态工作特性的斜率。
第六节 同步发电机励磁控制系统的静态特性
定义：人工不调节情况下，机端电压U G 与发电机无功电流I q 之间的静态特性。又称发电机外特性、电压调差特性。
U G
δT
δT >0
I q
发电机电压调节特性
一、发电机机端电压调差率
定义：自动励磁调节器的调差单元投入，电压给定值固定，发电机功率因数为零情况下，发电机无
功负荷从零变化到额定值时，用发电机额定电压的百分数表示的发电机机端电压相对下降值。
δT (%)=
U G 1-U G 2
U Ge
⨯100
U G
U G 1
U G 2
I q
I qe
U G 1：发电机空载电压（V ）
U G 2：发电机带额定无功负荷I qe 时的电压（V ）
U Ge ：发电机额定电压（V ）
要求：调差率整定范围不小于±10%(±15%)，档距1%，线性度要好。
二、发电机调压精度
定义：自动励磁调节器投入运行，调差单元退出，电压给定值不进行调整的情况下，发电机负载从零变化到额定值以及环境温度，频率在规定范围内变化时：
δJ (%)=
U G 1-U G 2
U Ge
⨯100
U G 1：发电机空载电压（V ）
U G 2：发电机带额定负荷时的电压（V ）
U Ge ：发电机额定电压（V ）
作图法求取发电机调压精度
I q =0
G
U G =f 2(I L ) |I q =const I q =I qe
G 1
U G 2
自动励磁调节器静
态特性I l =f 1(U G )
I L
I qe
I q
三、 励磁调节器的调差单元 为什么要设调差单元：
① 不能平稳地投入机组或退出运行 ② 不能使发电机并联稳定运行
③ 不能在并联运行机组间合理分配无功负荷 ④ 不能根据需要调整发电机的调差系数 分类：单相、两相、三相三种方式
∙
U
A
U B U C
两相式
∙
∙
∙
U c ' =U c -I a R c
∙
∙
U b ' =U b
∙
∙
∙
U a ' =U a +I c R a
① 发电机带纯无功负荷 cos ϕ=0, ϕ=90
U a ' c R a
∙
∙
U a
∙
I q ≠0
I c
∙
I p =0
ϕ=90
I a
`
∙
U c '
∙
-I a R c
∙
∙
∙
∙
U c
∙
U b
∙
U a ' ，U b ' ，U c ' 随发电机电流的增加而增加，励磁系统会自动减少发电机励磁电流，使得发
电机电压下降，形成下斜的发电机电压调节特性。 ② 发电机带纯有功负荷cos ϕ=1, ϕ=0
∙
U a '
I q =0
∙
I c R U a
∙
A
∙
I p ≠0
I C
∙
I B
`
-I a R c
U c '
∙
∙
∙
U c
∙
U b
∙
∙
∙
U a ' ，U b ' ，U c ' 基本上不随发电机电流的增加而变化
结论：发电机的励磁电流和机端电压不随发电机有功电流的变化而变化，励磁调节器的调差单元只反映发电机无功功率变化而基本不反映有功功率变化。
U
U 0
U M
I q ⋅R
123
U 0=U G 1+I q ⋅R =const
改变R 大小可改变δ
改变CT 的极性可改变δ的符号 负调差特性：U 0=U G 1-I q ⋅R
四、 发电机电压调节特性的平移
I q 2I q 1
I q
改变R w （见图4-34）→平移磁调节器静态工作特性曲线→改变发电机电压调节特性
U G =f 2(I L )
I q =0
G G ' I q =I qe
B '
发电机电压调节
特性
I l =f 1(U G ) I L
I qe
I q
*发电机电压下降且I q 增加时励磁系统将按直线AB 工作。当I q 增加到I qe 时运行在B 点。 *平移发电机电压调节特性是由运行人员手动或通过自动装臵调节励磁调节器电压给定值实现的。
第七节 同步发电机微机励磁系统
