電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文--可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì).doc

電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文-可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 摘 要 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展,對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制提出了更高要求。發(fā)電機(jī)在正常工作情況下,負(fù)載總在不斷地變化著。而不同容量的負(fù)載,以及負(fù)載的不同功率因數(shù),對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)的反映作用是不同的,要維持同步發(fā)電機(jī)端電壓為一定水平,就必須根據(jù)負(fù)載的大小及負(fù)載的性質(zhì)隨時(shí)調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁。在各類(lèi)電站中,勵(lì)磁系統(tǒng)是保證同步發(fā)電機(jī)正常工作,提高電網(wǎng)穩(wěn)定水平的關(guān)鍵設(shè)備。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的自動(dòng)控制在保證電能質(zhì)量、無(wú)功功率的合理分配和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性方面都起著十分重要的意義。 本文主要對(duì)可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),首先對(duì)可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)做了相關(guān)簡(jiǎn)介并探討了可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外未來(lái)發(fā)展形勢(shì)。本文著重在可控勵(lì)磁系統(tǒng)中的過(guò)勵(lì)限制方面作了重點(diǎn)分析,并設(shè)計(jì)了相關(guān)的一個(gè)過(guò)勵(lì)限制特性試驗(yàn),對(duì)過(guò)勵(lì)限制系統(tǒng)加深了了解。關(guān)鍵詞 電力系統(tǒng);勵(lì)磁控制系統(tǒng);過(guò)勵(lì)限制不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符,此行不會(huì)被打印目錄摘要IAbstract第1章 緒論11.1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介11.2勵(lì)磁控制系統(tǒng)的作用21.2.1維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定水平21.2.2提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性21.2.3改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性31.2.4改善電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性41.2.5在并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)間合理分配無(wú)功功率51.3自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的組成及功能51.3.1基本工作電路51.3.2輔助工作電路51.4同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式研究現(xiàn)狀61.4.1基于單變量控制方式61.4.2基于現(xiàn)代控制理論的多變量控制方式61.4.3非線性多變量勵(lì)磁控制方式81.4.4智能控制方法91.5國(guó)外研究及發(fā)展?fàn)顩r10第2章 勵(lì)磁系統(tǒng)的過(guò)勵(lì)限制132.1 過(guò)勵(lì)限制的主要特性132.2限制過(guò)程132.3級(jí)差142.4以勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)電流作為過(guò)勵(lì)限制控制量的過(guò)勵(lì)限制整定152.5無(wú)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)的處理152.6過(guò)熱量的釋放和再次過(guò)勵(lì)的條件152.7過(guò)勵(lì)保護(hù)162.7.1頂值電流保護(hù)162.7.2過(guò)勵(lì)反時(shí)限保護(hù)162.7.3過(guò)勵(lì)報(bào)警信號(hào)16第3章 可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置操作及維護(hù)173.1 實(shí)驗(yàn)裝置操作說(shuō)明173.2實(shí)驗(yàn)的基本要求183.3可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)操作運(yùn)行及檢測(cè)維護(hù)193.3.1可控勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投入運(yùn)行的操作步驟193.3.2自動(dòng)?手動(dòng)控制切換操作要點(diǎn)203.3.3可控勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常運(yùn)行要點(diǎn)203.3.4勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的退出及停機(jī)操作要點(diǎn)213.3.5可控勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的檢查與維護(hù)223.4控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)常見(jiàn)故障及處理方法233.4.1滅磁開(kāi)關(guān)QFG的常見(jiàn)故障及處理方法233.4.2調(diào)試中常見(jiàn)故障及處理方法233.4.3起勵(lì)中常見(jiàn)故障及處理243.4.4空載運(yùn)行中的常見(jiàn)故障及處理方法263.4.5負(fù)載運(yùn)行中的常見(jiàn)故障及處理方法26第4章 過(guò)勵(lì)限制特性實(shí)驗(yàn)304.1可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)過(guò)勵(lì)限制電路原理及其工作特性304.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備314.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟32參考文獻(xiàn)35附錄36致謝42結(jié)論35千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符,此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”,然后“更新整個(gè)目錄”。打印前,不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行緒論發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁裝置是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分,它是供給同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源的一套系統(tǒng)。勵(lì)磁裝置一般由兩部分組成,一部分用于向發(fā)電機(jī)提供直流電流以建立直流磁場(chǎng),通常稱作勵(lì)磁功率輸出部分;另一部分用于在正常運(yùn)行或發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以滿足安全運(yùn)行的需要,通常稱作勵(lì)磁控制部分或稱控制單元,亦稱勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性與它的氣隙電勢(shì)Eq值的大小有關(guān),而Eq的值是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流IL的函數(shù),改變勵(lì)磁電流就可影響同步發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)中的運(yùn)行特性。因此對(duì)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁進(jìn)行控制,是對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行實(shí)施控制的重要內(nèi)容之一。 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化主要影響電網(wǎng)的電壓水平和并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間無(wú)功功率的分配。在某些故障情況下,發(fā)電機(jī)端電壓降低將導(dǎo)致電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平下降。為此,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),要求發(fā)電機(jī)迅速增大勵(lì)磁電流,以維持電網(wǎng)的電壓水平及穩(wěn)定性?？