黃均昀

（廣西方元電力股份有限公司橋鞏水電站分公司 廣西來賓 546100）

同步發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)的研究

黃均昀

（廣西方元電力股份有限公司橋鞏水電站分公司 廣西來賓 546100）

保障供電安全和可靠的前提就是同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。在諸多改善發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性的措施中，其中提高勵(lì)磁的控制性能是最經(jīng)濟(jì)有效的措施之一。自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)只采用一臺(tái)勵(lì)磁變壓器，是自勵(lì)系統(tǒng)中接線最簡(jiǎn)單，造價(jià)最低的一個(gè)系統(tǒng)。自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的作用是：由發(fā)電機(jī)電壓互感器測(cè)量出的發(fā)電機(jī)電壓與設(shè)定電壓值進(jìn)行比較，其偏差值進(jìn)入AVR的放大部分進(jìn)行運(yùn)算，再經(jīng)勵(lì)磁機(jī)功率放大單元對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路進(jìn)行調(diào)節(jié)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）用來解決電力系統(tǒng)低頻振蕩問題。

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)；同步發(fā)電機(jī)；系統(tǒng)低頻振蕩

前言

我國(guó)對(duì)自并勵(lì)的研究和推廣起始于20世紀(jì)80年代中后期，它的接線方式如圖1所示。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流經(jīng)可控整流橋U和勵(lì)磁變壓器T取自發(fā)電機(jī)端，調(diào)節(jié)器AVR通過電流電互感器TA和電壓互感器TV來監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況，當(dāng)其運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)通過改變可控硅的控制角，以此來達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的目的。

圖1 勵(lì)磁主回路設(shè)計(jì)

1 勵(lì)磁主回路設(shè)計(jì)

對(duì)于主回路的接線方式主要考慮以下幾個(gè)問題：

首先應(yīng)具備輸出額定功率并滿足短路時(shí)提供強(qiáng)勵(lì)頂值電壓的要求。滿足此條件的一般做法是：

（1）確定發(fā)電機(jī)勵(lì)磁數(shù)據(jù)規(guī)范。包括：空載勵(lì)磁電流Ifo、額定勵(lì)磁電流IfN、勵(lì)磁繞組電阻Rfo。

（2）確定勵(lì)磁裝置容量。要求：

額定直流電流IEN≥K1IfN；額定直流電壓UEN≥K2UfN；額定功率PEN≥UENIEN。其中K1、K2分別為電流裕度和電壓裕度，其值要求≥1。

（3）確定勵(lì)磁變壓器規(guī)范。包括勵(lì)磁變壓器的二次電壓，勵(lì)磁裝置額定容量。

對(duì)于半控橋整流的可近似表達(dá)為：

對(duì)于全控橋整流的則可近似表示為：

式中：UfB為額定勵(lì)磁電壓；UfD為勵(lì)磁主回路壓降；α0為最小控制限制角；△UK為勵(lì)磁變壓器的短路阻抗。

勵(lì)磁裝置容量的額定功率為：

（4）晶閘管整流器規(guī)范的確定。

式中：KHU為并聯(lián)元件不平衡系數(shù)；IfS為1個(gè)元件電流允許值；KHM為并聯(lián)裕度；KS為考慮瞬時(shí)過電壓的安全系數(shù)；UTHYP為晶閘管硅整流器反向電壓。

（5）選擇與勵(lì)磁裝置容量相應(yīng)的斷路器。要求斷路器的額定電壓與額定電流分別大于等于UEN、IEN。

其次是勵(lì)磁變壓器的接線，通常是接在同步發(fā)電機(jī)的出口處。這種接法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因此，勵(lì)磁電源具有較高的可靠性。除此之外，還可以將勵(lì)磁接到廠用電的母線上，但不適用于同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要可靠供電或干擾比較小的情況。應(yīng)設(shè)定直流蓄電池組作為起勵(lì)電源，為發(fā)電機(jī)組提供初始勵(lì)磁，使其逐步建立起電壓，在發(fā)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，再自動(dòng)切換到勵(lì)磁變壓器回路。在勵(lì)磁變高壓側(cè)要加裝熔斷器保護(hù)，不宜采用自動(dòng)開關(guān)，當(dāng)然此時(shí)勵(lì)磁變的高壓側(cè)必需要在發(fā)電機(jī)主保護(hù)區(qū)內(nèi)。在勵(lì)磁電流較大的情況下，勵(lì)磁變壓器二次側(cè)到整流橋饋線不宜過長(zhǎng)。勵(lì)磁變的連接組別通常采用Y，Y0，對(duì)于二次側(cè)電流大的情況采用Y，d11組別。

第三是整流裝置。即：是采用三相全控橋整流電路還是采用三相半控橋整流電路的問題。這兩者的強(qiáng)磁能力相同，但在減磁時(shí)，半控橋只能將勵(lì)磁電壓控制到零，而全控橋在逆變運(yùn)行時(shí)可產(chǎn)生負(fù)的勵(lì)磁電壓，減磁作用更強(qiáng)。對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組采用全控橋的多一些，而對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組多采用半控橋整流裝置。當(dāng)然，主接線方式的選擇將在一定程度上決定勵(lì)磁控制器在接線方式以及在參數(shù)上的改變。

