吳濤，梁浩，謝歡，史揚(yáng)，趙焱，張廣韜

（國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京市 西城區(qū)100045）

0 引言

勵磁系統(tǒng)起源于同步發(fā)電機(jī)組勵磁控制。同步發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)由勵磁功率部分、勵磁控制部分、發(fā)電機(jī)電壓測量和無功電流補(bǔ)償部分等組成。勵磁系統(tǒng)控制部分的核心是自動勵磁調(diào)節(jié)器，也稱為自動電壓調(diào)節(jié)器(automatic voltage regulator，AVR)，包括機(jī)端電壓控制及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer，PSS)、多個輔助控制或限制器，如過激磁限制器、過勵限制器、瞬時轉(zhuǎn)子電流限制器、定子電流限制器和低勵限制器等。

勵磁系統(tǒng)控制的目標(biāo)是在設(shè)備允許運(yùn)行范圍內(nèi)維持機(jī)端電壓恒定不變。就機(jī)組側(cè)而言，主要任務(wù)是維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓在額定值附近，提供并調(diào)節(jié)無功功率，保障發(fā)電機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；就電網(wǎng)側(cè)而言，它還承擔(dān)著支撐電網(wǎng)電壓，提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定、抑制功率振蕩以及改善暫態(tài)穩(wěn)定性等任務(wù)[1-3]。近年來隨著以風(fēng)電、光伏為代表的新型能源的出現(xiàn)，其無功電壓控制也納入了勵磁系統(tǒng)控制的研究范疇。

本文通過闡述勵磁系統(tǒng)控制的發(fā)展歷史、技術(shù)挑戰(zhàn)、關(guān)鍵技術(shù)與未來展望等，探討提升“雙高”電力系統(tǒng)“源網(wǎng)協(xié)調(diào)”水平的技術(shù)途徑，可為我國相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展提供參考。

1 發(fā)展歷史

1.1 早期模擬式勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展

早期的勵磁調(diào)節(jié)器為振動型和變阻器型，二者都具有機(jī)械部件，稱為機(jī)電型調(diào)節(jié)器，主要功能是維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為給定值，主要有按擾動量調(diào)節(jié)和按偏差量調(diào)節(jié)2種方式。機(jī)電型調(diào)節(jié)器不能連續(xù)調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度緩慢并有死區(qū)。20世紀(jì)50年代以來，磁放大器出現(xiàn)以后，電力系統(tǒng)廣泛采用磁放大器和電磁元件組成的電磁型調(diào)節(jié)器。磁放大器具有時滯，調(diào)節(jié)的時間常數(shù)較大，調(diào)節(jié)速度較慢，但其可靠性高，通常用于直流勵磁機(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)開始采用由半導(dǎo)體元件組成的半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器。半導(dǎo)體元件幾乎沒有時滯，功率放大倍數(shù)也較高，半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速度較快。20世紀(jì)70年代初期，半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器已獲得廣泛應(yīng)用，通常用于交流勵磁機(jī)系統(tǒng)[2-3]。

1.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器與數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的普及

隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，大區(qū)之間聯(lián)網(wǎng)，以及采用高增益的勵磁調(diào)節(jié)器來改善發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得低頻振蕩的現(xiàn)象時有出現(xiàn)，威脅系統(tǒng)的正常運(yùn)行。20世紀(jì) 60年代誕生了勵磁系統(tǒng)控制技術(shù)的第1個里程碑成果——電力系統(tǒng)穩(wěn)定器[4-7]，它可以用瓦級的功率控制調(diào)整發(fā)電機(jī)兆瓦級的功率，為系統(tǒng)提供附加阻尼轉(zhuǎn)矩，有效地抑制系統(tǒng)低頻振蕩。勵磁系統(tǒng)控制不僅能維持某臺發(fā)電機(jī)電壓，還能把整個電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性推向一個更高的水平。

隨著數(shù)字控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，同步發(fā)電機(jī)組采用數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器已成為發(fā)展趨勢。與機(jī)電式、電磁式、晶體管半導(dǎo)體式等模擬式勵磁調(diào)節(jié)器相比，數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）由于計(jì)算機(jī)具有計(jì)算和邏輯判斷功能，可以實(shí)現(xiàn)如電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、多輸入多變量的線性最優(yōu)等復(fù)雜控制策略；