梢?jiàn),同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的自動(dòng)控制在保證電能質(zhì)量、無(wú)功功率的合理分配和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性的方面都起著重要的作用。 同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)一般由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩個(gè)部分組成。如圖1-1所示。勵(lì)磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電流,即勵(lì)磁電流;勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出。整個(gè)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)是由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。 圖1-1 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖 在電力系統(tǒng)發(fā)展初期,同步發(fā)電機(jī)容量較小,勵(lì)磁電流通常由與發(fā)電機(jī)組同軸的直流發(fā)電機(jī)供給,即直流勵(lì)磁機(jī)方式。隨著發(fā)電機(jī)容量的提高,所需勵(lì)磁電流也隨之增大,而直流勵(lì)磁機(jī)由于存在機(jī)械整流環(huán),功率過(guò)大時(shí)制造存在困難,因此在大容量的發(fā)電機(jī)組上很少采用。同步發(fā)電機(jī)半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中的直流勵(lì)磁電流是通過(guò)把交流勵(lì)磁電源經(jīng)半導(dǎo)體整流后得到的。根據(jù)交流勵(lì)磁電源的不同種類(lèi),同步發(fā)電機(jī)半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)又可分為兩大類(lèi):1.他勵(lì)半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng) 這類(lèi)勵(lì)磁系統(tǒng)采用與主發(fā)電機(jī)同軸的交流發(fā)電機(jī)作為交流勵(lì)磁電源,經(jīng)二極管、晶閘管或全控功率器件進(jìn)行整流后,供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁;這類(lèi)勵(lì)磁系統(tǒng)由于交流勵(lì)磁電源取自軸功率,即主發(fā)電機(jī)之外的獨(dú)立電源,故稱為他勵(lì)半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng),簡(jiǎn)稱他勵(lì)系統(tǒng)。用作勵(lì)磁電源的同軸交流發(fā)電機(jī)稱為交流勵(lì)磁機(jī)。2.自勵(lì)半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng) 這類(lèi)勵(lì)磁系統(tǒng)通常采用變壓器提供交流勵(lì)磁電源,勵(lì)磁變壓器接在發(fā)電機(jī)機(jī)端或廠用電母線上。因勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)自身或發(fā)電機(jī)所在的電力系統(tǒng),故這種勵(lì)磁方式稱為自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng),簡(jiǎn)稱自勵(lì)系統(tǒng)。1.2勵(lì)磁控制系統(tǒng)的作用1.2.1維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定水平 在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行條件下,勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)維持發(fā)電機(jī)機(jī)端(或指定控制點(diǎn))電壓在給定水平。通常當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化時(shí),發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓將隨之變化,這時(shí),勵(lì)磁系統(tǒng)將自動(dòng)的增加或減少發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流,使機(jī)端電壓維持在一定的水平上,保證有一定的調(diào)壓精度。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí),通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)作用,應(yīng)限制機(jī)端電壓不致過(guò)分升高。維持發(fā)電機(jī)機(jī)端(或制定控制點(diǎn))電壓在給定水平上是勵(lì)磁控制系統(tǒng)最基本和最重要的作用。1.2.2提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性 當(dāng)系統(tǒng)受到小的擾動(dòng)后,發(fā)電機(jī)能繼續(xù)保持與系統(tǒng)同步運(yùn)行特性稱為電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是增大輸送距離和提高輸送功率。這需要解決許多技術(shù)問(wèn)題。而其中最重的和最基本的困難之一是同步發(fā)電機(jī)只具有較小的靜態(tài)穩(wěn)定性。但由于自動(dòng)勵(lì)磁的調(diào)節(jié)裝置的出現(xiàn),使這一問(wèn)題得到了圓滿的解決。 我們知道,對(duì)于一條交流輸電線路,在不計(jì)電阻損耗的前提下,其上流動(dòng)的有功功率P與線路兩端電壓、,線路電抗X間的關(guān)系為: (1-1)其中,為兩端電壓之間的電角度差。在時(shí)線路達(dá)到所能輸送的極限功率,即 對(duì)于單機(jī)?無(wú)窮大母線系統(tǒng),不考慮凸極效應(yīng)和定子電阻。發(fā)電機(jī)送出的有功功率P可用以下兩式表示 (1-2) (1-3)式中:為Eq與Us間的電角度差;為Ut與Us間的電角度差;Xd為發(fā)電機(jī)同步電抗;Xt為變壓器電抗;XL為線路電抗;Eq為發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)(勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì));Ut為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓;Us為無(wú)窮大母線電壓。 在發(fā)電機(jī)不進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié),即EqEq0不變的條件下,極限功率角為,線路所能傳送的靜穩(wěn)極限功率為: (1-4)當(dāng)有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,并且具有足夠能力維持發(fā)電機(jī)端電壓為恒定不變時(shí),極限功率角為,此時(shí)線路所能輸送的靜穩(wěn)極限功率為 (1-5) 由于同步發(fā)電機(jī)內(nèi)電抗較大,通常PmUt要大于PmEq。這樣,發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器實(shí)際上起到了補(bǔ)償發(fā)電機(jī)內(nèi)電抗的作用。最初的復(fù)勵(lì)和電壓校正器由于允許的反饋增益系數(shù)較小,通常只相當(dāng)于補(bǔ)償?shù)裟且欢蝺?nèi)阻抗,這時(shí)靜穩(wěn)功率極限只提高到維持不變的功角特性最大值。靈敏快速的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可以維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓恒定,相當(dāng)于補(bǔ)償了全部發(fā)電機(jī)的d軸同步電抗,即達(dá)到線路靜穩(wěn)功率極限。1.2.3改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)遭受到大干擾(如短路,斷線等)時(shí),能否維持同步運(yùn)行的能力?？偟膩?lái)說(shuō),調(diào)節(jié)勵(lì)磁對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的改善沒(méi)有對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定那樣顯著。勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)提高暫態(tài)穩(wěn)定而言,表現(xiàn)在強(qiáng)行勵(lì)磁和快速勵(lì)磁的作用上。 當(dāng)系統(tǒng)受到小的擾動(dòng)后,發(fā)電機(jī)能繼續(xù)保持與系統(tǒng)同步運(yùn)行特性稱為電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是增大輸送距離和提高輸送功率。這需要解決許多技術(shù)問(wèn)題。而其中最重的和最基本的困難之一是同步發(fā)電機(jī)只具有較小的靜態(tài)穩(wěn)定性。但由于自動(dòng)勵(lì)磁的調(diào)節(jié)裝置的出現(xiàn),使這一問(wèn)題得到了圓滿的解決。 只有勵(lì)磁電壓上升快速并且頂值電壓高的勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)于改善暫態(tài)穩(wěn)定才有較顯著的作用,快速?gòu)?qiáng)勵(lì)可減少加速面積,增加減速面積,提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。