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大学网络教育学院姓名 年级 层次 专业学习中心可控励磁发电系统综合性实验的设计摘要现代电力系统的开展，对同步发电机励磁控制提出了更高要求。发电 机在正常工作情况下，负载总在不断地变化着。而不同容量的负载，以及 负载的不同功率因数，对同步发电机励磁磁场的反映作用是不同的，要维 持同步发电机端电压为一定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随 时调节同步发电机的励磁。在各类电站中，励磁系统是保证同步发电机正 常工作，提高电网稳定水平的关键设备。同步发电机励磁的自动控制在保 证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面都起 着十分重要的意义。本文主要对可控励磁发电系统进展了实验设计，首先对可控励磁发电 系统做了相关简介并探讨了可控励磁发电系统的国外未来开展形势。本文 着重在可控励磁系统中的过励限制方面作了重点分析，并设计了相关的一 个过励限制特性试验，对过励限制系统加深了了解。关键词: 电力系统；励磁控制系统；过励限制目录摘要IAbstract II第1章 绪论51.1 发电机励磁控制系统简介51.2励磁控制系统的作用61.2.1维持发电机端电压在给定水平61.2.2提高电力系统的静态稳定性71.2.3改善电力系统的暂态稳定性81.2.4改善电力系统的动态稳定性91.2.5在并列运行的发电机间合理分配无功功率91.3自动励磁调节器的组成及功能101.3.1根本工作电路101.3.2辅助工作电路101.4同步发电机励磁控制方式研究现状111.4.1基于单变量控制方式111.4.2基于现代控制理论的多变量控制方式121.4.3非线性多变量励磁控制方式13 1.4.4智能控制方法151.5国外研究及开展状况15第2章 励磁系统的过励限制192.1 过励限制的主要特性192.2限制过程202.3级差202.4以励磁机磁场电流作为过励限制控制量的过励限制整定212.5无发电机转子过负荷保护的处理222.6过热量的释放和再次过励的条件222.7过励保护222.7.1顶值电流保护222.7.2过励反时限保护232.7.3过励报警信号23第3章 可控励磁发电系统实验装置操作及维护243.1 实验装置操作说明243.2实验的根本要求253.3可控励磁发电系统操作运行及检测维护27 3.3.1可控励磁自动调节系统的投入运行的操作步骤27 3.3.2自动手动控制切换操作要点27 3.3.3可控励磁自动调节系统的正常运行要点28 3.3.4励磁调节装置的退出及停机操作要点29 3.3.5可控励磁自动调节装置的检查与维护303.4控励磁发电系统常见故障及处理方法31341灭磁开关QFG的常见故障及处理方法313.4.2调试中常见故障及处理方法323.4.3起励中常见故障及处理333.4.4空载运行中的常见故障及处理方法343.4.5负载运行中的常见故障及处理方法35第4章 过励限制特性实验404.1可控励磁发电系统过励限制电路原理及其工作特性404.2实验设备414.3实验容与步骤43结论46致47参考文献48附录A50附录B错误!未定义书签。第1章 绪论1.1 发电机励磁控制系统简介同步发电机的励磁装置是同步发电机的重要组成局部，它是供应同步 发电机的励磁电源的一套系统。励磁装置一般由两局部组成，一局部用于 向发电机提供直流电流以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出局部;另一 局部用于在正常运行或发电机发生故障时调节励磁电流以满足平安运行的 需要，通常称作励磁控制局部（或称控制单元，亦称励磁调节器）。 同步发 电机的运行特性与它的气隙电势 Eq 值的大小有关，而 Eq 的值是发电机励 磁电流 IL 的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行 特性。因此对同步发电机的励磁进展控制，是对发电机的运行实施控制的 重要容之一。电力系统正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水 平和并联运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压 降低将导致电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电 机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见，同步发电 机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统 运行的稳定性及可靠性的方面都起着重要的作用。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个局部组 成。如图 1-1 所示。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励 磁电流;励磁调节器根据输入信号和给定的调节准那么控制励磁功率单元的 输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构 成的一个反响控制系统。励磁系统图 1-1 同步发电机励磁控制系统构成示意图励磁功 率单元自动励磁 调节器在电力系统开展初期，同步发电机容量较小，励磁电流通常由与发电 机组同轴的直流发电机供应，即直流励磁机方式。随着发电机容量的提 高，所需励磁电流也随之增大，而直流励磁机由于存在机械整流环，功率 过大时制造存在困难，因此在大容量的发电机组上很少采用。