励磁系统.doc

1、1励磁系统的任务同步发电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个电流称为励 磁电流，而供给电流的整个系统称为励磁系统。由于励磁绕组又称发电机转子，故励磁电流 也叫转子电流。 在电力系统的运行中， 同步发电机是电力系统的无功功率主要来源之一，通过调节励磁 电流可以改变发电机的无功功率， 维持发电机端电压。 不论在系统正常运行还是故障情况下， 同步发电机的直流励磁电流都需要控制， 因此励磁系统是同步发电机的重要组成部分。 励磁 系统的安全运行， 不仅与发电机及其相联的电力系统的运行经济指标密切相关， 而且与发电 机及电力系统的运行稳定性密切相关。同步发电机励磁系统的任务有以下几点

2、：1 电压控制在同步发电机空载运行中，转子以同步转速 n 旋转时，励磁电流产生的主磁通 0 切割 N 匝定子绕组感应出频率为 f=pn/60 的三相基波电势，其有效值 E0 同 f，N, 0 以及绕组系 数 k 的关系： E0=4.44 fNk0 这样，改变励磁电流 If 以改变主磁通 0，空载电势 E0 值也将改变，二者的关系就是发 电机的空载特性 E0=f(If)或发电机的磁化特性0=f(Ff)。在发电机空载状态下，空载电势 E0 就等于发电机端电压 Ut，改变励磁电流也就改变发电机端电压。 完成电压控制的设备是由励磁调节器，励磁电源，发电机等组成，同步发电机励磁控制 系统框图的一般形式如

3、图 1-1 所示。 Ug + Uf Uf Ut给定信号 其他信号Uc信号比较放大励磁电源发电机测量信号 励磁调节器 图 1-1 同步发电机励磁控制系统框图在图 1-1 中，虚线框内是励磁调节器的基本原理框图。按照调节原理，一个控制调节装 置，至少要有三个环节或单元。第一是测量单元，它是一个负反馈环节；第二是给定单元，它是调节中的参考点；第三是比较放大单元，它将测量值同参考值进行比较，并对比较结果 的差值进行放大，从而输出控制电压 Uk。这里的其他信号，是指调节器中的其他功能的作 用信号，比如调差、励磁电流限制、无功限制、PSS 等。这里的励磁电源是指可控硅整流装 置。 对于一个励磁控制系统来说

4、， 电压控制就是维持发电机端电压在设定位置。为实现这一 目的，首先就要设定电压，要有一个给定信号 Ug，以便明确电压控制值；其次要测量电压， 看发电机端电压是多少，这里由发电机电压互感器 PT 和调节器中的测量板组成，将 Ut 变 为 Uc；最后，由调节器比较给定值和测量值，当测量值小于给定值时，励磁装置增加励磁 电流 If，使发电机端电压上升，当测量值大于给定值时，励磁装置减少 If 使发电机端电压下 降。122 无功分配4在发电机负载运行时，根据所带负载的性质，空载电势 E0 同发电机端电压 Ut 的关系发 生了变化。当发电机带感性负载时，电枢反应具有去磁性质，随着负载的增加，Ut 越来越

5、 小于 E0，这时为了维持 Ut 不变，必须增大励磁电流；当发电机带容性负载时，电枢反应具 有助磁性质，随着负载的增加，Ut 越来越大于 E0，同样为了维持 Ut 不变，必须减少励磁电 流。 在发电机并网运行时，系统母线电压控制着发电机端电压 Ut，当调节励磁电流 If，使 E0 发生变化时，发电机的定子电流和功率因数也随之变化，即发电机的无功功率随 If 变化。 同步发电机的 V 形曲线，就是反映了励磁电流同定子电流的关系。在这一关系中，功率因 数等于 1 的励磁电流称为正常励磁。当励磁电流大于正常励磁时，定子电流滞后于端电压， 功率因数滞后，发电机输出滞后无功功率，这种状态我们俗称为发电机

6、带无功运行；当励磁 电流小于正常励磁时，定子电流超前于端电压，功率因数超前，发电机输出超前无功功率， 这种状态我们俗称为发电机进相运行。 在发电厂中数台发电机并网运行时， 调节一台发电机的励磁电流， 不仅会改变这台机的 无功，还要影响其他发电机的无功稳定性。为此，励磁系统分配并联运行的发电机无功时， 还要考虑其稳定性和合理性，这就要求励磁调节器具有调差功能。 母线电压水平及无功功率在机组之间的分配， 取决于发电机的电压调节特性即调差特性 Ut=f（Q） ，一般来说，发电机的调差特性是一条发电机端电压 Ut 随无功 Q 增加而下降的直 线，见图 1-2 的正调差系数 K3，K0 和 K2 分别表

