電氣自動化專業畢業論文-可控勵磁發電系統綜合性實驗的設計 可控勵磁發電系統綜合性實驗的設計 摘 要 現代電力系統的發展,對同步發電機勵磁控制提出了更高要求。發電機在正常工作情況下,負載總在不斷地變化著。而不同容量的負載,以及負載的不同功率因數,對同步發電機勵磁磁場的反映作用是不同的,要維持同步發電機端電壓為一定水平,就必須根據負載的大小及負載的性質隨時調節同步發電機的勵磁。在各類電站中,勵磁系統是保證同步發電機正常工作,提高電網穩定水平的關鍵設備。同步發電機勵磁的自動控制在保證電能質量、無功功率的合理分配和提高電力系統運行的可靠性方面都起著十分重要的意義。 本文主要對可控勵磁發電系統進行了實驗設計,首先對可控勵磁發電系統做了相關簡介并探討了可控勵磁發電系統的國內外未來發展形勢。本文著重在可控勵磁系統中的過勵限制方面作了重點分析,并設計了相關的一個過勵限制特性試驗,對過勵限制系統加深了了解。關鍵詞 電力系統;勵磁控制系統;過勵限制不要刪除行尾的分節符,此行不會被打印目錄摘要IAbstract第1章 緒論11.1 發電機勵磁控制系統簡介11.2勵磁控制系統的作用21.2.1維持發電機端電壓在給定水平21.2.2提高電力系統的靜態穩定性21.2.3改善電力系統的暫態穩定性31.2.4改善電力系統的動態穩定性41.2.5在并列運行的發電機間合理分配無功功率51.3自動勵磁調節器的組成及功能51.3.1基本工作電路51.3.2輔助工作電路51.4同步發電機勵磁控制方式研究現狀61.4.1基于單變量控制方式61.4.2基于現代控制理論的多變量控制方式61.4.3非線性多變量勵磁控制方式81.4.4智能控制方法91.5國外研究及發展狀況10第2章 勵磁系統的過勵限制132.1 過勵限制的主要特性132.2限制過程132.3級差142.4以勵磁機磁場電流作為過勵限制控制量的過勵限制整定152.5無發電機轉子過負荷保護的處理152.6過熱量的釋放和再次過勵的條件152.7過勵保護162.7.1頂值電流保護162.7.2過勵反時限保護162.7.3過勵報警信號16第3章 可控勵磁發電系統實驗裝置操作及維護173.1 實驗裝置操作說明173.2實驗的基本要求183.3可控勵磁發電系統操作運行及檢測維護193.3.1可控勵磁自動調節系統的投入運行的操作步驟193.3.2自動?手動控制切換操作要點203.3.3可控勵磁自動調節系統的正常運行要點203.3.4勵磁調節裝置的退出及停機操作要點213.3.5可控勵磁自動調節裝置的檢查與維護223.4控勵磁發電系統常見故障及處理方法233.4.1滅磁開關QFG的常見故障及處理方法233.4.2調試中常見故障及處理方法233.4.3起勵中常見故障及處理243.4.4空載運行中的常見故障及處理方法263.4.5負載運行中的常見故障及處理方法26第4章 過勵限制特性實驗304.1可控勵磁發電系統過勵限制電路原理及其工作特性304.2實驗設備314.3實驗內容與步驟32參考文獻35附錄36致謝42結論35千萬不要刪除行尾的分節符,此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”,然后“更新整個目錄”。打印前,不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行緒論發電機勵磁控制系統簡介 同步發電機的勵磁裝置是同步發電機的重要組成部分,它是供給同步發電機的勵磁電源的一套系統。勵磁裝置一般由兩部分組成,一部分用于向發電機提供直流電流以建立直流磁場,通常稱作勵磁功率輸出部分;另一部分用于在正常運行或發電機發生故障時調節勵磁電流以滿足安全運行的需要,通常稱作勵磁控制部分或稱控制單元,亦稱勵磁調節器。 同步發電機的運行特性與它的氣隙電勢Eq值的大小有關,而Eq的值是發電機勵磁電流IL的函數,改變勵磁電流就可影響同步發電機在電力系統中的運行特性。因此對同步發電機的勵磁進行控制,是對發電機的運行實施控制的重要內容之一。 電力系統正常運行時,發電機勵磁電流的變化主要影響電網的電壓水平和并聯運行機組間無功功率的分配。在某些故障情況下,發電機端電壓降低將導致電力系統穩定水平下降。為此,當系統發生故障時,要求發電機迅速增大勵磁電流,以維持電網的電壓水平及穩定性。可見,同步發電機勵磁的自動控制在保證電能質量、無功功率的合理分配和提高電力系統運行的穩定性及可靠性的方面都起著重要的作用。 同步發電機的勵磁系統一般由勵磁功率單元和勵磁調節器兩個部分組成。如圖1-1所示。勵磁功率單元向同步發電機轉子提供直流電流,即勵磁電流;勵磁調節器根據輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元的輸出。