【文章內容簡介】 更深入的研究。將針對大型電力系統(tǒng)任意信息模式下的協(xié)調控制理論和針對小型孤立系統(tǒng)的魯棒自適應設計方法結合起來，解決大系統(tǒng)下考慮參數(shù)和結構不確定性的魯棒自適應勵磁控制問題。多目標協(xié)調問題。由于控制手段增多，調節(jié)系統(tǒng)的側重點和能力各異，因此有必要從整體出發(fā)。規(guī)劃不同控制手段之間的協(xié)調工作方式，以解決電力系統(tǒng)的多目標控制問題。動態(tài)協(xié)調控制問題。目前的協(xié)調控制設計大多僅停留在離線規(guī)劃水平，較少考慮系統(tǒng)運行方式和網(wǎng)絡拓撲變化對協(xié)調控制策略的要求，進一步的研究應該考慮控制器之間的在線動態(tài)協(xié)調問題。電力工業(yè)市場化運行機制對系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制、包括機組勵磁控制的新要求基于GPS的多機系統(tǒng)勵磁優(yōu)化協(xié)調控制的研究勵磁控制器是同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的重要部件。20世紀50年代以來，磁放大器出現(xiàn)后，常被用用直流勵磁機系統(tǒng)。20世紀60年代初期，隨著半導體技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)開始采用由半導體元件組成的半導體勵磁調節(jié)器。到20世紀70年代初期，半導體勵磁調節(jié)器已獲得廣泛應用。勵磁控制理論的發(fā)展與自動控制理論本身的發(fā)展是息息相關的，控制理論總的發(fā)展趨勢是由單變量到多變量，由線性到非線性，再到智能化控制。同樣，勵磁控制方式的發(fā)展也經(jīng)歷了一條與之相應的道路。勵磁控制發(fā)展的第一階段可稱之為古典勵磁控制方式。在這一階段，勵磁控制首先從單機系統(tǒng)的分析和設計開始，提出了按發(fā)電機端電壓偏差進行比例式調節(jié)的單輸入——單輸出地勵磁控制方式，即比例調節(jié)方式。由于比例調節(jié)方式不能很好滿足大電力系統(tǒng)對抑制震蕩、提高靜態(tài)穩(wěn)定極限以及穩(wěn)態(tài)電壓調節(jié)精度等方面要求，于是便發(fā)展到按發(fā)電機端電壓偏差的比例—積分—微分—調節(jié)的PID（ProportionalIntergralDifferential）調節(jié)方式。這兩種調節(jié)方式都是基于線性傳遞函數(shù)數(shù)學模型上的單變量設計方法。，于1969年提出了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輔助勵磁控制策略，從而形成了“AVR+PSS”結構的勵磁控制器。這一控制方式至今仍被廣泛使用。隨著現(xiàn)代控制理論和實踐的發(fā)展，研究方法和工具得到了不斷的改進。20世紀70年代，作為現(xiàn)代控制理論分枝的狀態(tài)空間法獲得了迅速發(fā)展，建立了完整的控制系統(tǒng)狀態(tài)空間描述方法以及多維空間中的算子理論。加拿大學者余耀南先生在20世紀70年代首先提出將最優(yōu)控制理論應用到電力系統(tǒng)中。國內則是清華大學盧強教授等首先建立和完善了線性最優(yōu)勵磁控制器（Linear Optimal Excitation Controller，LOEC）的理論體系，并與天津電氣研究所共同研制出了第一臺基于線性最優(yōu)勵磁控制理論的模擬式LOEC裝置。但是應當指出，這種勵磁控制器是針對電力系統(tǒng)局部線性化模型來設計的，這樣設計出的勵磁控制器能保證在運行點附近具有良好的控制性能，當偏離運行點時，控制性能就會變差。迄今為止，線性最優(yōu)勵磁控制器已進入實用階段，成為兼有AVR和PSS功能，可供大型發(fā)電機組優(yōu)選的勵磁控制方案之一。