雷升莉

摘 要：小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)相比于其他勵(lì)磁系統(tǒng)具有可靠性高、響應(yīng)速度快、電機(jī)安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。本文將對(duì)小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，首先分析了系統(tǒng)作用和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行仿真分析。在此基礎(chǔ)上，探討小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：小水電工程 自并勵(lì)發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM761 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）06（a）-0081-02

在綠色能源發(fā)展趨勢(shì)下，小水電資源開發(fā)受到了廣泛重視，我國小水電裝機(jī)量逐年提升，但開發(fā)率僅為60%左右，仍具有較大開發(fā)潛力。小水電開發(fā)項(xiàng)目存在無功不足、功率送出難等問題，通過采用自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)，可以更加靈活地對(duì)小水電發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，對(duì)小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要的實(shí)際意義，可以促進(jìn)小水電資源的開發(fā)和應(yīng)用。

1 小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的主要作用

小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：對(duì)發(fā)電機(jī)的端電壓進(jìn)行有效控制，使其維持在規(guī)定區(qū)域，如果出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)現(xiàn)象，則啟動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，控制節(jié)點(diǎn)電壓在允許范圍內(nèi)，重新找到平衡；對(duì)無功功率進(jìn)行合理分配，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小，改變發(fā)電機(jī)輸出無功功率，同時(shí)與其他并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組關(guān)聯(lián)起來，通過對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，達(dá)到預(yù)期控制效果，保證發(fā)電機(jī)無功功率、輸電線電壓、發(fā)電機(jī)組間無功功率的合理分布；對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行條件進(jìn)行調(diào)節(jié)和改善，比如出現(xiàn)接地或短路故障時(shí)，通過切換勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)，進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁，讓電力系統(tǒng)電壓維持在允許范圍內(nèi)。同時(shí)提高繼電保護(hù)靈敏度，快速滅磁，將勵(lì)磁電樞電流降低為零，從而減少故障損失[1]。

2 小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

從勵(lì)磁系統(tǒng)分類來看，根據(jù)電源取向可以將其分為自勵(lì)方式和他勵(lì)方式兩大類，其中自勵(lì)方式包括自并勵(lì)、自復(fù)勵(lì)方式，他勵(lì)方式包括交直流勵(lì)磁機(jī)供電方式、廠用交流電源供電方式和其他供電方式等。其中一些勵(lì)磁系統(tǒng)由于自身缺陷，已經(jīng)逐漸被淘汰。相比于其他勵(lì)磁方式，自并勵(lì)勵(lì)磁控制具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：不需要采用勵(lì)磁機(jī)和其他整流裝置，有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性；大軸長度被顯著縮短，高度也得到下降，有利于降低小水電投入成本；電機(jī)軸與軸承座間的振動(dòng)得到有效減少，從而可以有效提高電機(jī)安全系數(shù)?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，目前自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)已經(jīng)在小水電開發(fā)中得到較為廣泛的應(yīng)用，并具有良好的應(yīng)用前景[2]。

3 小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

3.1 PID參數(shù)整定

PID勵(lì)磁控制器是基于經(jīng)典控制理論的勵(lì)磁控制策略，在工業(yè)控制中占有重要地位。小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程，傳統(tǒng)控制器采取PI控制方式，但逐漸無法滿足勵(lì)磁系統(tǒng)控制需要，PID控制逐漸成為其必然趨勢(shì)。在PID控制基礎(chǔ)上，通過加入電力穩(wěn)定器（PSS），抑制電磁振蕩，可以進(jìn)一步提高勵(lì)磁控制可靠性。在系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模過程中，首先要進(jìn)行PID參數(shù)整定，具體可采取3種方法，即試湊法、臨界比例度法或階躍反應(yīng)法。其中階躍反應(yīng)法通過采用模擬控制器確定PID控制參數(shù)，記錄參數(shù)響應(yīng)過程，求出等效滯后時(shí)間、等效時(shí)間常數(shù)及兩者比值。

3.2 PID仿真模型

PID控制方法是比例、積分和微分的幾何，可以在輸入基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)輸出幅值和輸出相位，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。在PID仿真模型分析過程中，首先要建立幾個(gè)基本模型：（1）比例控制，傳遞函數(shù)為GC（s）=KP；（2）比例積分控制，傳遞函數(shù)為GC（s）=KI/S；（3）比例微分控制，傳遞函數(shù)為GC（s）=KP+KPτs。進(jìn)而得出PID控制模型，其傳遞函數(shù)為GC（s）=KP+KI/S+KPτs。在此基礎(chǔ)上，再用整定法等，確定具體參數(shù)。

