電氣工程及其自動化專業(yè)本科畢業(yè)論文OKKKKK.doc

可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實驗的設(shè)計摘要現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，對同步發(fā)電機勵磁控制提出了更高要求。發(fā)電機在正常工作情況下，負(fù)載總在不斷地變化著。而不同容量的負(fù)載，以及負(fù)載的不同功率因數(shù)，對同步發(fā)電機勵磁磁場的反映作用是不同的，要維持同步發(fā)電機端電壓為一定水平，就必須根據(jù)負(fù)載的大小及負(fù)載的性質(zhì)隨時調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的勵磁。在各類電站中，勵磁系統(tǒng)是保證同步發(fā)電機正常工作，提高電網(wǎng)穩(wěn)定水平的關(guān)鍵設(shè)備。同步發(fā)電機勵磁的自動控制在保證電能質(zhì)量、無功功率的合理分配和提高電力系統(tǒng)運行的可靠性方面都起著十分重要的意義。本文主要對可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了實驗設(shè)計，首先對可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)做了相關(guān)簡介并探討了可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)的國內(nèi)外未來發(fā)展形勢。本文著重在可控勵磁系統(tǒng)中的過勵限制方面作了重點分析，并設(shè)計了相關(guān)的一個過勵限制特性試驗，對過勵限制系統(tǒng)加深了了解。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)，勵磁控制系統(tǒng)，過勵限制Integrated power system excitation controldesign of experimentAbstractThe development of modern power system, synchronous generator excitation control on a higher requirement. Generators in normal circumstances, the total load is constantly changing. And different load capacity and load of different power factor, synchronous generator excitation field on the reflection of the role is different, to maintain the synchronous generator terminal voltage to a certain level, it must be based on load size and the nature of the load regulation at any time synchronization power generator. In various power plant, synchronous generator excitation system is to ensure that work to improve the level of power and stability of key equipment. Synchronous generator excitation control in power quality assurance, rational allocation of reactive power and improve reliability of power system operations and play an important role.This paper mainly controlled experimental excitation power system design, first generation system as a controllable excitation profile and the related power system excitation control of the future development of the situation at home and abroad. This article focuses on the controlled excitation system overexcited restrictions were analyzed, and design-related characteristics of an overexcited limit test, the system had exciting limit to deepen understanding.Keywords：power system, excitation control system, overexcited limit不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)簡介11.2 勵磁控制系統(tǒng)的作用21.2.1 維持發(fā)電機端電壓在給定水平21.2.2 提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性21.2.3 改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性31.2.4 改善電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性41.2.5 在并列運行的發(fā)電機間合理分配無功功率41.3自動勵磁調(diào)節(jié)器的組成及功能51.3.1 基本工作電路51.3.2 輔助工作電路51.4 同步發(fā)電機勵磁控制方式研究現(xiàn)狀61.4.1 基于單變量控制方式61.4.2 基于現(xiàn)代控制理論的多變量控制方式61.4.3 非線性多變量勵磁控制方式71.4.4 智能控制方法91.5 國外研究及發(fā)展?fàn)顩r9第2章 勵磁系統(tǒng)的過勵限制132.1 過勵限制的主要特性132.2 限制過程132.3 