7、示零调差和负调差系数。 Ut (Ug,Uk) K2 K0 K3 K1 Ut Uto Us K1 K2 0 图 1-3 Q1 Q2 Q0 图 1-2 励磁调差特性Q并联运行机组调差特性如果励磁调节器具有调差功能，则发电机总的调差系数是发电机（发变组）的自然调差 系数与励磁调差系数的代数和。 由于自然调差系数不可变， 故发电机的总调差系数由励磁调 差系数控制。若励磁调差系数为零，比如退出调节器中的调差电路，则发电机的调差特性就 是自然调差特性，其大小由发电机和变压器的电磁参数决定，且变压器参数起主导作用；若 励磁调差系数为负，如图 1-2 中的直线 K2 所示，则发电机调差特性就是发电机的自然调差

8、 系数减励磁调差系数的差；若励磁调差系数为正，如图 1-2 中的直线 K1 所示，则发电机调 差特性就是发电机的自然调差系数加励磁调差系数的和。 在这里之所以有加减之别， 其目的 是在控制励磁调差系数大小情况下， 保证发电机调差特性向下倾斜，因为只有具有正调差特 性的发电机才能并联运行。对于单元接线的发电机系统来说，若发变组的自然调差率很大， 励磁调差系数应选择负，以补偿无功电流在主变上的压降；若发变组的自然调差率很小，励 磁调差系数应选择正。 对于扩大单元接线的发电机系统来说， 由于发电机的自然调差率很小， 为保证数台发电机的并联运行及其无功功率的均衡分配， 发电机必须具有基本一致的正调差

9、特性，这就要求励磁调差必须为正极性。图 1-3 是两台发电机并入电网后，二者调差特性与 无功分配关系，图中 Uto 是两台发电机空载额定电压，Us 母线电压，K1 和 K2 是两台发电机 各自的调差系数。这两台发电机并网后，调节励磁电流，其 K1 和 K2 直线平行上下移动，所 对应的无功 Q1 和 Q2 也随13之改变，并且相互不影响。5我们知道，无论励磁调节器是何种类型，其工作原理都是将反映发电机端电压 Ut 的测 量电压 Uc，与给定电压 Ug 进行比较，从而得到发电机电压偏差信号即控制电压 Uk。对于可 控硅整流器来说，Uk 经移相器产生 角变化的脉冲，以此改变整流桥输出电压，使发电机

10、 端电压同给定电压保持一致。 如果在测量电压 Uc 或者给定电压 Ug 上，再叠加一个反映发电 机无功变化的附加量 Uq，就能使控制电压 Uk 和 角产生变化，从而改变发电机的电压调节 特性。这个附加量就是励磁调差起作用的量，也称无功补偿量，其极性直接影响励磁调差极 性。一般说来，给定为正信号，测量为负信号，图 1-4 描述了这一过程的基本原理，虚线表 示调差单元的输出电平可以有两种接入方式参与励磁调节。 Ug 给定单元 Q 调差单元 + + Uq 比较放大 Uc 测量单元 图 1-4 励磁装置调差原理图 如果将调节器中调差单元接入到给定单元上，当调差单元随发电机+Q 增加而输出+Uq 时，就

11、会引起给定电压 Ug 增加，控制电压 Uk 增加， 角减少，最终使得发电机端电压 Ut 增加，此时的励磁调差就是负调差。当调差单元随+Q 增加而输出-Uq 时，就会引起相反的结 果，此时的励磁调差就是正调差。在图 1-2 中，将给定电压 Ug 和控制电压 Uk 引入纵坐标， 就能根据 Ug=f（Q）和 Uk=f（Q）来判断励磁调差极性。 如果将调节器中调差单元接入到测量单元上，当调差单元随发电机+Q 增加而输出+Uq 时，就会引起测量电压 Uc 减少，控制电压 Uk 增加， 角减少，最终使得发电机端电压 Ut 增加，此时的励磁调差就是负调差。当调差单元随+Q 增加而输出-Uq 时，就会引起相反

