【正文】 元自 動(dòng) 勵(lì) 磁調(diào) 節(jié) 器I gIU勵(lì)磁系統(tǒng)U gY HL H 圖 11 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁 控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖 在電力系統(tǒng)發(fā)展初期，同步發(fā)電機(jī)容量較小，勵(lì)磁電流通常由與發(fā)電 2 機(jī)組同軸的直流發(fā)電機(jī)供給，即直流勵(lì)磁機(jī)方式。隨著發(fā)電機(jī)容量的提高，所需勵(lì)磁電流也隨之增大，而直流勵(lì)磁機(jī)由于存在機(jī)械整流環(huán)，功率過大時(shí)制造存在困難，因此在大容量的發(fā)電機(jī)組上很少采用。同步發(fā)電機(jī)半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中的直流勵(lì)磁電流是通過把交流勵(lì)磁電源經(jīng)半導(dǎo)體整流后得到的。根據(jù)交流勵(lì)磁電源的不同種類，同步發(fā)電機(jī)半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)又可分為兩大類： 這類勵(lì)磁系統(tǒng)采用與主發(fā)電機(jī)同軸的交流發(fā)電機(jī)作為交流勵(lì)磁電源，經(jīng)二極管、晶閘 管或全控功率器件進(jìn)行整流后，供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁；這類勵(lì)磁系統(tǒng)由于交流勵(lì)磁電源取自軸功率，即主發(fā)電機(jī)之外的獨(dú)立電源，故稱為他勵(lì)半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱他勵(lì)系統(tǒng)。用作勵(lì)磁電源的同軸交流發(fā)電機(jī)稱為交流勵(lì)磁機(jī) 。 這類勵(lì)磁系統(tǒng)通常采用變壓器提供交流勵(lì)磁電源，勵(lì)磁變壓器接在發(fā)電機(jī)機(jī)端或廠用電母線上。因勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)自身或發(fā)電機(jī)所在的電力系統(tǒng)，故這種勵(lì)磁方式稱為自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱自勵(lì)系統(tǒng)。 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的作用 維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定水平 在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行條件下，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)維持發(fā)電機(jī)機(jī)端 （或指定控制點(diǎn)）電壓在給定水平。通常當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓將隨之變化，這時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)將自動(dòng)的增加或減少發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使機(jī)端電壓維持在一定的水平上，保證有一定的調(diào)壓精度。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，通過勵(lì)磁系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)作用，應(yīng)限制機(jī)端電壓不致過分升高。維持發(fā)電機(jī)機(jī)端（或制定控制點(diǎn)）電壓在給定水平上是勵(lì)磁控制系統(tǒng)最基本和最重要的作用。 提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性 當(dāng)系統(tǒng)受到小的擾動(dòng)后，發(fā)電機(jī)能繼續(xù)保持與系統(tǒng)同步運(yùn)行特性稱為電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是增大輸送距離和提高輸送功率。這 需要解決許多技術(shù)問題。而其中最重的和最基本的困難之一是同步發(fā)電機(jī)只具有較小的靜態(tài)穩(wěn)定性。但由于自動(dòng)勵(lì)磁的調(diào)節(jié)裝置的出現(xiàn)，使這一問題得到了圓滿的解決。 我們知道，對(duì)于一條交流輸電線路，在不計(jì)電阻損耗的前提下，其上流動(dòng)的有功功率 P 與線路兩端電壓 1U 、 2U ，線路電抗 X 間的關(guān)系為： 3 12sinUUP X ?? （ 11） 其中， ? 為兩端電壓之間的電角度差。在 ? =90o 時(shí)線路達(dá)到所能輸送的極限功率，即 12m UUP X? 對(duì)于單機(jī) —— 無窮大母線系統(tǒng)，不考慮凸極效應(yīng)和定子電阻。發(fā)電機(jī)送出的有功功率 P 可用以下兩式表示 s inqse q E qd T LEUPX X X ?? ?? （ 12） s intsU t U tTLUUP XX ?? ? （ 13） 式中： Eq? 為 Eq 與 Us 間的電角度差； Ut? 為 Ut 與 Us 間的電角度差； Xd 為發(fā)電機(jī)同步電抗； Xt 為變壓器電抗； XL 為線路電抗； Eq 為發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)（勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)）； Ut 為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓； Us 為無窮大母線電壓。 在發(fā)電機(jī)不進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，即 Eq=Eq0 不變的條件下，極限功率角為Eq? =90o ， 線路所能傳送的靜穩(wěn)極限功率為： m E qqsd T LEUPX X X? ?? （ 14） 當(dāng)有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，并且具有足夠能力維持發(fā)電機(jī)端電壓為恒定不變時(shí)，極限功率角為 Ut? =90o ，此時(shí)線路所能輸送的靜穩(wěn)極限功率為 tsmUtTLUUP XX? ? （ 15） 由于同步發(fā)電機(jī)內(nèi)電抗較大，通常 PmUt 要大于 PmEq。 