【正文】 ....................................... 35 致謝 .................................................................................................................... 36 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................ 37 附 錄 A ............................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附 錄 B .......................................................................................................... 38 1 第 1章 緒論 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁裝置是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，它是供給同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源的一套系統(tǒng)。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。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。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。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。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。彌補(bǔ)了 PSS 控制方式的不足之處。再次在多機(jī)系統(tǒng)線性最優(yōu)分散協(xié)調(diào)勵(lì)磁控制中，由于只能獲取有限的狀態(tài)變量，因此只能獲得相對(duì)次最優(yōu)的控制效果。 近年來，許多學(xué)者將微分幾何方法引入到發(fā)電機(jī)非線性勵(lì)磁控制規(guī)律的設(shè)計(jì)中，取得了較為滿意的控制效果。 智能控制方法 隨著智能控制理論的迅速發(fā)展，模糊邏輯勵(lì)磁控制 、基于規(guī)則 (專家系統(tǒng) )的勵(lì)磁控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勵(lì)磁控制、基于迭代學(xué)習(xí)算法的勵(lì)磁控制等許多先進(jìn)控制策略被廣泛地應(yīng)用到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制中。 將針對(duì)大型電力系統(tǒng)任意信息模式下的協(xié)調(diào)控制理論和針對(duì)小型孤立系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來，解決大系統(tǒng)下考慮參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定性的魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制問題。 美國(guó)學(xué)者 和 采用古典控制理論中的相位補(bǔ)償原理，于 1969 年提出了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輔助勵(lì)磁控制策略，從而形成了“ AVR+PSS”結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁控制器。此外奧地利 ELIN 公司、德國(guó)SIEMENS 公司和英國(guó)的 GEC 公司等也都相繼生產(chǎn)出微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。 過勵(lì)反時(shí)限限制值一般比啟動(dòng)值減少 (5%～ 10%)Ifn,以釋放積累的熱量 ,也可限制到啟動(dòng)值 ,再由操作人員根據(jù)過勵(lì)限制動(dòng)作信號(hào)減少磁場(chǎng)電流。從勵(lì)磁機(jī)負(fù)載特性曲線上 ,由頂值電流倍數(shù)決定的發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓 ,獲得頂值電流瞬時(shí)限制值。在此期間有可能完成電壓互感器斷線、調(diào)節(jié)器死機(jī)、電源故障、同步故障等的判斷和通道切換。 2)檢查無誤后開啟“電源總開關(guān)”，“停止”按鈕指示燈亮，表示實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)線已接通電源，但還不能輸出電壓。 3)可調(diào)直流穩(wěn)壓輸出設(shè)有過壓和過流保護(hù)告警指示電路。 3)按圖正確接線 根據(jù)實(shí)驗(yàn)線路圖及所選 組件、儀表，按圖接線，接線力求簡(jiǎn)單明了。 20 自動(dòng) — 手動(dòng)控制切換操作要點(diǎn) 1．正常運(yùn)行中的切換：當(dāng)需要從自控切換到手控，或者相反操作時(shí)，可按如下步驟進(jìn)行：①按下 UK 校準(zhǔn)按鈕 SB 將控制電壓表切換至運(yùn)行控制檔，讀取運(yùn)行控制電壓。同時(shí)應(yīng)著重監(jiān)視過勵(lì)限制單元的運(yùn)行情況。