【正文】 頁(yè) （ 共 49 頁(yè)） 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。這需要解決許多技術(shù)問(wèn)題。但由于自動(dòng)勵(lì)磁的調(diào)節(jié)裝置的出現(xiàn)，使這一問(wèn)題得到了圓滿的解決。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(wú)窮大母線系統(tǒng)，不考慮凸極效應(yīng)和定子電阻。 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 《 可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn) 》 畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 9 頁(yè) （ 共 49 頁(yè)） 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。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。qE 維持不變的功角特性最大值。 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）時(shí)，能否維持同步運(yùn)行的能力。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?，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。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。 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?gòu)?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。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。研究的前提是： （或新的平衡點(diǎn)）是靜態(tài)穩(wěn)定的； 。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)。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)?。目前解決這一問(wèn)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。 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。 在并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)間合理分配無(wú)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(wú)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(wú)功分配是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能。 當(dāng)母線電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)無(wú)功電流的增量與電壓偏差成正比，與調(diào)差系數(shù)成反比。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(wú)功負(fù)荷合理分配的目的。自動(dòng)檢測(cè)比較：對(duì)電源變換與無(wú)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(guò)放大后去控制可控硅的導(dǎo)通角。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(guò)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。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。 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。 、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。 ：為了防止勵(lì)磁電流過(guò)分降低時(shí)，發(fā)電機(jī)定子電流和電壓關(guān)系《 可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn) 》 畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 12 頁(yè) （ 共 49 頁(yè)） 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。 ：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(guò)度降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁變壓器副邊電壓過(guò)低，使勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)法工作。 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(lái)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。這兩方面是相互聯(lián)系的。 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 )。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(wú)法滿足的。 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，多變量反饋的勵(lì)磁控制方式便逐步發(fā)展起來(lái)。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。 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。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。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 ?？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 。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。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。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)果整定控制器的最優(yōu)參數(shù)。第三，最優(yōu)勵(lì)磁控制規(guī)律是全部狀態(tài)量的最優(yōu)線性組合。第四，可使系統(tǒng)獲得高的微動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限。 其次所設(shè)計(jì)的控制器和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān)，對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能 力也無(wú)法得到保證。最后，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。隨著非線性控制理論的發(fā)展，如微分幾何法、直接反饋線性化法，李雅普諾夫函數(shù)法，變結(jié)構(gòu)控制、逆系統(tǒng)法等等，各種非線性勵(lì)磁控制方式也迅速發(fā)展起來(lái)。該方法以李雅普諾夫第二穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)造能反映機(jī)組運(yùn)行規(guī)律的李雅普諾夫函數(shù)并以其為最小目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。將李雅普諾夫函數(shù)法運(yùn)用到單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)，并取得了較為滿意的結(jié)果。且在多機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)分散控制。這些方法直接考慮系統(tǒng)的非線性特性，原理簡(jiǎn)單，易于掌握。用大范圍線性化方法將非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)，然后利用線性系統(tǒng)的 Lyapunov 方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 b)基于微分幾何數(shù)學(xué)方法 基于微分幾何方法屬于反饋線性化方法的一種，它通過(guò)合理的坐標(biāo)變換找到非線性反饋規(guī)律，引入虛擬控制量將非線性系統(tǒng)映射為一個(gè)線性系統(tǒng)，使非線性系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確線性化，線性控制理論所有的方法都可以直接加以利用，從而把非線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。該方法的缺點(diǎn)是數(shù)學(xué)過(guò)程復(fù)雜、不直觀，不易為 工程技術(shù)人員所掌握。通過(guò)變化系統(tǒng)的狀態(tài)方程，使非線性因素和控制量集中出現(xiàn)在某一高階微分方程中，通過(guò)虛擬控制輸入量的建立，直接找到非線性補(bǔ)償規(guī)律，從而使原非線性系統(tǒng)達(dá)到線性化的目的。缺點(diǎn)是運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)的控制器與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，因此無(wú)法保證對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化的魯棒性。 