同步发电机 半导体励磁系统中的直流励磁电流是通过把交流励磁电源经半导体整流后 得到的。根据交流励磁电源的不同种类，同步发电机半导体励磁系统又可 分为两大类：1.他励半导体励磁系统这类励磁系统采用与主发电机同轴的交流发电机作为交流励磁电源， 经二极管、晶闸管或全控功率器件进展整流后，供应发电机励磁；这类励 磁系统由于交流励磁电源取自轴功率，即主发电机之外的独立电源，故称 为他励半导体励磁系统，简称他励系统。用作励磁电源的同轴交流发电机 称为交流励磁机。2.自励半导体励磁系统这类励磁系统通常采用变压器提供交流励磁电源，励磁变压器接在发 电机机端或厂用电母线上。因励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电 力系统，故这种励磁方式称为自励励磁系统，简称自励系统。 1.2励磁控制系统的作用1.2.1维持发电机端电压在给定水平在发电机正常运行条件下，励磁系统应维持发电机机端或指定控制点电压在给定水平。通常当发电机负荷变化时，发电机机端电压将随之 变化，这时，励磁系统将自动的增加或减少发电机的励磁电流，使机端电 压维持在一定的水平上，保证有一定的调压精度。当机组甩负荷时，通过 励磁系统的快速调节作用，应限制机端电压不致过分升高。维持发电机机 端或制定控制点电压在给定水平上是励磁控制系统最根本和最重要的 作用。1.2.2提高电力系统的静态稳定性当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行特性称为 电力系统的静态稳定性。现代电力系统的开展趋势是增大输送距离和提高 输送功率。这需要解决许多技术问题。而其中最重的和最根本的困难之一 是同步发电机只具有较小的静态稳定性。但由于自动励磁的调节装置的出 现，使这一问题得到了圆满的解决。我们知道，对于一条交流输电线路，在不计电阻损耗的前提下，其上 流动的有功功率P与线路两端电压U 、U 2，线路电抗X间的关系为： UUP = sin 51_1X其中，5为两端电压之间的电角度差。在5 = 90o时线路到达所能输送的极 限功率，即UU1_2X对于单机无穷大母线系统，不考虑凸极效应和定子电阻。发电机送出的有功功率P可用以下两式表示P=sin 5eqX + X + XEq2dTLPUU=t_ssin 5UtX + XutEU1_1_3TL式中：5为E与u间的电角度差；5为u与u间的电角度差；X为发 Eq q sUt t sd电机同步电抗；X为变压器电抗；X为线路电抗；E为发电机空载电动势 励磁电动势；U为发电机机端电压；Us为无穷大母线电压。t在发电机不进展励磁调节，即 E =E 不变的条件下，极限功率角为q q05 Eq= 90 o，线路所能传送的静稳极限功率为：EUP =q_s_mEq X + X + X dTL1-4PmUtUU1S-X + X1-5当有励磁调节器，并且具有足够能力维持发电机端电压为恒定不变时，极 限功率角为5 Ut= 90 o，此时线路所能输送的静稳极限功率为TL 由于同步发电机电抗较大，通常 P 要大于 P 。这样，发电机励磁 mUt mEq 调节器实际上起到了补偿发电机电抗的作用。最初的复励和电压校正器由 于允许的反响增益系数较小，通常只相当于补偿掉 X -X那段阻 dd 抗，这时静稳功率极限只提高到 E 维持不变的功角特性最大值。灵敏快 q 速的励磁调节器可以维持发电机机端电压恒定，相当于补偿了全部发电机 的 d 轴同步电抗，即到达线路静稳功率极限。1.2.3改善电力系统的暂态稳定性电力系统的暂态稳定性是指系统遭受到大干扰如短路，断线等 时，能否维持同步运行的能力。总的来说，调节励磁对暂态稳定的改善没 有对静态稳定那样显著。励磁系统对提高暂态稳定而言，表现在强行励磁 和快速励磁的作用上。当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行特性称为 电力系统的静态稳定性。现代电力系统的开展趋势是增大输送距离和提高 输送功率。这需要解决许多技术问题。而其中最重的和最根本的困难之一 是同步发电机只具有较小的静态稳定性。但由于自动励磁的调节装置的出 现，使这一问题得到了圆满的解决。只有励磁电压上升快速并且顶值电压高的励磁系统对于改善暂态稳定 才有较显著的作用，快速强励可减少加速面积，增加减速面积，提高系统 的暂态稳定性。由于提高励磁系统的强励倍数受到励磁系统和发电机制造 本钱的制约以及发电机转子时间常数较大使励磁电流上升速度受到限制等 原因，使得靠励磁控制来提高暂稳极限的幅度不可能像提高静稳极限那么 显著，但其提高暂稳极限的效益还是明显的。良好的励磁控制在增加人工 阻尼，消除第二摆或多摆失步方面的作用那么更为重要。1.2.4改善电力系统的动态稳定性动态稳定是研究电力系统受到扰动后，恢复原始平衡点瞬时扰动 或过度到新的平衡点大扰动后的过程稳定性。研究的前提是： 1.原始 平衡点或新的平衡点是静态稳定的；2.大扰动的过程是暂态稳定的。电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电震荡的阻尼问 题。当阻尼为正时，动态是稳定的；阻尼为负时，动态是不稳定的；阻尼 为零时，是临界状态。零阻尼或很小的正阻尼，都是电力系统运行中的不 平安因素，应采取措施提高系统的阻尼特性，即动态响应特性。研究说 明，按电压偏差调节的比例式快速励磁系统，会造成电力系统机电震荡阻 尼变弱。在一定的励磁方式和励磁系统参数下，快速励磁调节系统的电压 调节作用，在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的阻尼作用，当系统 总阻尼较小时，就容易导致低频振荡的发生。目前解决这一问题的方法， 是在励磁调节器上附加一个补偿环节，称为电力系统稳定器。