徐晶

（成都市興蓉環(huán)保發(fā)電有限公司二分公司，四川成都 610000）

0.引言

本文以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)優(yōu)化控制為主題開(kāi)展討論，首先簡(jiǎn)要敘述發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)種類和功能，然后指出發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)存在問(wèn)題，最后從PSS參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化、增加PLC控制優(yōu)化連鎖控制邏輯、滑模變結(jié)構(gòu)勵(lì)磁控制方式、螺旋變結(jié)構(gòu)控制四方面提出優(yōu)化策略。

1.發(fā)電機(jī)系統(tǒng)勵(lì)磁相關(guān)概述

勵(lì)磁單元向發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，調(diào)節(jié)器按照輸入信號(hào)、既定調(diào)節(jié)準(zhǔn)則對(duì)勵(lì)磁單元輸出進(jìn)行控制。勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器主要作用是提升并聯(lián)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。特別是現(xiàn)階段電力系統(tǒng)迅速發(fā)展造成機(jī)組的穩(wěn)定極限逐漸降低，但同時(shí)也推動(dòng)勵(lì)磁技術(shù)發(fā)展進(jìn)步。勵(lì)磁系統(tǒng)主要包括調(diào)節(jié)器、功率單元。勵(lì)磁單元指的是向發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組提供直流勵(lì)磁電流部分。

1.1 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)勵(lì)磁方式

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)勵(lì)磁方式包括靜止勵(lì)磁、交流勵(lì)磁、諧波勵(lì)磁、直流勵(lì)磁等系統(tǒng)。直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)具備專用直流發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)是直流勵(lì)磁設(shè)備，勵(lì)磁機(jī)通常和發(fā)電機(jī)保持同軸，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組借助固定電刷、滑環(huán)獲取直流電流。該勵(lì)磁方式有工作可靠、勵(lì)磁獨(dú)立、降低電耗等優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展技術(shù)逐漸成熟，但是維護(hù)量大、調(diào)節(jié)速度比較慢，應(yīng)用于10MW以上機(jī)組較少。交流勵(lì)磁多用于大容量的發(fā)電機(jī)。交流勵(lì)磁裝置安裝于發(fā)電機(jī)的大軸上，其輸出交流電流通過(guò)整流傳輸至轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，期間發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式為其他勵(lì)磁方式，屬于靜止整流裝置，也被稱作他勵(lì)靜止勵(lì)磁。副勵(lì)磁裝置能夠是永磁機(jī)、具備自勵(lì)恒壓的發(fā)電機(jī)裝置。為提升調(diào)節(jié)速度，該勵(lì)磁方式一般應(yīng)用100Hz～200Hz中頻發(fā)電機(jī)，副勵(lì)磁裝置用400Hz～500Hz中頻發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)直流勵(lì)磁繞組與三相交流繞組均繞于定子槽中，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為齒、槽形式，沒(méi)有繞組，如同齒輪，沒(méi)有滑環(huán)、電刷等接觸部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、工藝方便，但是運(yùn)行時(shí)噪音比較大，諧波分量較大。

1.2 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)勵(lì)磁作用

發(fā)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要作用是通過(guò)改變可控硅的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)機(jī)端電壓，能夠借助間接、直接方式設(shè)置可控硅。應(yīng)用中，反應(yīng)速度極快，保護(hù)功能完善，抗干擾性能強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)便，可靠性高。勵(lì)磁系統(tǒng)能夠通過(guò)手動(dòng)方式或者自動(dòng)方式調(diào)整勵(lì)磁功能，所以，操作較為簡(jiǎn)便，可降低相關(guān)人員維護(hù)工作強(qiáng)度，具有智能化的特點(diǎn)。綜上，勵(lì)磁系統(tǒng)的主要作用表現(xiàn)在以下五方面：第一，按照發(fā)電機(jī)的負(fù)荷變化對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證機(jī)端電壓始終處于給定值。第二，對(duì)并列運(yùn)行系統(tǒng)中的各個(gè)發(fā)電機(jī)無(wú)功功率控制分配。第三，提升發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜態(tài)與暫態(tài)的穩(wěn)定性。第四，當(dāng)發(fā)電機(jī)的內(nèi)部存在故障問(wèn)題時(shí)，執(zhí)行滅磁，最大程度降低故障事故程度。第五，按照運(yùn)行實(shí)際需求對(duì)發(fā)電機(jī)的最大/最小勵(lì)磁進(jìn)行限制。