我國微機勵磁控制器的研制和開發(fā)工作開展的較早。第一臺投入現(xiàn)場運行的微機勵磁控制器是電力部南京自動化研究所研制的WLT1型勵磁調節(jié)器。清華大學分別與哈爾濱電機廠和北京重型電機廠合作，研制了全數(shù)字式勵磁控制器。中國電力科學研究院與南京自動化設備廠合作研制的微機自動勵磁控制器。華中科技大學先后與東方電機股份有限公司和葛洲壩電廠能達通用電氣有限公司合作，開發(fā)了線性最優(yōu)和自適應最優(yōu)微機勵磁控制器。此外，廣州電器科學研究所、長江水利委員會陸管局自動化研究所、武漢洪山電工技術研究所、河北工業(yè)大學、福州大學以及武漢華工大電力技術研究所等科研生產(chǎn)單位也在微機勵磁控制器的研究方面開展了相關工作。綜上所述，十幾年來，我國在微機勵磁控制器的研究開發(fā)領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勵磁控制器的推廣應用做出了重要貢獻。國外微機勵磁控制器進入實用也是在20世紀80年代，1989年7月日本東芝公司在日本投入了雙微機系統(tǒng)的數(shù)字式勵磁調節(jié)器；加拿大通用電氣公司（CGE）于1990年也開發(fā)出微機勵磁調節(jié)器；瑞士ABB公司開發(fā)了UNITROLD型微機勵磁調節(jié)器。此外奧地利ELIN公司、德國SIEMENS公司和英國的GEC公司等也都相繼生產(chǎn)出微機勵磁調節(jié)器。這些大公司均有很強的科研開發(fā)能力。其中有很多公司如瑞士ABB、加拿大CGE、奧地利ELIN、英國GEC的產(chǎn)品在我國的大中型發(fā)電廠得到應用。這些微機勵磁控制器大多采用PID+PSS控制，各種控制限制功能較完善，裝置整體制造水平高。從整體上看，我國在微機勵磁控制系統(tǒng)的控制算法的研究處在國際前列，所開發(fā)的微機勵磁控制裝置的功能也非常強大，但裝置所選用的元器件的可靠性以及生產(chǎn)制造工藝水平與國外相比尚存在一定差距。第2章 勵磁系統(tǒng)的過勵限制 過勵限制的主要特性勵磁系統(tǒng)和有刷交流勵磁機勵磁系統(tǒng)采用發(fā)電機磁場電流作為過勵限制的控制量，無刷交流勵磁機勵磁系統(tǒng)采用勵磁機勵磁電流作為過勵限制的控制量。過勵反時限特性函數(shù)類型與發(fā)電機磁場過電流特性函數(shù)類型一致。因勵磁機飽和難以與發(fā)電機磁場過電流特性匹配時宜采用非函數(shù)形式的多點表述反時限特性。隱極式同步發(fā)電機轉子過電流特性表達式如下： （21）式中:為發(fā)電機磁場電流對額定磁場電流的比值；t為許可的過電流持續(xù)時間。水輪發(fā)電機轉子僅有承受的持續(xù)時間的描述，缺少過電流特性的函數(shù)描述。勵磁系統(tǒng)功率單元（勵磁變壓器、整流橋、勵磁機等）的過電流能力應保證實現(xiàn)發(fā)電機轉子過電流能力，但是某些交流勵磁機勵磁系統(tǒng)的頂值電流可能小于發(fā)電機轉子過電流能力，當兩者不相同時按小者確定。按照繼電保護規(guī)定，轉子繞組過負荷保護特性與發(fā)電機轉子過電流特性一致。過勵反時限特性與發(fā)電機轉子繞組過負荷保護特性之間留有級差，確保在保護動作之前限制動作。過勵反時限啟動值小于發(fā)電機轉子過負荷保護的啟動值，大于Ifn，一般為（105%～110%）Ifn。啟動值不影響反時限特性，并當磁場電流大于啟動值后進入反時限計算。過勵反時限限制值一般比啟動值減少（5%～10%）Ifn，以釋放積累的熱量，也可限制到啟動值，再由操作人員根據(jù)過勵限制動作信號減少磁場電流。，以減少有功功率波動和無功功率超調。%，%，有良好的調節(jié)參數(shù)，使得限制過程快速而穩(wěn)定，過勵限制特性能夠通過試驗證實。 限制過程過勵反時限限制動作轉為定磁場電流控制，磁場電流給定值（即限制值）瞬間給出，或者經(jīng)過一階慣性給出，有不同的響應，見表21。