3.3 AVR+PSS勵(lì)磁控制器

針對(duì)PID控制方式無法克服低頻振蕩的問題，目前電力穩(wěn)定器（PSS）已經(jīng)在勵(lì)磁控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，以AVR為基礎(chǔ)，構(gòu)建AVR+PSS勵(lì)磁控制器。其中，AVR勵(lì)磁控制采用PID控制方式，PSS負(fù)責(zé)消除低頻振蕩，從而可以改善勵(lì)磁系統(tǒng)控制性能。在對(duì)AVR+PSS勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析時(shí)，首先要確定PSS傳遞函數(shù)。勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)繞組具有相位滯后特性，設(shè)其滯后相位角為φ，設(shè)低頻振蕩頻率為ω。勵(lì)磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)G（s）=KA/（1+TAs），其中KA為時(shí)間增益，TA為慣性時(shí)間常數(shù)。為消除滯后相位角φ，需要為PSS設(shè)計(jì)超前環(huán)節(jié)，一般采取兩級(jí)設(shè)計(jì)方式，傳遞函數(shù)為G（s）=[（1+T1s）/ （1+T2s）]×[（1+T3s）/（1+T4s）]。PSS的主要作用是克服系統(tǒng)低頻振蕩，通過超前環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)其功能。此外，為避免附加信號(hào)影響發(fā)電機(jī)電壓，需要增加一個(gè)傳遞函數(shù)G（s）=KCTS（1+TS）隔離信號(hào)穩(wěn)態(tài)值。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建PSS模塊，建立AVR+PSS控制勵(lì)磁系統(tǒng)。

4 小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要由勵(lì)磁變壓器、功率元件、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和測(cè)量元件等構(gòu)成，接在發(fā)電機(jī)端的勵(lì)磁變壓器作為勵(lì)磁電源，經(jīng)過功率元件整流為直流電供給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)PT、CT等測(cè)量元件采樣的電壓電流量，通過控制器運(yùn)算輸出，來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓或無功功率的目的。

實(shí)際應(yīng)用中，在上述數(shù)學(xué)建?；A(chǔ)上，分別在PID控制、AVR+PSS控制和線性二次型最優(yōu)控制3種控制方式下，構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁功率在具體擾動(dòng)條件下的波動(dòng)情況。

主要分兩種情況進(jìn)行研究，一種情況是靜態(tài)擾動(dòng)仿真分析，勵(lì)磁控制系統(tǒng)機(jī)端在6s時(shí)施加20%擾動(dòng)，確定3種控制方式在小擾動(dòng)下的系統(tǒng)電功率階躍相應(yīng)。從實(shí)現(xiàn)結(jié)果來看，3種控制方式都能調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到另一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，但從持續(xù)波動(dòng)時(shí)間和波動(dòng)幅度方面來看，線性二次型最優(yōu)控制更具優(yōu)勢(shì)。采用該控制方式，可以有效減小波動(dòng)幅度，縮短持續(xù)波動(dòng)時(shí)間，使系統(tǒng)對(duì)小擾動(dòng)具有更強(qiáng)適應(yīng)性。另一種情況是在暫態(tài)大擾動(dòng)下進(jìn)行分析，在機(jī)端15s時(shí)施加90%擾動(dòng)。從分析結(jié)果來看，3種控制方式都能調(diào)節(jié)系統(tǒng)回歸擾動(dòng)前的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，其中線性二次型最優(yōu)控制用時(shí)最短、AVR+PSS控制次之，PID控制用時(shí)最長。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，線性二次型最優(yōu)控制自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制效果最佳。

5 結(jié)語

綜上所述，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)具有更好的勵(lì)磁控制能力，可以在小水電開發(fā)中應(yīng)用，提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。通過對(duì)三種自并勵(lì)勵(lì)磁控制方式進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出線性二次型最優(yōu)控制效果更好。在小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)構(gòu)建過程中，應(yīng)積極采用先進(jìn)的控制方法提高系統(tǒng)控制能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧昭俊.小水電自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)研究[D].湖南工業(yè)大學(xué)，2016.

[2] 鄧昭俊，雷敏，曾進(jìn)輝，等.基于線性二次型最優(yōu)控制的小水電自并勵(lì)勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化，2016，6（2）：13-20，26.