淺談WKKL-1微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置

劉 學(xué) 強(qiáng)， 李 翔

(1.華電四川發(fā)電有限公司內(nèi)江發(fā)電廠，四川內(nèi)江 641000;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065)

勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置是發(fā)電機(jī)重要的自動(dòng)控制設(shè)備。一個(gè)優(yōu)良的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，不僅可以保證發(fā)電機(jī)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，而且可以有效地提高發(fā)電機(jī)及其相連電網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

內(nèi)江發(fā)電廠21號機(jī)、22號機(jī)、23號機(jī)(三臺(tái)均為單機(jī)容量200 MW機(jī)組)分別于1997年、1999年、2003年將勵(lì)磁調(diào)節(jié)器更換為由南京電力自動(dòng)化設(shè)備總廠生產(chǎn)的WKKL-1型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置。WKKL-1型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置采用 INTEL8086微處理器構(gòu)成的集成電路，雖然功能插件較多，硬件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但從多年運(yùn)行情況看，其穩(wěn)定性及優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)仍是不可多得的。眾所周知，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如何保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定并具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)是衡量勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置性能好壞的首要指標(biāo)。微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的核心在于采用何種控制理論及其數(shù)學(xué)模型，WKKL-1勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)及比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)，筆者就此進(jìn)行了初步分析。

1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的組成

圖1 三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖

從圖1中可以看出，永磁機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路構(gòu)成了三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流是由100 Hz的交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)硅整流裝置供給，交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁則由永磁機(jī)經(jīng)WKKL-1微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置供給。

2 自動(dòng)電壓調(diào)整主控制環(huán)

2.1 勵(lì)磁機(jī)小閉環(huán)

勵(lì)磁機(jī)小閉環(huán)的作用是減小交流勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)。三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是交流勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)太大，直接影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓的上升速度，即對發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定有直接影響。一般來說，交流勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)約為1 s，內(nèi)江發(fā)電廠21號機(jī)組交流勵(lì)磁機(jī)實(shí)測時(shí)間常數(shù)為0.65 s。在WKKL-1勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置中采用轉(zhuǎn)子電壓負(fù)反饋后，勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)減少到0.15 s，接近快速勵(lì)磁系統(tǒng)水平，從而大大提高了三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的電壓響應(yīng)水平。

2.1.1 勵(lì)磁機(jī)小閉環(huán)組成

采用轉(zhuǎn)子電壓硬負(fù)反饋算法，取發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓，經(jīng)直-直變換器隔離后，取反饋量β，送入PID計(jì)算后的綜合放大器，通過綜合放大器、移相觸發(fā)單元、可控硅三相全控橋、交流勵(lì)磁機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓組成了一個(gè)勵(lì)磁機(jī)小閉環(huán)，框圖見圖2。

圖2 勵(lì)磁機(jī)小閉環(huán)框圖

2.1.2 勵(lì)磁機(jī)小閉環(huán)傳遞函數(shù)

勵(lì)磁機(jī)小閉環(huán)數(shù)學(xué)模型框圖見圖3。

圖3 勵(lì)磁機(jī)小閉環(huán)數(shù)學(xué)模型框圖

通過推導(dǎo)可將數(shù)據(jù)模型圖(圖3)簡化為勵(lì)磁機(jī)小閉環(huán)數(shù)學(xué)模型簡化框圖(圖4)。

圖4 勵(lì)磁機(jī)小閉環(huán)數(shù)學(xué)模型簡化框圖

由公式可以看出，采用轉(zhuǎn)子電壓負(fù)反饋后，交流勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)減小了(1+K2K3β)倍，等值放大倍數(shù)也減小了(1+K2K3β)倍。前者是我們需要的，后者則可以通過主環(huán)其他環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)調(diào)整得到補(bǔ)償。

內(nèi)江發(fā)電廠WKKL-1勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置實(shí)際取用的反饋系數(shù)β=0.05，實(shí)測交流勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)約為0.15 s。從現(xiàn)場錄波圖可以看出:引入轉(zhuǎn)子電壓負(fù)反饋后，交流勵(lì)磁機(jī)由典型的二階振蕩環(huán)節(jié)變?yōu)榻咏谝浑A慣性環(huán)節(jié)，即在一定程度上有降階作用。

2.2 主控制環(huán)

發(fā)電機(jī)空載時(shí)，主控制環(huán)框圖見圖5。

圖5 主控制環(huán)框圖

經(jīng)發(fā)電機(jī)量測PT采得發(fā)電機(jī)電壓并經(jīng)降壓后送交流信號處理板，經(jīng)采樣保持電路送AD板交流采樣，CPU板采得電壓后根據(jù)數(shù)字電位器設(shè)置的放大倍數(shù)與自動(dòng)參考電壓進(jìn)行比例-積分-微分運(yùn)算，計(jì)算出控制量Uc，查余弦表得到控制可控硅的開放角，從而控制交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，以維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的恒定、形成發(fā)電機(jī)電壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)。其數(shù)學(xué)模型框圖見圖6。

圖6 數(shù)學(xué)模型框圖

其開環(huán)傳遞函數(shù)為:

