【正文】 統(tǒng)結(jié)構(gòu)和繼電保護(hù)水平，在適當(dāng)?shù)臅r候取消串聯(lián)變壓器是可能的。對于三相可控硅整流電路來說，由于串聯(lián)變壓器的存在，使得陽極回路的總電抗增大，從而造成換相缺口大，過電壓很高。葛洲壩大江電廠20F～21F也在這種背景下采用了自并勵勵磁方式。第二，如果上述原因造成短路電流迅速衰減，帶時限的繼電保護(hù)裝置可能會拒動。葛洲壩電廠采用交流側(cè)串聯(lián)型自復(fù)勵勵磁方式，是基于設(shè)計時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備制造水平，并考慮下面兩個原因：第一，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時，機(jī)端電壓下降，勵磁強(qiáng)勵能力受到影響。因此，交流側(cè)串聯(lián)型自復(fù)勵的可控硅陽極電壓，不僅反映了發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的水平，而且也同時反映了發(fā)電機(jī)實(shí)際負(fù)載情況，其整流輸出電壓不僅與陽極電壓和控制角α有關(guān)，而且也與機(jī)組工況密切相關(guān)。20F～21F采用可控硅靜止式自并勵勵磁方式，其陽極電源接線和電壓相量圖，除沒有的CB和UCB外，其余部分同圖18和圖19。一般分為三種：直流勵磁機(jī)方式、交流勵磁機(jī)方式、靜止勵磁方式。從上可見，大江電廠勵磁系統(tǒng)較二江電廠配置復(fù)雜，設(shè)備種類較多。滅磁電阻使用非線性電阻（氧化鋅和炭化硅電阻），其滅磁方式為滅磁開關(guān)配合非線性電阻滅磁，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)也是用非線性電阻來吸收。整流電路即功率柜為可控硅三相全控橋電路，且多柜并聯(lián)。 葛洲壩電廠勵磁系統(tǒng)概述葛洲壩電廠由二江電廠和大江電廠組成，其中二江電廠裝機(jī)7臺，其主要銘牌參數(shù)見表11，大江電廠裝機(jī)21臺，其主要銘牌參數(shù)見表12。動模試驗證明，發(fā)電機(jī)非線性勵磁控制器，不僅可顯著的改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時還達(dá)到了較高的電壓調(diào)壓精度的要求。應(yīng)著重指出，非線性勵磁控制規(guī)律采用發(fā)電機(jī)全狀態(tài)量非線性最優(yōu)反饋，這對電力系統(tǒng)的大小干擾都起著鎮(zhèn)定(Stabilizing)作用。非線性勵磁控制器，首先用非線性微分方程式來描述發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)，接著使用非線性控制系統(tǒng)的微分幾何結(jié)果理論，通過坐標(biāo)變換將發(fā)電機(jī)非線性勵磁控制系統(tǒng)變換成完全可控的線性系統(tǒng)，從而得到非線性勵磁控制規(guī)律。在過去的十年里，國際上基于微分幾何方法的非線性系統(tǒng)控制理論有了較系統(tǒng)的發(fā)展，美國將其用于如飛行器和機(jī)器人等控制系統(tǒng)。b非線性最優(yōu)勵磁控制原理理論和試驗都證明，線性最優(yōu)勵磁控制，能有效的提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定性，但對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定作用甚微。PID勵磁控制調(diào)節(jié)規(guī)律可以用比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI、微分系數(shù)KD和電壓偏差ΔUt來表達(dá)：ΔU=（KP+KI+KD）ΔUt。盡管該微分電路提供的超前相位，也會減少（即補(bǔ)償）勵磁電流的滯后相位，因而在一定程度上補(bǔ)償負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩。常規(guī)勵磁調(diào)節(jié)器對電壓偏差ΔUt進(jìn)行比例、積分、微分控制，簡稱PID調(diào)節(jié)。在這個最優(yōu)控制向量里，有相對△Pe、Δω、ΔUt、ΔUf四個變量的最優(yōu)控制參數(shù)：功率反饋增益KP、角速度反饋增益Kω、端電壓反饋增益KV、勵磁電壓反饋增益KUf。