12、的结 果，此时的励磁调差就是正调差。 Uk 移相 整流器 Uf Ut 发电机Ut3 提高电力系统稳定性a 提高静态稳定性 静态稳定是指电力系统遭受小扰动之后，不发生自发振荡和非周期失步，自动恢复到起 始运行状态的能力。 电力系统静态稳定性高低， 可以用输电线路的输送功率极限的大小来判 断，这也是励磁装置常用的静态稳定性试验方法。 在单机-无穷大系统中，如果发电机没有励磁控制，则正常运行时，发电机的空载电势 E0 保持不变，那么该系统的静态极限为 Pmax，其功率特性曲线见图 1-5 中的曲线 1。如果 发电机具有常规励磁， 比如直流励磁机或者交流励磁机带二极管整流的励磁系统， 则可保持 发电机

13、的暂态电势 Eq不变，因此有 Pmax，其功率特性曲线见图 1-5 中的曲线 2。如果发 电机配置高放大倍数的快速励磁系统， 比如采用运算放大器和可控硅整流器， 并且励磁调节 器带电力系统稳定器 PSS 或者采用最优励磁控制，则可接近保持发电机端电压 Ut 不变，因 此有 Pmax， 其功率特性曲线见图 1-5 中的曲线 3。 粗约比较一下单机-无穷大系统静稳极限， Pmax ：Pmax： Pmax=1：2：3，可见励磁系统对于提高电力系统静态稳定性的作用非常 明显。特别是带 PSS 或者采用最优控制的快速励磁系统对于电力系统的静态稳定性作用明 显。 P Pmax= UtUc/Xe6Pmax

14、Pmax 2 Pmax3141Pmax= Eq Uc/(Xe+Xd) Pmax = E0Uc/(Xe+Xd) 中：Uc 为无穷大系统电压 Xd 为 d 轴同步电抗 Xd为 d 轴暂态电抗 Xe 为发电机至无穷大系统间的电抗图 1-5 调节励磁对功率特性的影响 b 提高动态稳定性 动态稳定是指电力系统遭受小扰动之后， 在自动调节装置和附加控制的作用下， 保持较 长过程稳定运行的能力（通常指不发生周期性振荡失步） 。由于影响动态稳定性的主要因数 是电力系统的阻尼特性， 因而常规励磁系统对于电力系统的动态稳定性不起多大作用， 但是， 带 PSS 的快速励磁系统能够阻尼系统的低频振荡，从而提高了电力系

15、统动态稳定性。 C 提高暂态稳定性 暂态稳定是指电力系统遭受大扰动后， 各同步电机保持同步运行并过渡到新的或者恢复 到原来状态运行的能力（通常指保持第一或第二个摇摆周期不失步） 。由于影响暂态稳定性 的主要因数是系统中短路故障性质、主保护的动作情况、重合闸动作成功与否，因而调节励 磁对暂态稳定的影响没有对静态稳定那么显著。 励磁系统对于提高暂态稳定而言， 主要表现 在快速励磁和强励的作用上。 电力系统中发生短路故障时， 由于控制输入机械功率的常规调 速系统的动作太慢，主要靠快速继电保护切除故障，以减少加速面积；而故障切除后，快速 励磁和强励可以增大发电机电势，因而增大输出的电磁功率，增大了制动

16、面积，防止发电机 摇摆角过度增大，以利于暂态稳定性的提高。但是发电机励磁回路具有较大的时间常数，即 使是快速励磁系统， 也只能在故障后 0.40.6S， 使转子达到最大磁通。 由大量计算结果可知， 故障后发电机摆到最大角度的时间往往只有 0.50.6S， 所以快速励磁和强励所能够增加的制 动面积是很有限的，其结果是只能稍许降低第一个振荡周期的摇摆角度。4 有利于电力设备的运行在短路故障期间以及故障切除后， 性能良好的励磁控制系统可以尽量维持电力系统的电 压、加速电压的恢复，从而改善了系统中电动机的运行条件，有利于电力设备的运行。类似 地，它改善了并列运行的同步发电机在失磁后转入异步运行时电力系

17、统的工作条件。此外， 励磁系统还可以提高带时限的继电保护装置的工作灵敏性和动作准确性。1.2励磁附加控制器大型同步发电机励磁系统一般由三部分组成，其一是励磁电源，如可控硅整流器；其二 是灭磁和转子过电压保护装置；其三是励磁控制部分，我们称为励磁调节器。 由于励磁调节器按照发电机端电压偏差进行调节， 我们也称之为自动电压调节器， 它是 励磁主控制器。随着自动化技术的发展，调节器的调压精度越来越高，励磁电源的响应越来 越快，于是电力系统低频振荡就时有发生，影响了电力系统稳定运行。人们在研究了电力系 统发生低频振荡的机理之后， 提出了在快速励磁系统上增设励磁附加控制器， 构成了电力系 统稳定器（Po