由于提高勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)受到勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)制造成本的制約以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)較大使勵(lì)磁電流上升速度受到限制等原因,使得靠勵(lì)磁控制來(lái)提高暫穩(wěn)極限的幅度不可能像提高靜穩(wěn)極限那么顯著,但其提高暫穩(wěn)極限的效益還是明顯的。良好的勵(lì)磁控制在增加人工阻尼,消除第二擺或多擺失步方面的作用則更為重要。 1.2.4改善電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是研究電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后,恢復(fù)原始平衡點(diǎn)(瞬時(shí)擾動(dòng))或過(guò)度到新的平衡點(diǎn)(大擾動(dòng)后)的過(guò)程穩(wěn)定性。研究的前提是:1.原始平衡點(diǎn)(或新的平衡點(diǎn))是靜態(tài)穩(wěn)定的;2.大擾動(dòng)的過(guò)程是暫態(tài)穩(wěn)定的。 電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題,可以理解為電力系統(tǒng)機(jī)電震蕩的阻尼問(wèn)題。當(dāng)阻尼為正時(shí),動(dòng)態(tài)是穩(wěn)定的;阻尼為負(fù)時(shí),動(dòng)態(tài)是不穩(wěn)定的;阻尼為零時(shí),是臨界狀態(tài)。零阻尼或很小的正阻尼,都是電力系統(tǒng)運(yùn)行中的不安全因素,應(yīng)采取措施提高系統(tǒng)的阻尼特性,即動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。研究表明,按電壓偏差調(diào)節(jié)的比例式快速勵(lì)磁系統(tǒng),會(huì)造成電力系統(tǒng)機(jī)電震蕩阻尼變?nèi)?。在一定的?lì)磁方式和勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)下,快速勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)作用,在維持發(fā)電機(jī)電壓恒定的同時(shí),將產(chǎn)生負(fù)的阻尼作用,當(dāng)系統(tǒng)總阻尼較小時(shí),就容易導(dǎo)致低頻振蕩的發(fā)生。目前解決這一問(wèn)題的方法,是在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上附加一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié),稱為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。此外,采用現(xiàn)代控制理論的勵(lì)磁控制器,如線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器、自適應(yīng)勵(lì)磁控制器和非線性勵(lì)磁控制器等勵(lì)磁系統(tǒng),也能有效的抑制各種頻率的低頻震蕩。 當(dāng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生突變、線路結(jié)構(gòu)參數(shù)改變,以及電力系統(tǒng)遭受突然短路等故障時(shí),電力系統(tǒng)能否繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,稱為電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,這也是同步發(fā)電機(jī)的重要性能之一。增加勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)能力,降低勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù),是提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的有效措施。1.2.5在并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)間合理分配無(wú)功功率 多臺(tái)發(fā)電機(jī)在母線上并列運(yùn)行時(shí),他們輸出的有功決定于輸入的機(jī)械功率,而發(fā)電機(jī)輸出的無(wú)功則和勵(lì)磁電流有關(guān),控制并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)之間無(wú)功分配是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能。各并聯(lián)發(fā)電機(jī)間承擔(dān)的無(wú)功功率的大小取決于各發(fā)電機(jī)的調(diào)差特性,即發(fā)電機(jī)端電壓和無(wú)功電流的關(guān)系。 當(dāng)母線電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí),發(fā)電機(jī)無(wú)功電流的增量與電壓偏差成正比,與調(diào)差系數(shù)成反比。通常我們希望發(fā)電機(jī)間的無(wú)功電流應(yīng)當(dāng)按照機(jī)組容量的大小成比例的進(jìn)行分配,即大容量機(jī)組擔(dān)負(fù)的無(wú)功增量應(yīng)大些,小容量機(jī)組擔(dān)負(fù)的無(wú)功增量相應(yīng)小寫(xiě),這樣就可使得各機(jī)組無(wú)功增量的標(biāo)幺值相等。由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可對(duì)調(diào)差系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),所以就可以達(dá)到機(jī)組間無(wú)功負(fù)荷合理分配的目的。1.3自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的組成及功能1.3.1基本工作電路 基本工作電路是可控勵(lì)磁裝置向發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流并完成自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)必不可少的單元電路,它包括如下工作電路:電源變換與無(wú)功調(diào)差:將發(fā)電機(jī)輸出電壓變換成自動(dòng)檢測(cè)所需的電壓信號(hào),并復(fù)合無(wú)功電流的變化量,輸出一個(gè)既可反映電壓差變化又能反映無(wú)功電流變化量的信號(hào)源。自動(dòng)檢測(cè)比較:對(duì)電源變換與無(wú)功調(diào)差電路輸出的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),將發(fā)電機(jī)端電壓的偏移和功率因數(shù)的變化量與給定值進(jìn)行比較,輸出一個(gè)直流電壓偏差信號(hào),經(jīng)過(guò)放大后去控制可控硅的導(dǎo)通角。電壓偏差和無(wú)功電流變量綜合放大:由于自動(dòng)檢測(cè)比較電路的輸出信號(hào)比較微弱,為了滿足勵(lì)磁系統(tǒng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的自動(dòng)調(diào)節(jié)精度,故必須加以放大。此外,由于除了自動(dòng)檢測(cè)的偏差信號(hào)之外,還有其他輔助控制信號(hào)(如過(guò)勵(lì)限制、欠勵(lì)限制等)的綜合作用,共同作用于移相觸發(fā)電路。移相觸發(fā)電路:將綜合并放大的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于各相可控硅的移相觸發(fā)脈沖。勵(lì)磁功率輸出電路:一般由勵(lì)磁電源和可控變流器件組成,可控變流器件由移相觸發(fā)脈沖進(jìn)行控制。改變移相觸發(fā)脈沖的相位即可改變功率輸出單元的輸出電壓,以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的目的。1.3.2輔助工作電路 輔助工作電路是為了使發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行而設(shè)置的各種保護(hù)電路和便于運(yùn)行操作的附加裝置。主要有: 1.起勵(lì)電路:啟動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí),當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的剩磁無(wú)法建立電壓時(shí),要利用起勵(lì)電路供給發(fā)電機(jī)初始勵(lì)磁電流。 2.手動(dòng)、自動(dòng)控制方式切換電路:在發(fā)電機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn),線路遞升加壓和繼電保護(hù)試驗(yàn)時(shí),必須由手動(dòng)方式調(diào)節(jié)勵(lì)磁。此外,手動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電路還可作為自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電路故障時(shí)的備用。 3.欠勵(lì)限制電路:為了防止勵(lì)磁電流過(guò)分降低時(shí),發(fā)電機(jī)定子電流和電壓關(guān)系由滯后的功率因數(shù)角變?yōu)槌暗墓β室驍?shù)角,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)生進(jìn)相運(yùn)行,使機(jī)組失去穩(wěn)定或危及機(jī)組的安全運(yùn)行,故設(shè)置欠勵(lì)限制電路。 4.