對于采用勵磁機(jī)勵磁的發(fā)電機(jī)一般采用△Pe、Δω、ΔUt、ΔUf四個變量，對于采用可控硅靜止勵磁的發(fā)電機(jī)一般采用△Pe、Δω、ΔUt三個變量。在一個完整的單機(jī)無窮大系統(tǒng)中，全部變量有六個，即△Pe、△δ、Δω、ΔEq、ΔUt、ΔUf。在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中，最優(yōu)勵磁控制系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是使系統(tǒng)的狀態(tài)偏差連同控制量一起達(dá)到最小，這就意味著系統(tǒng)的電壓質(zhì)量、阻尼轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將同時得到改善。近年來，非線性控制系統(tǒng)的微分幾何結(jié)構(gòu)理論又被引入勵磁控制規(guī)律，研究出非線性勵磁控制器（Nonlinear Excitation Controller）簡稱NEC，也在一定范圍內(nèi)得到使用。為解決這些問題，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性并改善其動態(tài)品質(zhì)，國內(nèi)外學(xué)者對勵磁控制規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。～△Ut進(jìn)入阻尼單元，使其盡量減少對調(diào)節(jié)器正常工作的影響；后者將以進(jìn)入阻尼單元的△Ut進(jìn)行微分，使其輸出信號的相位超前輸入信號90度，這個角度可以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子回路的延時，從而使勵磁裝置輸出正阻尼轉(zhuǎn)矩。很顯然，要利用調(diào)節(jié)器中的△Ut作為附加控制信號，只需將△Ut進(jìn)行低通濾波和相位超前即可。當(dāng)δ增大時，發(fā)電機(jī)端電壓Ut要下降，勵磁裝置又不讓Ut下降，就去增加勵磁電流。阻尼單元在葛洲壩電廠大部分機(jī)組上投運(yùn)過，后來因葛洲壩大江電廠發(fā)電，葛洲壩電廠的系統(tǒng)主接線發(fā)生了很大變化，再加之該單元有時運(yùn)行不穩(wěn)定，于是又都退出了運(yùn)行。針對這種情況，葛洲壩電廠聯(lián)合華中理工大學(xué)共同研究新型勵磁附加控制器—阻尼單元。至于在多機(jī)電力系統(tǒng)中，首先要解決PSS最佳安裝地點(diǎn)和PSS參數(shù)的協(xié)調(diào)整定問題，否則，即使所有機(jī)組都裝設(shè)PSS，在一定條件下仍會出現(xiàn)低頻振蕩。1985年葛洲壩二江電廠低頻振蕩抑制試驗，可以使線路輸送能力提高20%，能有效平息低頻振蕩。第二部分是附加信號放大和相位超前單元，合理選擇PSS的放大倍數(shù)和相位補(bǔ)償角，就能使PSS輸出一個超前于△δ的附加控制電壓，該控制電壓通過調(diào)節(jié)器，改變勵磁控制電壓，最終達(dá)到勵磁裝置輸出正阻尼轉(zhuǎn)矩的目的。PSS一般由兩部分組成，第一部分是附加信號的檢測單元，常用的附加輸入信號有△f和△P，因為這兩種信號都可以采用電氣測量方法得到，實(shí)施比較簡單，且二者很容易轉(zhuǎn)換成△ω和△δ。這個第一象限的附加電磁轉(zhuǎn)矩△M3可以引進(jìn)附加控制信號的PSS來獲得，這就是PSS的基本原理?！鳓? △ω △M3△MD1 △M1 △M4△MS △δ △δ△MD2 △M2 △M2 圖16 電磁轉(zhuǎn)矩矢量圖 圖17 PSS的附加電磁轉(zhuǎn)矩圖b PSS的基本原理在考慮勵磁裝置產(chǎn)生負(fù)阻尼情況下，單機(jī)無窮大系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩位于△δ△ω坐標(biāo)的第四象限，因與轉(zhuǎn)速相位方向相反，它給系統(tǒng)提供的是負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩，如圖117中的△M2。當(dāng)然，并不是所有勵磁裝置都產(chǎn)生負(fù)阻尼，理論和實(shí)踐都證明，在單機(jī)無窮大系統(tǒng)的完整的線性模型，又稱PhillipsHeffron模型中，只有當(dāng)參數(shù)K5為負(fù)時，阻尼轉(zhuǎn)矩才為負(fù)。