同步發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)技術的研究

黃均昀

（廣西方元電力股份有限公司橋鞏水電站分公司 廣西來賓 546100）

同步發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)技術的研究

黃均昀

（廣西方元電力股份有限公司橋鞏水電站分公司 廣西來賓 546100）

保障供電安全和可靠的前提就是同步發(fā)電機的穩(wěn)定運行。在諸多改善發(fā)電機穩(wěn)定性的措施中，其中提高勵磁的控制性能是最經濟有效的措施之一。自并勵勵磁系統(tǒng)只采用一臺勵磁變壓器，是自勵系統(tǒng)中接線最簡單，造價最低的一個系統(tǒng)。自動電壓調節(jié)器（AVR）的作用是：由發(fā)電機電壓互感器測量出的發(fā)電機電壓與設定電壓值進行比較，其偏差值進入AVR的放大部分進行運算，再經勵磁機功率放大單元對發(fā)電機勵磁回路進行調節(jié)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）用來解決電力系統(tǒng)低頻振蕩問題。

自并勵勵磁系統(tǒng)；同步發(fā)電機；系統(tǒng)低頻振蕩

前言

我國對自并勵的研究和推廣起始于20世紀80年代中后期，它的接線方式如圖1所示。發(fā)電機勵磁電流經可控整流橋U和勵磁變壓器T取自發(fā)電機端，調節(jié)器AVR通過電流電互感器TA和電壓互感器TV來監(jiān)測發(fā)電機的運行工況，當其運行工況發(fā)生變化時通過改變可控硅的控制角，以此來達到調節(jié)發(fā)電機勵磁電流的目的。

圖1 勵磁主回路設計

1 勵磁主回路設計

對于主回路的接線方式主要考慮以下幾個問題：

首先應具備輸出額定功率并滿足短路時提供強勵頂值電壓的要求。滿足此條件的一般做法是：

（1）確定發(fā)電機勵磁數據規(guī)范。包括：空載勵磁電流Ifo、額定勵磁電流IfN、勵磁繞組電阻Rfo。

（2）確定勵磁裝置容量。要求：

額定直流電流IEN≥K1IfN；額定直流電壓UEN≥K2UfN；額定功率PEN≥UENIEN。其中K1、K2分別為電流裕度和電壓裕度，其值要求≥1。

（3）確定勵磁變壓器規(guī)范。包括勵磁變壓器的二次電壓，勵磁裝置額定容量。

對于半控橋整流的可近似表達為：

對于全控橋整流的則可近似表示為：

式中：UfB為額定勵磁電壓；UfD為勵磁主回路壓降；α0為最小控制限制角；△UK為勵磁變壓器的短路阻抗。

勵磁裝置容量的額定功率為：

（4）晶閘管整流器規(guī)范的確定。

式中：KHU為并聯(lián)元件不平衡系數；IfS為1個元件電流允許值；KHM為并聯(lián)裕度；KS為考慮瞬時過電壓的安全系數；UTHYP為晶閘管硅整流器反向電壓。

（5）選擇與勵磁裝置容量相應的斷路器。要求斷路器的額定電壓與額定電流分別大于等于UEN、IEN。

其次是勵磁變壓器的接線，通常是接在同步發(fā)電機的出口處。這種接法相對比較簡單，因此，勵磁電源具有較高的可靠性。除此之外，還可以將勵磁接到廠用電的母線上，但不適用于同步發(fā)電機運行時需要可靠供電或干擾比較小的情況。應設定直流蓄電池組作為起勵電源，為發(fā)電機組提供初始勵磁，使其逐步建立起電壓，在發(fā)電機達到穩(wěn)態(tài)之后，再自動切換到勵磁變壓器回路。在勵磁變高壓側要加裝熔斷器保護，不宜采用自動開關，當然此時勵磁變的高壓側必需要在發(fā)電機主保護區(qū)內。在勵磁電流較大的情況下，勵磁變壓器二次側到整流橋饋線不宜過長。勵磁變的連接組別通常采用Y，Y0，對于二次側電流大的情況采用Y，d11組別。

第三是整流裝置。即：是采用三相全控橋整流電路還是采用三相半控橋整流電路的問題。這兩者的強磁能力相同，但在減磁時，半控橋只能將勵磁電壓控制到零，而全控橋在逆變運行時可產生負的勵磁電壓，減磁作用更強。對于水輪發(fā)電機組采用全控橋的多一些，而對于汽輪發(fā)電機組多采用半控橋整流裝置。當然，主接線方式的選擇將在一定程度上決定勵磁控制器在接線方式以及在參數上的改變。