此外，采用 现代控制理论的励磁控制器，如线性最优励磁控制器、自适应励磁控制器 和非线性励磁控制器等励磁系统，也能有效的抑制各种频率的低频震荡。当电力系统的负荷发生突变、线路构造参数改变，以及电力系统遭受 突然短路等故障时，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳 定性，这也是同步发电机的重要性能之一。增加励磁自动调节系统强励能 力，降低励磁调节系统的时间常数，是提高电力系统动态稳定性的有效措 施。1.2.5在并列运行的发电机间合理分配无功功率多台发电机在母线上并列运行时，他们输出的有功决定于输入的机械 功率，而发电机输出的无功那么和励磁电流有关，控制并联运行的发电机 之间无功分配是励磁控制系统的一项重要功能。各并联发电机间承当的无 功功率的大小取决于各发电机的调差特性，即发电机端电压和无功电流的关系。当母线电压发生波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比， 与调差系数成反比。通常我们希望发电机间的无功电流应当按照机组容量 的大小成比例的进展分配，即大容量机组担负的无功增量应大些，小容量 机组担负的无功增量相应小写，这样就可使得各机组无功增量的标幺值相 等。由于励磁调节器可对调差系数进展调节，所以就可以到达机组间无功 负荷合理分配的目的。1.3自动励磁调节器的组成及功能1.3.1 根本工作电根本工作电路是可控励磁装置向发电机提供励磁电流并完成自动调节 任务必不可少的单元电路，它包括如下工作电路：电源变换与无功调差： 将发电机输出电压变换成自动检测所需的电压信号，并复合无功电流的变 化量，输出一个既可反映电压差变化又能反映无功电流变化量的信号源。 自动检测比拟：对电源变换与无功调差电路输出的信号进展检测，将发电 机端电压的偏移和功率因数的变化量与给定值进展比拟，输出一个直流电 压偏差信号，经过放大后去控制可控硅的导通角。电压偏差和无功电流变 量综合放大：由于自动检测比拟电路的输出信号比拟微弱，为了满足励磁 系统静态与动态的自动调节精度，故必须加以放大。此外，由于除了自动 检测的偏差信号之外，还有其他辅助控制信号如过励限制、欠励限制 等的综合作用，共同作用于移相触发电路。移相触发电路：将综合并放 大的控制信号转换为对应于各相可控硅的移相触发脉冲。励磁功率输出电 路：一般由励磁电源和可控变流器件组成，可控变流器件由移相触发脉冲 进展控制。改变移相触发脉冲的相位即可改变功率输出单元的输出电压， 以实现调节励磁的目的。1.3.2辅助工作电i辅助工作电路是为了使发电机平安运行而设置的各种保护电路和便于 运行操作的附加装置。主要有：1. 起励电路：启动发电机时，当发电机转子的剩磁无法建立电压时， 要利用起励电路供应发电机初始励磁电流。2. 手动、自动控制方式切换电路：在发电机组进展试验，线路递升加 压和继电保护试验时，必须由手动方式调节励磁。此外，手动调节励磁电 路还可作为自动调节励磁电路故障时的备用。3. 欠励限制电路：为了防止励磁电流过分降低时，发电机定子电流和 电压关系由滞后的功率因数角变为超前的功率因数角，导致发电机发生进 相运行，使机组失去稳定或危及机组的平安运行，故设置欠励限制电路。4. 过励限制电路：当系统电压剧降时，自动励磁调节器将对发电机进 展强励，为了保证发电机和可控整流桥的平安，故设置过励限制电路将转 子励磁电流限制在平安围。5. 低压触发电路：在自并励型可控硅静止励磁系统中，当发电机端电 压过度降低时，会导致励磁变压器副边电压过低，使励磁系统无法工作。 这时装设低电压触发电路可使可控硅元件在瞬间完全导通，迅速提升励磁 电流。1.4同步发电机励磁控制方式研究现状同步发电机励磁调节对提高电力系统稳定性起着重要的作用，随着快 速励磁系统的广泛应用，励磁控制对电力系统稳定性的影响效果越来越明 显，科技工作者对发电机励磁控制系统进展了长期而广泛的研究，取得了 许多显著的成果。研究主要集中在两个方面:一是励磁方式的改良，二是励 磁控制方式的改良。这两方面是相互联系的。随着控制理论的不断开展， 励磁控制方式主要经历了三个开展阶段，即单变量控制阶段、线性多变量 控制阶段和非线性多变量控制阶段。1.4.1基于单变量控制方式单变量控制阶段的控制规律是按发电机端电压偏差AV的比例进展调t节或A V的比例一积分一微分进展调节（PID调节方式）。运用古典控制理论t建立按AV的比例进展的励磁调节是由于无法对控制对象进展准确的数学t模型描述而采取的一种简单实用的控制方法，但对增益K的调整却出现了 矛盾。要使闭环系统成为稳定系统，必须将增益 K 的值限制在一定围，而 要提高系统的稳态精度就得使增益 K 大于某一值，有时这二者是无法满足 的。随之，就诞生了 PID 调节方式，它在一定程度上缓和了对单反响量的 励磁调节系统，按系统稳定性与按稳态调压精度对调节器放大倍数要求之 间的矛盾，它就相当于一台可自动改变增益的比例式调节器。1.4.2基于现代控制理论的多变量控制方式为了进一步改善与提高电力系统的动态品质与小干扰稳定性，多变量 反响的励磁控制方式便逐步开展起来。具有代表性的方法就是增加了 PSS 环节的 PID 励磁控制和 LOEC 线性最优励磁控制。所谓 PSS 的控制方式， 实际上是采用双状态变量的反响控制方式，就是在励磁调节器中除了用状 态量AV作为反响量外再引入一附加镇定参量。为了得到尽可能好的控制 t效果，所引的镇定参量不是直接进展反响于另一反响量 AV 相加，而是经t过一定的校正环节后再与反响量 AV 相加，目前所采用的附加镇定参量种t类有转速AW,发电机端电压的频率Af，发电机电磁功率Ape。PSS环节 的存在，在其参数设计和选取得比拟适宜的条件下，可使原有的 PID 控制 系统主导特征值左移，起到改善电力系统阻尼特性和小干扰稳定性的作 用。