【正文】 高勵磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵倍數(shù)受到勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)制造成本的制約以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時間常數(shù)較大使勵磁電流上升速度受到限制等原因，使得靠勵磁控制來提高暫穩(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。 改善電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性動態(tài)穩(wěn)定是研究電力系統(tǒng)受到擾動后，恢復(fù)原始平衡點(diǎn)（瞬時擾動）或過度到新的平衡點(diǎn)（大擾動后）的過程穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)的動態(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。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，即動態(tài)響應(yīng)特性。在一定的勵磁方式和勵磁系統(tǒng)參數(shù)下，快速勵磁調(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，將產(chǎn)生負(fù)的阻尼作用，當(dāng)系統(tǒng)總阻尼較小時，就容易導(dǎo)致低頻振蕩的發(fā)生。此外，采用現(xiàn)代控制理論的勵磁控制器，如線性最優(yōu)勵磁控制器、自適應(yīng)勵磁控制器和非線性勵磁控制器等勵磁系統(tǒng)，也能有效的抑制各種頻率的低頻震蕩。增加勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)強(qiáng)勵能力，降低勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的時間常數(shù)，是提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的有效措施。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。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。 基本工作電路基本工作電路是可控勵磁裝置向發(fā)電機(jī)提供勵磁電流并完成自動調(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檢測所需的電壓信號，并復(fù)合無功電流的變化量，輸出一個既可反映電壓差變化又能反映無功電流變化量的信號源。電壓偏差和無功電流變量綜合放大：由于自動檢測比較電路的輸出信號比較微弱，為了滿足勵磁系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)的自動調(diào)節(jié)精度，故必須加以放大。移相觸發(fā)電路：將綜合并放大的控制信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于各相可控硅的移相觸發(fā)脈沖。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)勵磁的目的。主要有：1．起勵電路：啟動發(fā)電機(jī)時，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的剩磁無法建立電壓時，要利用起勵電路供給發(fā)電機(jī)初始勵磁電流。此外，手動調(diào)節(jié)勵磁電路還可作為自動調(diào)節(jié)勵磁電路故障時的備用。4．過勵限制電路：當(dāng)系統(tǒng)電壓劇降時，自動勵磁調(diào)節(jié)器將對發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)勵，為了保證發(fā)電機(jī)和可控整流橋的安全，故設(shè)置過勵限制電路將轉(zhuǎn)子勵磁電流限制在安全范圍內(nèi)。這時裝設(shè)低電壓觸發(fā)電路可使可控硅元件在瞬間完全導(dǎo)通，迅速提升勵磁電流。研究主要集中在兩個方面:一是勵磁方式的改進(jìn)，二是勵磁控制方式的改進(jìn)。隨著控制理論的不斷發(fā)展，勵磁控制方式主要經(jīng)歷了三個發(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。運(yùn)用古典控制理論建立按Vt的比例進(jìn)行的勵磁調(diào)節(jié)是由于無法對控制對象進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)模型描述而采取的一種簡單實(shí)用的控制方法，但對增益K的調(diào)整卻出現(xiàn)了矛盾。隨之，就誕生了PID調(diào)節(jié)方式，它在一定程度上緩和了對單反饋量的勵磁調(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)于一臺可自動改變增益的比例式調(diào)節(jié)器。具有代表性的方法就是增加了PSS環(huán)節(jié)的PID勵磁控制和LOEC線性最優(yōu)勵磁控制。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。為了進(jìn)一步改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及動態(tài)品質(zhì)，科學(xué)工作者提出了線性最優(yōu)勵磁控制方式，簡稱LOEC。彌補(bǔ)了PSS控制方式的不足之處。描述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動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)，對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力也無法得到保證。最后，與AVR/PSS式勵磁控制器相比，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，各種非線性勵磁控制方式也迅速發(fā)展起來。該方法以李雅普諾夫第二穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)，通過構(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)無窮大系統(tǒng)勵磁控制器的設(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)。