2 AVR和PSS參數的設定

2.1 AVR常數的整定

下面以常用的比例—積分式AVR為例，如圖2所示。

圖2 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)框圖

勵磁系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為：

式中：T1、T2分別對應于發(fā)電機時間常數Tdo，電壓檢測器時間常數TR。KM為晶閘管增益。

當采用PSS后，穿越頻率ωc的值需設定在10rad/s以下[1]，此時AVR增益在設定了某一確定的ωc值后即可求出與之對應的KA。在低于ωc的低頻段，為了保證有20dB/dec的斜率，要求20log（Tiωc）=10，據此可解出積分時間常數Ti的值。

2.2 PSS常數的設定

高放大倍數快速響應勵磁系統(tǒng)在一定條件下會惡化單機—無窮大系統(tǒng)的阻尼。究其原因，主要是勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機繞組的滯后特性所致。為了抑制低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，可以采用附加控制信號，通過勵磁系統(tǒng)提供的正阻尼，以補償原來的負阻尼，使得系統(tǒng)總的阻尼為正值，這就是已經獲得廣泛應用的PSS的作用。

由頻率特性分析方法可以得到滯后相角為[2]：

為了將滯后相角抵消掉，要保證PSS具有超前環(huán)節(jié)。一般情況下，超前環(huán)節(jié)主要為兩級，其傳遞函數為PSS設置的主要目的在于對低頻振蕩進行抑制，PSS在同步發(fā)電機正常運行時，不會起到任何作用，而在發(fā)生低頻振蕩時，其才會起到一定作用，從而保障正常運行時，勵磁控制系統(tǒng)的常規(guī)功能能夠有效發(fā)揮出來。為了防止附加信號的PSS會持續(xù)影響發(fā)電機的電壓，因此，PSS還應加設一個隔離信號穩(wěn)態(tài)值的環(huán)節(jié)，其傳遞函數可表示為KCTS/（1+TS），它的本質是一個微分環(huán)節(jié)，只是對變化量進行提取而實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)值的隔離。在上述式中KC表示為PSS的放大倍數，主要用來對阻尼的大小進行調節(jié)，要注意的是要根據使用的實際情況進行調整。

現(xiàn)階段，PSS普遍采用的輸入信號為：發(fā)電機的轉速△ω；發(fā)電機端或發(fā)電廠母線的頻率△f；發(fā)電機輸出的電磁功率△PE等。

以引入△ω為例，當引入△ω信號后，PSS的傳遞函數可以表示為：

上述式中的值，一般會選得比較大，是為了保障在低頻振蕩的頻率下，隔離環(huán)節(jié)不會對超前的相位角造成影響。比如可選為3s。對于T1，T2的調整，可根據已給的發(fā)電機和勵磁裝置及相關的線路參數來進行。應其中KC的系數，需在一定的調試后，才能最終確定下來。所要滿足的實驗條件主要是在發(fā)電機滿載的狀態(tài)，從而系統(tǒng)的聯(lián)系性最強的情況下，對△ω為信號的PSS參數進行調整，此時，GEP（s）的滯后相角達到最大，根據這種情況，可對PSS的超前環(huán)節(jié)參數進行確定。在對實驗條件進行調整時，KC是平穩(wěn)的從小到大增長的，直至系統(tǒng)發(fā)生小幅度的搖擺現(xiàn)象，并對其進行觀察，在觀察到擺動時的最大KC的1/3作為KC的整定值，從而最終確定PSS的傳遞函數。

3 控制方式

常見的控制方式有PID控制、基于現(xiàn)代控制理論的線性最優(yōu)控制方式和非線性最優(yōu)勵磁控制。各種方式都有其各自的優(yōu)點和缺點。下面以線性最優(yōu)控制方式為例，闡述控制方式要解決的問題。線性最優(yōu)控制方式的優(yōu)點是使控制過程的偏差最小，達到終值的預期值時間最快，終值最優(yōu)，控制能量為最小。根據電力網絡結構和參數不變化的特點，可將恒定阻的抗特性來代替負荷動力的群動態(tài)模型，假如在某個平衡點的周邊可進行線性化處理，將問題的研究歸納為對多輸入和輸出線性系統(tǒng)最優(yōu)控制問題的研究，即是所謂的對現(xiàn)代控制理論數學模型的運用：