C 。其余操作同①中的（ C）～（ E）。必要時(shí)應(yīng)重新調(diào)整工作點(diǎn)。處理：①旋動(dòng)勵(lì)磁整定電位器 ，檢查比較電路輸出電壓△ U 是否在要求范圍內(nèi)變化；否則應(yīng)著重檢查測(cè)量電路的整流二極管、濾波電容及比較電路的穩(wěn)壓管是否損壞，電路中是否有虛焊及脫焊現(xiàn)象，連接導(dǎo)線是否正確或開斷；②若△ U正常，則應(yīng)檢查放大電路輸出的控制電壓 UK 是否在要求范圍內(nèi)變化；否則應(yīng)著重檢查晶體管是否損壞、工作電壓是否正常。 原因：是勵(lì)磁繞組極性接反，其情況一般發(fā)生在無外接直流電源的自激起勵(lì)方式在安裝或檢修后第一次起勵(lì)時(shí)。可更換熔絲（注意不能加大），將機(jī)組增速至額定轉(zhuǎn)速后起勵(lì)。 3．三相觸發(fā)脈沖正常、手調(diào)正常，但自動(dòng)勵(lì)磁整定電位器從最小到最大時(shí)，可控橋輸出無變化。拆卸后，應(yīng)分別妥善存放，注意防潮、防壓、防臟污腐蝕。（ B）斷開 QF，迅速調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的調(diào)速器，維持 f 額定，同時(shí)迅速調(diào)節(jié)勵(lì)磁整定電位器，保持 UF 額定。C ，正常運(yùn)行中不宜經(jīng)常高于 85176。因?yàn)檫@時(shí)的自控電壓已經(jīng)不是調(diào)節(jié)裝置實(shí)際需要之值了，如果再作調(diào)整，切換后可能引起機(jī)組振蕩甚至失步解列。 6．往增方向緩慢旋動(dòng)勵(lì)磁整定電位器，發(fā)電機(jī)逐漸帶上無功負(fù)載、觀察勵(lì)磁電流表、無功功率表（或 cosφ表）亦應(yīng)平滑均勻上升，無跳躍突變現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過程中的 19 接線、接通或切斷負(fù)載、調(diào)節(jié)電壓或電流、記錄數(shù)據(jù)等項(xiàng)工作每人應(yīng)有明確的分工，以保證實(shí)驗(yàn)操作的協(xié)調(diào)和記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。 2)“可調(diào)直流電源”是采用脈寬調(diào)制型開關(guān)穩(wěn)壓電源，輸入端接有濾波用的大電容，為了不使過大的充電電流損壞電源電路，采用了限流延時(shí)保護(hù)電路。 1)開啟電源前，要檢查控制屏 下方“直流操作電源”的“可調(diào)電壓輸出”開關(guān)（右下角）及“固定電壓輸出”開關(guān)（左下角）都須在“關(guān)”的位置。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)的過勵(lì)保護(hù)主要完成通道切換 ,保持閉環(huán)控制運(yùn)行。提高電流測(cè)量準(zhǔn)確度 ,適當(dāng)減少限制過程時(shí)間 ,改進(jìn)限制失敗判斷方法 ,有可能將頂值電流下的級(jí)差進(jìn)一步減少。 過勵(lì)反時(shí)限啟動(dòng)值小于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)的啟動(dòng)值 ,大于 Ifn,一般為 (105%～ 110%)Ifn。 綜上所述，十幾年來，我國(guó)在微機(jī)勵(lì)磁控制器的研究開發(fā)領(lǐng)域取得了豐碩的成果，這些離不開各大專院校，科研院所的共同努力，同時(shí)也離不開諸如池覃、映秀灣、烏溪江、葛洲壩等電廠的創(chuàng)新精神和大力支持，各地中試所也為微機(jī)勵(lì)磁控制器的推廣應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。由于比例調(diào)節(jié)方式不能很好滿足大電力系統(tǒng)對(duì)抑制震蕩、提高靜態(tài)穩(wěn)定極限以及穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)精度等方面要求，于是便發(fā)展到按發(fā)電機(jī)端電壓偏差的比例 — 積分 — 微分 — 調(diào)節(jié)的 PID（ ProportionalIntergralDifferential）調(diào)節(jié)方式。多機(jī)系統(tǒng)中的“強(qiáng)”非線性問題 ,即考慮控制限幅、飽和、切換以及各種實(shí)際約束 (如端電壓約束 )條件下的控制系統(tǒng)綜合和分析問題。研究表明，它們具有良好的針對(duì)參數(shù)攝動(dòng)、非線性項(xiàng)和不確定的魯棒性，有很樂觀的應(yīng)用前景。但是使用這種方法有一個(gè)較大的局限就是李雅普諾夫函數(shù)不容易得到，尤其是對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型超過三階時(shí)，尋找李雅普諾夫函數(shù)非常困難。 但是， LOEC 勵(lì)磁控制方式 也存在一些不足，首先由于設(shè)計(jì)是基于平衡點(diǎn)處的近似線性化模型，因而當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離所設(shè)計(jì)的平衡點(diǎn)時(shí)或在系統(tǒng)受大干擾引起的暫態(tài)過程中，不能夠保證具有很好的控制特性，即對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)變化的魯棒性得不到保證。 