2）調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、精度高，在線改變參數(shù)方便；

3）可以在勵磁控制中實(shí)現(xiàn)完備的限制及保護(hù)功能、通用而靈活的系統(tǒng)功能、簡單的操作以及智能化的維修和試驗(yàn)手段；

4）可靠性高，無故障工作時間長；

5）通信方便；

6）便于產(chǎn)品更新?lián)Q代。

20世紀(jì)70年代微機(jī)化數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器開始出現(xiàn)，20世紀(jì)80—90年代進(jìn)入工業(yè)實(shí)用階段[8]。

1.3 勵磁系統(tǒng)在源網(wǎng)協(xié)調(diào)領(lǐng)域日趨重要的作用

20世紀(jì)末在中國電力系統(tǒng)經(jīng)歷了大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的飛速發(fā)展，除華中和華東采用500 kV直流連接外，華北—東北、川渝—華中、華北—華中大區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)在聯(lián)網(wǎng)初期都采用單回 500 kV交流弱聯(lián)方式。在這些聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)施的過程中，都遇到了區(qū)域間弱阻尼或負(fù)阻尼低頻振蕩的問題。

20世紀(jì)末誕生了勵磁系統(tǒng)控制技術(shù)的第2個里程碑成果——以同步發(fā)電機(jī)、大電網(wǎng)為代表的“機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)”。中國電網(wǎng)規(guī)?；_展電力系統(tǒng)“四大參數(shù)”測試，各區(qū)域或省級電網(wǎng)公司對所屬并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、原動機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)和負(fù)荷進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測建模，電網(wǎng)調(diào)度方式計(jì)算、穩(wěn)定控制措施校核采用基于現(xiàn)場實(shí)測的模型及參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)及發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)、原動機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性，提升電網(wǎng)仿真準(zhǔn)確度，科學(xué)指導(dǎo)了電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行，與PSS參數(shù)整定及現(xiàn)場試驗(yàn)技術(shù)一起有力支撐了全國聯(lián)網(wǎng)工程[9-12]。

勵磁系統(tǒng)專業(yè)逐步受到各級電網(wǎng)調(diào)度部門的關(guān)注，從勵磁裝置基建調(diào)試、勵磁模型參數(shù)測試、發(fā)電廠安全性評價(jià)、技術(shù)監(jiān)督等方面進(jìn)行全過程技術(shù)管理。勵磁系統(tǒng)控制成為“機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)”技術(shù)的重要分支。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著以風(fēng)電、光伏為代表的新型能源的飛速發(fā)展，電源結(jié)構(gòu)由同步發(fā)電機(jī)占主體轉(zhuǎn)變?yōu)橥桨l(fā)電機(jī)與風(fēng)電、光伏新能源各占“半壁江山”，傳統(tǒng)“機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)”拓展為“源網(wǎng)協(xié)調(diào)”。一方面，各勵磁廠家也從控制原理、功能開發(fā)以及工業(yè)設(shè)計(jì)等方面不斷升級產(chǎn)品，相繼推出了多個新型勵磁調(diào)節(jié)器，顯著降低機(jī)組因勵磁系統(tǒng)控制故障造成功率振蕩以及非停或脫網(wǎng)事件發(fā)生的可能性；另一方面，風(fēng)電、光伏新能源勵磁系統(tǒng)控制對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響也逐漸變大[13-15]。

2 技術(shù)挑戰(zhàn)

2.1 勵磁控制系統(tǒng)自身的隱性缺陷需要完善

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，勵磁控制系統(tǒng)暴露出以下問題：1）國標(biāo)和行標(biāo)中僅對勵磁系統(tǒng)整體性能提出了技術(shù)要求，缺乏相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)規(guī)范；2）對勵磁調(diào)節(jié)器輔助控制環(huán)節(jié)，如過勵、低勵、過激磁等功能和特性認(rèn)知存在“死角”，缺乏勵磁調(diào)節(jié)器輔助控制全過程仿真模型；3）部分廠家勵磁調(diào)節(jié)器軟件頻繁修改，版本更迭隨意，新開發(fā)的輔助控制功能及參數(shù)整定甚至在未經(jīng)測試驗(yàn)證的情況下投入現(xiàn)場使用，為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行埋下了隱患。

1）案例1：發(fā)電機(jī)組異常功率波動。

2010年7月，某電站在分母運(yùn)行情況下首次將出力增加到3 950 MW時，電站機(jī)組發(fā)生多次有功功率波動，最大幅值達(dá)到 300 MW[16-17]，如圖1所示。