一、概述
国外20世纪70年代开始研究数字式励磁调节器，到80年代中期进入成熟阶段。1980年国外将数字式励磁调节器在发电厂正式运行。我国1986年、福大1990年。 优点：1、可靠性高
硬件：大规模数字集成，各种抗干扰措施
软件：自诊断，自恢复 2、功能多，性能好
如各种励磁电流限制及保护功能，通用性好，性能好 3、运行维护方便
二、SMER-C 型单片微机励磁的基本原理 1、概述
微机励磁调节器要实现发电机的外特性，如下图：
U U g U c
f
I w
U c 即电压采样值，反映发电机机端电压，I w 为发电机输出无功电流的大小。U c 与I w 交点必须落
在特性曲线上。
特性曲线是具有一定斜率（调差系数） 和一定给定电压U 一定U c 下，增大U
g
（等于空载机端电压）的一条直线。在
不变时，机端电压U c 波动，要引
g
可使特性曲线平行上移，从而增大无功电流。U
g
起无功电流的波动，U c 升高I w 要减小，反之亦然。
测量比较单元、综合放大单元、移相触发单元由一个单片机系统组成。 2、原理框图及控制算法
+U g -
SMER-C 微机励磁调节器原理框图
从发电机机端电压互感器PT 来的电压信号和电流互感器CT 来的电流信号经无功电流测量单元得到机端电压U c 和变换电阻后的电压U t ，由U t 可算出无功电流I w 的大小。
定义偏差e =U g -U c -I w δ，调节结果是e →0，即运行点落在外特性曲线上。 采用变参数PID 调节，调节周期采用一个周波算法为：
∆y k =k B [k p (e k -e k -1) +k I e k +k D (e k -2e k -1+e k -2)]
式中∆y k 为输出增量，k p 、k I 、k D 为比例系数，k B 为变参数因子，e k 、e k -1、e k -2为本次、上次、上二次偏差值。
输出算式为：y k =y k -1+∆y k 式中y k 、y k -1为本次输出和上次输出。
微机励磁调节器是一种数字式励磁调节器。
① 采样的U c 、I w 等都转化成数字量。给定值U
g
、IL g 等都是全数字式，增减量准确。可方便地
实现不同运行方式之间的跟踪，做到无波动切换运行方式。
② 控制算法采用数字式，可根据运行工况自动地变化增益，达到了良好的静态和动态调节性能。 ③ 它的输出方式，即触发器方式也是全数字化，因此，对称性好，精度高。
3、移相触发单元原理
以AT89C51为核心组成触发器，触发脉冲由可编程接口芯片8155的c 口输出。它采用单相同步，定时器分相的方案，实测上一周波的周期作为下一周期分相的依据。
介绍三相全控桥式整流电路触发器工作原理：
利用AT89C51内部的CTC0和CTC1工作于定时器状态用作周期测定及定时器分相，当U ac 由负到正
过零时向AT89C51申请中断，此即一周波内的第一自然换相点，这时CTC0装入相当于触发角α的值，并启动CTC0计时，为CTCO 溢出中断时发出第一组脉冲，触发SCR6和SCR1。此后向CTC1装入相当于60的延时值，启动CTC1，当它计时到时发出第二组脉冲。触发SCR1和SCR2。依此类推，CTC1共发出五组脉冲，即完成一个周波的触发过程。
∙
CTC0经过延时α角后，产生溢出中断。这时计数到零又继续计数，到下一次U ac 中断到来时，取出CTC0计数值，再加上α角延时值，即等于周波长度。
三、SMER-C 型微机励磁调节器的硬件结构
1、以AT89C51单片机为核心，适用于中小型机组的微机励磁系统； 2、硬件结构框图
SMER-C微机励磁调节器硬件结构图 3、主机板结构
主机板由8155、ADC0809、AT89C51等组成微机系统。同步信号经滤波限幅后进入LM339进行过零检测，变成方波后加在CPU 的中断上。