表21 自并勵和交流勵磁機勵磁系統(tǒng)過勵反時限限制突限和緩限方式的差別勵磁系統(tǒng)突限方式緩限方式回到110%的時間Is下降過程增加的熱量I（%）回到110%Itm的時間Is下降過程增加的熱量I（%）自并勵勵磁系統(tǒng)交流勵磁機勵磁系統(tǒng)由仿真可見，突限方式或者小延遲的緩限方式都可以接受。緩限方式可以減少有功波動，而緩限過程增加的熱量不大。 級差發(fā)電機轉子過負荷保護按照發(fā)電機特性設定。過勵反時限與發(fā)電機轉子過負荷保護之間的級差需要考慮以下原則：1．測量偏差不至于引起保護先于限制動作；2．過勵反時限限制動作、電流回到長期值以下的過程中過熱的積累不導致保護動作；3．較小的級差，即過勵反時限限制設置較大的過熱量有利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定。級差暫不考慮過勵保護的理由是：1．完善的監(jiān)測可以提前發(fā)現(xiàn)和處理將導致過勵的故障，使得過勵限制動作的時刻發(fā)生故障的概率大為減少；2．不良的限制失敗的判斷和通道切換在頂值電流下需要超過1 s完成?？紤]測量偏差和限制過程熱量。如If=2，%%的誤差，%%的時間誤差，%。設定級差為2 s。上述條件下可以選擇頂值電流下過勵限制比保護提前2 s動作。提高電流測量準確度，適當減少限制過程時間，改進限制失敗判斷方法，有可能將頂值電流下的級差進一步減少。 以勵磁機磁場電流作為過勵限制控制量的過勵限制整定1．頂值電流瞬時限制值確定頂值電流瞬時限制值時需要考慮勵磁機的飽和。從勵磁機負載特性曲線上，由頂值電流倍數(shù)決定的發(fā)電機磁場電壓，獲得頂值電流瞬時限制值。2．過勵反時限限制的最大過熱量確定過勵反時限限制的最大過熱量時，可以不計發(fā)電機磁場回路時間常數(shù)。其步驟如下：1）由勵磁機負載特性得到發(fā)電機磁場電壓倍數(shù)與勵磁機磁場電流倍數(shù)的關系。2）按照勵磁機的最大磁場電流、勵磁機連續(xù)運行最大磁場電流和發(fā)電機頂值電流持續(xù)時間計算勵磁機磁場繞組過電流引起的最大過熱量Ce： （22）式中:Iefmax為勵磁機的最大磁場電流；Ief∞為勵磁機連續(xù)運行最大磁場電流；tP為發(fā)電機的頂值電流持續(xù)時間。3）檢查勵磁機磁場過電流持續(xù)時間與發(fā)電機磁場過電流持續(xù)時間的配合情況，如不配合則調整Ce。4）按照Ce整定發(fā)電機轉子過負荷保護。5）按照級差2 s選取過勵限制最大過熱量。 無發(fā)電機轉子過負荷保護的處理當不采用發(fā)電機轉子過負荷保護時，過勵限制仍按照上述方法確定，即過勵限制與發(fā)電機過電流特性留有級差。 過熱量的釋放和再次過勵的條件一次過電流帶來的過熱量經(jīng)電流小于額定值而得到逐步釋放，過熱量最小等于0。再次過熱的能力等于設定的最大過熱量C減去剩余的過熱量。因此，較大的過熱量設定值在連續(xù)多次電網(wǎng)故障時提供較多的支持。 過勵保護GB/—2008中的過勵保護包含調節(jié)器的頂值電流保護和過勵反時限保護2種。勵磁調節(jié)器內的過勵保護主要完成通道切換，保持閉環(huán)控制運行。仿真600MW汽輪發(fā)電機自并勵系統(tǒng)誤強勵過程，120%Un（Un為額定電壓）。在此期間有可能完成電壓互感器斷線、調節(jié)器死機、電源故障、同步故障等的判斷和通道切換。由于完善的監(jiān)測可以提前發(fā)現(xiàn)和處理過勵問題，過勵保護實際起后備保護作用。 頂值電流保護勵磁調節(jié)器的頂值電流保護對于高頂值勵磁系統(tǒng)是必備功能。實現(xiàn)運行通道和非運行通道同時進行檢測，以提高檢測的可靠性。當頂值電流瞬時限制失效時發(fā)出信號，切換通道，在備用通道中實現(xiàn)頂值電流限制。備用通道可以是自動通道，也可以是獨立的手動通道。由越過限制值的某個百分數(shù)和延時來判斷限制是否失效，至切換的發(fā)電機磁場電流應遠小于300%Ifn，附加發(fā)熱應可以忽略。仿真無刷交流勵磁機勵磁系統(tǒng)在超過頂值電流10%Ifn、磁場電流達到235%Ifn，%。