整個勵磁自動控制系統是由勵磁調節器、勵磁功率單元和發電機構成的一個反饋控制系統。 圖1-1 同步發電機勵磁控制系統構成示意圖 在電力系統發展初期,同步發電機容量較小,勵磁電流通常由與發電機組同軸的直流發電機供給,即直流勵磁機方式。隨著發電機容量的提高,所需勵磁電流也隨之增大,而直流勵磁機由于存在機械整流環,功率過大時制造存在困難,因此在大容量的發電機組上很少采用。同步發電機半導體勵磁系統中的直流勵磁電流是通過把交流勵磁電源經半導體整流后得到的。根據交流勵磁電源的不同種類,同步發電機半導體勵磁系統又可分為兩大類:1.他勵半導體勵磁系統 這類勵磁系統采用與主發電機同軸的交流發電機作為交流勵磁電源,經二極管、晶閘管或全控功率器件進行整流后,供給發電機勵磁;這類勵磁系統由于交流勵磁電源取自軸功率,即主發電機之外的獨立電源,故稱為他勵半導體勵磁系統,簡稱他勵系統。用作勵磁電源的同軸交流發電機稱為交流勵磁機。2.自勵半導體勵磁系統 這類勵磁系統通常采用變壓器提供交流勵磁電源,勵磁變壓器接在發電機機端或廠用電母線上。因勵磁電源取自發電機自身或發電機所在的電力系統,故這種勵磁方式稱為自勵勵磁系統,簡稱自勵系統。1.2勵磁控制系統的作用1.2.1維持發電機端電壓在給定水平 在發電機正常運行條件下,勵磁系統應維持發電機機端(或指定控制點)電壓在給定水平。通常當發電機負荷變化時,發電機機端電壓將隨之變化,這時,勵磁系統將自動的增加或減少發電機的勵磁電流,使機端電壓維持在一定的水平上,保證有一定的調壓精度。當機組甩負荷時,通過勵磁系統的快速調節作用,應限制機端電壓不致過分升高。維持發電機機端(或制定控制點)電壓在給定水平上是勵磁控制系統最基本和最重要的作用。1.2.2提高電力系統的靜態穩定性 當系統受到小的擾動后,發電機能繼續保持與系統同步運行特性稱為電力系統的靜態穩定性。現代電力系統的發展趨勢是增大輸送距離和提高輸送功率。這需要解決許多技術問題。而其中最重的和最基本的困難之一是同步發電機只具有較小的靜態穩定性。但由于自動勵磁的調節裝置的出現,使這一問題得到了圓滿的解決。 我們知道,對于一條交流輸電線路,在不計電阻損耗的前提下,其上流動的有功功率P與線路兩端電壓、,線路電抗X間的關系為: (1-1)其中,為兩端電壓之間的電角度差。在時線路達到所能輸送的極限功率,即 對于單機?無窮大母線系統,不考慮凸極效應和定子電阻。發電機送出的有功功率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為發電機同步電抗;Xt為變壓器電抗;XL為線路電抗;Eq為發電機空載電動勢(勵磁電動勢);Ut為發電機機端電壓;Us為無窮大母線電壓。 在發電機不進行勵磁調節,即EqEq0不變的條件下,極限功率角為,線路所能傳送的靜穩極限功率為: (1-4)當有勵磁調節器,并且具有足夠能力維持發電機端電壓為恒定不變時,極限功率角為,此時線路所能輸送的靜穩極限功率為 (1-5) 由于同步發電機內電抗較大,通常PmUt要大于PmEq。這樣,發電機勵磁調節器實際上起到了補償發電機內電抗的作用。最初的復勵和電壓校正器由于允許的反饋增益系數較小,通常只相當于補償掉那一段內阻抗,這時靜穩功率極限只提高到維持不變的功角特性最大值。靈敏快速的勵磁調節器可以維持發電機機端電壓恒定,相當于補償了全部發電機的d軸同步電抗,即達到線路靜穩功率極限。1.2.3改善電力系統的暫態穩定性 電力系統的暫態穩定性是指系統遭受到大干擾(如短路,斷線等)時,能否維持同步運行的能力。總的來說,調節勵磁對暫態穩定的改善沒有對靜態穩定那樣顯著。勵磁系統對提高暫態穩定而言,表現在強行勵磁和快速勵磁的作用上。 當系統受到小的擾動后,發電機能繼續保持與系統同步運行特性稱為電力系統的靜態穩定性。現代電力系統的發展趨勢是增大輸送距離和提高輸送功率。這需要解決許多技術問題。而其中最重的和最基本的困難之一是同步發電機只具有較小的靜態穩定性。但由于自動勵磁的調節裝置的出現,使這一問題得到了圓滿的解決。 只有勵磁電壓上升快速并且頂值電壓高的勵磁系統對于改善暫態穩定才有較顯著的作用,快速強勵可減少加速面積,增加減速面積,提高系統的暫態穩定性。由于提高勵磁系統的強勵倍數受到勵磁系統和發電機制造成本的制約以及發電機轉子時間常數較大使勵磁電流上升速度受到限制等原因,使得靠勵磁控制來提高暫穩極限的幅度不可能像提高靜穩極限那么顯著,但其提高暫穩極限的效益還是明顯的。良好的勵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改善電力系統的動態穩定性 動態穩定是研究電力系統受到擾動后,恢復原始平衡點(瞬時擾動)或過度到新的平衡點(大擾動后)的過程穩定性。