這樣，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器實(shí)際上起到了補(bǔ)償發(fā)電機(jī)內(nèi)電抗的作用。最初的復(fù)勵(lì)和電壓校正器由于允許的反饋增益系數(shù)較小，通常只相當(dāng)于補(bǔ)償?shù)?39。d dXX? 那一段內(nèi)阻抗，這時(shí)靜穩(wěn)功率極限只提高到 39。qE 維持不變的功角特性最大值。靈敏快速的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可以維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓恒定，相當(dāng)于補(bǔ)償了全部發(fā)電機(jī)的 d 軸同步電抗，即達(dá)到線路靜穩(wěn)功率極限。 改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)遭受到大干擾（如短路，斷線等） 4 時(shí)，能否 維持同步運(yùn)行的能力?？偟膩碚f，調(diào)節(jié)勵(lì)磁對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的改善沒有對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定那樣顯著。勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)提高暫態(tài)穩(wěn)定而言，表現(xiàn)在強(qiáng)行勵(lì)磁和快速勵(lì)磁的作用上。 當(dāng)系統(tǒng)受到小的擾動(dòng)后，發(fā)電機(jī)能繼續(xù)保持與系統(tǒng)同步運(yùn)行特性稱為電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是增大輸送距離和提高輸送功率。這需要解決許多技術(shù)問題。而其中最重的和最基本的困難之一是同步發(fā)電機(jī)只具有較小的靜態(tài)穩(wěn)定性。但由于自動(dòng)勵(lì)磁的調(diào)節(jié)裝置的出現(xiàn)，使這一問題得到了圓滿的解決。 只有勵(lì)磁電壓上升快速并且頂值電壓高的勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)于改善暫態(tài)穩(wěn)定才有較顯著的作用，快速強(qiáng) 勵(lì)可減少加速面積，增加減速面積，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。由于提高勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)受到勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)制造成本的制約以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)較大使勵(lì)磁電流上升速度受到限制等原因，使得靠勵(lì)磁控制來提高暫穩(wěn)極限的幅度不可能像提高靜穩(wěn)極限那么顯著，但其提高暫穩(wěn)極限的效益還是明顯的。良好的勵(lì)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。 改善電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是研究電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，恢復(fù)原始平衡點(diǎn)（瞬時(shí)擾動(dòng)）或過度到新的平衡點(diǎn)（大擾動(dòng)后）的過程穩(wěn)定性。研究的前提是： 平 衡點(diǎn)（或新的平衡點(diǎn)）是靜態(tài)穩(wěn)定的； 。 電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題，可以理解為電力系統(tǒng)機(jī)電震蕩的阻尼問題。當(dāng)阻尼為正時(shí)，動(dòng)態(tài)是穩(wěn)定的；阻尼為負(fù)時(shí)，動(dòng)態(tài)是不穩(wěn)定的；阻尼為零時(shí)，是臨界狀態(tài)。零阻尼或很小的正阻尼，都是電力系統(tǒng)運(yùn)行中的不安全因素，應(yīng)采取措施提高系統(tǒng)的阻尼特性，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。研究表明，按電壓偏差調(diào)節(jié)的比例式快速勵(lì)磁系統(tǒng)，會(huì)造成電力系統(tǒng)機(jī)電震蕩阻尼變?nèi)?。在一定的?lì)磁方式和勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)下，快速勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)作用，在維持發(fā)電機(jī)電壓恒定的同時(shí)，將產(chǎn)生負(fù)的阻尼作用，當(dāng)系統(tǒng)總阻尼 較小時(shí)，就容易導(dǎo)致低頻振蕩的發(fā)生。目前解決這一問題的方法，是在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上附加一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，稱為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。此外，采用現(xiàn)代控制理論的勵(lì)磁控制器，如線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器、自適應(yīng)勵(lì)磁控制器和非線性勵(lì)磁控制器等勵(lì)磁系統(tǒng)，也能有效的抑制各種頻率的低頻震蕩。 當(dāng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生突變、線路結(jié)構(gòu)參數(shù)改變，以及電力系統(tǒng)遭受突然短路等故障時(shí)，電力系統(tǒng)能否繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，稱為電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，這也是同步發(fā)電機(jī)的重要性能之一。