圖1 右二分廠出力異常波動的記錄曲線Fig. 1 Abnormal power fluctuation record curve of the second power plant in right bank

事故原因分析：勵磁調(diào)節(jié)器誤采用電動機(jī)勵磁控制軟件版本，PSS測量環(huán)節(jié)中默認(rèn)電抗參數(shù)設(shè)置錯誤，導(dǎo)致測量計(jì)算得到的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不正確，使得PSS未能提供預(yù)期的阻尼轉(zhuǎn)矩，在特定運(yùn)行工況下引發(fā)低頻振蕩。

2）案例2：發(fā)電機(jī)組強(qiáng)迫功率振蕩。

2011年，某核電運(yùn)行機(jī)組在相鄰機(jī)組主變空充時，發(fā)生大幅度強(qiáng)迫功率振蕩。

事故原因分析：PSS測量環(huán)節(jié)內(nèi)置參數(shù)有錯誤，導(dǎo)致在空充變壓器產(chǎn)生的和應(yīng)涌流作用下，測量計(jì)算得到的頻率結(jié)果不正確，引發(fā)勵磁調(diào)節(jié)器錯誤輸出，PSS成為擾動源并引發(fā)強(qiáng)迫振蕩。

3）案例3：勵磁調(diào)節(jié)器控制邏輯缺陷造成設(shè)備損壞。

2014年某電廠發(fā)電機(jī)端發(fā)生相間短路，90 ms故障清除，造成勵磁系統(tǒng)整流柜設(shè)備損壞。

事故原因分析：在系統(tǒng)發(fā)生故障期間，勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)CT監(jiān)視報(bào)警不正確動作，引起AVR切換，失去機(jī)端電壓恒定控制功能及相關(guān)限制功能，從而導(dǎo)致故障清除后勵磁電壓、勵磁電流分別增大至接近4倍、2.4倍額定值，持續(xù)時間400 ms，超過整流柜設(shè)備耐受能力，導(dǎo)致設(shè)備損壞。

2.2 電網(wǎng)運(yùn)行對同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)控制提出更高要求

隨著特高壓交直流電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)中運(yùn)行的各種調(diào)節(jié)、控制裝置面臨著新的挑戰(zhàn)，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大的壓力。

1）案例4：勵磁系統(tǒng)低勵限制控制參數(shù)整定值不能適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行方式。

2016年7月10日，某電廠國產(chǎn)勵磁調(diào)節(jié)器在機(jī)組進(jìn)相時，低勵限制動作引發(fā)功率持續(xù)振蕩30 min。

事故原因分析：整定低勵限制控制參數(shù)基于廠家經(jīng)驗(yàn)，不能保證在各種工況下調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，現(xiàn)場多次發(fā)生因發(fā)電機(jī)低勵限制動作而引發(fā)系統(tǒng)振蕩。

2）案例5：變電站爆炸。

2016年6月，某330 kV變電站爆炸導(dǎo)致6回330 kV出線陸續(xù)跳閘。在系統(tǒng)發(fā)生故障期間，某300 MW電廠發(fā)變組故障錄波器記錄了發(fā)電機(jī)組經(jīng)歷勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵、定子電流限制動作、輔助控制動作期間再次故障、機(jī)端電壓過低進(jìn)而失穩(wěn)、最終機(jī)組跳閘等過程。

事故原因分析：在系統(tǒng)發(fā)生故障期間，一方面發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵，多發(fā)無功試圖恢復(fù)系統(tǒng)電壓；另一方面，發(fā)電機(jī)定子電流增大，超過設(shè)備額定值，發(fā)電機(jī)定子電流限制啟動，按照預(yù)先設(shè)定的反時限策略，通過降低勵磁電流，減小發(fā)電機(jī)定子電流中的無功分量。由于故障期間系統(tǒng)已經(jīng)很脆弱，如果過度減小發(fā)電機(jī)無功，將可能引起機(jī)端電壓進(jìn)一步下降，局部失去電壓穩(wěn)定，定子電流反而持續(xù)上升，導(dǎo)致控制失效，進(jìn)而造成機(jī)組跳閘。