2.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)存在問(wèn)題

現(xiàn)階段，在工程中所應(yīng)用勵(lì)磁系統(tǒng)主要存在兩方面問(wèn)題。首先，PSS線性控制方式，相關(guān)理論完善、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，PSS已經(jīng)發(fā)展至PSS4B，能夠在低頻段對(duì)系統(tǒng)的功率振蕩加以有效抑制，發(fā)展中PSS所需整定參數(shù)隨之增加。在對(duì)PSS參數(shù)進(jìn)行實(shí)際設(shè)定之前需獲取系統(tǒng)未補(bǔ)償特性，借助波形記錄儀、信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，人工方式對(duì)未補(bǔ)償特征加以分析。PSS參數(shù)設(shè)定多通過(guò)工程師工作經(jīng)驗(yàn)通過(guò)逐次逼近方式設(shè)定，該方式過(guò)程繁瑣，并且無(wú)法確保系統(tǒng)控制達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率[1]。另外，PSS控制方式為線性控制，勵(lì)磁系統(tǒng)為典型非線性的系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作點(diǎn)周圍呈現(xiàn)為線性化，當(dāng)系統(tǒng)所受擾動(dòng)比較小時(shí)，將保持線性化特性，具有良好的控制效果。而存在較大擾動(dòng)將造成實(shí)際狀態(tài)和工作點(diǎn)存在較大偏離，打破線性模型，控制器無(wú)法有效工作。

3.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)優(yōu)化控制

3.1 PSS參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

在開(kāi)展PSS參數(shù)整定工作前應(yīng)當(dāng)確保調(diào)節(jié)器性能滿足相關(guān)要求，按照系統(tǒng)的振蕩模式挑選PSS模型，以免出現(xiàn)反調(diào)情況，倘若無(wú)法確定系統(tǒng)的振蕩模式，則可選用PSS2型，見(jiàn)圖1。第一，對(duì)部分的PSS參數(shù)進(jìn)行整定，明確輸出信號(hào)、輸入信號(hào)，輸出限幅±0.05pu～±0.01pu，并對(duì)隔直環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。第二，明確系統(tǒng)的未補(bǔ)償特性。可通過(guò)計(jì)算、實(shí)測(cè)方式獲取特性。相比于實(shí)測(cè)方式，計(jì)算方式可以獲取勵(lì)磁系統(tǒng)各工作狀態(tài)之后特性的變化范圍，由計(jì)算數(shù)據(jù)精確性決定。通過(guò)實(shí)測(cè)方式能夠減小數(shù)據(jù)不精確所產(chǎn)生的誤差，本文通過(guò)實(shí)測(cè)方式獲取特性，因?yàn)閷?shí)測(cè)方式無(wú)法獲得附加力矩，并且方向和暫態(tài)電勢(shì)基本一致，因此，滯后角度設(shè)定為PSS信號(hào)和機(jī)端電壓交叉點(diǎn)相位差。當(dāng)針對(duì)系統(tǒng)需精準(zhǔn)整定補(bǔ)償參數(shù)，借助辨識(shí)思路獲取。第三，明確系統(tǒng)有補(bǔ)償頻率特性。在系統(tǒng)中加入PSS，PSS信號(hào)對(duì)機(jī)端電壓疊加點(diǎn)相位差為有補(bǔ)償特性，和Δω相位一致阻尼力矩能夠提升系統(tǒng)的阻尼，投影至Δδ軸數(shù)值為零。另外，需要對(duì)不同的輸入信號(hào)和Δω相位關(guān)系。對(duì)于有補(bǔ)償特性同樣可以借助實(shí)測(cè)、計(jì)算方式獲取，獲取頻率特性。第四，明確PSS的放大倍數(shù)。可通過(guò)估算方法、現(xiàn)場(chǎng)整定獲取。當(dāng)PSS輸入信號(hào)是功率時(shí)，將1/3～1/5臨界增益作控制器增益。如果PSS輸入信號(hào)是轉(zhuǎn)速或者頻率，則將1/2～1/3臨界增益作控制器增益。第五，檢驗(yàn)參數(shù)，開(kāi)展階躍響應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)PSS參數(shù)的整定情況加以分析，主要對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端的電壓階躍、有功功率的振蕩情況進(jìn)行檢驗(yàn)，見(jiàn)圖2。