2 AVR和PSS參數(shù)的設(shè)定

2.1 AVR常數(shù)的整定

下面以常用的比例—積分式AVR為例，如圖2所示。

圖2 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)框圖

勵(lì)磁系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：T1、T2分別對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)時(shí)間常數(shù)Tdo，電壓檢測(cè)器時(shí)間常數(shù)TR。KM為晶閘管增益。

當(dāng)采用PSS后，穿越頻率ωc的值需設(shè)定在10rad/s以下[1]，此時(shí)AVR增益在設(shè)定了某一確定的ωc值后即可求出與之對(duì)應(yīng)的KA。在低于ωc的低頻段，為了保證有20dB/dec的斜率，要求20log（Tiωc）=10，據(jù)此可解出積分時(shí)間常數(shù)Ti的值。

2.2 PSS常數(shù)的設(shè)定

高放大倍數(shù)快速響應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng)在一定條件下會(huì)惡化單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)的阻尼。究其原因，主要是勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)繞組的滯后特性所致。為了抑制低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，可以采用附加控制信號(hào)，通過勵(lì)磁系統(tǒng)提供的正阻尼，以補(bǔ)償原來的負(fù)阻尼，使得系統(tǒng)總的阻尼為正值，這就是已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用的PSS的作用。

由頻率特性分析方法可以得到滯后相角為[2]：

為了將滯后相角抵消掉，要保證PSS具有超前環(huán)節(jié)。一般情況下，超前環(huán)節(jié)主要為兩級(jí)，其傳遞函數(shù)為PSS設(shè)置的主要目的在于對(duì)低頻振蕩進(jìn)行抑制，PSS在同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)起到任何作用，而在發(fā)生低頻振蕩時(shí)，其才會(huì)起到一定作用，從而保障正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁控制系統(tǒng)的常規(guī)功能能夠有效發(fā)揮出來。為了防止附加信號(hào)的PSS會(huì)持續(xù)影響發(fā)電機(jī)的電壓，因此，PSS還應(yīng)加設(shè)一個(gè)隔離信號(hào)穩(wěn)態(tài)值的環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可表示為KCTS/（1+TS），它的本質(zhì)是一個(gè)微分環(huán)節(jié)，只是對(duì)變化量進(jìn)行提取而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)值的隔離。在上述式中KC表示為PSS的放大倍數(shù)，主要用來對(duì)阻尼的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，要注意的是要根據(jù)使用的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

現(xiàn)階段，PSS普遍采用的輸入信號(hào)為：發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速△ω；發(fā)電機(jī)端或發(fā)電廠母線的頻率△f；發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率△PE等。

以引入△ω為例，當(dāng)引入△ω信號(hào)后，PSS的傳遞函數(shù)可以表示為：

上述式中的值，一般會(huì)選得比較大，是為了保障在低頻振蕩的頻率下，隔離環(huán)節(jié)不會(huì)對(duì)超前的相位角造成影響。比如可選為3s。對(duì)于T1，T2的調(diào)整，可根據(jù)已給的發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁裝置及相關(guān)的線路參數(shù)來進(jìn)行。應(yīng)其中KC的系數(shù)，需在一定的調(diào)試后，才能最終確定下來。所要滿足的實(shí)驗(yàn)條件主要是在發(fā)電機(jī)滿載的狀態(tài)，從而系統(tǒng)的聯(lián)系性最強(qiáng)的情況下，對(duì)△ω為信號(hào)的PSS參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)，GEP（s）的滯后相角達(dá)到最大，根據(jù)這種情況，可對(duì)PSS的超前環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行確定。在對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)整時(shí)，KC是平穩(wěn)的從小到大增長(zhǎng)的，直至系統(tǒng)發(fā)生小幅度的搖擺現(xiàn)象，并對(duì)其進(jìn)行觀察，在觀察到擺動(dòng)時(shí)的最大KC的1/3作為KC的整定值，從而最終確定PSS的傳遞函數(shù)。

3 控制方式

常見的控制方式有PID控制、基于現(xiàn)代控制理論的線性最優(yōu)控制方式和非線性最優(yōu)勵(lì)磁控制。各種方式都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。下面以線性最優(yōu)控制方式為例，闡述控制方式要解決的問題。線性最優(yōu)控制方式的優(yōu)點(diǎn)是使控制過程的偏差最小，達(dá)到終值的預(yù)期值時(shí)間最快，終值最優(yōu)，控制能量為最小。根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不變化的特點(diǎn)，可將恒定阻的抗特性來代替負(fù)荷動(dòng)力的群動(dòng)態(tài)模型，假如在某個(gè)平衡點(diǎn)的周邊可進(jìn)行線性化處理，將問題的研究歸納為對(duì)多輸入和輸出線性系統(tǒng)最優(yōu)控制問題的研究，即是所謂的對(duì)現(xiàn)代控制理論數(shù)學(xué)模型的運(yùn)用：