2.3 電力電子化電源的勵磁系統(tǒng)控制性能亟待提高

新能源尤其是風(fēng)電的大規(guī)模接入電網(wǎng)，使電力系統(tǒng)特性發(fā)生了明顯的變化，呈現(xiàn)“寬頻”特性，即振蕩頻率從傳統(tǒng)的0.1～2 Hz擴(kuò)展到幾十到幾百，甚至上千赫茲范圍。

案例 6：高比例新能源接入電網(wǎng)引發(fā)次/超同步諧振。2016年7月，某電網(wǎng)風(fēng)電、火電機(jī)組“打捆”外送電，花園電廠#1、#2、#3機(jī)組TSR軸系扭振保護(hù)動作跳閘，共損失功率128萬kW，緊急將天中直流功率由450萬kW降至300萬kW。

事故原因分析：哈密風(fēng)電匯集地區(qū)產(chǎn)生十幾到七十幾赫茲的次/超同步諧波電流，在電網(wǎng)內(nèi)傳播，經(jīng)歷4個電壓等級近300 km輸電線路，最終與并入電網(wǎng)的火電機(jī)組發(fā)生次同步諧振，導(dǎo)致3臺66萬kW火電機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)及風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

挖掘并發(fā)揮同步發(fā)電機(jī)組“涉網(wǎng)性能”潛力，是應(yīng)對未來電網(wǎng)技術(shù)挑戰(zhàn)最經(jīng)濟(jì)、有效的手段之一。隨著勵磁控制、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器相關(guān)機(jī)理研究逐漸深入、實(shí)驗(yàn)室仿真測試環(huán)境逐步完善以及現(xiàn)場測試手段不斷豐富，已經(jīng)有條件研究勵磁系統(tǒng)控制領(lǐng)域深層面的一些技術(shù)問題，如發(fā)電機(jī)與勵磁機(jī)外特性銜接問題、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器低頻段的阻尼有效性問題、勵磁調(diào)節(jié)器電壓控制環(huán)節(jié)(含電力系統(tǒng)穩(wěn)定器及調(diào)差)和輔助控制環(huán)節(jié)(含各種勵磁限制及附加控制)的配合問題、勵磁限制與相應(yīng)發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)之間的協(xié)調(diào)問題等。本文對勵磁控制裝置實(shí)驗(yàn)室檢測、現(xiàn)場試驗(yàn)測試、勵磁系統(tǒng)控制精細(xì)化仿真建模、穩(wěn)定控制、涉網(wǎng)性能提升等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了論述，力圖反映當(dāng)前勵磁系統(tǒng)控制技術(shù)最新的進(jìn)展。

3.1 實(shí)驗(yàn)室檢測技術(shù)

3.1.1 建立勵磁調(diào)節(jié)器實(shí)驗(yàn)室檢測平臺

國內(nèi)數(shù)字式自動電壓調(diào)節(jié)器裝置涉網(wǎng)性能檢測始于2005年，在實(shí)時仿真系統(tǒng)中搭建包含發(fā)電機(jī)、主變、輸電線路、負(fù)荷等元件的一次仿真系統(tǒng)，通過外接板卡與實(shí)際勵磁調(diào)節(jié)器裝置閉環(huán)連接構(gòu)成數(shù)字物理混合測試系統(tǒng)，通過在仿真系統(tǒng)中模擬機(jī)組各種運(yùn)行工況以及電網(wǎng)故障，檢驗(yàn)勵磁控制設(shè)備的涉網(wǎng)性能。

圖 2為勵磁調(diào)節(jié)器涉網(wǎng)性能檢測原理示意圖，其中AVR模型由仿真系統(tǒng)搭建，AVR裝置為勵磁調(diào)節(jié)器裝置。當(dāng)切換開關(guān) K指向AVR裝置時，可以檢測設(shè)備的涉網(wǎng)性能；指向AVR模型時，可以通過對比驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性和可信程度。

圖2 勵磁調(diào)節(jié)器涉網(wǎng)性能檢測原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of net-involved performance test principle for excitation regulator

3.1.2 開展勵磁調(diào)節(jié)器功能全面測試與評估優(yōu)化

2010年以前，重點(diǎn)檢測評估AVR電壓控制的穩(wěn)定性及PSS性能。2010年以后，逐漸開展勵磁調(diào)節(jié)器輔助控制環(huán)節(jié)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定影響的相關(guān)研究，檢測的重點(diǎn)圍繞勵磁控制系統(tǒng)輔助控制環(huán)節(jié)，經(jīng)歷了4個階段：第1階段關(guān)注有無輔助控制功能及其動作后是否穩(wěn)定；第2階段關(guān)注各輔助控制之間的動作配合；第3階段逐步完善輔助控制功能；第4階段優(yōu)化輔助控制的控制策略。