過(guò)勵(lì)限制電路:當(dāng)系統(tǒng)電壓劇降時(shí),自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì),為了保證發(fā)電機(jī)和可控整流橋的安全,故設(shè)置過(guò)勵(lì)限制電路將轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流限制在安全范圍內(nèi)。 5.低壓觸發(fā)電路:在自并勵(lì)型可控硅靜止勵(lì)磁系統(tǒng)中,當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓過(guò)度降低時(shí),會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁變壓器副邊電壓過(guò)低,使勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)法工作。這時(shí)裝設(shè)低電壓觸發(fā)電路可使可控硅元件在瞬間完全導(dǎo)通,迅速提升勵(lì)磁電流。1.4同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式研究現(xiàn)狀 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性起著重要的作用,隨著快速勵(lì)磁系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,勵(lì)磁控制對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響效果越來(lái)越明顯,科技工作者對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期而廣泛的研究,取得了許多顯著的成果。研究主要集中在兩個(gè)方面:一是勵(lì)磁方式的改進(jìn),二是勵(lì)磁控制方式的改進(jìn)。這兩方面是相互聯(lián)系的。隨著控制理論的不斷發(fā)展,勵(lì)磁控制方式主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段,即單變量控制階段、線性多變量控制階段和非線性多變量控制階段。1.4.1基于單變量控制方式 單變量控制階段的控制規(guī)律是按發(fā)電機(jī)端電壓偏差Vt的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)或Vt的比例一積分一微分進(jìn)行調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)方式。運(yùn)用古典控制理論建立按Vt的比例進(jìn)行的勵(lì)磁調(diào)節(jié)是由于無(wú)法對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)模型描述而采取的一種簡(jiǎn)單實(shí)用的控制方法,但對(duì)增益K的調(diào)整卻出現(xiàn)了矛盾。要使閉環(huán)系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng),必須將增益K的值限制在一定范圍,而要提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度就得使增益K大于某一值,有時(shí)這二者是無(wú)法滿足的。隨之,就誕生了PID調(diào)節(jié)方式,它在一定程度上緩和了對(duì)單反饋量的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng),按系統(tǒng)穩(wěn)定性與按穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度對(duì)調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)要求之間的矛盾,它就相當(dāng)于一臺(tái)可自動(dòng)改變?cè)鲆娴谋壤秸{(diào)節(jié)器。1.4.2基于現(xiàn)代控制理論的多變量控制方式 為了進(jìn)一步改善與提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)與小干擾穩(wěn)定性,多變量反饋的勵(lì)磁控制方式便逐步發(fā)展起來(lái)。具有代表性的方法就是增加了PSS環(huán)節(jié)的PID勵(lì)磁控制和LOEC線性最優(yōu)勵(lì)磁控制。所謂PSS的控制方式,實(shí)際上是采用雙狀態(tài)變量的反饋控制方式,就是在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中除了用狀態(tài)量Vt作為反饋量外再引入一附加鎮(zhèn)定參量。為了得到盡可能好的控制效果,所引的鎮(zhèn)定參量不是直接進(jìn)行反饋于另一反饋量Vt相加,而是經(jīng)過(guò)一定的校正環(huán)節(jié)后再與反饋量Vt相加,目前所采用的附加鎮(zhèn)定參量種類(lèi)有轉(zhuǎn)速w,發(fā)電機(jī)端電壓的頻率f,發(fā)電機(jī)電磁功率pe。PSS環(huán)節(jié)的存在,在其參數(shù)設(shè)計(jì)和選取得比較合適的條件下,可使原有的PID控制系統(tǒng)主導(dǎo)特征值左移,起到改善電力系統(tǒng)阻尼特性和小干擾穩(wěn)定性的作用。 為了進(jìn)一步改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)品質(zhì),科學(xué)工作者提出了線性最優(yōu)勵(lì)磁控制方式,簡(jiǎn)稱LOEC。該控制方式由于考慮了電力系統(tǒng)多個(gè)控制目標(biāo)的綜合,并采用最優(yōu)化設(shè)計(jì),因而具有更好的動(dòng)態(tài)性能,在魯棒性和適應(yīng)性上也有很大的改善。彌補(bǔ)了PSS控制方式的不足之處。最優(yōu)控制理論的主要特點(diǎn)是:不是建立在傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上,而是建立在空間狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上,是基于系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法;適用于多控制量的系統(tǒng);可以根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際要求,用解析的方法得出最優(yōu)控制規(guī)律,以保證要求的性能指標(biāo)達(dá)到極值;不局限于常系數(shù)線性系統(tǒng),而亦適用于時(shí)變的線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)及離散系統(tǒng)等。描述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程是一系列非線性方程,線性最優(yōu)控制將這些非線性方程在時(shí)域內(nèi)逐點(diǎn)線性化,計(jì)算出最優(yōu)控制規(guī)律?？刂菩ЧcPSS相比,可提高發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)20%,提高暫穩(wěn)30%。其局限性之一是線性化的結(jié)果與實(shí)際的非線性方程有一定的偏離;其二是當(dāng)電力系統(tǒng)的接線方式發(fā)生變化,其描述系統(tǒng)的狀態(tài)方程將和實(shí)際的系統(tǒng)出現(xiàn)偏差而導(dǎo)致控制性能出現(xiàn)微小的下降。但這種控制規(guī)律比起PID+PSS仍然具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它是基于電力系統(tǒng)狀態(tài)變量的線性組合,這種控制方式具有以下優(yōu)點(diǎn):第一,可直接根據(jù)解析結(jié)果整定控制器的最優(yōu)參數(shù)。第二,系統(tǒng)在偏離設(shè)計(jì)的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與設(shè)計(jì)的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間相差甚微。第三,最優(yōu)勵(lì)磁控制規(guī)律是全部狀態(tài)量的最優(yōu)線性組合。這種組合能夠保證系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中各狀態(tài)量對(duì)其穩(wěn)態(tài)值的平方誤差的積分最小,故其控制效果不受振蕩頻率的影響。第四,可使系統(tǒng)獲得高的微動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限。 但是,LOEC勵(lì)磁控制方式也存在一些不足,首先由于設(shè)計(jì)是基于平衡點(diǎn)處的近似線性化模型,因而當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離所設(shè)計(jì)的平衡點(diǎn)時(shí)或在系統(tǒng)受大干擾引起的暫態(tài)過(guò)程中,不能夠保證具有很好的控制特性,即對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)變化的魯棒性得不到保證。 其次所設(shè)計(jì)的控制器和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān),對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力也無(wú)法得到保證。再次在多機(jī)系統(tǒng)線性最優(yōu)分散協(xié)調(diào)勵(lì)磁控制中,由于只能獲取有限的狀態(tài)變量,因此只能獲得相對(duì)次最優(yōu)的控制效果。最后,與AVR/PSS式勵(lì)磁控制器相比,往往缺少足夠高的電壓反饋增益。1.4.3非線性多變量勵(lì)磁控制方式 由于電力系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)非線性和結(jié)構(gòu)多變的系統(tǒng),大多數(shù)實(shí)際工程控制系統(tǒng)也都是非線性系統(tǒng),非線性系統(tǒng)的問(wèn)題最后要用非線性的控制理論來(lái)解決。