18、wer System Stabilizer）,简称 PSS。由于 PSS 对抑制低频振荡，提高电力系统 稳定性有一定的效果，因而得到了广泛的应用。随着现代控制理论和计算机技术的发展，微 机励磁调节器开始采用最优励磁控制（Optimal Excitation Controller）简称 OEC，该技术融 自动电压调整同各种励磁附加功能为一体， 全面改善发电机端电压调节精度和电力系统稳定 性，已取得一定成果。1571 电力系统低频振荡在电力系统中，发电机经输电线路并列运行时，在负荷突变等小扰动的作用下，发电机 转子之间会发生相对摇摆， 这时电力系统如果缺乏必要的阻尼就会失去动态稳定。 由于电力 系

19、统的非线性特性， 动态失稳表现为发电机转子之间的持续的振荡， 同时输电线路上功率也 发生相应的振荡， 影响了功率的正常输送。 由于这种持续振荡的频率很低， 一般在 0.22.5HZ 之间，故称为低频振荡。 电力系统低频振荡在国内外均有发生，通常出现在远距离、重负荷输电线路上，或者互 联系统的弱联络线上， 在采用快速响应高放大倍数励磁系统的条件下更容易出现。 葛洲坝二 江电厂建厂发电初期，曾多次发生低频振荡。近年来，在二江电厂同湖北恩施的联络线路上 又出现低频振荡，又引起了人们的注意。一般认为， 发生低频振荡的主要原因是， 现代电力系统中大容量发电机的标幺值电抗增 大，造成了电气距离的增大，再加

20、之远距离重负荷输电，造成系统对于机械模式（其频率由 等值发电机的机械惯性决定）的阻尼减少了；同时由于励磁系统的滞后特性，使得发电机产 生一个负的阻尼转矩，导致低频振荡的发生。采用励磁控制系统的附加控制构成的 PSS 或 其他方式，可以补偿负的阻尼转矩，抑制低频振荡。2 PSS 原理简介a 励磁装置的负阻尼作用 所谓阻尼就是阻止扰动，平息振荡，而负阻尼恰恰相反。励磁装置的负阻尼，是指励磁 装置对于系统功角摆动所作出的调节作用，会加大这种摆动，不利于系统的稳定。 并联在电力系统中运行的同步发电机， 其稳定运行的必要充分条件是有正的阻尼转矩和 正的同步转矩。阻尼转矩MD 为负时将会因为出现自发增幅振

21、荡而最终失去稳定，而当同 步转矩MS 为负时，发电机将出现爬步失步。在同步发电机受到扰动，引起系统振荡期间， 电磁转矩 M、功角 和角频率 都作周期性变化，故可以在 坐标中表示M、MD 和MS。MD 同 基本同相，MS 同 同相，二者之和就是和M，这就是说电磁转矩 既包含了同步转矩分量又包含了阻尼转矩分量。 在不考虑励磁装置的负阻尼情况下， 阻尼转矩就是阻止发电机转速偏离同步转速的一种 转矩，其作用力的方向总是指向阻止转子偏离同步速度的方向，当转速高于同步速度时，阻 尼转矩是制动的；当转速低于同步转速时，阻尼转矩却是驱动的，正是这两种作用，才使得 振荡衰减。阻尼转矩包括两种：一种是一般忽略不计

22、的机械性阻尼，它反映了机械运动的惯 性原理； 另一种是发电机转子中阻尼绕组产生的阻尼， 这种阻尼是在发电机转速不同于同步 转速时，二者就在转子上产生相对运动，阻尼绕组中就感应出一个转差频率的感应电流，并 产生感应电动机那样的转矩，即阻尼转矩。在单机- 无穷大系统简化线性模型的电磁转矩矢 量图图 1-6 中，MD1 是不考虑调节器负阻尼情况下的阻尼转矩，M1 能抑制系统振荡。 在考虑励磁装置的负阻尼情况下， 阻尼转矩就有了正负之分。 当励磁装置产生的负阻尼 大于阻尼绕组产生的正阻尼时，阻尼转矩就变成图 1-6 中的MD2，M2 则不能抑制系统振 荡。我们知道，自动电压调节器按照发电机端电压偏差U