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。 ：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)。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。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。 勵(lì) 磁 功率 單 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。本文著重在可控勵(lì)磁系統(tǒng)中的過勵(lì)限制方面作了重點(diǎn)分析，并設(shè)計(jì)了相關(guān)的一個(gè)過勵(lì)限制特性試驗(yàn)，對(duì)過勵(lì)限制系統(tǒng)加深了了解。勵(lì)磁裝置一般由兩部分組成，一部分用于向發(fā)電機(jī)提供直流電流以建立直流磁場(chǎng)，通常稱作勵(lì)磁功率輸出部分 。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)。 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。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。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。 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。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 。最后， 8 與 AVR/PSS 式勵(lì)磁控制器相比，往往缺少足夠高的電壓反饋增益。該方法的缺點(diǎn)是數(shù)學(xué)過程復(fù)雜、不直觀，不易為工程技術(shù)人員所掌握。在人工智能應(yīng)用于勵(lì)磁控制時(shí)，并不需要被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，其控制效果是由控制規(guī)則及其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行變化的適應(yīng)能力決定的。多目標(biāo)協(xié)調(diào)問題。這一控制方式至今仍被廣泛使用。這些大公司均有很強(qiáng)的科研開發(fā)能力。限制環(huán)節(jié)可以有不大于 s 時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié) ,以減少有功功率波動(dòng)和無功功 率超調(diào)。 確定過勵(lì)反時(shí)限限制的最大過熱量時(shí) ,可以不計(jì)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)回路時(shí)間常數(shù)。由于完善的監(jiān)測(cè)可以提前發(fā)現(xiàn)和處理過勵(lì)問題 ,過勵(lì)保護(hù)實(shí)際起后備保護(hù)作用。此時(shí)在電源輸出端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路接線操作是安全的。當(dāng)輸出電壓調(diào)得過高時(shí)（超過 240V），會(huì)自動(dòng)切斷電路，使輸出為零，并告警指示。接線原則應(yīng)是先接串聯(lián)主回路，再接并聯(lián)支路。②迅速松開 UK 校準(zhǔn)按鈕 SB，將控制電壓表投至待用控制檔，立即調(diào)整待用控制電壓，使之等于運(yùn)行控制電壓。 2．當(dāng)電網(wǎng)電壓較高，調(diào)節(jié)裝置長(zhǎng)期在高功率因數(shù)下輕載運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意勵(lì)磁裝置的輸出電流不得低于最小允許值，以免發(fā)電機(jī)進(jìn)相，影響運(yùn)行穩(wěn)定性。 6．正常運(yùn)行中，注意監(jiān)視勵(lì)磁繞組的接地檢查裝置運(yùn)行情況，防止因接地而引起整流裝置輸出端短路，燒壞整流元件。 QFG 但可逐漸卸載的發(fā)電機(jī)：先按（ A）項(xiàng)操作，逐漸卸去負(fù)載，再按（ B）項(xiàng)及以后步驟操作。在此過程中，可配合示波器及電壓表，分別檢查各部分電壓波形及數(shù)值是否符合要求，有無異?，F(xiàn)象。 4．三相觸發(fā)脈沖及控制信號(hào) UK 均正常，但當(dāng) UK 從某值開始逐漸增大時(shí)，可控橋輸出電壓不是平滑上升，而是忽大忽小，用示波器觀察波形雜亂。只要將勵(lì)磁繞組兩引出線對(duì)換即可。 原因：可能是機(jī)組轉(zhuǎn)速太低，起勵(lì)電流太大，將熔斷器熔斷。應(yīng)分別斷開 QFG 或電源變壓器，然后更換熔絲排除故障。對(duì)于長(zhǎng)期使用的電解電容器，可能逐漸變質(zhì)，當(dāng)電容量減小到 80%以下時(shí)，應(yīng)更換；⑩當(dāng)需要拆卸元器件時(shí)，應(yīng)在事先作好記號(hào)（其中應(yīng)特別注意沒有端子標(biāo)號(hào)的聯(lián)線）。步驟是：（ A）適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，使機(jī)組短期在 45～ 47Hz 低頻下運(yùn)行，以防甩負(fù)載飛車。 勵(lì)磁電源變壓器：若為油浸式，上層油溫最高不應(yīng)超過 95176。注意