3.1.3 助力勵磁控制裝置技術(shù)升級

實(shí)驗(yàn)室檢測技術(shù)可以幫助廠家查找、分析和完善電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中勵磁控制裝置存在的缺陷，如TV斷線、輔助控制等判據(jù)或參數(shù)設(shè)置不合理的問題，控制邏輯不合理、控制策略有缺陷等程序設(shè)計(jì)不正確的問題，部分輔助控制未設(shè)計(jì)、三機(jī)勵磁方式未設(shè)計(jì)勵磁電流硬負(fù)反饋等功能設(shè)計(jì)不健全的問題，輔助控制動作后屏蔽PSS功能、低勵與過勵限制同時動作引發(fā)振蕩等主輔控制配合不完善的問題等。

3.1.4 解決生產(chǎn)實(shí)際中遇到的問題

我偷偷給陸浩宇遞紙條，他沒回復(fù)，我不甘心，我開始給陸浩宇買早餐。可是我為他買的第一份早餐，居然被早上沒吃飯的肖斌給霸占了。

實(shí)驗(yàn)室檢測技術(shù)完成了發(fā)電廠與勵磁系統(tǒng)相關(guān)的運(yùn)行仿真分析和事故場景重現(xiàn)，幫助電廠查找現(xiàn)場勵磁裝置缺陷，確認(rèn)事故原因[13-15,18]。

3.2 現(xiàn)場勵磁控制裝置試驗(yàn)測試技術(shù)

在出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)、大修試驗(yàn)等環(huán)節(jié)建立了包括勵磁控制裝置測試流程及試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)步驟以及試驗(yàn)判據(jù)等的技術(shù)體系，對現(xiàn)場裝置進(jìn)行全方位測試，有效提高了設(shè)備的可靠性和安全性。

近幾年，便攜式勵磁調(diào)節(jié)器檢測平臺也在調(diào)試現(xiàn)場得到應(yīng)用與推廣，在機(jī)組停機(jī)工況下與實(shí)際勵磁控制裝置閉環(huán)連接，基于平臺搭建的仿真測試系統(tǒng)模擬各種現(xiàn)場不易出現(xiàn)的復(fù)雜工況與電網(wǎng)事故，全面測試勵磁控制裝置性能，或者利用仿真復(fù)現(xiàn)或波形回放技術(shù)，對現(xiàn)場出現(xiàn)問題的勵磁控制裝置進(jìn)行故障分析，查找事故原因。圖3為便攜式勵磁調(diào)節(jié)器檢測平臺現(xiàn)場測試圖。

圖3 便攜式勵磁調(diào)節(jié)器檢測平臺現(xiàn)場測試圖Fig. 3 Field test chart of portable excitation regulator test platform

3.3 勵磁系統(tǒng)控制精細(xì)化仿真建模技術(shù)

以往勵磁控制系統(tǒng)仿真建模工作主要圍繞勵磁調(diào)節(jié)器電壓控制及 PSS，IEEE Std421.5-2005《IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power Stability Studies》以及國標(biāo)GB/T 7409.2—2008《同步電機(jī)勵磁系統(tǒng) 第2部分：電力系統(tǒng)研究用模型》均對不同勵磁形式、不同勵磁廠家設(shè)計(jì)方式進(jìn)行了歸納和整理，無論是國外的 PSS/E、DigSilent，還是國內(nèi) BPA 和PSASP等電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析程序，均已包含AVR電壓控制及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器典型模型庫，而且不斷擴(kuò)充完善[19-20]。

2010年以來，通過對伏赫茲限制、過勵限制、低勵限制、定子電流限制等勵磁輔助控制環(huán)節(jié)啟動、動作和返回功能進(jìn)行精細(xì)化建模，提出了適用于連鎖故障分析的勵磁調(diào)節(jié)器主輔控制環(huán)節(jié)詳細(xì)模型參數(shù)庫，幾乎涵蓋了所有主流勵磁調(diào)節(jié)器型號[21-22]。在此基礎(chǔ)上，修訂了GB∕T 7409.2—2020《同步電機(jī)勵磁系統(tǒng) 第2部分：電力系統(tǒng)研究用模型》，重點(diǎn)增加了輔助控制接入方式以及相關(guān)模型。