研究的前提是:1.原始平衡點(或新的平衡點)是靜態穩定的;2.大擾動的過程是暫態穩定的。 電力系統的動態穩定問題,可以理解為電力系統機電震蕩的阻尼問題。當阻尼為正時,動態是穩定的;阻尼為負時,動態是不穩定的;阻尼為零時,是臨界狀態。零阻尼或很小的正阻尼,都是電力系統運行中的不安全因素,應采取措施提高系統的阻尼特性,即動態響應特性。研究表明,按電壓偏差調節的比例式快速勵磁系統,會造成電力系統機電震蕩阻尼變弱。在一定的勵磁方式和勵磁系統參數下,快速勵磁調節系統的電壓調節作用,在維持發電機電壓恒定的同時,將產生負的阻尼作用,當系統總阻尼較小時,就容易導致低頻振蕩的發生。目前解決這一問題的方法,是在勵磁調節器上附加一個補償環節,稱為電力系統穩定器。此外,采用現代控制理論的勵磁控制器,如線性最優勵磁控制器、自適應勵磁控制器和非線性勵磁控制器等勵磁系統,也能有效的抑制各種頻率的低頻震蕩。 當電力系統的負荷發生突變、線路結構參數改變,以及電力系統遭受突然短路等故障時,電力系統能否繼續穩定運行,稱為電力系統的動態穩定性,這也是同步發電機的重要性能之一。增加勵磁自動調節系統強勵能力,降低勵磁調節系統的時間常數,是提高電力系統動態穩定性的有效措施。1.2.5在并列運行的發電機間合理分配無功功率 多臺發電機在母線上并列運行時,他們輸出的有功決定于輸入的機械功率,而發電機輸出的無功則和勵磁電流有關,控制并聯運行的發電機之間無功分配是勵磁控制系統的一項重要功能。各并聯發電機間承擔的無功功率的大小取決于各發電機的調差特性,即發電機端電壓和無功電流的關系。 當母線電壓發生波動時,發電機無功電流的增量與電壓偏差成正比,與調差系數成反比。通常我們希望發電機間的無功電流應當按照機組容量的大小成比例的進行分配,即大容量機組擔負的無功增量應大些,小容量機組擔負的無功增量相應小寫,這樣就可使得各機組無功增量的標幺值相等。由于勵磁調節器可對調差系數進行調節,所以就可以達到機組間無功負荷合理分配的目的。1.3自動勵磁調節器的組成及功能1.3.1基本工作電路 基本工作電路是可控勵磁裝置向發電機提供勵磁電流并完成自動調節任務必不可少的單元電路,它包括如下工作電路:電源變換與無功調差:將發電機輸出電壓變換成自動檢測所需的電壓信號,并復合無功電流的變化量,輸出一個既可反映電壓差變化又能反映無功電流變化量的信號源。自動檢測比較:對電源變換與無功調差電路輸出的信號進行檢測,將發電機端電壓的偏移和功率因數的變化量與給定值進行比較,輸出一個直流電壓偏差信號,經過放大后去控制可控硅的導通角。電壓偏差和無功電流變量綜合放大:由于自動檢測比較電路的輸出信號比較微弱,為了滿足勵磁系統靜態與動態的自動調節精度,故必須加以放大。此外,由于除了自動檢測的偏差信號之外,還有其他輔助控制信號(如過勵限制、欠勵限制等)的綜合作用,共同作用于移相觸發電路。移相觸發電路:將綜合并放大的控制信號轉換為對應于各相可控硅的移相觸發脈沖。勵磁功率輸出電路:一般由勵磁電源和可控變流器件組成,可控變流器件由移相觸發脈沖進行控制。改變移相觸發脈沖的相位即可改變功率輸出單元的輸出電壓,以實現調節勵磁的目的。1.3.2輔助工作電路 輔助工作電路是為了使發電機安全運行而設置的各種保護電路和便于運行操作的附加裝置。主要有: 1.起勵電路:啟動發電機時,當發電機轉子的剩磁無法建立電壓時,要利用起勵電路供給發電機初始勵磁電流。 2.手動、自動控制方式切換電路:在發電機組進行試驗,線路遞升加壓和繼電保護試驗時,必須由手動方式調節勵磁。此外,手動調節勵磁電路還可作為自動調節勵磁電路故障時的備用。 3.欠勵限制電路:為了防止勵磁電流過分降低時,發電機定子電流和電壓關系由滯后的功率因數角變為超前的功率因數角,導致發電機發生進相運行,使機組失去穩定或危及機組的安全運行,故設置欠勵限制電路。 4.過勵限制電路:當系統電壓劇降時,自動勵磁調節器將對發電機進行強勵,為了保證發電機和可控整流橋的安全,故設置過勵限制電路將轉子勵磁電流限制在安全范圍內。 5.低壓觸發電路:在自并勵型可控硅靜止勵磁系統中,當發電機端電壓過度降低時,會導致勵磁變壓器副邊電壓過低,使勵磁系統無法工作。這時裝設低電壓觸發電路可使可控硅元件在瞬間完全導通,迅速提升勵磁電流。1.4同步發電機勵磁控制方式研究現狀 同步發電機勵磁調節對提高電力系統穩定性起著重要的作用,隨著快速勵磁系統的廣泛應用,勵磁控制對電力系統穩定性的影響效果越來越明顯,科技工作者對發電機勵磁控制系統進行了長期而廣泛的研究,取得了許多顯著的成果。