級差142.4 以勵磁機磁場電流作為過勵限制控制量的過勵限制整定142.5 無發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)的處理152.6 過熱量的釋放和再次過勵的條件152.7 過勵保護(hù)152.7.1 頂值電流保護(hù)152.7.2 過勵反時限保護(hù)162.7.3 過勵報警信號16第3章 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)實驗裝置操作及維護(hù)173.1 實驗裝置操作說明173.2 實驗的基本要求183.3 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)操作運行及檢測維護(hù)193.3.1 可控勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投入運行的操作步驟193.3.2 自動手動控制切換操作要點203.3.3 可控勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常運行要點203.3.4 勵磁調(diào)節(jié)裝置的退出及停機操作要點213.3.5 可控勵磁自動調(diào)節(jié)裝置的檢查與維護(hù)223.4 控勵磁發(fā)電系統(tǒng)常見故障及處理方法233.4.1 滅磁開關(guān)QFG的常見故障及處理方法233.4.2 調(diào)試中常見故障及處理方法243.4.3 起勵中常見故障及處理253.4.4 空載運行中的常見故障及處理方法263.4.5 負(fù)載運行中的常見故障及處理方法26第4章 過勵限制特性實驗314.1 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)過勵限制電路原理及其工作特性314.2 實驗設(shè)備324.3 實驗內(nèi)容與步驟32結(jié)論35致謝36參考文獻(xiàn)37附錄A38附錄B44第1章 緒論1.1 發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)簡介同步發(fā)電機的勵磁裝置是同步發(fā)電機的重要組成部分，它是供給同步發(fā)電機的勵磁電源的一套系統(tǒng)。勵磁裝置一般由兩部分組成，一部分用于向發(fā)電機提供直流電流以建立直流磁場，通常稱作勵磁功率輸出部分；另一部分用于在正常運行或發(fā)電機發(fā)生故障時調(diào)節(jié)勵磁電流以滿足安全運行的需要，通常稱作勵磁控制部分（或稱控制單元，亦稱勵磁調(diào)節(jié)器）。同步發(fā)電機的運行特性與它的氣隙電勢Eq值的大小有關(guān)，而Eq的值是發(fā)電機勵磁電流IL的函數(shù)，改變勵磁電流就可影響同步發(fā)電機在電力系統(tǒng)中的運行特性。因此對同步發(fā)電機的勵磁進(jìn)行控制，是對發(fā)電機的運行實施控制的重要內(nèi)容之一。電力系統(tǒng)正常運行時，發(fā)電機勵磁電流的變化主要影響電網(wǎng)的電壓水平和并聯(lián)運行機組間無功功率的分配。在某些故障情況下，發(fā)電機端電壓降低將導(dǎo)致電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平下降。為此，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，要求發(fā)電機迅速增大勵磁電流，以維持電網(wǎng)的電壓水平及穩(wěn)定性?？梢姡桨l(fā)電機勵磁的自動控制在保證電能質(zhì)量、無功功率的合理分配和提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及可靠性的方面都起著重要的作用。同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)一般由勵磁功率單元和勵磁調(diào)節(jié)器兩個部分組成。如圖1-1所示。勵磁功率單元向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供直流電流，即勵磁電流；勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元的輸出。整個勵磁自動控制系統(tǒng)是由勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元和發(fā)電機構(gòu)成的一個反饋控制系統(tǒng)。圖1-1 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖在電力系統(tǒng)發(fā)展初期，同步發(fā)電機容量較小，勵磁電流通常由與發(fā)電機組同軸的直流發(fā)電機供給，即直流勵磁機方式。隨著發(fā)電機容量的提高，所需勵磁電流也隨之增大，而直流勵磁機由于存在機械整流環(huán)，功率過大時制造存在困難，因此在大容量的發(fā)電機組上很少采用。同步發(fā)電機半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)中的直流勵磁電流是通過把交流勵磁電源經(jīng)半導(dǎo)體整流后得到的。根據(jù)交流勵磁電源的不同種類，同步發(fā)電機半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)又可分為兩大類：1他勵半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)這類勵磁系統(tǒng)采用與主發(fā)電機同軸的交流發(fā)電機作為交流勵磁電源，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)電機勵磁；這類勵磁系統(tǒng)由于交流勵磁電源取自軸功率，即主發(fā)電機之外的獨立電源，故稱為他勵半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)，簡稱他勵系統(tǒng)。用作勵磁電源的同軸交流發(fā)電機稱為交流勵磁機。2自勵半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)這類勵磁系統(tǒng)通常采用變壓器提供交流勵磁電源，勵磁變壓器接在發(fā)電機機端或廠用電母線上。