为了进一步改善电力系统小干扰稳定性及动态品质，科学工作者提出 了线性最优励磁控制方式，简称 LOEC 。该控制方式由于考虑了电力系统 多个控制目标的综合，并采用最优化设计，因而具有更好的动态性能，在 鲁棒性和适应性上也有很大的改善。弥补了 PSS 控制方式的缺乏之处。最 优控制理论的主要特点是:不是建立在传递函数的根底上，而是建立在空间 状态方程的根底上，是基于系统稳定性的方法 ;适用于多控制量的系统;可 以根据被控对象的实际要求，用解析的方法得出最优控制规律，以保证要 求的性能指标到达极值;不局限于常系数线性系统，而亦适用于时变的线性 系统、非线性系统及离散系统等。描述发电机系统的运动方程是一系列非 线性方程，线性最优控制将这些非线性方程在时域逐点线性化，计算出最 优控制规律。控制效果与PSS相比，可提高发电机的静稳20%，提高暂稳 30%。其局限性之一是线性化的结果与实际的非线性方程有一定的偏离； 其二是当电力系统的接线方式发生变化，其描述系统的状态方程将和实际 的系统出现偏差而导致控制性能出现微小的下降。但这种控制规律比起 PID+PSS 仍然具有明显的优势。它是基于电力系统状态变量的线性组合， 这种控制方式具有以下优点:第一，可直接根据解析结果整定控制器的最优 参数。第二，系统在偏离设计的最优运行状态下的动态响应与设计的最优 运行状态下的动态响应之间相差甚微。第三，最优励磁控制规律是全部状 态量的最优线性组合。这种组合能够保证系统在过渡过程中各状态量对其 稳态值的平方误差的积分最小，故其控制效果不受振荡频率的影响。第 四，可使系统获得高的微动态稳定极限。但是，LOEC励磁控制方式也存在一些缺乏，首先由于设计是基于平 衡点处的近似线性化模型，因而当系统远离所设计的平衡点时或在系统受 大干扰引起的暂态过程中，不能够保证具有很好的控制特性，即对系统的 运行点变化的鲁棒性得不到保证。其次所设计的控制器和网络构造相关，对系统网络构造变化的适应能 力也无法得到保证。再次在多机系统线性最优分散协调励磁控制中，由于 只能获取有限的状态变量，因此只能获得相对次最优的控制效果。最后， 与 AVR/PSS 式励磁控制器相比，往往缺少足够高的电压反响增益。 1.4.3非线性多变量励磁控制方式由于电力系统是一个强非线性和构造多变的系统，大多数实际工程控 制系统也都是非线性系统，非线性系统的问题最后要用非线性的控制理论 来解决。随着非线性控制理论的开展，如微分几何法、直接反响线性化 法，雅普诺夫函数法，变构造控制、逆系统法等等，各种非线性励磁控制 方式也迅速开展起来。a）雅普诺夫方法雅普诺夫（LyaPunov ）稳定性定理是关于运动稳定性问题的一般理论和 方法，提出一个多世纪以来，大量学者围绕其应用作了系统的研究。该方 法以雅普诺夫第二稳定性理论为根底，通过构造能反映机组运行规律的雅 普诺夫函数并以其为最小目标进展设计。它的特点是直接考虑系统的非线 性特性从而进展控制。将雅普诺夫函数法运用到单机无穷大系统励磁控制 器的设计，并取得了较为满意的结果。另外，该方法具有原理简单易于掌 握等优点，但缺点是 LyaPunov 函数不容易找到。且在多机系统的设计中 难以实现分散控制。文献将雅普诺夫第二稳定性理论应用到电力系统控制 中，通过构造反映机组运行规律的雅普诺夫函数并以其为最小目标进展设 计。这些方法直接考虑系统的非线性特性，原理简单，易于掌握。其中推 导了以同步发电机机端电压、功角 （转子运行角）和转速等作为变量的非线 性状态方程，构造出一个能反映机组运行规律的 LyaPunov 函数，并根据 LyaPunov 渐进稳定原理设计发电机组的励磁控制规律。用大围线性化方法 将非线性系统转化为线性系统，然后利用线性系统的Lyapunov方法进展设 计。但是使用这种方法有一个较大的局限就是雅普诺夫函数不容易得到， 尤其是对于复杂系统，当系统数学模型超过三阶时，寻找雅普诺夫函数非 常困难。b）基于微分几何数学方法基于微分几何方法属于反响线性化方法的一种，它通过合理的坐标变 换找到非线性反响规律，引入虚拟控制量将非线性系统映射为一个线性系 统，使非线性系统在一定围实现准确线性化，线性控制理论所有的方法都 可以直接加以利用，从而把非线性系统的分析与设计转化为线性系统的分 析与设计问题。近年来，许多学者将微分几何方法引入到发电机非线性励磁控制规律 的设计中，取得了较为满意的控制效果。该方法的缺点是数学过程复杂、 不直观，不易为工程技术人员所掌握。直接反响线性化方法是另一种使非线性系统实现线性化的方法，与微 分几何法相比，这种方法数学过程非常简单，不需要进展复杂的坐标变换 和数学推导，直接便可得到线性化的结果。通过变化系统的状态方程，使 非线性因素和控制量集中出现在某一高阶微分方程中，通过虚拟控制输入 量的建立，直接找到非线性补偿规律，从而使原非线性系统到达线性化的 目的。该方法的优点是数学过程简单，物理概念清晰，且适用于所有非线 性系统，易于工程应用。缺点是运用该方法设计的控制器与网络参数有 关，因此无法保证对网络变化的鲁棒性。用解析的方法证明直接反响线性 化方法和微分几何法可以得到完全一样的非线性励磁控制规律。上述应用于电力系统的微分几何方法，直接线性化和逆系统方法实质 上都是一种反响线性化的方法。它们把非线性的电力系统控制问题，采用 各种方法，线性化成线性系统，再利用线性控制理论加以分析与设计，克 制了采用单点线性化模型产生的缺乏，对发电机运行点的变化和系统网络 构造的改变具有较好的适应能力。c）非线性变构造和鲁棒控制设计方法八十年代以来，变构造控制开场应用于电力系统同步发电机励磁控制 器的设计中，研究说明其能有效地解决电力系统控制的鲁棒性问题。但目前这些方法还存在一些问题，如滑动模态的到达条件比拟严格， 开关逻辑函数的设计比拟困难等。特别是变构造控制的抖动问题严重影响 了它的广泛应用。