发电机组自动调压系统设计 第3页
作用下的长过程中，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳定性。励磁控制对这三类稳定性的改善都有显著的作用，是提高发电机并联运行稳定性的有效措施。
(4)励磁系统在其他方面的作用。
励磁系统给发电机提供限制、保护功能，并且在提高可以提高带时限的继电保护装置的灵敏度和动作准确性，此外，性能良好的励磁控制系统在短路故障期间以及故障切除之后，可以尽量文持电力系统的电压，加速电压的恢复，提高系统电压稳定性和改善系统电压分布等方面发挥重要作用[2]。
据电力部统计，1974年4月~1982年2月，全国共发生励磁系统事故140次，平均每月1.5次；1984年~1988年，在励磁系统发生的事故中，主回路291次，励磁调节器408次，其它23次，励磁设备引起停机事故占40%，现在电力系统中最不安全的因素是励磁系统。
由此可见，励磁装置质量及运行性能的优劣，对保证电力系统安全稳定运行至关重要。其技术性能指标直接影响发电机及电力系统的安全可靠运行。良好的励磁系统能够有效提高发电机以及电力系统的稳定性，增强系统的抗干扰能力，改善系统的动态品质，提高运行技术经济指标。同时，由于生产的安全性、经济性也非常重要，因此对励磁系统的可靠性提出了更高的要求。而目前的励磁系统故障率较高，励磁系统故障仍是发电机故障停机以及非计划停运的主要原因。因此，提高励磁系统可靠性，进一步提高励磁系统的动态、静态性能指标，研制性能更加良好的励磁系统仍是现场的迫切要求，也是励磁行业研究的重要课题。
1.2当今国内外自动励磁装置的发展现状及趋势
随着电力电子技术、微电子技术、自动化技术的进步和计算机技术的高速发展，自动励磁装置的数字化大势所趋。从励磁功率单元、控制规律和励磁调节器等几个方面来看，均有较大的发展。
从励磁功率单元的发展来看，它经过了直流励磁机、交流励磁机、静止励磁系统等几个阶段，其趋势是向大容量、高可靠性、快速响应方向发展。快速励磁系统的发展提高电力系统的暂态稳定性；从其控制规律的发展来看，为了通过励磁控制提高系统的稳定性和改善其动态响应特性并兼顾暂态稳定，人们先后发展了采用比例、积分、微分调节方式的PID励磁调节器，强力励磁调节器（早期研究主要是苏联），电力系统稳定器(PSS)，全状态量反馈的线性最优励磁调节器，非线性励磁调节器 (NEC)和模糊控制励磁调节器等不同的励磁控制方式。目前的技术和设备水平来说，大型机组励磁调节器采用PID+PSS控制规律和全状态量反馈的线性最优励磁调节器，小型机组励磁调节器采用PID控制规律，能够满足系统稳定的要求；励磁调节器由磁场电阻器组成的手动电磁型调节器到模拟式励磁调节器，如今发展到微机励磁调节器，其总趋势是向提高可靠性、提高响应速度、适应复杂控制规律的方向发展。系统由传统的模拟励磁控制系统（控制精度低，调节器参数整定复杂，功能单一，通用性、兼容性和扩展性较差）向微机励磁控制系统（结构简单、清晰，硬件设备通用性好，标准化程度高，软件灵活，功能强，通信接口方便）发展。我国数字式励磁调节器的开发始于二十世纪八十年代初，一些电力科研单位和高校开始研制数字式励磁调节器。较早的当数电力部南京自动化研究所（现国家电力公司南京自动化研究院），国家电力公司南京自动化研究院是国内最大的励磁系统装置的研究单位，于1984年研制的适用于大中型发电机的WLT-l型励磁调节装置。该装置在设计中提出了可控硅触发区的概念并采用锁相技术，芯片采用Intel公司的8080微处理器进行调节控制可控硅晶闸管，励磁调节采用经典PID。1990年4月南京自动化研究所又推出WLT-2型数字式励磁调节器，该调节器采用Intel公司的16位ISBC系列计算机模板，有两个独立的自动通道，互为热备用，在一个通道发生故障时可自动切换到另一个；在1999年底推出了新一代面向21世纪的SAVR-2000大型发电机励磁调节器；在长江三峡建设中，承担三峡工程右岸12台700WM发电机励磁系统项目。