8155的A 口与召唤显示拨盘开关相连，B 口采集八位地址开关状态用以决定PID 调节规律的比例、积
分、微分项的系数，共有256种组合。C 口用来输出触发脉冲信号，送往脉冲放大板放大并隔离后去触发可控硅。
4、变送器板的结构
电源发生电路：利用振荡变压器输出三组互相独立的电源，第一组±8V , 供运放用。第二组12V ，供555电路用，第三组5V ，作为LM339(V/F)及光耦二极管一侧的电源。
主机板完成测量、比较、控制计算、移相触发脉冲形成，限制保护等功能。
励磁电流测量变送器：由励磁电流主回路分流器FL 来的0~75mV 信号经4558放大后，由压/频变
换芯片LM331变成一定频率的脉冲，经4N25隔离后，由555重新变成0~5V 的直流电压信号，送到主机板，由ADC0809转换成数字量。
5、触发脉冲放大板
触发脉冲放大电路
图中MB 为铁淦氧圆形磁罐做成的脉冲变压器，BG 为达林顿型复合三极管，MB 起阻抗变换作用，同时起到计算机部分与主回路强电部分隔离开来的作用。 6、召换显示的设计
面板上6个发光数码管和7只LED 信号灯由7片串入并出移位寄存器74LS164驱动，AT89C51串行口输出RXD 和TXD 信号驱动74LS164。这是一种静态显示方案，每周波刷新一次。
7、工作电源部分 两种设计方案： ①
AC100V
V cc GND
②
U V cc GND
在全厂停电情况下，厂内有110V ，220V 或48V 直流保护与操作电源，则开机可以建压。 四 、保护与限制功能 1、过励与强励延时限制
恒电压方式运行时，若电网电压下降，引起机端电压下降，本机按调节规律，会增大无功电流。这时励磁电流可能超过额定值甚至进入强励状态。当励磁电流显示值IL c >110时过励灯亮。当IL c >150时强励灯亮。过励或强励持续30秒钟仍未解除，则调节器自动减励把IL c 降低为110。
要小于100时过励灯才灭。这里设臵了回差环，在过励灯亮期间，增励钮被封锁。 2、低频过流的防止反励磁电流截止功能
当发电机解列后关机，发电机转速逐渐降低，由于励磁调节器要努力维护机端电压，会发生低频过（励）流现象。
调节器在断路器跳闸后，发电机频率低于46HZ 时，对于三相半控桥，自动将可控硅触发角α变成 180，这时励磁电流靠续流慢慢减到0。对于三相全控桥则自动将控制角α变成140，实现逆变灭磁。
第八节 PLC型励磁调节器
一、构成
（1）西门子公司S7-226CN CPU，模拟量输入/输出模块EM235； （2）触摸屏K-TP178 Micro； （3）频率测量电路； （4）控制量限幅电路； （5）同步移相触发电路； （6）触发脉冲放大电路；
（7）机端励磁及仪用电压互感器二次侧电压、系统电压、有功功率、无功功率、励磁电流等测量变送电路等组成。
L Q
2
到上位机
励磁变
可控硅
机端PT 1机端PT 2网端PT
计算机
按 键
电流C T
开 关控 制指 示
分流器
远程维护
二、实现
1、触摸屏的软件用WinCC Flexible 4.0组态设计，触摸屏设有主监控参数、异常信息屏、定控制角控制、参数设臵、开停机控制等。
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2、S7-226CN CPU，模拟量输入/输出模块EM235
（1）S7-226CN 自带的数字量端口共有24路输入、16路输出。 表1 开关量输入/输出分配表 地址 输 注释 I0.0 开机令 I0.1 停机令 I0.2 增磁 I0.3 减磁 I0.4 灭磁开关
I2.0 断路器
I1.2 基准频率
I0.7 风机停转
6、起励方式
（1）额定电压正常起励
（2）跟踪电网电压正常起励
（3）额定电压软起励（即无超调起励）、 （4）跟踪电网电压软起励 （5）低给定电压起励方式 7、运行方式