鲁棒励磁控制的主要目的是通过一种设计方法来保证得到的控制器在 预定的参数和构造扰动下仍然能保证系统的稳定性和可用性。目前，己有 大量的文献报导了以滑模变构造控制、Hg控制和卩综合理论为代表的鲁 棒控制理论在发电机励磁控制器设计中的应用。研究说明，它们具有良好 的针对参数摄动、非线性项和不确定的鲁棒性，有很乐观的应用前景。但 该设计方法有其缺乏之处，如控制理论本身有待进一步完善，而且在应用 于发电机励磁控制设计时，在模型和实现上还有许多实际问题需要进一步 研究。1.4.4智能控制方法随着智能控制理论的迅速开展，模糊逻辑励磁控制、基于规那么（专家 系统）的励磁控制、人工神经网络励磁控制、基于迭代学习算法的励磁控制 等许多先进控制策略被广泛地应用到发电机励磁控制中。在人工智能应用 于励磁控制时，并不需要被控对象准确的数学模型，其控制效果是由控制 规那么及其对系统运行变化的适应能力决定的。近年来，模糊控制技术得 到了越来越多的重视，模糊控制不依赖对象的数学模型，鲁棒性好，简单 实用，可以离线形成控制表存储在控制器中，可以很好地满足励磁控制系 统快速反响的要求，因而在发电机励磁控制器的设计上受到关注，并取得 了一定的实际效果。1.5国外研究及开展状况大型同步发电机励磁控制研究长期以来是一个非常活泼的领域，成为 各种控制理论和方法的“试金石 ,经过多年的探索，在理论和实践上 ,都 已取得了丰硕的成果；而在目前和将来,随着电网规模的不断扩大及其对平 安稳定性水平要求的提高，以及控制理论的推出新,这一领域的研究将继续 深入开展。作者认为，在当前,应该对此进展一些实事和“承上启下的分 析和小结，以明确：哪些问题已得到了比拟圆满的解决，不需要再花精力 去研究了哪些关键问题还没有得到满意的解答，是今后研究的着力点；哪 些问题仍然模糊不清，亟待明确;而哪些问题乃细枝末节，不必沉溺于其中 等等，将是大有裨益的事。诚然,想完成这件有益的事并非一两个研究组发 表一两篇文章所能胜任的。需要不同学派各抒己见、集思广益，方能奏 效。文章尝试对大型发电机组励磁控制开展的历史和现状作一简要概括， 并从工程角度对已经比拟好地解决了的问题、尚存在的问题以及未来大致 走向发表拙见。“疑义相与析，仅供广阔电力科研人员特别是长期从事 励磁控制研究的学者参考。现代大型同步发电机励磁控制的主要目标包括：高精度的电压调节功 能;机组无功功率分配功能；提供适当的人工阻尼和提高系统稳定性和传输 功率的功能，其中稳定性主要指功角稳定性（包括静态、暂态和动态稳定性） 和电压稳定性。励磁控制设计需要解决的关键问题有： 1.为简化控制器设 计所需的多机系统降阶动态等值问题； 2.控制规律构造问题； 3.系统非线 性问题包括可微非线性和不可微强非线性 （如控制限幅）的处理及机端 电压的处理问题； 4.多机或多子系统间关联的处理 ,即分散与解耦控制问 题；5.多控制目标的协调问题； 6.励磁控制器之间及其与别的控制手段的 协调问题；7.系统不确定性问题； 8.适应性问题，励磁控制器对不同运行 点、运行方式和扰动模式的适应能力和优化程度； 9.控制系统的特性分析, 包括闭环系统的稳定性、鲁棒性等。关于同步发电机励磁控制，还有一些关键的问题迄今没有得到很好地 解决，它们是进一步研究的重点所在。多机系统中的“强非线性问题,即 考虑控制限幅、饱和、切换以及各种实际约束 （如端电压约束 ）条件下的控 制系统综合和分析问题。现有的绝大多数非线性励磁控制所针对的只是常 规非线性（或称为光滑可逆非线性）问题，而对工程实际中广泛存在的强非 线性“视而不见，或者只是做事后的定性校验；针对单机无穷大电力系 统提出了一种考虑输入限幅和机组端电压约束的分段 LQ 励磁控制策略,而 对于一般情况的多机电力系统尚需要进展更深入的研究。将针对大型电力 系统任意信息模式下的协调控制理论和针对小型孤立系统的鲁棒自适应设 计方法结合起来，解决大系统下考虑参数和构造不确定性的鲁棒自适应励 磁控制问题。多目标协调问题。由于控制手段增多，调节系统的侧重点和 能力各异，因此有必要从整体出发。规划不同控制手段之间的协调工作方 式，以解决电力系统的多目标控制问题。动态协调控制问题。目前的协调 控制设计大多仅停留在离线规划水平，较少考虑系统运行方式和网络拓扑 变化对协调控制策略的要求，进一步的研究应该考虑控制器之间的在线动 态协调问题。电力工业市场化运行机制对系统平安稳定控制、包括机组励 磁控制的新要求基于GPS的多机系统励磁优化协调控制的研究励磁控制器是同步发电机励磁系统的重要部件。 20 世纪 50 年代以 来，磁放大器出现后，常被用用直流励磁机系统。20世纪 60 年代初期， 随着半导体技术的开展，电力系统开场采用由半导体元件组成的半导体励 磁调节器。到20世纪70年代初期，半导体励磁调节器已获得广泛应用。励磁控制理论的开展与自动控制理论本身的开展是息息相关的，控制 理论总的开展趋势是由单变量到多变量，由线性到非线性，再到智能化控 制。同样，励磁控制方式的开展也经历了一条与之相应的道路。励磁控制开展的第一阶段可称之为古典励磁控制方式。在这一阶段， 励磁控制首先从单机系统的分析和设计开场，提出了按发电机端电压偏差 进展比例式调节的单输入单输出地励磁控制方式，即比例调节方式。 由于比例调节方式不能很好满足大电力系统对抑制震荡、提高静态稳定极 限以及稳态电压调节精度等方面要求，于是便开展到按发电机端电压偏差 的比例一积分一微分一调节的 PID Proportional-lntergral-Differential 丨调节 方式。这两种调节方式都是基于线性传递函数数学模型上的单变量设计方 法。美国学者 F.D.Demello 和 C.Concordia 采用古典控制理论中的相位补偿 原理，于 1969 年提出了电力系统稳定器的辅助励磁控制策略，从而形成 了 “AVR+PSS构造的励磁控制器。这一控制方式至今仍被广泛使用。