2．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)問題。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。通過變化系統(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)，因此無法保證對網(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。3．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，變結(jié)構(gòu)控制開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)勵磁控制器的設(shè)計(jì)中，研究表明其能有效地解決電力系統(tǒng)控制的魯棒性問題。特別是變結(jié)構(gòu)控制的抖動問題嚴(yán)重影響了它的廣泛應(yīng)用。目前，己有大量的文獻(xiàn)報導(dǎo)了以滑模變結(jié)構(gòu)控制、控制和綜合理論為代表的魯棒控制理論在發(fā)電機(jī)勵磁控制器設(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)勵磁控制設(shè)計(jì)時，在模型和實(shí)現(xiàn)上還有許多實(shí)際問題需要進(jìn)一步研究。在人工智能應(yīng)用于勵磁控制時，并不需要被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，其控制效果是由控制規(guī)則及其對系統(tǒng)運(yùn)行變化的適應(yīng)能力決定的。 國外研究及發(fā)展?fàn)顩r大型同步發(fā)電機(jī)勵磁控制研究長期以來是一個非常活躍的領(lǐng)域，成為各種控制理論和方法的“試金石”，經(jīng)過多年的探索，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，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及其對安全穩(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。誠然，想完成這件有益的事并非一兩個研究組發(fā)表一兩篇文章所能勝任的。文章嘗試對大型發(fā)電機(jī)組勵磁控制發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀作一簡要概括，并從工程角度對已經(jīng)比較好地解決了的問題、尚存在的問題以及未來大致走向發(fā)表拙見。現(xiàn)代大型同步發(fā)電機(jī)勵磁控制的主要目標(biāo)包括：高精度的電壓調(diào)節(jié)功能；機(jī)組無功功率分配功能；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)和動態(tài)穩(wěn)定性）和電壓穩(wěn)定性。關(guān)于同步發(fā)電機(jī)勵磁控制，還有一些關(guān)鍵的問題迄今沒有得到很好地解決，它們是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)所在?，F(xiàn)有的絕大多數(shù)非線性勵磁控制所針對的只是常規(guī)非線性（或稱為光滑可逆非線性）問題，而對工程實(shí)際中廣泛存在的強(qiáng)非線性“視而不見”，或者只是做事后的定性校驗(yàn)；針對單機(jī)無窮大電力系統(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勵磁控制策略，而對于一般情況的多機(jī)電力系統(tǒng)尚需要進(jìn)行更深入的研究。多目標(biāo)協(xié)調(diào)問題。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f(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態(tài)協(xié)調(diào)問題。20世紀(jì)50年代以來，磁放大器出現(xiàn)后，常被用用直流勵磁機(jī)系統(tǒng)。到20世紀(jì)70年代初期，半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器已獲得廣泛應(yīng)用。同樣，勵磁控制方式的發(fā)展也經(jīng)歷了一條與之相應(yīng)的道路。在這一階段，勵磁控制首先從單機(jī)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)開始，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。迄今為止，線性最優(yōu)勵磁控制器已進(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)選的勵磁控制方案之一。第一臺投入現(xiàn)場運(yùn)行的微機(jī)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(diào)節(jié)器。中國電力科學(xué)研究院與南京自動化設(shè)備廠合作研制的微機(jī)自動勵磁控制器。此外，廣州電器科學(xué)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(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)勵磁控制器的研究方面開展了相關(guān)工作。國外微機(jī)勵磁控制器進(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)字式勵磁調(diào)節(jié)器；加拿大通用電氣公司（CGE）于1990年也開發(fā)出微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器；瑞士ABB公司開發(fā)了UNITROLD型微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器。這些大公司均有很強(qiáng)的科研開發(fā)能力。這些微機(jī)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。