X=AX+BU

式中：A為狀態(tài)系數矩陣；B為控制系數矩陣；X為n維狀態(tài)向量；U為r維控制向量。A矩陣直接決定了該系統(tǒng)狀態(tài)方程的主要特征值。若要對其特性進行改變，可將狀態(tài)向量的反饋構成閉環(huán)系統(tǒng)應用其中，反饋系統(tǒng)的狀態(tài)相量為U=V-KX，其中K為狀態(tài)反饋增益矩陣，將其代入到X=AX+BU中，可以得到X=AX+B（V-KX）=（A-BK）X+BV。在這種情況下，A-BK矩陣直接決定了閉環(huán)系統(tǒng)的特征值。

假定y（t）為系統(tǒng)的實際響應，ξ（t）為預期動態(tài)響應。最優(yōu)控制性能指標應使偏差值最小。以數學表達式表示的性能指標為：

式中：J為一個隨函數y（t）而改變的泛函數。是在0為∞時間區(qū)間中求取偏差平方的定積分，因此，可稱為二次型指標。如果將X（t）表示實際狀態(tài)相量，以KΛ表示預期的狀態(tài)相量，那么保證狀態(tài)相量達到最小偏差的二次型性能指標為：

但在滿足最優(yōu)控制性能指標時，難免會出現(xiàn)控制量過大而無法實現(xiàn)的現(xiàn)象。因此，還要加強對控制相量U（t）的限制，其主要表達式為：

式中：Q表示狀態(tài)相量的權矩陣；R表示為控制相量的權矩陣。為了方便對工程相關工作的分析，將控制系統(tǒng)的平衡點置于狀態(tài)空間的原點上。在這種條件下預期的狀態(tài)相量即為原點，即。此時，上式可以寫為：

如果按上式所示的二次型性能指標設計此最優(yōu)控制系統(tǒng)，可以證明這個最佳控制規(guī)律是存在的，而且是唯一的。其表達式為：

式中：P為n×n維對稱常矩陣，是Riccati代數矩陣的正定解。

當發(fā)電機轉子勵磁回路由功率晶閘管供電時，通常采用三階狀態(tài)方程。對于三階狀態(tài)方程，通常取X=[△P、△ω、△T]T給出二次型性能指標，解最優(yōu)化問題，可得出反饋增益矩陣為K=[Kp、Kω、KU]T則控制增量：

勵磁調節(jié)器運行時，首先計算出偏差量ΔP、Δω、ΔU，再根據當時的運行點（P、Q），找出相應的Kp、Kω、KU，進而得出U。輸出Y=U0+U，因為U為增量，須加基準值U0才能得到全量輸出。對于U0的計算，簡單的方法是取U0（k）為前N次的算術平均值，遞推公式為：

4 結束語

上述的三個方面是在采用AVR-PSS方式下，進行同步發(fā)電機的自并勵勵磁設計時應當考慮的主要問題。其它的一些非主要問題，如初始勵磁、逆變滅磁、失磁、軸電壓、接地、保護等在實際設計中也是應當予以考慮的。另外，勵磁和勵磁控制系統(tǒng)技術是一個不斷發(fā)展，不斷完善的過程，不斷有新的控制方式和技術付諸應用，如新型電力系統(tǒng)電壓調節(jié)器PSVR，日本富士公司開發(fā)的線性多變量綜合控制器TAGEC，清華大學研制的非線性多變量控制器等。

[1]李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設計及應用[M].北京：中國電力出版社，2002.

[2]劉忠源.同步發(fā)電機可控硅勵磁系統(tǒng)[M].北京：水利水電出版社，1992.

[3]朱振青.勵磁控制與電力系統(tǒng)穩(wěn)定[M].北京：水利水電出版社，1994.

[4]羅士萍.微機保護實現(xiàn)原理及裝置[M].北京：中國電力出版社，2001.

[5]劉豹.現(xiàn)代控制理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，1983.

[6]胡壽松.自動控制原理（第四版）[M].北京：科學出版社，2002.

TM341

A

1004-7344（2016）15-0108-02

2016-5-4

黃均昀（1987-），男，侗族，廣西南寧人，助理工程師，本科，主要從事電力設備自動化工作。