23、t 调节，当系统发生振荡时， 的变化就会引起Ut 变化， 调节器就会依据Ut 进行调节， 由于发电机转子绕组具有较大的 时间常数， 其励磁输出所产生的转矩相对于输入信号 必然有一定的延时， 正是这种延时 才使励磁装置产生的负阻尼转矩。 当然，并不是所有励磁装置都产生负阻尼，理论和实践都证明，在单机-无穷大系统的 完整的线性模型，又称 Phillips-Heffron 模型中，只有当参数 K5 为负时，阻尼转矩才为负。 在远距离重负荷输电的单机-无穷大系统中， 由于 K5 可能变负值， 并且由于高放大倍数快速 响应励磁系统的存在， 可能导致系统中的阻尼为负， 这时如果实际存在的发电机电气16的和

24、机 械的正阻尼较小，则该系统可能发生低频振荡。8 MD1 M1 MS M3M4 MD2 图 1-6M2 图 1-7M2 PSS 的附加电磁转矩图电磁转矩矢量图b PSS 的基本原理 在考虑励磁装置产生负阻尼情况下，单机- 无穷大系统的电磁转矩位于 坐标的 第四象限，因与转速相位方向相反，它给系统提供的是负阻尼转矩，如图 1-17 中的M2。 这时如果能提供一个位于第一象限的附加电磁转矩M3，则M2 和M3 的矢量和M4 就可 以在第一象限，此时的M4 与转速相位方向相同，它给系统提供具有正的同步转矩和阻尼 转矩，低频振荡将受到抑制。这个第一象限的附加电磁转矩M3 可以引进附加控制信号的 PSS

25、 来获得，这就是 PSS 的基本原理。 PSS 励磁附加控制器，是一种附加反馈控制，即在励磁调节器中，除了引入发电机端电 压作为主要控制信号外，再引入一个超前 附加控制信号，作用于调节器，如图 1-1 中的 其他信号，改变励磁输出，使整个励磁装置产生正阻尼转矩，从而提高系统稳定性。PSS 一 般由两部分组成，第一部分是附加信号的检测单元，常用的附加输入信号有f 和P，因为 这两种信号都可以采用电气测量方法得到， 实施比较简单， 且二者很容易转换成 和。 为了保证 PSS 只在低频振荡发生时起作用， 测量单元必须有一个低通滤过器和直流信号隔离 环节，只让低频振荡信号输入。第二部分是附加信号放大和

26、相位超前单元，合理选择 PSS 的放大倍数和相位补偿角， 就能使 PSS 输出一个超前于 的附加控制电压， 该控制电压通 过调节器，改变励磁控制电压，最终达到励磁装置输出正阻尼转矩的目的。 C PSS 的应用效益和适应性 PSS 的应用效益主要有三个方面：第一是抑制低频振荡，许多试验结果都证明，在系统 发生低频振荡时投 PSS，经过 12 个周波振荡就完全平息了；第二是提高静稳定的功率极 限，具有 PSS 附加功能的调节器，可采用较大电压放大倍数，提高电压调节精度，维持发电 机端电压 Ut 不变， 使单机-无穷大系统的静稳极限接近线路的功率极限；第三是有利于暂态 稳定,能够在一定频率范围内提供

27、正阻尼，抑制大扰动第一摇摆之后的后续振荡，缩短后续 摇摆过程。1985 年葛洲坝二江电厂低频振荡抑制试验，可以使线路输送能力提高 20%，能有 效平息低频振荡。 在单机- 无穷大系统中应用 PSS 的适应性问题有两面性：一方面，由于 PSS 参数是在某 个低频振荡频率设计和整定的，当系统参数发生变化时，PSS 不可能在所有的运行方式下都 具有最好的应用效果； 另一方面， 不论运行方式怎么变， 低频振荡频率范围都在 0.22.5HZ 之内，17PSS 总会有一定的阻尼补偿作用，决不会恶化系统的阻尼，因此 PSS 具有一定的适应 性。至于在多机电力系统中，首先要解决 PSS 最佳安装地点和 PSS

28、 参数的协调整定问题，否 则，即使所有机组都装设 PSS，在一定条件下仍会出现低频振荡。3 阻尼单元原理简介9葛洲坝二江电厂发电初期，低频振荡时有发生，严重的影响了电力系统的稳定。针对这 种情况， 葛洲坝电厂联合华中理工大学共同研究新型励磁附加控制器阻尼单元。 这是一种 以发电机端电压偏差 Ut 作为附加控制信号的“PSS” ，结构简单，调试方便，试验结果较 好。阻尼单元在葛洲坝电厂大部分机组上投运过，后来因葛洲坝大江电厂发电，葛洲坝电厂 的系统主接线发生了很大变化，再加之该单元有时运行不稳定，于是又都退出了运行。 分析阻尼单元的工作原理， 同样要涉及到增益高、 速度快的励磁系统产生负阻尼转矩