如圖4所示，PSS有3種介入位置，伏赫茲限制有3種介入位置，過勵限制有5種介入位置，定子電流限制有6種介入位置，低勵限制有4種介入位置。

目前，勵磁系統(tǒng)主輔控制環(huán)節(jié)控制詳細(xì)模型參數(shù)庫已能真實(shí)反映出各種工況下勵磁調(diào)節(jié)器的涉網(wǎng)特性，并成功應(yīng)用于特高壓直流輸電系統(tǒng)場景仿真分析，支撐調(diào)度仿真計(jì)算，有效提升特高壓送、受端電網(wǎng)暫態(tài)及中長期動態(tài)穩(wěn)定的仿真精度。

圖4 輔助控制環(huán)節(jié)介入勵磁調(diào)節(jié)器主控制環(huán)節(jié)方式Fig. 4 Mode of auxiliary control link connecting to main control loop of excitation regulator

3.4 穩(wěn)定控制技術(shù)

PSS是最典型的附加勵磁控制，借助自動勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)校正勵磁系統(tǒng)輸入產(chǎn)生阻尼轉(zhuǎn)矩，對系統(tǒng)低頻振蕩進(jìn)行抑制，達(dá)到提高系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及動態(tài)穩(wěn)定性的目的。PSS2型模型相對成熟，現(xiàn)場應(yīng)用廣泛[23]。具有全頻段功率振蕩抑制能力的PSS4B、基于PSS2B改進(jìn)的PSS-NEW-B以及廣域PSS等也有相關(guān)研究[24-26]，目前大多還停留于實(shí)驗(yàn)階段，在已投運(yùn)機(jī)組中應(yīng)用很少。

為提高電網(wǎng)的輸送能力，在輸電線路上配置串聯(lián)電容補(bǔ)償(簡稱“串補(bǔ)”)的技術(shù)被廣泛采用，串補(bǔ)投運(yùn)后存在發(fā)生汽輪發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)間次同步諧振(sub synchronous resonance，SSR)的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系疲勞，甚至損壞。附加勵磁阻尼控制(supplementary excitation damping control，SEDC)是抑制 SSR 的措施之一，以發(fā)電機(jī)機(jī)頭或機(jī)尾轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號w為輸入，經(jīng)過 3或 4 個模態(tài)濾波器分解后，分別經(jīng)過各自比例積分微分(PID)控制回路的相位校正，最后將各個模態(tài)信號相加，經(jīng)過限幅后，與勵磁調(diào)節(jié)器輸出的控制信號進(jìn)行疊加，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電壓，提高多個次同步扭振模態(tài)的阻尼，如圖5 所示。該技術(shù)已在上都、府谷等多個電廠應(yīng)用[27-28]。

圖5 SEDC接入勵磁方式以及控制原理Fig. 5 SEDC access excitation mode and control principle

基于暫態(tài)全過程勵磁控制理論，將系統(tǒng)故障后的發(fā)電機(jī)功角暫態(tài)過程劃分為5個階段，有針對性地對每個階段采取不同的控制策略，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電壓，發(fā)揮勵磁控制提高暫態(tài)穩(wěn)定的潛力，依托該技術(shù)已研制樣機(jī)產(chǎn)品，在ADPSS的機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真平臺得到驗(yàn)證[29]。

3.5 涉網(wǎng)性能提升技術(shù)

目前國內(nèi)外主流型號勵磁調(diào)節(jié)器均配置了輔助控制功能，模型和控制策略也日趨成熟，在保護(hù)機(jī)組安全的前提下發(fā)揮了勵磁系統(tǒng)對電網(wǎng)的電壓無功支撐作用。在此基礎(chǔ)上，對過勵限制、定子電流限制、低勵限制環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，在復(fù)雜電網(wǎng)運(yùn)行工況下提升發(fā)電機(jī)組涉網(wǎng)性能及支撐電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

目前過勵限制反時限功能設(shè)計(jì)方案均依據(jù)發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子過流能力進(jìn)行整定，在系統(tǒng)發(fā)生故障時機(jī)組的強(qiáng)勵潛能未得到充分的發(fā)揮。文獻(xiàn)[30]基于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱、散熱溫升過程，準(zhǔn)確評估機(jī)組運(yùn)行能力邊界，采用勵磁電流計(jì)算轉(zhuǎn)子溫升變化量代替原來勵磁電流變化量整定反時限時間，提出了計(jì)及發(fā)電機(jī)散熱類型、初始負(fù)荷運(yùn)行工況且具備二次強(qiáng)勵功能的過勵限制優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，挖掘并發(fā)揮機(jī)組對電網(wǎng)的無功支撐能力。