上述應(yīng)用于電力系統(tǒng)的微分幾何方法，直接線性化和逆系統(tǒng)方法實(shí)質(zhì)上都是一種反饋線性化的方法。 c)非線性變結(jié)構(gòu)和魯棒控制設(shè)計(jì)方法 八十年代以來(lái)，變結(jié)構(gòu)控制開(kāi)始應(yīng)用于電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)中，研究表明其能有效地解決電力系統(tǒng)控制的魯棒性問(wèn)題 。特別是變結(jié)構(gòu)控制的抖動(dòng)問(wèn)題嚴(yán)重影響了它的廣泛應(yīng)用。目前，己有大量的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了以滑模變結(jié)構(gòu)控制、 H? 控制和 ? 綜合理論為代表的魯棒控制理論在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。但該設(shè)計(jì)方法有其不足之處，如控制理論本身有待進(jìn)一步完善，而且在應(yīng)用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)時(shí)，在模型和實(shí)現(xiàn)上還有許多實(shí)際問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。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。 大型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制研究長(zhǎng)期以來(lái)是一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域，成為各種控制理論和方法的“試金石” ,經(jīng)過(guò)多年的探索，在理論和實(shí)踐上 ,都已取得了豐碩的成果；而在目前和將來(lái) ,隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及其對(duì)安全穩(wěn)定性水平要求的提高，以及控制理論的推陳出新 ,這一領(lǐng)域的研究將 繼續(xù)深入發(fā)展。而哪些問(wèn)題乃細(xì)枝末節(jié)，不必沉溺于其中等等，將是大有裨益的事。需要不同學(xué)派同仁各抒己見(jiàn)、集思廣益，方能奏效?！耙闪x相與析”，僅供廣大電力科研人員特別是長(zhǎng)期從事勵(lì)磁控制研究的學(xué)者參考。機(jī)組無(wú)功功率分配功能；提供適當(dāng)?shù)娜斯ぷ枘岷吞岣呦到y(tǒng)穩(wěn)定性和傳輸功率的功能，其中穩(wěn)定性主要指功角穩(wěn)定性 (包括靜態(tài)、暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性 )和電壓穩(wěn)定性。 關(guān)于同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制，還有一些關(guān)鍵的問(wèn)題迄今沒(méi)有得到很好地解決，它們是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)所在?，F(xiàn)有的 絕大多數(shù)非線性勵(lì)磁控制所針對(duì)的只是常規(guī)非線性 (或稱為光滑可逆非線性 )問(wèn)題，而對(duì)工程實(shí)際中廣泛存在的強(qiáng)非線性“視而不見(jiàn)”，或者只是做事后的定性校驗(yàn)；針對(duì)單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)提出了一種考慮輸入限幅和機(jī)組端電壓約束的分段 LQ 勵(lì)磁控制策略 ,而對(duì)于一般情況的多機(jī)電力系統(tǒng)尚需要進(jìn)行更深入的研究?！?可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn) 》 畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) （ 共 49 頁(yè)） 多目標(biāo)協(xié)調(diào)問(wèn)題。規(guī)劃不同控制手段之間的協(xié)調(diào)工作方式，以解決電力系統(tǒng)的多目標(biāo)控制問(wèn)題。目前的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)大多僅停留在離線規(guī)劃水平，較少考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜?duì)協(xié)調(diào)控制策略的要求，進(jìn)一步的研究應(yīng)該考慮控制器之間的在線動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)問(wèn)題。 20 世紀(jì) 50 年代以來(lái)，磁放大器出現(xiàn)后，常被用用直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)。到 20 世紀(jì) 70 年代初期，半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器已獲得廣泛應(yīng)用。同樣，勵(lì)磁控制方式的發(fā)展也經(jīng)歷了一條與之相應(yīng)的道路。在這一階段，勵(lì)磁控制首先從單機(jī)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)開(kāi)始，提出了按發(fā)電機(jī)端電壓偏差進(jìn)行比例式調(diào)節(jié)的單輸入 —— 單輸出地勵(lì)磁控制方式，即比例調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào)節(jié)方式都是基于線性傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型上的單變量設(shè)計(jì)方法。這一控制方式至今仍被廣泛使用。 20 世紀(jì)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。國(guó)內(nèi)則是清華大學(xué)盧強(qiáng)教授等首先建立和完善了線性最優(yōu)勵(lì)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(tái)基于線性最優(yōu)勵(lì)磁控制理論的模擬式 LOEC 裝置。 迄今為止，線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器已進(jìn)入實(shí)用階段，成為兼有 AVR 和 PSS 功能，可供大型發(fā)電機(jī)組優(yōu)選的勵(lì)磁控制方案之一。第一臺(tái)投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的微機(jī)勵(lì)磁控制器是電力部南京自動(dòng)化研究所研制的 WLT1 型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。中國(guó)電力科學(xué)研究院與南京自動(dòng)化設(shè)備廠合作研制的微機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁 控制器。此外，廣州電器科學(xué)研究所、長(zhǎng)江水利委員會(huì)陸管局自動(dòng)化研究所、武漢洪山電工技術(shù)研究所、河北工業(yè)大學(xué)、福州大學(xué)以及武漢華工大電力技術(shù)研究所等科研生產(chǎn)單位也在微機(jī)勵(lì)磁控制器的研究方面開(kāi)展了相關(guān)工作。 國(guó)外微機(jī)勵(lì)磁控制器進(jìn)入實(shí)用也是在 20 世紀(jì) 80 年代， 1989 年 7 月日本東芝公司在日本投入了雙微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器；加拿大通用電氣公司（ CGE）于1990 年也開(kāi)發(fā)出微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器；瑞士 ABB 公司開(kāi)發(fā)了 UNITROLD 型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。這些大公司均有很強(qiáng)的科研開(kāi)發(fā)能力。這些微機(jī)勵(lì)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。 《 可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn) 》 畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) （ 共 49 頁(yè)） 第二章 勵(lì)磁系統(tǒng)的過(guò)勵(lì)限制 過(guò)勵(lì)限制的主要特性 勵(lì)磁系統(tǒng)和有刷交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流作為過(guò)勵(lì)限制的控制量 ,無(wú)刷交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流作為過(guò)勵(lì)限制 的 控制量。因勵(lì)磁機(jī)飽和難以與發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)過(guò)電流特性匹配時(shí)宜采用非函數(shù)形式的多點(diǎn)表述反時(shí)限特性。t 為許可的過(guò)電流持續(xù)時(shí)間。 勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元 (勵(lì)磁變壓器、整流橋、勵(lì)磁機(jī)等 )的過(guò)電流能力應(yīng)保證實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電流能力 ,但是某些交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的頂值