29、问 题：同步发电机受到扰动，其功角 会产生摇摆。当 增大时，发电机端电压 Ut 要下降， 励磁装置又不让 Ut 下降，就去增加励磁电流。由于转子回路的惯性时间常数较大，励磁电 流的增长滞后 的变化，这样当 减少时，励磁装置虽然也发出减少励磁电流的信号，但励 磁电流有可能仍在增加， 造成 减少过度， 即 回摆幅度增大， 这就助长了的摇摆， 对此， 我们就说励磁装置产生负阻尼转矩。很显然，要利用调节器中的Ut 作为附加控制信号，只 需将Ut 进行低通滤波和相位超前即可。正是如此，整个阻尼单元只用了两个运算放大器， 一个组成低通过滤器，另一个组成微分电路。前者只让 0.22.5HZ 低频振荡的Ut

30、进入阻 尼单元，使其尽量减少对调节器正常工作的影响；后者将以进入阻尼单元的Ut 进行微分， 使其输出信号的相位超前输入信号 90 度，这个角度可以补偿转子回路的延时，从而使励磁 装置输出正阻尼转矩。4 最优励磁控制器简介尽管励磁附加控制器对抑制低频振荡、 提高电力系统稳定性有着明显的作用， 但是也存 在适应性较差， 现场调试麻烦， 对提高暂态稳定作用甚微以及在多机系统中应用协调困难等 缺点。为解决这些问题，进一步提高电力系统稳定性并改善其动态品质，国内外学者对励磁 控制规律进行了大量的研究。 先是线性最优控制理论被引入电力系统， 研究开发出线性最优 励磁控制器（Linear Optimal E

31、xcitation Controller）简称 LOEC，目前，葛洲坝电厂使用的 MEC 型多微机励磁控制器，就是采用 LOEC 技术。近年来，非线性控制系统的微分几何结 构理论又被引入励磁控制规律，研究出非线性励磁控制器（Nonlinear Excitation Controller） 简称 NEC，也在一定范围内得到使用。 a 线性最优励磁控制原理 最优控制理论是设计最优控制系统， 使其性能指标最优的理论和方法， 它是现代控制理 论一个重要组成部分。在单机-无穷大系统中，最优励磁控制系统的设计目标是使系统的状 态偏差连同控制量一起达到最小， 这就意味着系统的电压质量、 阻尼转矩和同步转矩将

32、同时 得到改善。线性最优励磁控制，以提高系统调压精度，静态稳定和动态稳定为目标，将非线 性的电力系统简化为线性模型，采用计算机技术，使其规定的性能指标达到最佳。 在一个完整的单机-无穷大系统中，全部变量有六个，即 Pe、Eq、 Ut、Uf。一个系统的状态变量的选取，应当是那些重要的、独立的、对性能指标影响较大 的、易于测量的变量。对于采用励磁机励磁的发电机一般采用Pe、Ut 、Uf 四 个变量，对于采用可控硅静止励磁的发电机一般采用Pe、 、Ut 三个变量。通过这些 采用二次型性能指标， 解黎卡梯方程， 便可求出最优控制向量。 变量得到状态方18程 X=AX+BX， 在这个最优控制向量里，有相

33、对 Pe、Ut 、Uf 四个变量的最优控制参数：功率 反馈增益 KP、角速度反馈增益 K、端电压反馈增益 KV、励磁电压反馈增益 KUf。总之， 最优励磁控制理论与技术和采用常规调节器相比，主要有以下两点革新：第一，将单参量辅 助反馈 Ut 改进为多参数反馈( 反馈量为电压 Ut，功率 Pe，转速 和转子电压 Uf)； 第二，运用“线性、二次型、黎卡梯”(LQR)这一成熟的控制方法，求得多个反馈量之间的 最恰当放大倍数匹配关系，因而实现“最优化控制”。 常规励磁调节器对电压偏差 Ut 进行比例、积分、微分控制，简称 PID 调节。比例就 是对电压偏差按比例放大；积分是对微小偏差进行累计求和，以