目前現(xiàn)場投運(yùn)機(jī)組勵磁系統(tǒng)低勵限制控制參數(shù)幾乎均采用默認(rèn)定值且偏保守，調(diào)試人員一般只通過減磁或機(jī)端電壓下階躍試驗(yàn)對其調(diào)節(jié)效果做初步驗(yàn)證，而缺少對其穩(wěn)定裕度進(jìn)行量化評估的手段[31]。文獻(xiàn)[32]提出了包含低勵限制動作后的Heffron-Phillips擴(kuò)展模型，研發(fā)了可量化評估低勵限制動作后系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的控制參數(shù)現(xiàn)場整定試驗(yàn)方法，獲取現(xiàn)場低勵限制動作期間的閉環(huán)控制系統(tǒng)頻域特性，利用奈奎斯特判據(jù)量化評估低勵限制動作后系統(tǒng)穩(wěn)定裕度，指導(dǎo)現(xiàn)場控制參數(shù)整定與優(yōu)化，在降低低勵限制動作引發(fā)振蕩風(fēng)險(xiǎn)的同時，提高發(fā)電機(jī)快速進(jìn)相、抑制暫態(tài)系統(tǒng)過電壓的能力。

定子電流限制在發(fā)電機(jī)因有功功率超發(fā)或者機(jī)端電壓下降引起定子電流越限時，會持續(xù)減磁，減小無功輸出直至零，進(jìn)而減小定子電流，在極端工況下可能導(dǎo)致系統(tǒng)靜態(tài)電壓失穩(wěn)。文獻(xiàn)[33]基于定子電流限制動作后系統(tǒng)電壓失穩(wěn)機(jī)理，提出定子電流限制優(yōu)化控制策略，利用發(fā)電機(jī)機(jī)端功率因數(shù)角小于系統(tǒng)外功角來識別發(fā)電機(jī)定子電流允許最小值，避免過度減磁，降低在電網(wǎng)事故過程中發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

4 未來展望

4.1 電源、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變帶來的問題

隨著大規(guī)模風(fēng)電、光伏、儲能等電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，特高壓“十二交、十一直”輸電工程的陸續(xù)投運(yùn)，我國電力系統(tǒng)正向著“高比例可再生能源”和“高比例電力電子化電源及輸電設(shè)備”方向發(fā)展[34-40]。

相比以往，“雙高”電力系統(tǒng)的電源和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)均發(fā)生重大變化[41-43]。電源結(jié)構(gòu)的改變帶來以下問題：一是電源支撐電網(wǎng)穩(wěn)定的能力受到削弱，如強(qiáng)勵或進(jìn)相、一次調(diào)頻等；二是電源耐受異常運(yùn)行工況的能力下降，如高、低電壓穿越等。

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變帶來以下問題：一是故障影響范圍全局化，高壓或特高壓直流受端電網(wǎng)發(fā)生故障，導(dǎo)致直流閉鎖，送、受兩端交流電網(wǎng)將在幾十到幾百毫秒內(nèi)出現(xiàn)大幅功率過剩或缺額，引發(fā)電網(wǎng)電壓、頻率等穩(wěn)定問題；二是電力系統(tǒng)出現(xiàn) 0.1到幾百甚至上千赫茲寬頻振蕩，威脅電源并網(wǎng)安全。

未來電源將與電網(wǎng)深度融合、相輔相成，即“源網(wǎng)協(xié)調(diào)”，從電源和電網(wǎng)2個角度完善勵磁系統(tǒng)控制技術(shù)，即一方面體現(xiàn)在提升電源設(shè)備涉網(wǎng)性能及抗擾動能力，另一方面體現(xiàn)在管理協(xié)調(diào)系統(tǒng)可控資源，提升對大電網(wǎng)的駕馭能力。

4.2 提升電源設(shè)備涉網(wǎng)性能及抗擾動能力

電源既包括傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)，也包括以風(fēng)電、光伏為代表的電力電子化變頻設(shè)備，2種類型的電源發(fā)展歷史、技術(shù)特點(diǎn)及成熟度存在較大差異，需要區(qū)別對待，其發(fā)展目標(biāo)如下：