随着现代控制理论和实践的开展，研究方法和工具得到了不断的改 良。20 世纪 70 年代，作为现代控制理论分枝的状态空间法获得了迅速开 展，建立了完整的控制系统状态空间描述方法以及多维空间中的算子理 论。加拿大学者余耀南先生在20世纪70年代首先提出将最优控制理论应 用到电力系统中。国那么是清华大学卢强教授等首先建立和完善了线性最 优励磁控制器Linear Optimal Excitation Controller，LOEC 丨的理论体系，并 与 XX 电气研究所共同研制出了第一台基于线性最优励磁控制理论的模拟 式 LOEC 装置。但是应当指出，这种励磁控制器是针对电力系统局部线性 化模型来设计的，这样设计出的励磁控制器能保证在运行点附近具有良好的控制性能，当偏离运行点时，控制性能就会变差。 迄今为止，线性最优励磁控制器已进入实用阶段，成为兼有 AVR 和PSS 功能，可供大型发电机组优选的励磁控制方案之一。 我国微机励磁控制器的研制和开发工作开展的较早。第一台投入现场 运行的微机励磁控制器是电力部自动化研究所研制的 WLT-1 型励磁调节 器。清华大学分别与电机厂和重型电机厂合作，研制了全数字式励磁控制 器。中国电力科学研究院与自动化设备厂合作研制的微机自动励磁控制 器。华中科技大学先后与电机股份和洲坝电厂能达通用电气合作，开发了 线性最优和自适应最优微机励磁控制器。此外，电器科学研究所、长江水 利委员会陆管局自动化研究所、洪山电工技术研究所、工业大学、大学以 及华工大电力技术研究所等科研生产单位也在微机励磁控制器的研究方面 开展了相关工作。综上所述，十几年来，我国在微机励磁控制器的研究开发领域取得了 丰硕的成果，这些离不开各大专院校，科研院所的共同努力，同时也离不 开诸如池覃、映秀湾、乌溪江、洲坝等电厂的创新精神和大力支持，各地 中试所也为微机励磁控制器的推广应用做出了重要奉献。国外微机励磁控制器进入实用也是在 20世纪80年代，1989年7 月日 本东芝公司在日本投入了双微机系统的数字式励磁调节器；加拿大通用电 气公司CGE于1990年也开发出微机励磁调节器；瑞士 ABB公司开发了 UNITROL-D型微机励磁调节器。此外奥地利ELIN公司、德国SIEMENS公 司和英国的GEC 公司等也都相继生产出微机励磁调节器。这些大公司均有 很强的科研开发能力。其中有很多公司如瑞士 ABB、加拿大CGE、奥地利 ELIN、英国GEC的产品在我国的大中型发电厂得到应用。这些微机励磁控 制器大多采用PID+PSS控制，各种控制限制功能较完善，装置整体制造水 平高。从整体上看，我国在微机励磁控制系统的控制算法的研究处在国际前 列，所开发的微机励磁控制装置的功能也非常强大，但装置所选用的元器 件的可靠性以及生产制造工艺水平与国外相比尚存在一定差距。第2章 励磁系统的过励限制2.1 过励限制的主要特性励磁系统和有刷交流励磁机励磁系统采用发电机磁场电流作为过励限 制的控制量,无刷交流励磁机励磁系统采用励磁机励磁电流作为过励限制 的控制量。过励反时限特性函数类型与发电机磁场过电流特性函数类型一致。因 励磁机饱和难以与发电机磁场过电流特性匹配时宜采用非函数形式的多点 表述反时限特性。隐极式同步发电机转子过电流特性表达式如下：(I2-1)t =33.75(2-1)式中：1为发电机磁场电流对额定磁场电流I的比值;t为许可的过电流持 fn续时间。水轮发电机转子仅有承受21的持续时间的描述，缺少过电流特性的 fn函数描述。励磁系统功率单元(励磁变压器、整流桥、励磁机等)的过电流能力应 保证实现发电机转子过电流能力,但是某些交流励磁机励磁系统的顶值电流 可能小于发电机转子过电流能力,当两者不一样时按小者确定。按照继电保护规定,转子绕组过负荷保护特性与发电机转子过电流特性 一致。过励反时限特性与发电机转子绕组过负荷保护特性之间留有级差,确 保在保护动作之前限制动作。过励反时限启动值小于发电机转子过负荷保护的启动值，大于Ifn, 般 为(105%110%)lfn。启动值不影响反时限特性，并当磁场电流大于启动值 后进入反时限计算。过励反时限限制值一般比启动值减少(5%10%)lfn,以释放积累的热量, 也可限制到启动值,再由操作人员根据过励限制动作信号减少磁场电流。限 制环节可以有不大于 0.3 s 时间常数的惯性环节,以减少有功功率波动和无 功功率超调。过励限制信号测量误差小于 0.5%,时间误差小于 0.05%,有良好的调节参数,使得限制过程快速而稳定,过励限制特性能够通过试验证实。2.2制过程过励反时限限制动作转为定磁场电流控制 ,磁场电流给定值(即限制值)瞬间给出,或者经过一阶惯性给出,有不同的响应,见表 1。表 1.励磁系统突限方式缓限方式回到110%的 时间IS下降过程增加的热量1(%)回到110%1的tm时间IS下降过程增加的热量1自并励励磁系 统0.421.80.474.66交流励磁机励磁系统0.241.11.151.30表 1. 自并励和交流励磁机励磁系统过励反时限限制突限和缓限方式的差 异 由仿真可见,突限方式或者小延迟的缓限方式都可以承受。缓限方式可 以减少有功波动,而缓限过程增加的热量不大。2.3级差发电机转子过负荷保护按照发电机特性设定。过励反时限与发电机转 子过负荷保护之间的级差需要考虑以下原那么：1. 测量偏差不至于引起保护先于限制动作；2. 过励反时限限制动作、电流回到长期值以下的过程中过热的积累不 导致保护动作；3. 较小的级差,即过励反时限限制设置较大的过热量有利于电力系统稳宀定。级差暂不考虑过励保护的理由是：1. 完善的监测可以提前发现和处理将导致过励的故障 ,使得过励限制动 作的时刻发生故障的概率大为减少；2. 不良的限制失败的判断和通道切换在顶值电流下需要超过 1 s 完 成。考虑测量偏差和限制过程热量。如lf=2,保护和过励限制电流测量各有 1.5%和-1.5%的误差,并且各有 0.2%和-0.2%的时间误差,限制过程磁场绕组 增加的过热量约4.77%。