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(jī)勵磁系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)磁場電流作為過勵限制的控制量，無刷交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)采用勵磁機(jī)勵磁電流作為過勵限制的控制量。因勵磁機(jī)飽和難以與發(fā)電機(jī)磁場過電流特性匹配時宜采用非函數(shù)形式的多點(diǎn)表述反時限特性。水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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。按照繼電保護(hù)規(guī)定，轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷保護(hù)特性與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流特性一致。過勵反時限啟動值小于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)的啟動值，大于Ifn，一般為（105%～110%）Ifn。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。%，%，有良好的調(diào)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(yàn)證實(shí)。表21 自并勵和交流勵磁機(jī)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(jī)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。 級差發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)按照發(fā)電機(jī)特性設(shè)定。級差暫不考慮過勵保護(hù)的理由是：1．完善的監(jiān)測可以提前發(fā)現(xiàn)和處理將導(dǎo)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。如If=2，%%的誤差，%%的時間誤差，%。上述條件下可以選擇頂值電流下過勵限制比保護(hù)提前2 s動作。 以勵磁機(jī)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(jī)的飽和。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(jì)發(fā)電機(jī)磁場回路時間常數(shù)。2）按照勵磁機(jī)的最大磁場電流、勵磁機(jī)連續(xù)運(yùn)行最大磁場電流和發(fā)電機(jī)頂值電流持續(xù)時間計(jì)算勵磁機(jī)磁場繞組過電流引起的最大過熱量Ce： （22）式中:Iefmax為勵磁機(jī)的最大磁場電流；Ief∞為勵磁機(jī)連續(xù)運(yùn)行最大磁場電流；tP為發(fā)電機(jī)的頂值電流持續(xù)時間。4）按照Ce整定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)。 無發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)的處理當(dāng)不采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)時，過勵限制仍按照上述方法確定，即過勵限制與發(fā)電機(jī)過電流特性留有級差。再次過熱的能力等于設(shè)定的最大過熱量C減去剩余的過熱量。 過勵保護(hù)GB/—2008中的過勵保護(hù)包含調(diào)節(jié)器的頂值電流保護(hù)和過勵反時限保護(hù)2種。仿真600MW汽輪發(fā)電機(jī)自并勵系統(tǒng)誤強(qiáng)勵過程，120%Un（Un為額定電壓）。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(hù)實(shí)際起后備保護(hù)作用。實(shí)現(xiàn)運(yùn)行通道和非運(yùn)行通道同時進(jìn)行檢測，以提高檢測的可靠性。備用通道可以是自動通道，也可以是獨(dú)立的手動通道。仿真無刷交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)在超過頂值電流10%Ifn、磁場電流達(dá)到235%Ifn，%。高頂值勵磁系統(tǒng)具有勵磁系統(tǒng)內(nèi)部或者外部的過電流切除調(diào)節(jié)器停機(jī)功能。現(xiàn)在有的調(diào)節(jié)器采用延時2s觀察電流是否回到110%額定值以內(nèi)，因其判斷時間長，勢必降低過勵反時限過熱量設(shè)定值，這樣，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流能力被削弱，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定不利。第3章 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置操作及維護(hù) 實(shí)驗(yàn)裝置操作說明實(shí)驗(yàn)開啟及關(guān)閉交流或直流電源都在控制屏上操作?？刂破磷髠?cè)安裝的自耦調(diào)壓器必須調(diào)在零位，即必須將調(diào)節(jié)手柄沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)到底。此時在電源輸出端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路接線操作是安全的。當(dāng)屏上的“電壓指示切換”開關(guān)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(jìn)線的線電壓值；當(dāng)“指示切換”開關(guān)撥向“三相調(diào)壓輸出電壓”時，表計(jì)指示三相調(diào)壓輸出之值。實(shí)驗(yàn)完畢，須將自耦調(diào)壓器調(diào)回到零位，斷總開關(guān)。2）打開“電源總開關(guān)”，按下“啟動”按鈕，并將“單相自耦調(diào)壓器”開關(guān)撥到“開”位置，通過手動調(diào)節(jié)，在輸出口a、x兩端，可獲得所需的單相交流電壓。實(shí)驗(yàn)完畢，將調(diào)壓器調(diào)回到零位，最后，關(guān)斷“電源總開關(guān)”。