隨著非線性控制理論的發(fā)展,如微分幾何法、直接反饋線性化法,李雅普諾夫函數(shù)法,變結(jié)構(gòu)控制、逆系統(tǒng)法等等,各種非線性勵(lì)磁控制方式也迅速發(fā)展起來(lái)。 a李雅普諾夫方法 李雅普諾夫LyaPunov穩(wěn)定性定理是關(guān)于運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題的一般理論和方法,提出一個(gè)多世紀(jì)以來(lái),大量學(xué)者圍繞其應(yīng)用作了系統(tǒng)的研究。該方法以李雅普諾夫第二穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ),通過(guò)構(gòu)造能反映機(jī)組運(yùn)行規(guī)律的李雅普諾夫函數(shù)并以其為最小目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。它的特點(diǎn)是直接考慮系統(tǒng)的非線性特性從而進(jìn)行控制。將李雅普諾夫函數(shù)法運(yùn)用到單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì),并取得了較為滿意的結(jié)果。另外,該方法具有原理簡(jiǎn)單易于掌握等優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)是LyaPunov函數(shù)不容易找到。且在多機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)分散控制。文獻(xiàn)將李雅普諾夫第二穩(wěn)定性理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)控制中,通過(guò)構(gòu)造反映機(jī)組運(yùn)行規(guī)律的李雅普諾夫函數(shù)并以其為最小目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些方法直接考慮系統(tǒng)的非線性特性,原理簡(jiǎn)單,易于掌握。其中推導(dǎo)了以同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、功角轉(zhuǎn)子運(yùn)行角和轉(zhuǎn)速等作為變量的非線性狀態(tài)方程,構(gòu)造出一個(gè)能反映機(jī)組運(yùn)行規(guī)律的LyaPunov函數(shù),并根據(jù)LyaPunov漸進(jìn)穩(wěn)定原理設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制規(guī)律。用大范圍線性化方法將非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng),然后利用線性系統(tǒng)的Lyapunov方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是使用這種方法有一個(gè)較大的局限就是李雅普諾夫函數(shù)不容易得到,尤其是對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型超過(guò)三階時(shí),尋找李雅普諾夫函數(shù)非常困難。 b基于微分幾何數(shù)學(xué)方法 基于微分幾何方法屬于反饋線性化方法的一種,它通過(guò)合理的坐標(biāo)變換找到非線性反饋規(guī)律,引入虛擬控制量將非線性系統(tǒng)映射為一個(gè)線性系統(tǒng),使非線性系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確線性化,線性控制理論所有的方法都可以直接加以利用,從而把非線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。 近年來(lái),許多學(xué)者將微分幾何方法引入到發(fā)電機(jī)非線性勵(lì)磁控制規(guī)律的設(shè)計(jì)中,取得了較為滿意的控制效果。該方法的缺點(diǎn)是數(shù)學(xué)過(guò)程復(fù)雜、不直觀,不易為工程技術(shù)人員所掌握。 直接反饋線性化方法是另一種使非線性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線性化的方法,與微分幾何法相比,這種方法數(shù)學(xué)過(guò)程非常簡(jiǎn)單,不需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換和數(shù)學(xué)推導(dǎo),直接便可得到線性化的結(jié)果。通過(guò)變化系統(tǒng)的狀態(tài)方程,使非線性因素和控制量集中出現(xiàn)在某一高階微分方程中,通過(guò)虛擬控制輸入量的建立,直接找到非線性補(bǔ)償規(guī)律,從而使原非線性系統(tǒng)達(dá)到線性化的目的。該方法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)單,物理概念清晰,且適用于所有非線性系統(tǒng),易于工程應(yīng)用。缺點(diǎn)是運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)的控制器與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān),因此無(wú)法保證對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化的魯棒性。用解析的方法證明直接反饋線性化方法和微分幾何法可以得到完全相同的非線性勵(lì)磁控制規(guī)律。 上述應(yīng)用于電力系統(tǒng)的微分幾何方法,直接線性化和逆系統(tǒng)方法實(shí)質(zhì)上都是一種反饋線性化的方法。它們把非線性的電力系統(tǒng)控制問(wèn)題,采用各種方法,線性化成線性系統(tǒng),再利用線性控制理論加以分析與設(shè)計(jì),克服了采用單點(diǎn)線性化模型產(chǎn)生的不足,對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的變化和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變具有較好的適應(yīng)能力。 c非線性變結(jié)構(gòu)和魯棒控制設(shè)計(jì)方法 八十年代以來(lái),變結(jié)構(gòu)控制開(kāi)始應(yīng)用于電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)中,研究表明其能有效地解決電力系統(tǒng)控制的魯棒性問(wèn)題。 但目前這些方法還存在一些問(wèn)題,如滑動(dòng)模態(tài)的到達(dá)條件比較嚴(yán)格,開(kāi)關(guān)邏輯函數(shù)的設(shè)計(jì)比較困難等。特別是變結(jié)構(gòu)控制的抖動(dòng)問(wèn)題嚴(yán)重影響了它的廣泛應(yīng)用。 魯棒勵(lì)磁控制的主要目的是通過(guò)一種設(shè)計(jì)方法來(lái)保證得到的控制器在預(yù)定的參數(shù)和結(jié)構(gòu)擾動(dòng)下仍然能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。目前,己有大量的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了以滑模變結(jié)構(gòu)控制、控制和綜合理論為代表的魯棒控制理論在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。研究表明,它們具有良好的針對(duì)參數(shù)攝動(dòng)、非線性項(xiàng)和不確定的魯棒性,有很樂(lè)觀的應(yīng)用前景。但該設(shè)計(jì)方法有其不足之處,如控制理論本身有待進(jìn)一步完善,而且在應(yīng)用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)時(shí),在模型和實(shí)現(xiàn)上還有許多實(shí)際問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。1.4.4智能控制方法 隨著智能控制理論的迅速發(fā)展,模糊邏輯勵(lì)磁控制、基于規(guī)則專(zhuān)家系統(tǒng)的勵(lì)磁控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勵(lì)磁控制、基于迭代學(xué)習(xí)算法的勵(lì)磁控制等許多先進(jìn)控制策略被廣泛地應(yīng)用到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制中。在人工智能應(yīng)用于勵(lì)磁控制時(shí),并不需要被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,其控制效果是由控制規(guī)則及其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行變化的適應(yīng)能力決定的。近年來(lái),模糊控制技術(shù)得到了越來(lái)越多的重視,模糊控制不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,魯棒性好,簡(jiǎn)單實(shí)用,可以離線形成控制表存儲(chǔ)在控制器中,可以很好地滿足勵(lì)磁控制系統(tǒng)快速反應(yīng)的要求,因而在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)上受到關(guān)注,并取得了一定的實(shí)際效果。 1.5國(guó)外研究及發(fā)展?fàn)顩r 大型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制研究長(zhǎng)期以來(lái)是一個(gè)非常活躍的領(lǐng)域,成為各種控制理論和方法的“試金石”,經(jīng)過(guò)多年的探索,在理論和實(shí)踐上,都已取得了豐碩的成果;而在目前和將來(lái),隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及其對(duì)安全穩(wěn)定性水平要求的提高,以及控制理論的推陳出新,這一領(lǐng)域的研究將繼續(xù)深入發(fā)展。