從中可以看出，發(fā)電機(jī)的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由多個(gè)一階環(huán)節(jié)組成，在理論上就存在是否穩(wěn)定的問題。閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)若不穩(wěn)定，反映為發(fā)電機(jī)電壓及無功負(fù)荷的持續(xù)振蕩，其振蕩頻率與頻率特性有關(guān)，故可以根據(jù)其開環(huán)頻率特性進(jìn)行穩(wěn)定性判斷。根據(jù)傳遞函數(shù)可做出勵(lì)磁系統(tǒng)的相頻、幅頻特性(圖7)。

圖7 勵(lì)磁系統(tǒng)開環(huán)頻率特征圖

相頻特性與－180°相交的角頻率所對應(yīng)的幅頻特性的數(shù)值稱為增益裕度;幅頻特性與ω軸的交點(diǎn)頻率稱為穿越頻率;穿越頻率所對應(yīng)的相頻特性與－180°的差值稱為相位裕度。如果對應(yīng)的幅頻特性其增益裕度為負(fù)值，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的;如果增益裕度為0，則該系統(tǒng)是臨界的;如果增益裕度為正值，則該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

內(nèi)江發(fā)電廠21號機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的增益裕度為－20 db，相位裕度為46°，現(xiàn)場投運(yùn)時(shí)，10%階躍響應(yīng)試驗(yàn)錄波圖顯示:無超調(diào)，無振蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.7 s，說明該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

3 勵(lì)磁系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)對發(fā)電機(jī)靜態(tài)及暫態(tài)穩(wěn)定的影響

3.1 對靜態(tài)穩(wěn)定的影響

同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的充分且必要條件是:具有正的同步轉(zhuǎn)矩和正的阻尼轉(zhuǎn)矩。從同步電機(jī)的穩(wěn)定理論可知，增大勵(lì)磁控制系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)可以顯著提高發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)，有利于提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定;從發(fā)電機(jī)的功角特性也可看出，一個(gè)靈敏、快速的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置對提高靜態(tài)穩(wěn)定的效果是顯著的。

國標(biāo)《大中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)基本技術(shù)條件》中規(guī)定，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)端電壓靜差率＜1%，對于200 MW汽輪發(fā)電機(jī)，同步電抗xd=1.86，經(jīng)計(jì)算，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電勢從空載到滿載約增長1.6 Pu，即為了滿足靜差率＜1%，開環(huán)放大倍數(shù)應(yīng)大于160倍。WKKL-1微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的開環(huán)放大倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該值，故其靜差率指標(biāo)是優(yōu)良的，對提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行靜穩(wěn)定能力很強(qiáng)。從實(shí)際運(yùn)行也可看出，調(diào)節(jié)器柜的輸出電壓表在不停地?cái)[動(dòng)，而發(fā)電機(jī)的電壓表及無功負(fù)荷表則紋絲不動(dòng)，說明勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在不斷地調(diào)節(jié)。如果調(diào)節(jié)器的輸出電壓表不動(dòng)，則說明該系統(tǒng)開放放大倍數(shù)太小，調(diào)節(jié)不夠靈敏;另外，也可通過發(fā)電機(jī)電壓(00通道)和自動(dòng)參考電壓(02通道)的值進(jìn)行比較，如果兩者讀數(shù)相差在1%以下，則說明該勵(lì)磁系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，且靜差率是合格的。

3.2 對暫態(tài)穩(wěn)定的影響

暫態(tài)穩(wěn)定是指在大干擾下維持發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行的能力。在電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生短路且故障點(diǎn)還未切除的暫態(tài)過程中，發(fā)電機(jī)電壓將顯著降低而使制動(dòng)功率減小，此時(shí)，原動(dòng)機(jī)調(diào)速器一般來不及動(dòng)作，這就要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器能快速強(qiáng)勵(lì)到頂值，不使制動(dòng)功率過小，以阻止發(fā)電機(jī)功角δ的搖擺過度增大，有利于提高發(fā)電機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定。暫態(tài)穩(wěn)定要求勵(lì)磁系統(tǒng)能快速響應(yīng)和有高的頂值電壓，而要做到快速響應(yīng)，就必須要有足夠大的放大倍數(shù)。

3.3 發(fā)電機(jī)突甩負(fù)荷時(shí)對過電壓的抑制

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中突甩負(fù)荷時(shí)會(huì)造成發(fā)電機(jī)過壓，如果勵(lì)磁調(diào)節(jié)快速、靈敏，就能將發(fā)電機(jī)電壓控制在允許的范圍內(nèi)。DL/T650標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，突甩額定無功負(fù)荷，發(fā)電機(jī)電壓不能超過額定值的15%。WKKL-1勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在內(nèi)江發(fā)電廠做甩額定無功負(fù)荷試驗(yàn)，其過壓值均小于10%。

4 結(jié)語

WKKL-1型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置數(shù)學(xué)模型合理，技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良。由于該裝置在內(nèi)江發(fā)電廠運(yùn)行時(shí)間較長，元器件老化，目前已逐步更換為WKKL-3型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，但其采用的數(shù)學(xué)模型和經(jīng)典控制理論仍具有普遍意義。