（1）4种闭环运行方式
a 、恒定电压；b 、恒定励磁电流； c 、恒定功率因数；d 、恒定无功功率。 （2）1种开环运行方式
恒定可控硅控制角运行方式，用于机组初次升压，或机组检修后的零起升压试验，或对机组进行短路烘干。 8、灭磁方式
（1）停机命令下先自动进行逆变灭磁，灭磁后跳开灭磁开关； （2）灭磁命令下自动进行逆变灭磁，不跳灭磁开关； （3）无命令时，转速低于70%额定转速时自动逆变灭磁。 9、限制保护功能
（1）最大励磁电流瞬时限制功能； （2）过励、强励延时限制功能； （3）低励瞬时限制功能； （4）空载V/F限制功能； （5）空载过电压保护功能；
（6）正常运行时的1.1倍额定励磁电流限制功能，当励磁电流超过1.1倍额定励磁电流时，闭锁增磁操作并自动减磁至额定励磁电流的1.1倍以下；
（7）可控硅整流柜快熔熔断时的励磁电流限制功能，自动减磁至额定励磁电流的60%-70%； （8）风机停转时的励磁电流限制功能，自动减磁至额定励磁电流的60%-70%； （9）机端励磁用PT 断线时，自动无波动切换至恒定励磁电流运行方式并告警； （10）机端仪表用PT 或网端仪表用PT 断线时，保持原运行方式不变，自动告警。
低励瞬时限制功能的原理：
发电机并网工作于恒电压运行方式时，若电网电压升高，机端电压也跟着升高，励磁调节器按正常调节规律，会自动减小励磁电流，可能使发电机进入进相运行状态。发电机进相运行时，为使发电机不失去同步，应对最小励磁电流进行限制。低励限制曲线按照同步发电机功率圆图来制定。对中小型同步发电机组可用一条直线来近似。
图中坐标值为对应变量以发电机额定容量为基准的标幺值。Q * 为正值，表示发电机向电网输出感性无功功率；反之，表示发电机向电网输出容性无功功率。由Kp 、Kq 两点构成的直线，即为发电机的低励限制曲线。当发电机处于进相运行状态，且进相无功值超出该限制曲线时，“低励”指示灯点亮，励磁调节器低励限制功能瞬时启动，自动增大励磁电流，使发电机退出限制区。退出限制区后，“低励”指示灯熄灭。“低励”指示灯点亮期间，减磁按钮被软件闭锁。Kp 取值范围为0.9～1.2，默认值为1.1；Kq 取值范围为-0.5～-0.2，默认值为-0.3。低励判断方法如式（1）。
Q *
p
+
Q *K q
⎫
⎪ ⎬----------(1) >1
⎪⎭
低励限制直线图
10、软件开机流程
开机软件结构框图
Uf>30%Ue？--→灭磁开关--→f>47.5Hz？--→自动起励 11、数字式调差
U g /kVδt
0的情况，其它情况类似。
发电机电压调节特性图
根据发电机机端电压调差率δt 的定义，由图可得到δt 的计算方法，如式（3）。这里仅介绍δt 大于
δt (%)=
U
g 1
-U
ge
g 2
式（3）中Ug1为发电机空载电压，单位kV ；Ug2为发电机带额定无功负荷（Iqe ）时的电压，单位kV ；Uge 为发电机额定电压，单位kV 。
如图，根据三角形相似定理得到式（4）。
U
⨯100%-----(3)
U U
g 1g 1
-U -U
x g 2
=
I qx -0I qe -0
-----(4)
式（4）中Iqx 为发电机无功电流，单位kA ；Ux 为发电机机端电压，单位kV 。式（4）两边同乘以Uge ，并将式（3）带入式（4）得到式（5）。
U
g 1
=U
x
+
δt
100
⨯
I qx I qe
⨯U
ge
----(5)
式（5）中的无功电流Iqx PLC没有直接采样，但可通过无功功率用标幺值方法求得，如式（6）。
I qx I qe
=I
*
qx
=
Q x U
**x
=
Q x S e U
x
----(6)
ge
*
式（6）中Se 为发电机额定视在功率，单位MVA ；Qx 为Iqx 对应的发电机无功功率值，单位Mvar 。I qx ，