當(dāng)勵磁裝置產(chǎn)生的負(fù)阻尼大于阻尼繞組產(chǎn)生的正阻尼時，阻尼轉(zhuǎn)矩就變成圖16中的△MD2，△M2則不能抑制系統(tǒng)振蕩。在單機(jī)無窮大系統(tǒng)簡化線性模型的電磁轉(zhuǎn)矩矢量圖圖16中，△MD1是不考慮調(diào)節(jié)器負(fù)阻尼情況下的阻尼轉(zhuǎn)矩，△M1能抑制系統(tǒng)振蕩。在不考慮勵磁裝置的負(fù)阻尼情況下，阻尼轉(zhuǎn)矩就是阻止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏離同步轉(zhuǎn)速的一種轉(zhuǎn)矩，其作用力的方向總是指向阻止轉(zhuǎn)子偏離同步速度的方向，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于同步速度時，阻尼轉(zhuǎn)矩是制動的；當(dāng)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時，阻尼轉(zhuǎn)矩卻是驅(qū)動的，正是這兩種作用，才使得振蕩衰減。在同步發(fā)電機(jī)受到擾動，引起系統(tǒng)振蕩期間，電磁轉(zhuǎn)矩M、功角δ和角頻率ω都作周期性變化，故可以在△δ△ω坐標(biāo)中表示△M、△MD和△MS。并聯(lián)在電力系統(tǒng)中運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，其穩(wěn)定運(yùn)行的必要充分條件是有正的阻尼轉(zhuǎn)矩和正的同步轉(zhuǎn)矩。2 PSS原理簡介a 勵磁裝置的負(fù)阻尼作用所謂阻尼就是阻止擾動，平息振蕩，而負(fù)阻尼恰恰相反。一般認(rèn)為，發(fā)生低頻振蕩的主要原因是，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中大容量發(fā)電機(jī)的標(biāo)幺值電抗增大，造成了電氣距離的增大，再加之遠(yuǎn)距離重負(fù)荷輸電，造成系統(tǒng)對于機(jī)械模式（其頻率由等值發(fā)電機(jī)的機(jī)械慣性決定）的阻尼減少了；同時由于勵磁系統(tǒng)的滯后特性，使得發(fā)電機(jī)產(chǎn)生一個負(fù)的阻尼轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致低頻振蕩的發(fā)生。葛洲壩二江電廠建廠發(fā)電初期，曾多次發(fā)生低頻振蕩。由于這種持續(xù)振蕩的頻率很低，~，故稱為低頻振蕩。1 電力系統(tǒng)低頻振蕩在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)經(jīng)輸電線路并列運(yùn)行時，在負(fù)荷突變等小擾動的作用下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間會發(fā)生相對搖擺，這時電力系統(tǒng)如果缺乏必要的阻尼就會失去動態(tài)穩(wěn)定。由于PSS對抑制低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性有一定的效果，因而得到了廣泛的應(yīng)用。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，調(diào)節(jié)器的調(diào)壓精度越來越高，勵磁電源的響應(yīng)越來越快，于是電力系統(tǒng)低頻振蕩就時有發(fā)生，影響了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 勵磁附加控制器大型同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)一般由三部分組成，其一是勵磁電源，如可控硅整流器；其二是滅磁和轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置；其三是勵磁控制部分，我們稱為勵磁調(diào)節(jié)器。類似地，它改善了并列運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)在失磁后轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行時電力系統(tǒng)的工作條件。