34、达到消除这些偏差，提高调10压精度；微分将动态的输入信号相位超前，使调节器能作出快速的反应。尽管该微分电路提 供的超前相位，也会减少（即补偿）励磁电流的滞后相位，因而在一定程度上补偿负阻尼转 矩。但是，PID 是针对电压信号而设计的，它产生超前相位频率与低频振荡的频率不一定相 同，它也不能兼顾电压性能与阻尼的要求，按电压进行 PID 控制的励磁系统对于抑制低频 振荡的作用是有限的。 PID 励磁控制调节规律可以用比例系数 KP、积分系数 KI、微分系数 KD 和电压偏差 U=-（KP+KI+KD）Ut 。 对照线性最优励磁控制规律表达式： U=-（KPPe +K Ut 来表达： +KVUt）,

35、不难发现，线性最优励磁控制不仅对电压偏差进行调节，还对功率和角 速度偏差进行调节， 其目的是既要达到常规励磁调节器的电压调节要求， 又要达到附加励磁 控制器抑制低频振荡，提高系统稳定性。b 非线性最优励磁控制原理 理论和试验都证明， 线性最优励磁控制， 能有效的提高电力系统的静态稳定和动态稳定 性，但对系统的暂态稳定作用甚微。目前我国电网，低频振荡和小干扰稳定性的改善固然重 要，但更具重要意义的是要提高其暂态稳定水平，为此迫切需要发展直接按多机系统、精确 非线性模型设计的最优励磁控制器。 在过去的十年里，国际上基于微分几何方法的非线性系 统控制理论有了较系统的发展，美国将其用于如飞行器和机器人

36、等控制系统。在我国，科研 人员将其用于复杂电力系统， 并发展了这种理论， 使我国在该前沿学科领域占有国际上一席 之地。 非线性励磁控制器， 首先用非线性微分方程式来描述发电机励磁控制系统， 接着使用非 线性控制系统的微分几何结果理论， 通过坐标变换将发电机非线性励磁控制系统变换成完全 可控的线性系统，从而得到非线性励磁控制规律。非线性励磁控制器一般使用、 Pe 和 Ut 四个变量，其控制规律有以下特点：第一，其中仅含有受控发电机可测的状态 变量，所以实现了真正的分散控制；第二，仅含有受控机组本身的参数如 Td0 等，故对网络 结构的变化有完全的自适应能力(鲁棒性)；第三，由于在求解该控制律中，

37、未对模型作近似 线性处理，该控制规律对“小干扰” 和“ 大干扰”同样适用；第四，该控制规律对一类二次 型性能指标是最优。 应着重指出， 非线性励磁控制规律采用发电机全状态量非线性最优反馈， 这对电力系统的大小干扰都起着镇定(Stabilizing)作用。从这个意义上可以说它是：全状 态量非线性最优的 PSS(Power System Stabilizer)。动模试验证明，发电机非线性励磁控 制器，不仅可显著的改善电力系统稳定性，同时还达到了较高的电压调压精度的要求。发电 机非线性励磁控制器， 在暂态过程中对电压调节的质量是任何其他励磁控制方式所不可比拟 的。1.3葛洲坝电厂励磁系统概述葛洲坝电

38、厂由二江电厂和大江电厂组成，其中二江电厂装机 7 台，其主要铭牌参数见表 191-1，大江电厂装机 21 台，其主要铭牌参数见表 1-2。葛洲坝电厂励磁系统 1F19F 采用交 流侧串联自复励静止可控硅励磁方式，20F21F 采用自并励静止可控硅励磁方式。整流电 路即功率柜为可控硅三相全控桥电路， 且多柜并联。 大部分调节器采用葛洲坝电厂能达公司 生产的 MEC 多微机励磁控制器。灭磁电阻使用非线性电阻（氧化锌和炭化硅电阻） ，其灭 磁方式为灭磁开关配合非线性电阻灭磁， 发电机转子过压保护也是用非线性电阻来吸收。 表 1-3 是二江电厂励磁系统主要设备配置一览表， 1-4 是大江电厂励磁调节器

39、配置表， 1-5 表 表 比较了大江电厂各类励磁调节器性能，表 1-6 是大江电厂功率柜配置表，表 1-7 是大江电厂 灭磁系统配置表。从上可见，大江电厂励磁系统较二江电厂配置复杂，设备种类较多。 表 1-1 二江电厂发电机铭牌参数表 参 数 名 称 单位1112F34F型 式 容 量 额定功率 额定电压 额定电流 额定功率因数 额定励磁电流 额定励磁电压 转子电阻（75） 空载励磁电流 纵轴电抗（Xd ） 纵轴瞬变电抗（X/d） 纵轴超瞬变电抗（X/d） 短路比 转子磁极对数 定子槽数 接线方式 额定频率 励磁方式 接地方式 生产厂家MVA MW KV KA COS KA V KA 对极 槽