研究主要集中在兩個方面:一是勵磁方式的改進,二是勵磁控制方式的改進。這兩方面是相互聯系的。隨著控制理論的不斷發展,勵磁控制方式主要經歷了三個發展階段,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律是按發電機端電壓偏差Vt的比例進行調節或Vt的比例一積分一微分進行調節PID調節方式。運用古典控制理論建立按Vt的比例進行的勵磁調節是由于無法對控制對象進行精確的數學模型描述而采取的一種簡單實用的控制方法,但對增益K的調整卻出現了矛盾。要使閉環系統成為穩定系統,必須將增益K的值限制在一定范圍,而要提高系統的穩態精度就得使增益K大于某一值,有時這二者是無法滿足的。隨之,就誕生了PID調節方式,它在一定程度上緩和了對單反饋量的勵磁調節系統,按系統穩定性與按穩態調壓精度對調節器放大倍數要求之間的矛盾,它就相當于一臺可自動改變增益的比例式調節器。1.4.2基于現代控制理論的多變量控制方式 為了進一步改善與提高電力系統的動態品質與小干擾穩定性,多變量反饋的勵磁控制方式便逐步發展起來。具有代表性的方法就是增加了PSS環節的PID勵磁控制和LOEC線性最優勵磁控制。所謂PSS的控制方式,實際上是采用雙狀態變量的反饋控制方式,就是在勵磁調節器中除了用狀態量Vt作為反饋量外再引入一附加鎮定參量。為了得到盡可能好的控制效果,所引的鎮定參量不是直接進行反饋于另一反饋量Vt相加,而是經過一定的校正環節后再與反饋量Vt相加,目前所采用的附加鎮定參量種類有轉速w,發電機端電壓的頻率f,發電機電磁功率pe。PSS環節的存在,在其參數設計和選取得比較合適的條件下,可使原有的PID控制系統主導特征值左移,起到改善電力系統阻尼特性和小干擾穩定性的作用。 為了進一步改善電力系統小干擾穩定性及動態品質,科學工作者提出了線性最優勵磁控制方式,簡稱LOEC。該控制方式由于考慮了電力系統多個控制目標的綜合,并采用最優化設計,因而具有更好的動態性能,在魯棒性和適應性上也有很大的改善。彌補了PSS控制方式的不足之處。最優控制理論的主要特點是:不是建立在傳遞函數的基礎上,而是建立在空間狀態方程的基礎上,是基于系統穩定性的方法;適用于多控制量的系統;可以根據被控對象的實際要求,用解析的方法得出最優控制規律,以保證要求的性能指標達到極值;不局限于常系數線性系統,而亦適用于時變的線性系統、非線性系統及離散系統等。描述發電機系統的運動方程是一系列非線性方程,線性最優控制將這些非線性方程在時域內逐點線性化,計算出最優控制規律。控制效果與PSS相比,可提高發電機的靜穩20%,提高暫穩30%。其局限性之一是線性化的結果與實際的非線性方程有一定的偏離;其二是當電力系統的接線方式發生變化,其描述系統的狀態方程將和實際的系統出現偏差而導致控制性能出現微小的下降。但這種控制規律比起PID+PSS仍然具有明顯的優勢。它是基于電力系統狀態變量的線性組合,這種控制方式具有以下優點:第一,可直接根據解析結果整定控制器的最優參數。第二,系統在偏離設計的最優運行狀態下的動態響應與設計的最優運行狀態下的動態響應之間相差甚微。第三,最優勵磁控制規律是全部狀態量的最優線性組合。這種組合能夠保證系統在過渡過程中各狀態量對其穩態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,可使系統獲得高的微動態穩定極限。 但是,LOEC勵磁控制方式也存在一些不足,首先由于設計是基于平衡點處的近似線性化模型,因而當系統遠離所設計的平衡點時或在系統受大干擾引起的暫態過程中,不能夠保證具有很好的控制特性,即對系統的運行點變化的魯棒性得不到保證。 其次所設計的控制器和網絡結構相關,對系統網絡結構變化的適應能力也無法得到保證。再次在多機系統線性最優分散協調勵磁控制中,由于只能獲取有限的狀態變量,因此只能獲得相對次最優的控制效果。最后,與AVR/PSS式勵磁控制器相比,往往缺少足夠高的電壓反饋增益。1.4.3非線性多變量勵磁控制方式 由于電力系統是一個強非線性和結構多變的系統,大多數實際工程控制系統也都是非線性系統,非線性系統的問題最后要用非線性的控制理論來解決。隨著非線性控制理論的發展,如微分幾何法、直接反饋線性化法,李雅普諾夫函數法,變結構控制、逆系統法等等,各種非線性勵磁控制方式也迅速發展起來。 a李雅普諾夫方法 李雅普諾夫LyaPunov穩定性定理是關于運動穩定性問題的一般理論和方法,提出一個多世紀以來,大量學者圍繞其應用作了系統的研究。該方法以李雅普諾夫第二穩定性理論為基礎,通過構造能反映機組運行規律的李雅普諾夫函數并以其為最小目標進行設計。它的特點是直接考慮系統的非線性特性從而進行控制。