圖1 PSS無(wú)補(bǔ)償特性測(cè)量框圖

圖2 PSS有補(bǔ)償特性測(cè)量框圖

3.2 增加PLC控制優(yōu)化連鎖控制邏輯

傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行中所使用勵(lì)磁系統(tǒng)，多為借助繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，繼電器連接點(diǎn)串并聯(lián)易造成發(fā)電機(jī)運(yùn)行中發(fā)生故障，并且無(wú)法對(duì)故障問(wèn)題加以有效檢測(cè)，因此，現(xiàn)階段多借助PLC控制。通過(guò)PLC技術(shù)加以邏輯控制，可對(duì)控制流程加以有效簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)速連鎖。以往發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，對(duì)信號(hào)加以測(cè)量時(shí)多借助繼電器將其轉(zhuǎn)變成節(jié)點(diǎn)信號(hào)，之后把其視作發(fā)電機(jī)運(yùn)行、啟動(dòng)監(jiān)控條件在啟動(dòng)中，若轉(zhuǎn)速未在規(guī)定時(shí)間達(dá)到預(yù)定速度，說(shuō)明屬于異常啟動(dòng)，系統(tǒng)將出現(xiàn)跳閘情況，避免發(fā)電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況。運(yùn)行時(shí)測(cè)速信號(hào)同樣屬于連鎖條件，信號(hào)消失后，說(shuō)明運(yùn)行處于異常狀態(tài)，發(fā)生連鎖跳閘，系統(tǒng)將保留原轉(zhuǎn)速并啟動(dòng)連鎖，運(yùn)行連鎖進(jìn)行報(bào)警。其中，轉(zhuǎn)速僅為啟動(dòng)投勵(lì)條件，借助一次電流能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)加以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若信號(hào)、電流同時(shí)消失，則表明勵(lì)磁系統(tǒng)存在故障問(wèn)題。

3.3 滑模變結(jié)構(gòu)勵(lì)磁控制方式

滑膜控制方式已經(jīng)具有60多年的發(fā)展歷史，屬于典型非線性的控制方式，主要體現(xiàn)為控制信號(hào)切換項(xiàng)導(dǎo)致不連續(xù)性控制，現(xiàn)階段已形成完善的理論體系。該方式借助切換項(xiàng)引導(dǎo)被控系統(tǒng)按照設(shè)定的滑膜軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榛Ｃ娴能壽E不會(huì)受系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)而有所變化，因此具有較強(qiáng)的魯棒性。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)處于某穩(wěn)定狀態(tài)，相似線性模型僅能夠在X狀態(tài)運(yùn)行，同時(shí)和ex偏差比較小方能夠準(zhǔn)確出現(xiàn)特性反應(yīng)，當(dāng)兩者存在較大偏差，線性模型便與目前系統(tǒng)存在較大差距，無(wú)法反映系統(tǒng)特點(diǎn)。電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中將出現(xiàn)不同程度不確定性，包括外界干擾，系統(tǒng)運(yùn)行是參數(shù)變化造成未見(jiàn)模型相關(guān)特性，因此進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，控制器設(shè)計(jì)主要目的為提升系統(tǒng)魯棒性，降低電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不確定因素、外界干擾所產(chǎn)生的影響。就線性控制而言，為達(dá)到該目的，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建模型，將此作為基礎(chǔ)增添擾動(dòng)補(bǔ)償，但對(duì)系統(tǒng)未見(jiàn)模相關(guān)特性分析存在一定難度，借助傳統(tǒng)理論對(duì)電力系統(tǒng)抗干擾性能不存在明顯特點(diǎn)，結(jié)合以上相關(guān)因素對(duì)控制理論進(jìn)行分析，在對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)控制器加以優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