设定级差为2 S。限制成功时刻离保护动作还有 0.79S。上述条件下可以选择顶值电流下过励限制比保护提前 2 S 动作。提高 电流测量准确度,适当减少限制过程时间,改良限制失败判断方法,有可能将 顶值电流下的级差进一步减少。2.4以励磁机磁场电流作为过励限制控制量的过励限制整定1. 顶值电流瞬时限制值确定顶值电流瞬时限制值时需要考虑励磁机的饱和。从励磁机负载特性曲线上,由顶值电流倍数决定的发电机磁场电压 ,获得顶值电流瞬时限制值。2.过励反时限制的最大过热量确定过励反时限限制的最大过热量时,可以不计发电机磁场回路时间常 数。其步骤如下：1）由励磁机负载特性得到发电机磁场电压倍数与励磁机磁场电流倍数 的关系。ef max2）按照励磁机的最大磁场电流、励磁机连续运行最大磁场电流和发电 机顶值电流持续时间计算励磁机磁场绕组过电流引起的最大过热量 Ce：2-2式中:lefmax为励磁机的最大磁场电流;Ief为励磁机连续运行最大磁 场电流；tP为发电机的顶值电流持续时间。3）检查励磁机磁场过电流持续时间与发电机磁场过电流持续时间的配 合情况，如不配合那么调整Ce。4）按照 Ce 整定发电机转子过负荷保护。5）按照级差 2 s 选取过励限制最大过热量。2.5无发电机转子过负荷保护的处理当不采用发电机转子过负荷保护时 ,过励限制仍按照上述方法确定 ,即 过励限制与发电机过电流特性留有级差。2.6过热量的释放和再次过励的条件一次过电流带来的过热量经电流小于额定值而得到逐步释放,过热量最 小等于 0。再次过热的能力等于设定的最大过热量 C 减去剩余的过热量。 因此,较大的过热量设定值在连续屡次电网故障时提供较多的支持。 2.7过励保护GB/T 7409.12008 中的过励保护包含调节器的顶值电流保护和过励反 时限保护 2种。励磁调节器的过励保护主要完成通道切换,保持闭环控制运 彳丁。仿真600 MW汽轮发电机自并励系统误强励过程,120%Un（Un为额定电 压）延时0.2 s保护动作的误强励时间是0.54 s。在此期间有可能完成电压 互感器断线、调节器死机、电源故障、同步故障等的判断和通道切换。由 于完善的监测可以提前发现和处理过励问题 ,过励保护实际起后备保护作 用。2.7.1顶值电流保护励磁调节器的顶值电流保护对于高顶值励磁系统是必备功能。实现运行通道和非运行通道同时进展检测,以提高检测的可靠性。当顶 值电流瞬时限制失效时发出信号 ,切换通道,在备用通道中实现顶值电流限 制。备用通道可以是自动通道,也可以是独立的手动通道。由越过限制值的 某个百分数和延时来判断限制是否失效,至切换的发电机磁场电流应远小于 300%Ifn，附加发热应可以忽略。仿真无刷交流励磁机励磁系统在超过顶值 电流10%Ifn、延时0.15 s完成通道切换时,磁场电流到达235%lfn，转子绕组 附加发热量约 2.8%。对于高顶值励磁系统,也可以采取独立的第 2 套过励 限制功能,设置一样的特性和参数。高顶值励磁系统具有励磁系统部或者外 部的过电流切除调节器停机功能。2.7.2过励反时限保护过热量累计超过设定值某个百分数（如 10%）时判断过励反时限限制失 败,进展通道切换。现在有的调节器采用延时 2 s 观察电流是否回到 110% 额定值以,因其判断时间长,势必降低过励反时限过热量设定值,这样,发电机 转子过电流能力被削弱,对电力系统稳定不利。2.7.3过励报警信号为了及时调整励磁以防止跳机,可以设置过励报警,如 1.2 倍额定电流延 时 5 s 报警,其相当于转子过负荷定时限保护功能。第3章 可控励磁发电系统实验装置操作及维护3.1实验装置操作说明实验开启及关闭交流或直流电源都在控制屏上操作。1. 开启三相交流电源的步骤1）开启电源前，要检查控制屏下方“直流操作电源的“可调电压输 出开关右下角及“固定电压输出开关左下角都须在“关的 位置。控制屏左侧安装的自耦调压器必须调在零位，即必须将调节手柄沿 逆时针方向旋转到底。2）检查无误后开启“电源总开关，“停顿按钮指示灯亮，表示实验 装置的进线已接通电源，但还不能输出电压。此时在电源输出端进展实验 电路接线操作是平安的。3）按下“启动按钮，“启动按钮指示灯亮，只要调节自耦调压器的 手柄，在输出口 U、v、W处可得到0450V的线电压输出，并可由控制 屏上方的三只交流电压表指示。当屏上的“电压指示切换开关拨向“三 相电网输入电压时，三只电压表指示三相电网进线的线电压值；当“指 示切换开关拨向“三相调压输出电压时，表计指示三相调压输出之 值。4）实验中如果需要改接线路，必须按下“停顿按钮以切断交流电 源，保证实验操作的平安。实验完毕，须将自耦调压器调回到零位，断总 开关。2. 开启单相交流电源的步骤1）开启电源前，检查控制屏下方“单相自耦调压器电源开关须在 “关位置，调压器必须调至零位。2）翻开“电源总开关，按下“启动按钮，并将“单相自耦调压 器 开关拨到“开位置，通过手动调节，在输出口 a、x 两端，可获得 所需的单相交流电压。3）实验中如果需要改接线路，必须将开关拨到“关位置，保证操作平安。实验完毕，将调压器调回到零位，最后，关断“电源总开关。3. 开启直流操作电源的步骤1）在交流电源启动后，接通“固定直流电压输出开关，可获得 220V 额定电流为1.5A不可调的直流电压输出。接通“可调直流电压输出 开关，可获得40 220V额定电流为3A可调节的直流电压输出。固定 电压及可调电压值可由控制屏下方中间的直流电压表指示。当将该表下方 的“电压指示切换开关拨向“可调电压时，指示可调电源电压的输出 值，当将它拨向“固定电压时，那么指示输出固定的电源电压值。2）“可调直流电源是采用脉宽调制型开关稳压电源，输入端接有滤 波用的大电容，为了不使过大的充电电流损坏电源电路，采用了限流延时 保护电路。