1）挖掘同步發(fā)電機(jī)潛力，在保證設(shè)備安全的前提下，提升可靠性及對大電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的支撐能力，包括完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范控制功能設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制技術(shù)等，使之成為保障電力系統(tǒng)安全的中流砥柱。

2）電力電子化變頻電源設(shè)備升級，包括風(fēng)電、光伏以及變速抽蓄機(jī)組等勵磁系統(tǒng)控制性能優(yōu)化，具備抑制0.1到幾百甚至上千赫茲寬頻振蕩的能力，建立電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算用模型，規(guī)范勵磁控制功能設(shè)計(jì)、參數(shù)整定、評價(jià)指標(biāo)以及現(xiàn)場試驗(yàn)方法，滿足電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理需求等，力圖盡快縮小與同步發(fā)電機(jī)組在涉網(wǎng)性能上的差距，實(shí)現(xiàn)從“自我保護(hù)、被動適應(yīng)”向“主動支撐”型電源的跨越，擔(dān)當(dāng)支撐電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的責(zé)任。

4.3 管理協(xié)調(diào)系統(tǒng)可控資源

電網(wǎng)處于能源生產(chǎn)和消費(fèi)的中間環(huán)節(jié)，是能源資源配置的重要平臺，其發(fā)展目標(biāo)為：

1）認(rèn)知“雙高”電力系統(tǒng)的特性，創(chuàng)新電力系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用技術(shù)，其中新能源勵磁系統(tǒng)控制實(shí)測建模是基礎(chǔ)工作。

2）基于先進(jìn)通信技術(shù)，構(gòu)建并網(wǎng)電源涉網(wǎng)安全大數(shù)據(jù)管理體系，建立電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)性能在網(wǎng)監(jiān)測及分析數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)及風(fēng)、光新能源勵磁設(shè)備狀態(tài)檢測及評估，探索人工智能控制等。

5 結(jié)論

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)控制技術(shù)對保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。經(jīng)過20余年的發(fā)展與進(jìn)步，勵磁控制裝置實(shí)驗(yàn)室涉網(wǎng)性能檢測、現(xiàn)場試驗(yàn)測試與評價(jià)、勵磁系統(tǒng)控制精細(xì)化仿真建模、附加穩(wěn)定控制、輔助控制策略優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)已日趨完善，在改善電網(wǎng)穩(wěn)定、抑制功率振蕩以及保障機(jī)組安全等方面發(fā)揮了重要作用。但隨著我國電力系統(tǒng)向著“雙高”方向發(fā)展，對勵磁系統(tǒng)控制又提出了更高的要求與挑戰(zhàn)，未來的研究熱點(diǎn)有如下3個方面：

1）無論在機(jī)理研究、仿真建模還是實(shí)驗(yàn)室檢測、現(xiàn)場試驗(yàn)，同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)技術(shù)已日趨成熟，設(shè)備的可靠性以及支撐電力系統(tǒng)的涉網(wǎng)性能均有很大的提高和改進(jìn)，并且其研究深度、廣度還在不斷拓展、細(xì)化之中。

2）借鑒同步發(fā)電機(jī)組技術(shù)成果，提升風(fēng)電、光伏電力電子化電源涉網(wǎng)性能，滿足適應(yīng)未來“雙高”電力系統(tǒng)運(yùn)行方式與抵御連鎖故障的需求，開拓新的研究方向，實(shí)現(xiàn)從“自我保護(hù)、被動適應(yīng)”向“主動支撐”型電源的跨越。

3）基于先進(jìn)通信技術(shù)，進(jìn)行電力系統(tǒng)物理、數(shù)據(jù)資源的整合，達(dá)到通過“源網(wǎng)協(xié)調(diào)”提升電力系統(tǒng)本質(zhì)安全的目的。

總之，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)展迅猛，無論是在電力電子化電源設(shè)備的技術(shù)成熟程度，還是在其規(guī)?；尤腚娋W(wǎng)對電力系統(tǒng)特性影響等方面，均有很大的提升空間。圍繞“2030碳達(dá)峰和2060碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，在我國能源轉(zhuǎn)型背景下確保電力系統(tǒng)本質(zhì)安全是電源、電網(wǎng)企業(yè)共同的責(zé)任。