增加勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)能力，降低勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，是提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的有效措施。 5 在并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)間合理分配無功功率 多臺(tái)發(fā)電機(jī)在母線上并列運(yùn)行時(shí)，他們輸出的有功決定于輸入的機(jī)械功率，而發(fā)電機(jī)輸出的無功則和勵(lì)磁電流有關(guān)，控制并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)之間無功分配是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能。各并聯(lián)發(fā)電機(jī)間承擔(dān)的無功功率的大小取決于各發(fā)電機(jī)的調(diào)差特性，即發(fā)電機(jī)端電壓和無功電流的關(guān)系。 當(dāng)母線電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)無功電流的增量與電壓偏差成正比，與調(diào)差系數(shù)成反比。通常我們希望發(fā)電機(jī)間的無功電流應(yīng)當(dāng)按照機(jī)組容量的大小成比例的進(jìn)行分配，即大容量機(jī)組擔(dān)負(fù)的無功增量應(yīng)大些，小容量機(jī)組擔(dān)負(fù)的無功增量相 應(yīng)小寫，這樣就可使得各機(jī)組無功增量的標(biāo)幺值相等。由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可對(duì)調(diào)差系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以就可以達(dá)到機(jī)組間無功負(fù)荷合理分配的目的。 基本工作電路 基本工作電路是可控勵(lì)磁裝置向發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流并完成自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)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(diào)差：將發(fā)電機(jī)輸出電壓變換成自動(dòng)檢測(cè)所需的電壓信號(hào)，并復(fù)合無功電流的變化量，輸出一個(gè)既可反映電壓差變化又能反映無功電流變化量的信號(hào)源。自動(dòng)檢測(cè)比較：對(duì)電源變換與無功調(diào)差電路輸出的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將發(fā)電機(jī)端電壓 的偏移和功率因數(shù)的變化量與給定值進(jìn)行比較，輸出一個(gè)直流電壓偏差信號(hào)，經(jīng)過放大后去控制可控硅的導(dǎo)通角。電壓偏差和無功電流變量綜合放大：由于自動(dòng)檢測(cè)比較電路的輸出信號(hào)比較微弱，為了滿足勵(lì)磁系統(tǒng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的自動(dòng)調(diào)節(jié)精度，故必須加以放大。此外，由于除了自動(dòng)檢測(cè)的偏差信號(hào)之外，還有其他輔助控制信號(hào)（如過勵(lì)限制、欠勵(lì)限制等）的綜合作用，共同作用于移相觸發(fā)電路。移相觸發(fā)電路：將綜合并放大的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于各相可控硅的移相觸發(fā)脈沖。勵(lì)磁功率輸出電路：一般由勵(lì)磁電源和可控變流器件組成，可控變流器件由移相觸發(fā)脈沖進(jìn)行控制。 改變移相觸發(fā)脈沖的相位即可改變功率輸出單元的輸出電壓，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的目的。 輔助工作電路 輔助工作電路是為了使發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行而設(shè)置的各種保護(hù)電路和便于運(yùn)行操作的附加裝置。主要有： ：?jiǎn)?dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的剩磁無法建立電壓時(shí)， 6 要利用起勵(lì)電路供給發(fā)電機(jī)初始勵(lì)磁電流。 、自動(dòng)控制方式切換電路：在發(fā)電機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)，線路遞升加壓和繼電保護(hù)試驗(yàn)時(shí)，必須由手動(dòng)方式調(diào)節(jié)勵(lì)磁。此外，手動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電路還可作為自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電路故障時(shí)的備用。 ：為了防止勵(lì)磁電流過分降低時(shí)，發(fā)電 機(jī)定子電流和電壓關(guān)系由滯后的功率因數(shù)角變?yōu)槌暗墓β室驍?shù)角，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)生進(jìn)相運(yùn)行，使機(jī)組失去穩(wěn)定或危及機(jī)組的安全運(yùn)行，故設(shè)置欠勵(lì)限制電路。 ：當(dāng)系統(tǒng)電壓劇降時(shí)，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，為了保證發(fā)電機(jī)和可控整流橋的安全，故設(shè)置過勵(lì)限制電路將轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流限制在安全范圍內(nèi)。 ：在自并勵(lì)型可控硅靜止勵(lì)磁系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓過度降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁變壓器副邊電壓過低，使勵(lì)磁系統(tǒng)無法工作。這時(shí)裝設(shè)低電壓觸發(fā)電路可使可控硅元件在瞬間完全導(dǎo)通，迅速提升勵(lì)磁電流。 