机械部广州电器科学研究所开发研制TLW-3000型微机励磁调节器，由STD工业控制微机，I/O接口电路，电压、电流测量元件等组成。调节器的核心部件是TSD工业控制微机，采用美国普洛公司的产品STD SYSTEM2工业控制微机，现在有大量的励磁产品应用于水电、火电厂的200WM以上的机组。武汉市洪山电工技术研究所及南京自动化研究院等单位都在研制IGBT发电机励磁系统，并且已有功率IGBT开关励磁装置（主要是直流励磁机式的系统）在现场运行。IGBT作为发电机励磁的功率器件已展现了它的优势。
国内有许多科研院所都在研究和开发自动励磁系统，比较早的有华中科技大学、武汉大学、河北工业大学等高校。清华大学及中科院电力科学院等都在将模糊控制、最优控制、多变量控制技术应用到励磁系统中并取得了丰硕的成果。
在国外，利用计算机进行励磁方面的研究，最早要推加拿大及前苏联。国外比较有影响的产品有英国通用电气公司 (General Electric)生产的SILCO型的双通道微机励磁调节器，瑞士ABB公司生产的UNITROL型励磁调节器，德国西门子公司生产的HTYRIPOL型励磁调节器，瑞典ABB公司生产的FMTB型励磁调节器，英国罗尔斯-罗伊斯(Rol1s-Royce)公司生产的800系列数字励磁调节器，另外奥地利伊林公司及日本东芝公司、三菱公司也都有定型产品。投运时间多在80年代末到90年代初之间，其中英国GEC公司生产的自动励磁装置在我国大亚湾核电厂1000MW的机组中应用，采用的是可控硅控制的三机励磁系统。
如今随着电力电子，自动控制技术的日益成熟，电力系统的飞速发展，机组容量不断的扩容，励磁系统逐渐向静态励磁的方向发展。同时国内的许多研究励磁系统的单位尝试将模糊控制、线性最优控制、非线性最优控制、多参数变量控制引入励磁调节器中，促使励磁装置向操作简单化、功能多样化、运行可靠化等方面发展。
其特点主要表现在以下几个方面：
(1)微机励磁调节器的调节控制和限制保护等所有功能，均是通过软件实现，随着硬件集成度的不断提高，CPU功能愈来愈强，运算时间愈来愈短，硬件结构可以做得越来越简单，现在已经发展到有32位的DSP芯片控制。目前国外生产的励磁调节装置由用多个调节器控制多个并联的功率单元，多通道冗余，互为备用，提高了励磁系统运行的可靠性、稳定性。
(2)在发电机的励磁方式上，中、小型机组多采用自并激励磁方式。因而反应速度快，动态品质优良，有利于长距离输电，并能提高机组和电力系统的暂态稳定。
(3)向取消机械式灭磁开关的方向发展。随着大功率电力电子元件的快速发展，国外近期采用电子开关逆变灭磁来代替机械式灭磁开关。这是因为电子开关无机械触点、无火花和瞬时过电压、动作速度快、易于文护，克服了机械开关动作频繁、触头容易烧坏、机械调整复杂、易失控后产生危险的转子过电压等缺点。
(4)励磁变压器、调节器单元、功率单元、灭磁单元等励磁系统的基本组件将会由用户提出功能的需要向标准化、模块化和通用化的趋势发展[3]。
1.3本课题的主要工作
本论文将IGBT作为主功率元件，西门子S7-226系列PLC构成调压器的主要部分，针对10kV电压级下的中小型发电机组进行励磁系统的设计，总设计框图如图1.2所示。针对该图，完成各部分设计，具体工作如下：
(1)完成IGBT功率单元主回路各部件选型；
(2)IGBT保护及驱动单元设计与计算；
(3)采用电量变送器完成电量数据的采集与变换；
(4)PLC调节器硬件设计；
(5)完成电压偏差及控制脉冲的软件编程。
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