由大量計算結(jié)果可知，~，所以快速勵磁和強(qiáng)勵所能夠增加的制動面積是很有限的，其結(jié)果是只能稍許降低第一個振蕩周期的搖擺角度。電力系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時，由于控制輸入機(jī)械功率的常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)的動作太慢，主要靠快速繼電保護(hù)切除故障，以減少加速面積；而故障切除后，快速勵磁和強(qiáng)勵可以增大發(fā)電機(jī)電勢，因而增大輸出的電磁功率，增大了制動面積，防止發(fā)電機(jī)搖擺角過度增大，以利于暫態(tài)穩(wěn)定性的提高。由于影響暫態(tài)穩(wěn)定性的主要因數(shù)是系統(tǒng)中短路故障性質(zhì)、主保護(hù)的動作情況、重合閘動作成功與否，因而調(diào)節(jié)勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的影響沒有對靜態(tài)穩(wěn)定那么顯著。由于影響動態(tài)穩(wěn)定性的主要因數(shù)是電力系統(tǒng)的阻尼特性，因而常規(guī)勵磁系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性不起多大作用，但是，帶PSS的快速勵磁系統(tǒng)能夠阻尼系統(tǒng)的低頻振蕩，從而提高了電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。特別是帶PSS或者采用最優(yōu)控制的快速勵磁系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性作用明顯。如果發(fā)電機(jī)配置高放大倍數(shù)的快速勵磁系統(tǒng)，比如采用運(yùn)算放大器和可控硅整流器，并且勵磁調(diào)節(jié)器帶電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS或者采用最優(yōu)勵磁控制，則可接近保持發(fā)電機(jī)端電壓Ut不變，因此有Pmax’’，其功率特性曲線見圖15中的曲線3。在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中，如果發(fā)電機(jī)沒有勵磁控制，則正常運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)的空載電勢E0保持不變，那么該系統(tǒng)的靜態(tài)極限為Pmax，其功率特性曲線見圖15中的曲線1。3 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性a 提高靜態(tài)穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)遭受小擾動之后，不發(fā)生自發(fā)振蕩和非周期失步，自動恢復(fù)到起始運(yùn)行狀態(tài)的能力。如果將調(diào)節(jié)器中調(diào)差單元接入到測量單元上，當(dāng)調(diào)差單元隨發(fā)電機(jī)+Q增加而輸出+Uq時，就會引起測量電壓Uc減少，控制電壓Uk增加，α角減少，最終使得發(fā)電機(jī)端電壓Ut增加，此時的勵磁調(diào)差就是負(fù)調(diào)差。當(dāng)調(diào)差單元隨+Q增加而輸出Uq時，就會引起相反的結(jié)果，此時的勵磁調(diào)差就是正調(diào)差。一般說來，給定為正信號，測量為負(fù)信號，圖14描述了這一過程的基本原理，虛線表示調(diào)差單元的輸出電平可以有兩種接入方式參與勵磁調(diào)節(jié)。如果在測量電壓Uc或者給定電壓Ug上，再疊加一個反映發(fā)電機(jī)無功變化的附加量Uq，就能使控制電壓Uk和α角產(chǎn)生變化，從而改變發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)特性。我們知道，無論勵磁調(diào)節(jié)器是何種類型，其工作原理都是將反映發(fā)電機(jī)端電壓Ut的測量電壓Uc，與給定電壓Ug進(jìn)行比較，從而得到發(fā)電機(jī)電壓偏差信號即控制電壓Uk。