作者認(rèn)為,在當(dāng)前,應(yīng)該對(duì)此進(jìn)行一些實(shí)事求是和“承上啟下”的分析和小結(jié),以明確:哪些問(wèn)題已得到了比較圓滿的解決,不需要再花精力去研究了哪些關(guān)鍵問(wèn)題還沒(méi)有得到滿意的解答,是今后研究的著力點(diǎn);哪些問(wèn)題仍然模糊不清,亟待明確;而哪些問(wèn)題乃細(xì)枝末節(jié),不必沉溺于其中等等,將是大有裨益的事。誠(chéng)然,想完成這件有益的事并非一兩個(gè)研究組發(fā)表一兩篇文章所能勝任的。需要不同學(xué)派同仁各抒己見(jiàn)、集思廣益,方能奏效。文章嘗試對(duì)大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀作一簡(jiǎn)要概括,并從工程角度對(duì)已經(jīng)比較好地解決了的問(wèn)題、尚存在的問(wèn)題以及未來(lái)大致走向發(fā)表拙見(jiàn)。“疑義相與析”,僅供廣大電力科研人員特別是長(zhǎng)期從事勵(lì)磁控制研究的學(xué)者參考。 現(xiàn)代大型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的主要目標(biāo)包括:高精度的電壓調(diào)節(jié)功能;機(jī)組無(wú)功功率分配功能;提供適當(dāng)?shù)娜斯ぷ枘岷吞岣呦到y(tǒng)穩(wěn)定性和傳輸功率的功能,其中穩(wěn)定性主要指功角穩(wěn)定性包括靜態(tài)、暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性。勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題有:1.為簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì)所需的多機(jī)系統(tǒng)降階動(dòng)態(tài)等值問(wèn)題;2.控制規(guī)律構(gòu)造問(wèn)題;3.系統(tǒng)非線性問(wèn)題?包括可微非線性和不可微強(qiáng)非線性如控制限幅的處理及機(jī)端電壓的處理問(wèn)題;4.多機(jī)或多子系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)的處理,即分散與解耦控制問(wèn)題;5.多控制目標(biāo)的協(xié)調(diào)問(wèn)題;6.勵(lì)磁控制器之間及其與別的控制手段的協(xié)調(diào)問(wèn)題;7.系統(tǒng)不確定性問(wèn)題;8.適應(yīng)性問(wèn)題,勵(lì)磁控制器對(duì)不同運(yùn)行點(diǎn)、運(yùn)行方式和擾動(dòng)模式的適應(yīng)能力和優(yōu)化程度;9.控制系統(tǒng)的特性分析,包括閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性等。 關(guān)于同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制,還有一些關(guān)鍵的問(wèn)題迄今沒(méi)有得到很好地解決,它們是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)所在。多機(jī)系統(tǒng)中的“強(qiáng)”非線性問(wèn)題,即考慮控制限幅、飽和、切換以及各種實(shí)際約束如端電壓約束條件下的控制系統(tǒng)綜合和分析問(wèn)題?，F(xiàn)有的絕大多數(shù)非線性勵(lì)磁控制所針對(duì)的只是常規(guī)非線性或稱為光滑可逆非線性問(wèn)題,而對(duì)工程實(shí)際中廣泛存在的強(qiáng)非線性“視而不見(jiàn)”,或者只是做事后的定性校驗(yàn);針對(duì)單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)提出了一種考慮輸入限幅和機(jī)組端電壓約束的分段LQ勵(lì)磁控制策略,而對(duì)于一般情況的多機(jī)電力系統(tǒng)尚需要進(jìn)行更深入的研究。將針對(duì)大型電力系統(tǒng)任意信息模式下的協(xié)調(diào)控制理論和針對(duì)小型孤立系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來(lái),解決大系統(tǒng)下考慮參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定性的魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制問(wèn)題。多目標(biāo)協(xié)調(diào)問(wèn)題。由于控制手段增多,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)和能力各異,因此有必要從整體出發(fā)。規(guī)劃不同控制手段之間的協(xié)調(diào)工作方式,以解決電力系統(tǒng)的多目標(biāo)控制問(wèn)題。動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。目前的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)大多僅停留在離線規(guī)劃水平,較少考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜?duì)協(xié)調(diào)控制策略的要求,進(jìn)一步的研究應(yīng)該考慮控制器之間的在線動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)問(wèn)題。電力工業(yè)市場(chǎng)化運(yùn)行機(jī)制對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制、包括機(jī)組勵(lì)磁控制的新要求基于GPS的多機(jī)系統(tǒng)勵(lì)磁優(yōu)化協(xié)調(diào)控制的研究 勵(lì)磁控制器是同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的重要部件。20世紀(jì)50年代以來(lái),磁放大器出現(xiàn)后,常被用用直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代初期,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,電力系統(tǒng)開(kāi)始采用由半導(dǎo)體元件組成的半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。到20世紀(jì)70年代初期,半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器已獲得廣泛應(yīng)用。 勵(lì)磁控制理論的發(fā)展與自動(dòng)控制理論本身的發(fā)展是息息相關(guān)的,控制理論總的發(fā)展趨勢(shì)是由單變量到多變量,由線性到非線性,再到智能化控制。同樣,勵(lì)磁控制方式的發(fā)展也經(jīng)歷了一條與之相應(yīng)的道路。 勵(lì)磁控制發(fā)展的第一階段可稱之為古典勵(lì)磁控制方式。在這一階段,勵(lì)磁控制首先從單機(jī)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)開(kāi)始,提出了按發(fā)電機(jī)端電壓偏差進(jìn)行比例式調(diào)節(jié)的單輸入?單輸出地勵(lì)磁控制方式,即比例調(diào)節(jié)方式。由于比例調(diào)節(jié)方式不能很好滿足大電力系統(tǒng)對(duì)抑制震蕩、提高靜態(tài)穩(wěn)定極限以及穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)精度等方面要求,于是便發(fā)展到按發(fā)電機(jī)端電壓偏差的比例?積分?微分?調(diào)節(jié)的PID(Proportional-Intergral-Differential)調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào)節(jié)方式都是基于線性傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型上的單變量設(shè)計(jì)方法。 美國(guó)學(xué)者/.ello和C.Concordia采用古典控制理論中的相位補(bǔ)償原理,于1969年提出了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輔助勵(lì)磁控制策略,從而形成了“AVR+PSS”結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁控制器。這一控制方式至今仍被廣泛使用。 隨著現(xiàn)代控制理論和實(shí)踐的發(fā)展,研究方法和工具得到了不斷的改進(jìn)。20世紀(jì)70年代,作為現(xiàn)代控制理論分枝的狀態(tài)空間法獲得了迅速發(fā)展,建立了完整的控制系統(tǒng)狀態(tài)空間描述方法以及多維空間中的算子理論。 加拿大學(xué)者余耀南先生在20世紀(jì)70年代首先提出將最優(yōu)控制理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。國(guó)內(nèi)則是清華大學(xué)盧強(qiáng)教授等首先建立和完善了線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器(Linear Optimal Excitation Controller,LOEC)的理論體系,并與天津電氣研究所共同研制出了第一臺(tái)基于線性最優(yōu)勵(lì)磁控制理論的模擬式LOEC裝置。