對于高頂值勵磁系統(tǒng)，也可以采取獨立的第2套過勵限制功能，設置相同的特性和參數(shù)。高頂值勵磁系統(tǒng)具有勵磁系統(tǒng)內部或者外部的過電流切除調節(jié)器停機功能。 過勵反時限保護過熱量累計超過設定值某個百分數(shù)（如10%）時判斷過勵反時限限制失敗，進行通道切換?，F(xiàn)在有的調節(jié)器采用延時2s觀察電流是否回到110%額定值以內，因其判斷時間長，勢必降低過勵反時限過熱量設定值，這樣，發(fā)電機轉子過電流能力被削弱，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定不利。 過勵報警信號為了及時調整勵磁以避免跳機，可以設置過勵報警， s報警，其相當于轉子過負荷定時限保護功能。第3章 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)實驗裝置操作及維護 實驗裝置操作說明實驗開啟及關閉交流或直流電源都在控制屏上操作。1．開啟三相交流電源的步驟1）開啟電源前，要檢查控制屏下方“直流操作電源”的“可調電壓輸出”開關（右下角）及“固定電壓輸出”開關（左下角）都須在“關”的位置?？刂破磷髠劝惭b的自耦調壓器必須調在零位，即必須將調節(jié)手柄沿逆時針方向旋轉到底。2）檢查無誤后開啟“電源總開關”，“停止”按鈕指示燈亮，表示實驗裝置的進線已接通電源，但還不能輸出電壓。此時在電源輸出端進行實驗電路接線操作是安全的。3）按下“啟動”按鈕，“啟動”按鈕指示燈亮，只要調節(jié)自耦調壓器的手柄，在輸出口U、V、W處可得到0～450V的線電壓輸出，并可由控制屏上方的三只交流電壓表指示。當屏上的“電壓指示切換”開關撥向“三相電網(wǎng)輸入電壓”時，三只電壓表指示三相電網(wǎng)進線的線電壓值；當“指示切換”開關撥向“三相調壓輸出電壓”時，表計指示三相調壓輸出之值。4）實驗中如果需要改接線路，必須按下“停止”按鈕以切斷交流電源，保證實驗操作的安全。實驗完畢，須將自耦調壓器調回到零位，斷總開關。2．開啟單相交流電源的步驟1）開啟電源前，檢查控制屏下方“單相自耦調壓器”電源開關須在“關”位置，調壓器必須調至零位。2）打開“電源總開關”，按下“啟動”按鈕，并將“單相自耦調壓器”開關撥到“開”位置，通過手動調節(jié)，在輸出口a、x兩端，可獲得所需的單相交流電壓。3）實驗中如果需要改接線路，必須將開關撥到“關”位置，保證操作安全。實驗完畢，將調壓器調回到零位，最后，關斷“電源總開關”。3．開啟直流操作電源的步驟1）在交流電源啟動后，接通“固定直流電壓輸出”開關，可獲得220V（）不可調的直流電壓輸出。接通“可調直流電壓輸出”開關，可獲得40～220V（額定電流為3A）可調節(jié)的直流電壓輸出。固定電壓及可調電壓值可由控制屏下方中間的直流電壓表指示。當將該表下方的“電壓指示切換”開關撥向“可調電壓”時，指示可調電源電壓的輸出值，當將它撥向“固定電壓”時，則指示輸出固定的電源電壓值。2）“可調直流電源”是采用脈寬調制型開關穩(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，采用了限流延時保護電路。所以本電源在開機時，約需有3～4秒鐘的延時后，進入正常的輸出。3）可調直流穩(wěn)壓輸出設有過壓和過流保護告警指示電路。當輸出電壓調得過高時（超過240V），會自動切斷電路，使輸出為零，并告警指示。只有將電壓調低（約240V以下），并按“過壓復位”按鈕后，才能自動恢復正常輸出。當負載電流過大（即負載電阻過?。?，超過3A時，也會自動切斷電路，并告警指示，此時若要恢復輸出，只要調小負載電流（即調大負載電阻）即可。有時候在開機時出現(xiàn)過流告警，這說明在開機時負載電流太大，需要降低負載電流。若在空載下開機，發(fā)生過流告警，這是由于氣溫或濕度明顯變化，造成光電耦合器TIL117漏電使過流保護起控點改變所致，一般經(jīng)過空載開機（即開啟交流電源后，再開啟“可調直流電源”開關）預熱幾十分鐘，即可停止告警，恢復