將李雅普諾夫函數法運用到單機無窮大系統勵磁控制器的設計,并取得了較為滿意的結果。另外,該方法具有原理簡單易于掌握等優點,但缺點是LyaPunov函數不容易找到。且在多機系統的設計中難以實現分散控制。文獻將李雅普諾夫第二穩定性理論應用到電力系統控制中,通過構造反映機組運行規律的李雅普諾夫函數并以其為最小目標進行設計。這些方法直接考慮系統的非線性特性,原理簡單,易于掌握。其中推導了以同步發電機機端電壓、功角轉子運行角和轉速等作為變量的非線性狀態方程,構造出一個能反映機組運行規律的LyaPunov函數,并根據LyaPunov漸進穩定原理設計發電機組的勵磁控制規律。用大范圍線性化方法將非線性系統轉化為線性系統,然后利用線性系統的Lyapunov方法進行設計。但是使用這種方法有一個較大的局限就是李雅普諾夫函數不容易得到,尤其是對于復雜系統,當系統數學模型超過三階時,尋找李雅普諾夫函數非常困難。 b基于微分幾何數學方法 基于微分幾何方法屬于反饋線性化方法的一種,它通過合理的坐標變換找到非線性反饋規律,引入虛擬控制量將非線性系統映射為一個線性系統,使非線性系統在一定范圍內實現精確線性化,線性控制理論所有的方法都可以直接加以利用,從而把非線性系統的分析與設計轉化為線性系統的分析與設計問題。 近年來,許多學者將微分幾何方法引入到發電機非線性勵磁控制規律的設計中,取得了較為滿意的控制效果。該方法的缺點是數學過程復雜、不直觀,不易為工程技術人員所掌握。 直接反饋線性化方法是另一種使非線性系統實現線性化的方法,與微分幾何法相比,這種方法數學過程非常簡單,不需要進行復雜的坐標變換和數學推導,直接便可得到線性化的結果。通過變化系統的狀態方程,使非線性因素和控制量集中出現在某一高階微分方程中,通過虛擬控制輸入量的建立,直接找到非線性補償規律,從而使原非線性系統達到線性化的目的。該方法的優點是數學過程簡單,物理概念清晰,且適用于所有非線性系統,易于工程應用。缺點是運用該方法設計的控制器與網絡參數有關,因此無法保證對網絡變化的魯棒性。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磁控制規律。 上述應用于電力系統的微分幾何方法,直接線性化和逆系統方法實質上都是一種反饋線性化的方法。它們把非線性的電力系統控制問題,采用各種方法,線性化成線性系統,再利用線性控制理論加以分析與設計,克服了采用單點線性化模型產生的不足,對發電機運行點的變化和系統網絡結構的改變具有較好的適應能力。 c非線性變結構和魯棒控制設計方法 八十年代以來,變結構控制開始應用于電力系統同步發電機勵磁控制器的設計中,研究表明其能有效地解決電力系統控制的魯棒性問題。 但目前這些方法還存在一些問題,如滑動模態的到達條件比較嚴格,開關邏輯函數的設計比較困難等。特別是變結構控制的抖動問題嚴重影響了它的廣泛應用。 魯棒勵磁控制的主要目的是通過一種設計方法來保證得到的控制器在預定的參數和結構擾動下仍然能保證系統的穩定性和可用性。目前,己有大量的文獻報導了以滑模變結構控制、控制和綜合理論為代表的魯棒控制理論在發電機勵磁控制器設計中的應用。研究表明,它們具有良好的針對參數攝動、非線性項和不確定的魯棒性,有很樂觀的應用前景。但該設計方法有其不足之處,如控制理論本身有待進一步完善,而且在應用于發電機勵磁控制設計時,在模型和實現上還有許多實際問題需要進一步研究。1.4.4智能控制方法 隨著智能控制理論的迅速發展,模糊邏輯勵磁控制、基于規則專家系統的勵磁控制、人工神經網絡勵磁控制、基于迭代學習算法的勵磁控制等許多先進控制策略被廣泛地應用到發電機勵磁控制中。在人工智能應用于勵磁控制時,并不需要被控對象精確的數學模型,其控制效果是由控制規則及其對系統運行變化的適應能力決定的。近年來,模糊控制技術得到了越來越多的重視,模糊控制不依賴對象的數學模型,魯棒性好,簡單實用,可以離線形成控制表存儲在控制器中,可以很好地滿足勵磁控制系統快速反應的要求,因而在發電機勵磁控制器的設計上受到關注,并取得了一定的實際效果。 1.5國外研究及發展狀況 大型同步發電機勵磁控制研究長期以來是一個非常活躍的領域,成為各種控制理論和方法的“試金石”,經過多年的探索,在理論和實踐上,都已取得了豐碩的成果;而在目前和將來,隨著電網規模的不斷擴大及其對安全穩定性水平要求的提高,以及控制理論的推陳出新,這一領域的研究將繼續深入發展。作者認為,在當前,應該對此進行一些實事求是和“承上啟下”的分析和小結,以明確:哪些問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鍵問題還沒有得到滿意的解答,是今后研究的著力點;哪些問題仍然模糊不清,亟待明確;而哪些問題乃細枝末節,不必沉溺于其中等等,將是大有裨益的事。