X=AX+BU

式中：A為狀態(tài)系數(shù)矩陣；B為控制系數(shù)矩陣；X為n維狀態(tài)向量；U為r維控制向量。A矩陣直接決定了該系統(tǒng)狀態(tài)方程的主要特征值。若要對(duì)其特性進(jìn)行改變，可將狀態(tài)向量的反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用其中，反饋系統(tǒng)的狀態(tài)相量為U=V-KX，其中K為狀態(tài)反饋增益矩陣，將其代入到X=AX+BU中，可以得到X=AX+B（V-KX）=（A-BK）X+BV。在這種情況下，A-BK矩陣直接決定了閉環(huán)系統(tǒng)的特征值。

假定y（t）為系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)，ξ（t）為預(yù)期動(dòng)態(tài)響應(yīng)。最優(yōu)控制性能指標(biāo)應(yīng)使偏差值最小。以數(shù)學(xué)表達(dá)式表示的性能指標(biāo)為：

式中：J為一個(gè)隨函數(shù)y（t）而改變的泛函數(shù)。是在0為∞時(shí)間區(qū)間中求取偏差平方的定積分，因此，可稱為二次型指標(biāo)。如果將X（t）表示實(shí)際狀態(tài)相量，以KΛ表示預(yù)期的狀態(tài)相量，那么保證狀態(tài)相量達(dá)到最小偏差的二次型性能指標(biāo)為：

但在滿足最優(yōu)控制性能指標(biāo)時(shí)，難免會(huì)出現(xiàn)控制量過大而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象。因此，還要加強(qiáng)對(duì)控制相量U（t）的限制，其主要表達(dá)式為：

式中：Q表示狀態(tài)相量的權(quán)矩陣；R表示為控制相量的權(quán)矩陣。為了方便對(duì)工程相關(guān)工作的分析，將控制系統(tǒng)的平衡點(diǎn)置于狀態(tài)空間的原點(diǎn)上。在這種條件下預(yù)期的狀態(tài)相量即為原點(diǎn)，即。此時(shí)，上式可以寫為：

如果按上式所示的二次型性能指標(biāo)設(shè)計(jì)此最優(yōu)控制系統(tǒng)，可以證明這個(gè)最佳控制規(guī)律是存在的，而且是唯一的。其表達(dá)式為：

式中：P為n×n維對(duì)稱常矩陣，是Riccati代數(shù)矩陣的正定解。

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路由功率晶閘管供電時(shí)，通常采用三階狀態(tài)方程。對(duì)于三階狀態(tài)方程，通常取X=[△P、△ω、△T]T給出二次型性能指標(biāo)，解最優(yōu)化問題，可得出反饋增益矩陣為K=[Kp、Kω、KU]T則控制增量：

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器運(yùn)行時(shí)，首先計(jì)算出偏差量ΔP、Δω、ΔU，再根據(jù)當(dāng)時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)（P、Q），找出相應(yīng)的Kp、Kω、KU，進(jìn)而得出U。輸出Y=U0+U，因?yàn)閁為增量，須加基準(zhǔn)值U0才能得到全量輸出。對(duì)于U0的計(jì)算，簡(jiǎn)單的方法是取U0（k）為前N次的算術(shù)平均值，遞推公式為：

4 結(jié)束語(yǔ)

上述的三個(gè)方面是在采用AVR-PSS方式下，進(jìn)行同步發(fā)電機(jī)的自并勵(lì)勵(lì)磁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的主要問題。其它的一些非主要問題，如初始勵(lì)磁、逆變滅磁、失磁、軸電壓、接地、保護(hù)等在實(shí)際設(shè)計(jì)中也是應(yīng)當(dāng)予以考慮的。另外，勵(lì)磁和勵(lì)磁控制系統(tǒng)技術(shù)是一個(gè)不斷發(fā)展，不斷完善的過程，不斷有新的控制方式和技術(shù)付諸應(yīng)用，如新型電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器PSVR，日本富士公司開發(fā)的線性多變量綜合控制器TAGEC，清華大學(xué)研制的非線性多變量控制器等。

[1]李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[2]劉忠源.同步發(fā)電機(jī)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)[M].北京：水利水電出版社，1992.

[3]朱振青.勵(lì)磁控制與電力系統(tǒng)穩(wěn)定[M].北京：水利水電出版社，1994.

[4]羅士萍.微機(jī)保護(hù)實(shí)現(xiàn)原理及裝置[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[5]劉豹.現(xiàn)代控制理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[6]胡壽松.自動(dòng)控制原理（第四版）[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

TM341

A

1004-7344（2016）15-0108-02

2016-5-4

黃均昀（1987-），男，侗族，廣西南寧人，助理工程師，本科，主要從事電力設(shè)備自動(dòng)化工作。