但是應(yīng)當(dāng)指出,這種勵(lì)磁控制器是針對(duì)電力系統(tǒng)局部線性化模型來(lái)設(shè)計(jì)的,這樣設(shè)計(jì)出的勵(lì)磁控制器能保證在運(yùn)行點(diǎn)附近具有良好的控制性能,當(dāng)偏離運(yùn)行點(diǎn)時(shí),控制性能就會(huì)變差。 迄今為止,線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器已進(jìn)入實(shí)用階段,成為兼有AVR和PSS功能,可供大型發(fā)電機(jī)組優(yōu)選的勵(lì)磁控制方案之一。 我國(guó)微機(jī)勵(lì)磁控制器的研制和開(kāi)發(fā)工作開(kāi)展的較早。第一臺(tái)投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的微機(jī)勵(lì)磁控制器是電力部南京自動(dòng)化研究所研制的WLT-1型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。清華大學(xué)分別與哈爾濱電機(jī)廠和北京重型電機(jī)廠合作,研制了全數(shù)字式勵(lì)磁控制器。中國(guó)電力科學(xué)研究院與南京自動(dòng)化設(shè)備廠合作研制的微機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁控制器。華中科技大學(xué)先后與東方電機(jī)股份有限公司和葛洲壩電廠能達(dá)通用電氣有限公司合作,開(kāi)發(fā)了線性最優(yōu)和自適應(yīng)最優(yōu)微機(jī)勵(lì)磁控制器。此外,廣州電器科學(xué)研究所、長(zhǎng)江水利委員會(huì)陸管局自動(dòng)化研究所、武漢洪山電工技術(shù)研究所、河北工業(yè)大學(xué)、福州大學(xué)以及武漢華工大電力技術(shù)研究所等科研生產(chǎn)單位也在微機(jī)勵(lì)磁控制器的研究方面開(kāi)展了相關(guān)工作。 綜上所述,十幾年來(lái),我國(guó)在微機(jī)勵(lì)磁控制器的研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域取得了豐碩的成果,這些離不開(kāi)各大專(zhuān)院校,科研院所的共同努力,同時(shí)也離不開(kāi)諸如池覃、映秀灣、烏溪江、葛洲壩等電廠的創(chuàng)新精神和大力支持,各地中試所也為微機(jī)勵(lì)磁控制器的推廣應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。 國(guó)外微機(jī)勵(lì)磁控制器進(jìn)入實(shí)用也是在20世紀(jì)80年代,1989年7月日本東芝公司在日本投入了雙微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器;加拿大通用電氣公司(CGE)于1990年也開(kāi)發(fā)出微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器;瑞士ABB公司開(kāi)發(fā)了UNITROL-D型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。此外奧地利ELIN公司、德國(guó)SIEMENS公司和英國(guó)的GEC公司等也都相繼生產(chǎn)出微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。這些大公司均有很強(qiáng)的科研開(kāi)發(fā)能力。其中有很多公司如瑞士ABB、加拿大CGE、奧地利ELIN、英國(guó)GEC的產(chǎn)品在我國(guó)的大中型發(fā)電廠得到應(yīng)用。這些微機(jī)勵(lì)磁控制器大多采用PID+PSS控制,各種控制限制功能較完善,裝置整體制造水平高。 從整體上看,我國(guó)在微機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的控制算法的研究處在國(guó)際前列,所開(kāi)發(fā)的微機(jī)勵(lì)磁控制裝置的功能也非常強(qiáng)大,但裝置所選用的元器件的可靠性以及生產(chǎn)制造工藝水平與國(guó)外相比尚存在一定差距。勵(lì)磁系統(tǒng)的過(guò)勵(lì)限制2.1 過(guò)勵(lì)限制的主要特性 勵(lì)磁系統(tǒng)和有刷交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流作為過(guò)勵(lì)限制的控制量,無(wú)刷交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流作為過(guò)勵(lì)限制的控制量。 過(guò)勵(lì)反時(shí)限特性函數(shù)類(lèi)型與發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)過(guò)電流特性函數(shù)類(lèi)型一致。因勵(lì)磁機(jī)飽和難以與發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)過(guò)電流特性匹配時(shí)宜采用非函數(shù)形式的多點(diǎn)表述反時(shí)限特性。 隱極式同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電流特性表達(dá)式如下: 2-1式中:為發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流對(duì)額定磁場(chǎng)電流的比值;t為許可的過(guò)電流持續(xù)時(shí)間。 水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子僅有承受的持續(xù)時(shí)間的描述,缺少過(guò)電流特性的函數(shù)描述。 勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元?jiǎng)?lì)磁變壓器、整流橋、勵(lì)磁機(jī)等的過(guò)電流能力應(yīng)保證實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電流能力,但是某些交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的頂值電流可能小于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電流能力,當(dāng)兩者不相同時(shí)按小者確定。 按照繼電保護(hù)規(guī)定,轉(zhuǎn)子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)特性與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電流特性一致。過(guò)勵(lì)反時(shí)限特性與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)特性之間留有級(jí)差,確保在保護(hù)動(dòng)作之前限制動(dòng)作。 過(guò)勵(lì)反時(shí)限啟動(dòng)值小于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)的啟動(dòng)值,大于Ifn,一般為105%110%Ifn。啟動(dòng)值不影響反時(shí)限特性,并當(dāng)磁場(chǎng)電流大于啟動(dòng)值后進(jìn)入反時(shí)限計(jì)算。 過(guò)勵(lì)反時(shí)限限制值一般比啟動(dòng)值減少5%10%Ifn,以釋放積累的熱量,也可限制到啟動(dòng)值,再由操作人員根據(jù)過(guò)勵(lì)限制動(dòng)作信號(hào)減少磁場(chǎng)電流。限制環(huán)節(jié)可以有不大于0.3 s時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié),以減少有功功率波動(dòng)和無(wú)功功率超調(diào)。 過(guò)勵(lì)限制信號(hào)測(cè)量誤差小于0.5%,時(shí)間誤差小于0.05%,有良好的調(diào)節(jié)參數(shù),使得限制過(guò)程快速而穩(wěn)定,過(guò)勵(lì)限制特性能夠通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)。2.2限制過(guò)程 過(guò)勵(lì)反時(shí)限限制動(dòng)作轉(zhuǎn)為定磁場(chǎng)電流控制,磁場(chǎng)電流給定值即限制值瞬間給出,或者經(jīng)過(guò)一階慣性給出,有不同的響應(yīng),見(jiàn)表1。 表1.勵(lì)磁系統(tǒng) 突限方式 緩限方式回到110%的時(shí)間Is下降過(guò)程增加的熱量I%回到110%Itm的時(shí)間Is下降過(guò)程增加的熱量I(%)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)0.421.80.474.66交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)0.241.11.151.30 表1. 自并勵(lì)和交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)勵(lì)反時(shí)限限制突限和緩限方式的差別 由仿真可見(jiàn),突限方式或者小延遲的緩限方式都可以接受。緩限方式可以減少有功波動(dòng),而緩限過(guò)程增加的熱量不大。2.3級(jí)差 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)按照發(fā)電機(jī)特性設(shè)定。過(guò)勵(lì)反時(shí)限與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)之間的級(jí)差需要考慮以下原則: 1.測(cè)量偏差不至于引起保護(hù)先于限制動(dòng)作; 2.過(guò)勵(lì)反時(shí)限限制動(dòng)作、電流回到長(zhǎng)期值以下的過(guò)程中過(guò)熱的積累不導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作; 3.