誠然,想完成這件有益的事并非一兩個研究組發表一兩篇文章所能勝任的。需要不同學派同仁各抒己見、集思廣益,方能奏效。文章嘗試對大型發電機組勵磁控制發展的歷史和現狀作一簡要概括,并從工程角度對已經比較好地解決了的問題、尚存在的問題以及未來大致走向發表拙見。“疑義相與析”,僅供廣大電力科研人員特別是長期從事勵磁控制研究的學者參考。 現代大型同步發電機勵磁控制的主要目標包括:高精度的電壓調節功能;機組無功功率分配功能;提供適當的人工阻尼和提高系統穩定性和傳輸功率的功能,其中穩定性主要指功角穩定性包括靜態、暫態和動態穩定性和電壓穩定性。勵磁控制設計需要解決的關鍵問題有:1.為簡化控制器設計所需的多機系統降階動態等值問題;2.控制規律構造問題;3.系統非線性問題?包括可微非線性和不可微強非線性如控制限幅的處理及機端電壓的處理問題;4.多機或多子系統間關聯的處理,即分散與解耦控制問題;5.多控制目標的協調問題;6.勵磁控制器之間及其與別的控制手段的協調問題;7.系統不確定性問題;8.適應性問題,勵磁控制器對不同運行點、運行方式和擾動模式的適應能力和優化程度;9.控制系統的特性分析,包括閉環系統的穩定性、魯棒性等。 關于同步發電機勵磁控制,還有一些關鍵的問題迄今沒有得到很好地解決,它們是進一步研究的重點所在。多機系統中的“強”非線性問題,即考慮控制限幅、飽和、切換以及各種實際約束如端電壓約束條件下的控制系統綜合和分析問題。現有的絕大多數非線性勵磁控制所針對的只是常規非線性或稱為光滑可逆非線性問題,而對工程實際中廣泛存在的強非線性“視而不見”,或者只是做事后的定性校驗;針對單機無窮大電力系統提出了一種考慮輸入限幅和機組端電壓約束的分段LQ勵磁控制策略,而對于一般情況的多機電力系統尚需要進行更深入的研究。將針對大型電力系統任意信息模式下的協調控制理論和針對小型孤立系統的魯棒自適應設計方法結合起來,解決大系統下考慮參數和結構不確定性的魯棒自適應勵磁控制問題。多目標協調問題。由于控制手段增多,調節系統的側重點和能力各異,因此有必要從整體出發。規劃不同控制手段之間的協調工作方式,以解決電力系統的多目標控制問題。動態協調控制問題。目前的協調控制設計大多僅停留在離線規劃水平,較少考慮系統運行方式和網絡拓撲變化對協調控制策略的要求,進一步的研究應該考慮控制器之間的在線動態協調問題。電力工業市場化運行機制對系統安全穩定控制、包括機組勵磁控制的新要求基于GPS的多機系統勵磁優化協調控制的研究 勵磁控制器是同步發電機勵磁系統的重要部件。20世紀50年代以來,磁放大器出現后,常被用用直流勵磁機系統。20世紀60年代初期,隨著半導體技術的發展,電力系統開始采用由半導體元件組成的半導體勵磁調節器。到20世紀70年代初期,半導體勵磁調節器已獲得廣泛應用。 勵磁控制理論的發展與自動控制理論本身的發展是息息相關的,控制理論總的發展趨勢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,勵磁控制方式的發展也經歷了一條與之相應的道路。 勵磁控制發展的第一階段可稱之為古典勵磁控制方式。在這一階段,勵磁控制首先從單機系統的分析和設計開始,提出了按發電機端電壓偏差進行比例式調節的單輸入?單輸出地勵磁控制方式,即比例調節方式。由于比例調節方式不能很好滿足大電力系統對抑制震蕩、提高靜態穩定極限以及穩態電壓調節精度等方面要求,于是便發展到按發電機端電壓偏差的比例?積分?微分?調節的PID(Proportional-Intergral-Differential)調節方式。這兩種調節方式都是基于線性傳遞函數數學模型上的單變量設計方法。 美國學者/.ello和C.Concordia采用古典控制理論中的相位補償原理,于1969年提出了電力系統穩定器的輔助勵磁控制策略,從而形成了“AVR+PSS”結構的勵磁控制器。這一控制方式至今仍被廣泛使用。 隨著現代控制理論和實踐的發展,研究方法和工具得到了不斷的改進。20世紀70年代,作為現代控制理論分枝的狀態空間法獲得了迅速發展,建立了完整的控制系統狀態空間描述方法以及多維空間中的算子理論。 加拿大學者余耀南先生在20世紀70年代首先提出將最優控制理論應用到電力系統中。國內則是清華大學盧強教授等首先建立和完善了線性最優勵磁控制器(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基于線性最優勵磁控制理論的模擬式LOEC裝置。但是應當指出,這種勵磁控制器是針對電力系統局部線性化模型來設計的,這樣設計出的勵磁控制器能保證在運行點附近具有良好的控制性能,當偏離運行點時,控制性能就會變差。 