所以本电源在开机时，约需有34秒钟的延时后，进入正常 的输出。3）可调直流稳压输出设有过压和过流保护告警指示电路。当输出电压 调得过高时超过240V，会自动切断电路，使输出为零，并告警指示。 只有将电压调低约240V以下，并按“过压复位按钮后，才能自动恢 复正常输出。当负载电流过大即负载电阻过小，超过3A时，也会自动 切断电路，并告警指示，此时假设要恢复输出，只要调小负载电流即调 大负载电阻即可。有时候在开机时出现过流告警，这说明在开机时负载 电流太大，需要降低负载电流。假设在空载下开机，发生过流告警，这是 由于气温或湿度明显变化，造成光电耦合器TIL117漏电使过流保护起控点 改变所致，一般经过空载开机 （即开启交流电源后，再开启“可调直流电 源开关）预热几十分钟，即可停顿告警，恢复正常。3.2实验的根本要求可控励磁发电系统实验的目的在于培养学生掌握系统的实验方法与操 作技能。通过实验使学生能够根据实验目的，实验容及实验设备拟定实验 线路，选择所需仪表，确定实验步骤，读取实验所需数据，对数据和现象 进展分析研究，得出必要的结论，从而完成实验报告。在整个实验过程 中，学生必须集中精力，及时认真做好实验。现按实验过程提出以下根本 要求。1.实验前的准备实验前应复习教科书有关章节容，认真研读实验指导书，了解实验目 的、工程、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题有些容可到实验 室对照实验设备进展预习，熟悉组件的编号，使用及其规定值等。 实验前应写好预习报告，经教师检查认为确实做好了实验前的准备，方可 开场实验。认真作好实验前的准备工作，对于培养学生独立工作能力，提高实验 质量和保护实验设备、保证人身平安等都具有十分重要的作用。2. 实验的进展1）建立小组，合理分工每次实验都以小组为单位进展，每组由23人组成。实验过程中的 接线、接通或切断负载、调节电压或电流、记录数据等项工作每人应有明 确的分工，以保证实验操作的协调和记录数据的准确。2）选择组件和仪表实验前先熟悉本次实验所用的组件，记录继电器铭牌数据和选择适宜 的仪表量程，然后依次排列组件和仪表，便于读取数据。3）按图正确接线根据实验线路图及所选组件、仪表，按图接线，接线力求简单明了。 接线原那么应是先接串联主回路，再接并联支路。为方便检查线路的正确 性，实验线路图中的直流回路、交流回路、控制回路等应分别用不同颜色 的导线连接。4）试运行在正式实验开场之前，先熟悉仪表，然后按有关规定起动继 电保护电路，观察所有仪表是否正常。如果出现异常，应立即切断电源， 并排除故障；如果一切正常，即可正式开场实验。5）读取数据预习时对继电器及其保护装置的试验方法及所测数据的大小作到心中 有数。正式实验时，根据实验步骤逐个读取数据。6）认真负责，实验有始有终实验完毕，须将实验结果交指导教师审查。经指导教师认可后，才允 许拆线，并把实验所用的组件、导线及仪器等物品整理好，放至原位。3.3可控励磁发电系统操作运行及检测维护3.3.1可控励磁自动调节系统的投入运行的操作步骤1将控制方式切换开关置于“自动位置，将励磁整定电位器旋至最低励磁输出端。2按起励试验步骤将发电机电压U建立至最低整定值。F3向励磁电流增加方向缓慢旋动励磁整定电位器，使 U 上升至额定F值 U ；观察控制电压表、励磁电压表、励磁电流表及发电机电压表、励磁 Fe电流表，各参数应平滑均匀上升，无跳跃突变现象。 4稳定运行几分钟，检查励磁系统各局部有无异常现象。 5按并列操作要求和步骤，将发电机并入电网。 6往增方向缓慢旋动励磁整定电位器，发电机逐渐带上无功负载、观察励磁电流表、无功功率表或cose表亦应平滑均匀上升，无跳跃突变现象。此外，系统也允许按类似步骤用手控方式起励及运行。3.3.2自动手动控制切换操作要点1正常运行中的切换：当需要从自控切换到手控，或者相反操作时，可按如下步骤进展：按下U校准按钮SB将控制电压表切换至运行K控制档，读取运行控制电压。迅速松开U校准按钮SB，将控制电压表K投至待用控制档，立即调整待用控制电压，使之等于运行控制电压。重 复上述操作12次，尽可能使两种控制电压相等。迅速将控制方式切 换开关切换至待用控制方式。2切换操作考前须知：正常运行中，是否允许切换及在什么条件 下才能切换，应严格按等U值切换原那么行事。有的调节器手控电路中K未引入负反响环节，手控时调节系统运行于开环状态，无自动稳定作用；这时手控只能作自控的事故或紧急备用控制，正常运行中不得随意切换， 否那么容易使整个系统失去稳定。本实验装置在运行中可按等 U 原那么K进展切换正常运行中，宜尽可能使用自控方式。因为即使是具有负反 响闭环运行的手控电路，其自动调节能力也远不如自控方式强，当发电机 突然大量减少负载时，很容易产生过电压。此外，只要自控方式运行正 常，就不要随意切至手控，以免操作不当引起机组振荡或失步解列。正 常运行中的切换，宜在负载稳定、运行情况良好时进展，一般不宜在轻载 时。处于自控方式运行中的励磁调节系统，必须经常注意保持手控、自 控电压相等，特别当负载发生较大变化后，更应及时调节手控电压，使之 等于自控值，以便自控电路故障或紧急时，立即切至手控方式。3自动控制失控时的切换操作。由于运行中经常保持了手控和自控 电压相等，故当自控方式失控时，处于备用状态的手控电压接近于故障前 的自控电压，应立刻从自动切换到手控。注意，这时决不可在按上述正常 运行中的切换步骤，校准两种控制电压后才作切换。因为这时的自控电压 已经不是调节装置实际需要之值了，如果再作调整，切换后可能引起机组 振荡甚至失步解列。3.3.3可控励磁自动调节系统的正常运行要点1正常重载运行下的可控励磁自动调节装置，特别当电网电压偏 低，在低功率因数下运行时，应注意装置
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