較小的級(jí)差,即過(guò)勵(lì)反時(shí)限限制設(shè)置較大的過(guò)熱量有利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定。 級(jí)差暫不考慮過(guò)勵(lì)保護(hù)的理由是: 1.完善的監(jiān)測(cè)可以提前發(fā)現(xiàn)和處理將導(dǎo)致過(guò)勵(lì)的故障,使得過(guò)勵(lì)限制動(dòng)作的時(shí)刻發(fā)生故障的概率大為減少; 2.不良的限制失敗的判斷和通道切換在頂值電流下需要超過(guò)1 s完成。 考慮測(cè)量偏差和限制過(guò)程熱量。如If2,保護(hù)和過(guò)勵(lì)限制電流測(cè)量各有1.5%和-1.5%的誤差,并且各有0.2%和-0.2%的時(shí)間誤差,限制過(guò)程磁場(chǎng)繞組增加的過(guò)熱量約4.77%。設(shè)定級(jí)差為2 s。限制成功時(shí)刻離保護(hù)動(dòng)作還有0.79S。 上述條件下可以選擇頂值電流下過(guò)勵(lì)限制比保護(hù)提前2 s動(dòng)作。提高電流測(cè)量準(zhǔn)確度,適當(dāng)減少限制過(guò)程時(shí)間,改進(jìn)限制失敗判斷方法,有可能將頂值電流下的級(jí)差進(jìn)一步減少。2.4以勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)電流作為過(guò)勵(lì)限制控制量的過(guò)勵(lì)限制整定1.頂值電流瞬時(shí)限制值 確定頂值電流瞬時(shí)限制值時(shí)需要考慮勵(lì)磁機(jī)的飽和。從勵(lì)磁機(jī)負(fù)載特性曲線上,由頂值電流倍數(shù)決定的發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓,獲得頂值電流瞬時(shí)限制值。2.過(guò)勵(lì)反時(shí)限限制的最大過(guò)熱量 確定過(guò)勵(lì)反時(shí)限限制的最大過(guò)熱量時(shí),可以不計(jì)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)回路時(shí)間常數(shù)。其步驟如下: 1由勵(lì)磁機(jī)負(fù)載特性得到發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓倍數(shù)與勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)電流倍數(shù)的關(guān)系。 2按照勵(lì)磁機(jī)的最大磁場(chǎng)電流、勵(lì)磁機(jī)連續(xù)運(yùn)行最大磁場(chǎng)電流和發(fā)電機(jī)頂值電流持續(xù)時(shí)間計(jì)算勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)繞組過(guò)電流引起的最大過(guò)熱量Ce: (2-2) 式中:Ief為勵(lì)磁機(jī)的最大磁場(chǎng)電流;Ief為勵(lì)磁機(jī)連續(xù)運(yùn)行最大磁場(chǎng)電流;tP為發(fā)電機(jī)的頂值電流持續(xù)時(shí)間。 3檢查勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)過(guò)電流持續(xù)時(shí)間與發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)過(guò)電流持續(xù)時(shí)間的配合情況,如不配合則調(diào)整Ce。 4按照Ce整定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)。 5按照級(jí)差2 s選取過(guò)勵(lì)限制最大過(guò)熱量。2.5無(wú)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)的處理 當(dāng)不采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷保護(hù)時(shí),過(guò)勵(lì)限制仍按照上述方法確定,即過(guò)勵(lì)限制與發(fā)電機(jī)過(guò)電流特性留有級(jí)差。2.6過(guò)熱量的釋放和再次過(guò)勵(lì)的條件 一次過(guò)電流帶來(lái)的過(guò)熱量經(jīng)電流小于額定值而得到逐步釋放,過(guò)熱量最小等于0。再次過(guò)熱的能力等于設(shè)定的最大過(guò)熱量C減去剩余的過(guò)熱量。因此,較大的過(guò)熱量設(shè)定值在連續(xù)多次電網(wǎng)故障時(shí)提供較多的支持。2.7過(guò)勵(lì)保護(hù) GB/T 7409.1?2008中的過(guò)勵(lì)保護(hù)包含調(diào)節(jié)器的頂值電流保護(hù)和過(guò)勵(lì)反時(shí)限保護(hù)2種。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)的過(guò)勵(lì)保護(hù)主要完成通道切換,保持閉環(huán)控制運(yùn)行。仿真600 MW汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)過(guò)程,120%UnUn為額定電壓延時(shí)0.2 s保護(hù)動(dòng)作的誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)間是0.54 s。在此期間有可能完成電壓互感器斷線、調(diào)節(jié)器死機(jī)、電源故障、同步故障等的判斷和通道切換。由于完善的監(jiān)測(cè)可以提前發(fā)現(xiàn)和處理過(guò)勵(lì)問(wèn)題,過(guò)勵(lì)保護(hù)實(shí)際起后備保護(hù)作用。2.7.1頂值電流保護(hù) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的頂值電流保護(hù)對(duì)于高頂值勵(lì)磁系統(tǒng)是必備功能。 實(shí)現(xiàn)運(yùn)行通道和非運(yùn)行通道同時(shí)進(jìn)行檢測(cè),以提高檢測(cè)的可靠性。當(dāng)頂值電流瞬時(shí)限制失效時(shí)發(fā)出信號(hào),切換通道,在備用通道中實(shí)現(xiàn)頂值電流限制。備用通道可以是自動(dòng)通道,也可以是獨(dú)立的手動(dòng)通道。由越過(guò)限制值的某個(gè)百分?jǐn)?shù)和延時(shí)來(lái)判斷限制是否失效,至切換的發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流應(yīng)遠(yuǎn)小于300%Ifn,附加發(fā)熱應(yīng)可以忽略。仿真無(wú)刷交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在超過(guò)頂值電流10%Ifn、延時(shí)0.15 s完成通道切換時(shí),磁場(chǎng)電流達(dá)到235%Ifn,轉(zhuǎn)子繞組附加發(fā)熱量約2.8%。對(duì)于高頂值勵(lì)磁系統(tǒng),也可以采取獨(dú)立的第2套過(guò)勵(lì)限制功能,設(shè)置相同的特性和參數(shù)。高頂值勵(lì)磁系統(tǒng)具有勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部或者外部的過(guò)電流切除調(diào)節(jié)器停機(jī)功能。2.7.2過(guò)勵(lì)反時(shí)限保護(hù) 過(guò)熱量累計(jì)超過(guò)設(shè)定值某個(gè)百分?jǐn)?shù)如10%時(shí)判斷過(guò)勵(lì)反時(shí)限限制失敗,進(jìn)行通道切換?，F(xiàn)在有的調(diào)節(jié)器采用延時(shí)2 s觀察電流是否回到110%額定值以內(nèi),因其判斷時(shí)間長(zhǎng),勢(shì)必降低過(guò)勵(lì)反時(shí)限過(guò)熱量設(shè)定值,這樣,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電流能力被削弱,對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定不利。2.7.3過(guò)勵(lì)報(bào)警信號(hào) 為了及時(shí)調(diào)整勵(lì)磁以避免跳機(jī),可以設(shè)置過(guò)勵(lì)報(bào)警,如1.2倍額定電流延時(shí)5 s報(bào)警,其相當(dāng)于轉(zhuǎn)子過(guò)負(fù)荷定時(shí)限保護(hù)功能。 可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置操作及維護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置操作說(shuō)明實(shí)驗(yàn)開(kāi)啟及關(guān)閉交流或直流電源都在控制屏上操作。1.開(kāi)啟三相交流電源的步驟 1開(kāi)啟電源前,要檢查控制屏下方“直流操作電源”的“可調(diào)電壓輸出”開(kāi)關(guān)(右下角)及“固定電壓輸出”開(kāi)關(guān)(左下角)都須在“關(guān)”的位置?？刂破磷髠?cè)安裝的自耦調(diào)壓器必須調(diào)在零位,即必須將調(diào)節(jié)手柄沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到底。 2檢查無(wú)誤后開(kāi)啟“電源總開(kāi)關(guān)”,“停止”按鈕指示燈亮,表示實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)線已接通電源,但還不能輸出電壓。此時(shí)在電源輸出端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路接線操作是安全的。 3按下“啟動(dòng)”按鈕,“啟動(dòng)”按鈕指示燈亮,只要調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器的手柄,在輸出口U、V、W處可得到0450V的線電壓輸出,并