迄今為止,線性最優勵磁控制器已進入實用階段,成為兼有AVR和PSS功能,可供大型發電機組優選的勵磁控制方案之一。 我國微機勵磁控制器的研制和開發工作開展的較早。第一臺投入現場運行的微機勵磁控制器是電力部南京自動化研究所研制的WLT-1型勵磁調節器。清華大學分別與哈爾濱電機廠和北京重型電機廠合作,研制了全數字式勵磁控制器。中國電力科學研究院與南京自動化設備廠合作研制的微機自動勵磁控制器。華中科技大學先后與東方電機股份有限公司和葛洲壩電廠能達通用電氣有限公司合作,開發了線性最優和自適應最優微機勵磁控制器。此外,廣州電器科學研究所、長江水利委員會陸管局自動化研究所、武漢洪山電工技術研究所、河北工業大學、福州大學以及武漢華工大電力技術研究所等科研生產單位也在微機勵磁控制器的研究方面開展了相關工作。 綜上所述,十幾年來,我國在微機勵磁控制器的研究開發領域取得了豐碩的成果,這些離不開各大專院校,科研院所的共同努力,同時也離不開諸如池覃、映秀灣、烏溪江、葛洲壩等電廠的創新精神和大力支持,各地中試所也為微機勵磁控制器的推廣應用做出了重要貢獻。 國外微機勵磁控制器進入實用也是在20世紀80年代,1989年7月日本東芝公司在日本投入了雙微機系統的數字式勵磁調節器;加拿大通用電氣公司(CGE)于1990年也開發出微機勵磁調節器;瑞士ABB公司開發了UNITROL-D型微機勵磁調節器。此外奧地利ELIN公司、德國SIEMENS公司和英國的GEC公司等也都相繼生產出微機勵磁調節器。這些大公司均有很強的科研開發能力。其中有很多公司如瑞士ABB、加拿大CGE、奧地利ELIN、英國GEC的產品在我國的大中型發電廠得到應用。這些微機勵磁控制器大多采用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,我國在微機勵磁控制系統的控制算法的研究處在國際前列,所開發的微機勵磁控制裝置的功能也非常強大,但裝置所選用的元器件的可靠性以及生產制造工藝水平與國外相比尚存在一定差距。勵磁系統的過勵限制2.1 過勵限制的主要特性 勵磁系統和有刷交流勵磁機勵磁系統采用發電機磁場電流作為過勵限制的控制量,無刷交流勵磁機勵磁系統采用勵磁機勵磁電流作為過勵限制的控制量。 過勵反時限特性函數類型與發電機磁場過電流特性函數類型一致。因勵磁機飽和難以與發電機磁場過電流特性匹配時宜采用非函數形式的多點表述反時限特性。 隱極式同步發電機轉子過電流特性表達式如下: 2-1式中:為發電機磁場電流對額定磁場電流的比值;t為許可的過電流持續時間。 水輪發電機轉子僅有承受的持續時間的描述,缺少過電流特性的函數描述。 勵磁系統功率單元勵磁變壓器、整流橋、勵磁機等的過電流能力應保證實現發電機轉子過電流能力,但是某些交流勵磁機勵磁系統的頂值電流可能小于發電機轉子過電流能力,當兩者不相同時按小者確定。 按照繼電保護規定,轉子繞組過負荷保護特性與發電機轉子過電流特性一致。過勵反時限特性與發電機轉子繞組過負荷保護特性之間留有級差,確保在保護動作之前限制動作。 過勵反時限啟動值小于發電機轉子過負荷保護的啟動值,大于Ifn,一般為105%110%Ifn。啟動值不影響反時限特性,并當磁場電流大于啟動值后進入反時限計算。 過勵反時限限制值一般比啟動值減少5%10%Ifn,以釋放積累的熱量,也可限制到啟動值,再由操作人員根據過勵限制動作信號減少磁場電流。限制環節可以有不大于0.3 s時間常數的慣性環節,以減少有功功率波動和無功功率超調。 過勵限制信號測量誤差小于0.5%,時間誤差小于0.05%,有良好的調節參數,使得限制過程快速而穩定,過勵限制特性能夠通過試驗證實。2.2限制過程 過勵反時限限制動作轉為定磁場電流控制,磁場電流給定值即限制值瞬間給出,或者經過一階慣性給出,有不同的響應,見表1。 表1.勵磁系統 突限方式 緩限方式回到110%的時間Is下降過程增加的熱量I%回到110%Itm的時間Is下降過程增加的熱量I(%)自并勵勵磁系統0.421.80.474.66交流勵磁機勵磁系統0.241.11.151.30 表1. 自并勵和交流勵磁機勵磁系統過勵反時限限制突限和緩限方式的差別 由仿真可見,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,而緩限過程增加的熱量不大。2.3級差 發電機轉子過負荷保護按照發電機特性設定。過勵反時限與發電機轉子過負荷保護之間的級差需要考慮以下原則: 1.測量偏差不至于引起保護先于限制動作; 2.過勵反時限限制動作、電流回到長期值以下的過程中過熱的積累不導致保護動作; 3.