圖13是兩臺發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，二者調(diào)差特性與無功分配關(guān)系，圖中Uto是兩臺發(fā)電機(jī)空載額定電壓，Us母線電壓，K1和K2是兩臺發(fā)電機(jī)各自的調(diào)差系數(shù)。對于單元接線的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)來說，若發(fā)變組的自然調(diào)差率很大，勵磁調(diào)差系數(shù)應(yīng)選擇負(fù)，以補(bǔ)償無功電流在主變上的壓降；若發(fā)變組的自然調(diào)差率很小，勵磁調(diào)差系數(shù)應(yīng)選擇正。若勵磁調(diào)差系數(shù)為零，比如退出調(diào)節(jié)器中的調(diào)差電路，則發(fā)電機(jī)的調(diào)差特性就是自然調(diào)差特性，其大小由發(fā)電機(jī)和變壓器的電磁參數(shù)決定，且變壓器參數(shù)起主導(dǎo)作用；若勵磁調(diào)差系數(shù)為負(fù)，如圖12中的直線K2所示，則發(fā)電機(jī)調(diào)差特性就是發(fā)電機(jī)的自然調(diào)差系數(shù)減勵磁調(diào)差系數(shù)的差；若勵磁調(diào)差系數(shù)為正，如圖12中的直線K1所示，則發(fā)電機(jī)調(diào)差特性就是發(fā)電機(jī)的自然調(diào)差系數(shù)加勵磁調(diào)差系數(shù)的和。 Ut (Ug,Uk) Ut K2 Uto K0 K3 Us K1 K1K20 Q 0 Q1 Q2 Q 圖12　勵磁調(diào)差特性 圖13　并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組調(diào)差特性如果勵磁調(diào)節(jié)器具有調(diào)差功能，則發(fā)電機(jī)總的調(diào)差系數(shù)是發(fā)電機(jī)（發(fā)變組）的自然調(diào)差系數(shù)與勵磁調(diào)差系數(shù)的代數(shù)和。為此，勵磁系統(tǒng)分配并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)無功時，還要考慮其穩(wěn)定性和合理性，這就要求勵磁調(diào)節(jié)器具有調(diào)差功能。當(dāng)勵磁電流大于正常勵磁時，定子電流滯后于端電壓，功率因數(shù)滯后，發(fā)電機(jī)輸出滯后無功功率，這種狀態(tài)我們俗稱為發(fā)電機(jī)帶無功運(yùn)行；當(dāng)勵磁電流小于正常勵磁時，定子電流超前于端電壓，功率因數(shù)超前，發(fā)電機(jī)輸出超前無功功率，這種狀態(tài)我們俗稱為發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行。同步發(fā)電機(jī)的V形曲線，就是反映了勵磁電流同定子電流的關(guān)系。當(dāng)發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載時，電樞反應(yīng)具有去磁性質(zhì)，隨著負(fù)載的增加，Ut越來越小于E0，這時為了維持Ut不變，必須增大勵磁電流；當(dāng)發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載時，電樞反應(yīng)具有助磁性質(zhì)，隨著負(fù)載的增加，Ut越來越大于E0，同樣為了維持Ut不變，必須減少勵磁電流。為實(shí)現(xiàn)這一目的，首先就要設(shè)定電壓，要有一個給定信號Ug，以便明確電壓控制值；其次要測量電壓，看發(fā)電機(jī)端電壓是多少，這里由發(fā)電機(jī)電壓互感器PT和調(diào)節(jié)器中的測量板組成，將Ut變?yōu)閁c；最后，由調(diào)節(jié)器比較給定值和測量值，當(dāng)測量值小于給定值時，勵磁裝置增加勵磁電流If，使發(fā)電機(jī)端電壓上升，當(dāng)測量值大于給定值時，勵磁裝置減少If使發(fā)電機(jī)端電壓下降。這里的勵磁電源是指可控硅整流裝置。第一是測量單元，它是一個負(fù)反饋環(huán)節(jié)；第二是給定單元，它是調(diào)節(jié)中的參考點(diǎn)；第三是比較放大單元，它將測量值同參考值進(jìn)行比較，并對比較結(jié)果的差值進(jìn)行放大，從而輸出控制電壓Uk。信號比較放大給定信號勵磁電源發(fā)電機(jī) Ug + Uf