勵(lì)磁控制方式研究現(xiàn)狀 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性起著重要的作用，隨著快速勵(lì)磁系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，勵(lì)磁控制對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響效果越來越明顯，科技工作者對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)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(gè)方面 :一是勵(lì)磁方式的改進(jìn)，二是勵(lì)磁控制方式的改進(jìn)。這兩方面是相互聯(lián)系的。隨著控制理論的不斷發(fā)展，勵(lì)磁控制方式主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)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。 基于單變量控制方式 單變量控制階段的控制規(guī)律是按發(fā)電機(jī)端電壓偏差 ? Vt 的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)或 ? Vt 的比例一積分一微分進(jìn)行調(diào)節(jié) (PID 調(diào)節(jié)方式 )。運(yùn)用古典控制理論建立按 ? Vt 的比例進(jìn)行的勵(lì)磁調(diào)節(jié)是由于無法對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)模型描述而采取的一種簡(jiǎn)單實(shí)用的控制方法，但對(duì)增益 K 的調(diào)整卻出現(xiàn)了矛盾。要使閉環(huán)系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，必須將增益 K 的值限制在一定范圍，而要提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度就得使增益 K 大于某一值，有時(shí)這二者是無法滿足的。隨 之，就誕生了 PID 調(diào)節(jié)方式，它在一定程度上緩和了對(duì)單反饋量的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，按系統(tǒng)穩(wěn)定性與按穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度對(duì)調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)要求之間的矛盾，它就相當(dāng)于一臺(tái)可自動(dòng)改變?cè)鲆娴谋壤秸{(diào)節(jié)器。 基于現(xiàn)代控制理論的多變量控制方式 為了進(jìn)一步改善與提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)與小干擾穩(wěn)定性，多變量 7 反饋的勵(lì)磁控制方式便逐步發(fā)展起來。具有代表性的方法就是增加了 PSS環(huán)節(jié)的 PID 勵(lì)磁控制和 LOEC 線性最優(yōu)勵(lì)磁控制。所謂 PSS 的控制方式，實(shí)際上是采用雙狀態(tài)變量的反饋控制方式，就是在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中除了用狀態(tài)量 ? Vt 作為反饋量外再引入一附加鎮(zhèn)定參量。為了得到盡可能好的控制效果，所引的鎮(zhèn)定參量不是直接進(jìn)行反饋于另一反饋量 ? Vt 相加，而是經(jīng)過一定的校正環(huán)節(jié)后再與反饋量 ? Vt 相加，目前所采用的附加鎮(zhèn)定參量種類有轉(zhuǎn)速 ? w，發(fā)電機(jī)端電壓的頻率 ? f，發(fā)電機(jī)電磁功率 ? pe。 PSS環(huán)節(jié)的存在，在其參數(shù)設(shè)計(jì)和選取得比較合適的條件下，可使原有的 PID控制系統(tǒng)主導(dǎo)特征值左移，起到改善電力系統(tǒng)阻尼特性和小干擾穩(wěn)定性的作用。 為了進(jìn)一步改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)品質(zhì)，科學(xué)工作者提出了線性最優(yōu)勵(lì)磁控制方式，簡(jiǎn)稱 LOEC。該控制方式由于考慮了電力系統(tǒng)多個(gè)控制目標(biāo)的綜合，并采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)，因而具有更好的動(dòng)態(tài)性能，在魯棒性和適應(yīng)性上也有很大的改善。彌補(bǔ)了 PSS 控制方式的不足之處。最優(yōu)控制理論的主要特點(diǎn)是 :不是建立在傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，而是建立在空間狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上 ，是基于系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法 。適用于多控制量的系統(tǒng) ?？梢愿鶕?jù)被控對(duì)象的實(shí)際要求，用解析的方法得出最優(yōu)控制規(guī)律，以保證要求的性能指標(biāo)達(dá)到極值 。不局限于常系數(shù)線性系統(tǒng)，而亦適用于時(shí)變的線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)及離散系統(tǒng)等。描述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程是一系列非線性方程，線性最優(yōu)控制將這些非線性方程在時(shí)域內(nèi)逐點(diǎn)線性化，計(jì)算出最優(yōu)控制規(guī)律?？刂菩Чc PSS 相比，可提高發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn) 20%，提高暫穩(wěn) 30%。其局限性之一是線性化的結(jié)果與實(shí)際的非線性方程有一定的偏離；其二是當(dāng)電力系統(tǒng)的接線方式發(fā)生變化，其描述系統(tǒng)的狀態(tài)方程將和實(shí)際的系 統(tǒng)出現(xiàn)偏差而導(dǎo)致控制性能出現(xiàn)微小的下降。但這種控制規(guī)律比起 PID+PSS 仍然具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它是基于電力系統(tǒng)狀態(tài)變量的線性組合，這種控制方式具有以下優(yōu)點(diǎn) :第一，可直接根據(jù)解析結(jié)果整定控制器的最