Q x 及U
*
*
x
分别为发电机无功电流，无功功率及机端电压的标幺值。Se ，Uge ，δt 由触摸屏输入，Qx ，Ux
由PLC 实时采样得到。由式（5）和（6）可求得作为反馈量的调差后的电压Ug1。 12、改进的PID 算法
在线变增益改进PID 算法，该控制算法根据偏差|e|的大小以及PID 参数对系统性能影响的专家知识实时在线调整PID 参数，改善了PID 控制器的动静态特性，系统具有一定的鲁棒性，且算法简单有效易于在PLC 中实现。
根据PID 控制知识，结合响应过程中偏差|e|的大小，总结出PID 参数动态校正规则。
规则1：调整PID 回路的增益Kc ，按|e|由大到小，Kc 逐渐减小，既提高动态响应速度，又不致影响静态稳定性。
规则2：调整积分项系数Ki ，按|e|由大到小，Ki 逐渐增大，既保证静态精度，又减小积分累积超调。 规则3：调整微分项系数Kd ，按|e|由大到小，Kd 逐渐减小，在不影响稳态抗干扰能力前提下，改善
系统特性。
在规则1，2，3的基础上，对Kc ，Ki ，Kd 三个参数采取了分段处理方法。具体方法如下。 离散的常规位臵式PID 算法如式（7）。 M
n
=K c e n +K i e n +MX +K d (e n -e n -1) =K c e n +
k c T s T i
e n +MX +
K c T d T s
(e n -e n -1) --(7)
式（7）中Mn 为第n 个采样时刻PID 回路的输出的计算值；MX 为积分项前值（在第n-1采样时刻的积分项），在PID 运算过程中对其进行抗饱和处理； Ts为采样周期；Ti 为积分时间常数；Td 为微分时间常数；en 为第n 个采样时刻的偏差值；en-1为第n-1个采样时刻的偏差值（偏差前值）。将式（7）中的Kc 提取
出，考虑到规则2，
令
T i =T i ⨯K c
' 2
，得到式（8）。
M
n
=K c [e n +
T s T i
'
e n +MX +
T d T s
(e n -e n -1)]------(8)
根据|e|的大小对PID 回路的增益进行分段处理，如图1及式9所示。
K c
⎧K c 1, (0≤e n
=⎨32⨯e n , (e 1≤e n
⎩K c 2, (e n ≥e 2)
调节器有4
扰动切换。
SP n =PV n ⎫
⎪
SP n -1=PV n -1⎬----
--(10)
⎪MX =M n
⎭
式（10）中SP n 为第n 采样时刻的给定值；PV n 为第n 采样时刻的过程变量；SP n －1为第n －1采样时刻的给定值；PV n －1为第n －1采样时刻的过程变量。 13、通信
S7-226CN CPU与监控计算机之间通信采用MODBUS 协议，RS485自由口通信方式。 监控计算机可对励磁调节器实现四遥功能，通信方式下的自动带、卸无功负荷。
四遥数据表
四遥 遥测
内容
频率，控制角，各种电压、电流，功率因数，无功功率值及其给定值
遥信 遥控
断路器、灭磁开关状态，各种运行方式、起励方式、故障信号指示
开、停机控制，增、减磁控制，各种运行方式、起励方式控制，灭磁开关控制，起励、灭磁控制
遥调
电压，励磁电流，功率因数，无功功率
监控主界面
14、发电机组试验
对设计的调节器进行了静态和动态试验，试验表明其性能指标满足或优于国标要求，具有很高的可靠性、快速性和稳定性，其中主要的试验结果如图7－10。试验用的发电机，型号：STC －3，额定功率：5 kW ，额定电压：400 V，额定电流：5.4 A，额定转速：1 500 r/min， 功率因数：0.8，励磁额定电压：70 V，励磁额定电流：3 A。
图7 全压起励响应曲线
图9空载扰动曲线
图8 灭磁曲线
图10甩负荷曲线