較小的級差,即過勵反時限限制設置較大的過熱量有利于電力系統穩定。 級差暫不考慮過勵保護的理由是: 1.完善的監測可以提前發現和處理將導致過勵的故障,使得過勵限制動作的時刻發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1 s完成。 考慮測量偏差和限制過程熱量。如If2,保護和過勵限制電流測量各有1.5%和-1.5%的誤差,并且各有0.2%和-0.2%的時間誤差,限制過程磁場繞組增加的過熱量約4.77%。設定級差為2 s。限制成功時刻離保護動作還有0.79S。 上述條件下可以選擇頂值電流下過勵限制比保護提前2 s動作。提高電流測量準確度,適當減少限制過程時間,改進限制失敗判斷方法,有可能將頂值電流下的級差進一步減少。2.4以勵磁機磁場電流作為過勵限制控制量的過勵限制整定1.頂值電流瞬時限制值 確定頂值電流瞬時限制值時需要考慮勵磁機的飽和。從勵磁機負載特性曲線上,由頂值電流倍數決定的發電機磁場電壓,獲得頂值電流瞬時限制值。2.過勵反時限限制的最大過熱量 確定過勵反時限限制的最大過熱量時,可以不計發電機磁場回路時間常數。其步驟如下: 1由勵磁機負載特性得到發電機磁場電壓倍數與勵磁機磁場電流倍數的關系。 2按照勵磁機的最大磁場電流、勵磁機連續運行最大磁場電流和發電機頂值電流持續時間計算勵磁機磁場繞組過電流引起的最大過熱量Ce: (2-2) 式中:Ief為勵磁機的最大磁場電流;Ief為勵磁機連續運行最大磁場電流;tP為發電機的頂值電流持續時間。 3檢查勵磁機磁場過電流持續時間與發電機磁場過電流持續時間的配合情況,如不配合則調整Ce。 4按照Ce整定發電機轉子過負荷保護。 5按照級差2 s選取過勵限制最大過熱量。2.5無發電機轉子過負荷保護的處理 當不采用發電機轉子過負荷保護時,過勵限制仍按照上述方法確定,即過勵限制與發電機過電流特性留有級差。2.6過熱量的釋放和再次過勵的條件 一次過電流帶來的過熱量經電流小于額定值而得到逐步釋放,過熱量最小等于0。再次過熱的能力等于設定的最大過熱量C減去剩余的過熱量。因此,較大的過熱量設定值在連續多次電網故障時提供較多的支持。2.7過勵保護 GB/T 7409.1?2008中的過勵保護包含調節器的頂值電流保護和過勵反時限保護2種。勵磁調節器內的過勵保護主要完成通道切換,保持閉環控制運行。仿真600 MW汽輪發電機自并勵系統誤強勵過程,120%UnUn為額定電壓延時0.2 s保護動作的誤強勵時間是0.54 s。在此期間有可能完成電壓互感器斷線、調節器死機、電源故障、同步故障等的判斷和通道切換。由于完善的監測可以提前發現和處理過勵問題,過勵保護實際起后備保護作用。2.7.1頂值電流保護 勵磁調節器的頂值電流保護對于高頂值勵磁系統是必備功能。 實現運行通道和非運行通道同時進行檢測,以提高檢測的可靠性。當頂值電流瞬時限制失效時發出信號,切換通道,在備用通道中實現頂值電流限制。備用通道可以是自動通道,也可以是獨立的手動通道。由越過限制值的某個百分數和延時來判斷限制是否失效,至切換的發電機磁場電流應遠小于300%Ifn,附加發熱應可以忽略。仿真無刷交流勵磁機勵磁系統在超過頂值電流10%Ifn、延時0.15 s完成通道切換時,磁場電流達到235%Ifn,轉子繞組附加發熱量約2.8%。對于高頂值勵磁系統,也可以采取獨立的第2套過勵限制功能,設置相同的特性和參數。高頂值勵磁系統具有勵磁系統內部或者外部的過電流切除調節器停機功能。2.7.2過勵反時限保護 過熱量累計超過設定值某個百分數如10%時判斷過勵反時限限制失敗,進行通道切換。現在有的調節器采用延時2 s觀察電流是否回到110%額定值以內,因其判斷時間長,勢必降低過勵反時限過熱量設定值,這樣,發電機轉子過電流能力被削弱,對電力系統穩定不利。2.7.3過勵報警信號 為了及時調整勵磁以避免跳機,可以設置過勵報警,如1.2倍額定電流延時5 s報警,其相當于轉子過負荷定時限保護功能。 可控勵磁發電系統實驗裝置操作及維護實驗裝置操作說明實驗開啟及關閉交流或直流電源都在控制屏上操作。1.開啟三相交流電源的步驟 1開啟電源前,要檢查控制屏下方“直流操作電源”的“可調電壓輸出”開關(右下角)及“固定電壓輸出”開關(左下角)都須在“關”的位置。控制屏左側安裝的自耦調壓器必須調在零位,即必須將調節手柄沿逆時針方向旋轉到底。 2檢查無誤后開啟“電源總開關”,“停止”按鈕指示燈亮,表示實驗裝置的進線已接通電源,但還不能輸出電壓。此時在電源輸出端進行實驗電路接線操作是安全的。 3按下“啟動”按鈕,“啟動”按鈕指示燈亮,只要調節自耦調壓器的手柄,在輸出口U、V、W處可得到0450V的線電壓輸出,并