借助狀態(tài)反饋形式設(shè)計(jì)控制器，無(wú)法有效對(duì)發(fā)電機(jī)端的電壓加以控制。系統(tǒng)受擾動(dòng)運(yùn)行改變時(shí)，電壓無(wú)法穩(wěn)定，并存在比較大的穩(wěn)態(tài)誤差，對(duì)用電設(shè)備、發(fā)電設(shè)備的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。本文對(duì)PSS+AVR控制方式規(guī)律進(jìn)行分析，將機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子的角速度、輸出功率作輸出反饋觀測(cè)量，換句話說(shuō)為用輸出函數(shù)作為滑模面設(shè)計(jì)輸出反饋非線性勵(lì)磁控制器。借助新滑模函數(shù)，研究其控制規(guī)律，加以驗(yàn)證?？刂破鬏敵鰟?lì)磁電壓的控制信號(hào)為Efd，系統(tǒng)受擾動(dòng)運(yùn)行出現(xiàn)狀態(tài)變化，應(yīng)當(dāng)確保發(fā)電機(jī)端的電壓處于期望值，并保持穩(wěn)定，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因?yàn)檩敵龉β屎娃D(zhuǎn)子的角速度存在關(guān)聯(lián)，所以按照設(shè)計(jì)目標(biāo)，滑模面S取端電壓、有功功率、轉(zhuǎn)子的角速度的誤差之和，進(jìn)行求導(dǎo)，最終得出控制規(guī)律[2]。

3.4 螺旋變結(jié)構(gòu)控制

電動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，為限制抖動(dòng)多在滑動(dòng)面設(shè)置邊界層，滑動(dòng)層通常處于邊界層內(nèi)，借助連續(xù)控制方式能夠觀察邊界層值，并于邊界層外切換，借助該方式可降低一定范圍中抖振，但該方式將對(duì)被控量精確度產(chǎn)生影響。功率擾動(dòng)指的是電力系統(tǒng)處于工作點(diǎn)附近存在小擾動(dòng)，把工況設(shè)定成t=10s，機(jī)械功率增加1/10[3]。當(dāng)輸入功率增加后，發(fā)電機(jī)輸出功率隨之增加，邊界層曲線將出現(xiàn)幾次震蕩然后趨向穩(wěn)定，螺旋滑膜和終端滑膜的邊界線曲線的穩(wěn)定時(shí)間比較短，能夠以較短時(shí)間達(dá)到新工作點(diǎn)。螺旋滑膜輸出功率的曲線上升速度較快，穩(wěn)定時(shí)間也較快，角速度存在擾動(dòng)情況后可以極短時(shí)間趨向穩(wěn)定，并迅速達(dá)標(biāo)幺值，把電網(wǎng)頻率設(shè)定成50Hz，終端滑膜和邊界層滑膜調(diào)節(jié)特性明顯。低端電壓、勵(lì)磁電壓因?yàn)榭刂菩盘?hào)可以提供足夠能量，促使其他量迅速趨向穩(wěn)定，因此終端電壓出現(xiàn)較大波動(dòng)，但依然能夠以較短時(shí)間趨向穩(wěn)定。

因?yàn)殡娋W(wǎng)系統(tǒng)本身存在較高的復(fù)雜性，線路運(yùn)行中任一參數(shù)均存在不確定性，倘若過(guò)于依賴參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)將對(duì)控制器產(chǎn)生影響，把擾動(dòng)工況設(shè)定為其他系統(tǒng)不變，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J增加至6，轉(zhuǎn)子繞組時(shí)間從1.01變?yōu)?，當(dāng)t=10時(shí)，輸出功率增加1/10。

4.總結(jié)

電力系統(tǒng)運(yùn)行中，勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行情況將對(duì)電力系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。提升控制器性能可以確保發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓得以有效、合理控制，提升電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性、可靠性，確保電能供應(yīng)質(zhì)量。傳統(tǒng)控制器易受低頻震蕩影響，造成控制器魯棒性下降，因此需要強(qiáng)化系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益的提升。