40、 HZTS1760/200-110 194.2 170 13.8 8.125 0.875 2.077 497 0.202 1.289 0.54 0.3055 0.197 1.33 55 990 5Y 50 静止可控硅自复励 消弧线圈 东方电机厂SF125-96/15600 143 125 13.8 5.98 0.875 1.653 498 0.248 0.925 0.358 0.37 0.23 1.1 48 792 3Y 50 静止可控硅自复励 消弧线圈 哈尔滨电机厂表 1-2 大江电厂发电机铭牌参数表 机组号 型 式 容 量 额定功率 额定电压 额定电流 额定功率因数 额定励磁电流 额定励磁

41、电压 转子电阻（75） 空载励磁电流 接线方式 额定频率 励磁方式(20F、21F 除外) 接地方式 生产厂家 8F11F、16F19F SF125-96/15600 143 125 13.8 5.98 0.875 1590 450 0.248 0.876 3Y 50 静止可控硅自复励 消弧线圈 哈尔滨电机厂 12F14F、20F21F SF125-96/15600 143 125 13.8 5.98 0.875 1553 450 0.257 0.830 3Y 50 静止可控硅自复励 消弧线圈 东方电机厂MVA MW KV KA COS KA V KA HZ表 1-3 二江电厂励磁系统主要设备

42、配置一览表 调节器 整流柜 并联变 SG 2400/13.812串联变 CDT-800/15 单相 3 台灭磁系统 DM4-2500/08 364 片 ZnO110主接线 交流侧串 联自复励大 MEC-31 STR-1600/800 机 3 柜小 MEC-31 STR-1600/800 机 2 柜ZSG 2400/13.8CDT-1000/15 单相 3 台DM4-1600/08 348 片 ZnO交流侧串 联自复励表 1-4 大江电厂励磁调节器配置表 调节器型号 DLS15A LT-06B SILCO-4 SJ-820 MEC-31 制造厂家 东方电机厂 洪山电工厂 CGE 南自院 能达公司

43、 类型 模拟式 模拟式 模拟式 数字式 数字式 结构 双通道 双通道 双通道 双通道 三通道 功能 不全 较全 全 全 全 使用机组 15F 10F 20F、21F 11F 其余机组表 1-5 大江电厂励磁调节器性能比较表 调节器型号 调节方式 无功补偿 强励限制 无功进相限制 PT 断线保护 U/F 限制 无功过载限制 转子过压抑制 同步断线保护 风压检测 脉冲检测 掉相检测 风机开闭检测 整流桥导通检测 跨接器过流保护 整流变过流保护 整流桥过流保护 整流桥温度保护 转子温度模拟 转子接地检测 SILCO-4 PID+PSS 有 有 有 有 有 有 有 无 有 有 有 有 有 有 有 有

44、有 有 有 DLS15A P 有 有 有 有 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 LT-06 P 有 有 有 有 有 有 无 无 无 有 有 无 无 无 无 无 无 无 无 SJ-820 PID+PSS 有 有 有 有 有 有 无 有 无 有 无 无 无 无 无 无 无 无 无 MEC-31 线性最优 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 无 无 无 无 无 无 无 无 无表 1-6 大江电厂励磁整流柜配置表 整流柜型号 DLS15A STR-1600A SILCO-4 KZF-3 制造厂家 东方厂 能达 CGE 哈尔滨厂 串联元件 2 只 1 只 1 只 2 只 并联元件 5 只 2 只 4只 5 只 通风结构 单柜抽风 整体风道 整体风道 单柜抽风 保护功能 较全 较全 很全 较全 使用机组 13F、15F 12F、 14F 20F、21F 其余机组13表 1-7 大江电厂灭磁系统配置表 灭磁开关型号 ASLGG-4000 AMF-1B DM4-1600 制造厂家 ASEA CGE 立新开关厂 灭磁方式 单断口+SiC 三断口+SiC 双断口+ZnO 过压保护方式 跨接器+SiC 跨接器+SiC 跨接器+ZnO 使用范围 12F、14F 20F、21F 其余机组1葛洲坝电厂励磁方式