因勵磁電源取自發(fā)電機自身或發(fā)電機所在的電力系統(tǒng)，故這種勵磁方式稱為自勵勵磁系統(tǒng)，簡稱自勵系統(tǒng)。1.2 勵磁控制系統(tǒng)的作用1.2.1 維持發(fā)電機端電壓在給定水平在發(fā)電機正常運行條件下，勵磁系統(tǒng)應(yīng)維持發(fā)電機機端（或指定控制點）電壓在給定水平。通常當(dāng)發(fā)電機負(fù)荷變化時，發(fā)電機機端電壓將隨之變化，這時，勵磁系統(tǒng)將自動的增加或減少發(fā)電機的勵磁電流，使機端電壓維持在一定的水平上，保證有一定的調(diào)壓精度。當(dāng)機組甩負(fù)荷時，通過勵磁系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)作用，應(yīng)限制機端電壓不致過分升高。維持發(fā)電機機端（或制定控制點）電壓在給定水平上是勵磁控制系統(tǒng)最基本和最重要的作用。1.2.2 提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性當(dāng)系統(tǒng)受到小的擾動后，發(fā)電機能繼續(xù)保持與系統(tǒng)同步運行特性稱為電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是增大輸送距離和提高輸送功率。這需要解決許多技術(shù)問題。而其中最重的和最基本的困難之一是同步發(fā)電機只具有較小的靜態(tài)穩(wěn)定性。但由于自動勵磁的調(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，對于一條交流輸電線路，在不計電阻損耗的前提下，其上流動的有功功率P與線路兩端電壓、，線路電抗X間的關(guān)系為： （1-1）其中，為兩端電壓之間的電角度差。在=時線路達(dá)到所能輸送的極限功率，即對于單機無窮大母線系統(tǒng)，不考慮凸極效應(yīng)和定子電阻。發(fā)電機送出的有功功率P可用以下兩式表示 （1-2） （1-3）式中：為Eq與Us間的電角度差；為Ut與Us間的電角度差；Xd為發(fā)電機同步電抗；Xt為變壓器電抗；XL為線路電抗；Eq為發(fā)電機空載電動勢（勵磁電動勢）；Ut為發(fā)電機機端電壓；Us為無窮大母線電壓。在發(fā)電機不進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)，即Eq=Eq0不變的條件下，極限功率角為=，線路所能傳送的靜穩(wěn)極限功率為： （1-4）當(dāng)有勵磁調(diào)節(jié)器，并且具有足夠能力維持發(fā)電機端電壓為恒定不變時，極限功率角為=，此時線路所能輸送的靜穩(wěn)極限功率為 （1-5）由于同步發(fā)電機內(nèi)電抗較大，通常PmUt要大于PmEq。這樣，發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器實際上起到了補償發(fā)電機內(nèi)電抗的作用。最初的復(fù)勵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)于補償?shù)裟且欢蝺?nèi)阻抗，這時靜穩(wěn)功率極限只提高到維持不變的功角特性最大值。靈敏快速的勵磁調(diào)節(jié)器可以維持發(fā)電機機端電壓恒定，相當(dāng)于補償了全部發(fā)電機的d軸同步電抗，即達(dá)到線路靜穩(wěn)功率極限。1.2.3 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，能否維持同步運行的能力?？偟膩碚f，調(diào)節(jié)勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的改善沒有對靜態(tài)穩(wěn)定那樣顯著。勵磁系統(tǒng)對提高暫態(tài)穩(wěn)定而言，表現(xiàn)在強行勵磁和快速勵磁的作用上。當(dāng)系統(tǒng)受到小的擾動后，發(fā)電機能繼續(xù)保持與系統(tǒng)同步運行特性稱為電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是增大輸送距離和提高輸送功率。這需要解決許多技術(shù)問題。而其中最重的和最基本的困難之一是同步發(fā)電機只具有較小的靜態(tài)穩(wěn)定性。但由于自動勵磁的調(diào)節(jié)裝置的出現(xiàn)，使這一問題得到了圓滿的解決。只有勵磁電壓上升快速并且頂值電壓高的勵磁系統(tǒng)對于改善暫態(tài)穩(wěn)定才有較顯著的作用，快速強勵可減少加速面積，增加減速面積，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。由于提高勵磁系統(tǒng)的強勵倍數(shù)受到勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機制造成本的制約以及發(fā)電機轉(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。良好的勵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。1.2.4 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（瞬時擾動）或過度到新的平衡點（大擾動后）的過程穩(wěn)定性。研究的前提是：1.原始平衡點（或新的平衡點）是靜態(tài)穩(wěn)定的；2.大擾動的過程是暫態(tài)穩(wěn)定的。電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定問題，可以理解為電力系統(tǒng)機電震蕩的阻尼問題。當(dāng)阻尼為正時，動態(tài)是穩(wěn)定的；阻尼為負(fù)時，動態(tài)是不穩(wěn)定的；阻尼為零時，是臨界狀態(tài)。零阻尼或很小的正阻尼，都是電力系統(tǒng)運行中的不安全因素，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。研究表明，按電壓偏差調(diào)節(jié)的比例式快速勵磁系統(tǒng)，會造成電力系統(tǒng)機電震蕩阻尼變?nèi)?。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。目前解決這一問題的方法，是在勵磁調(diào)節(jié)器上附加一個補償環(huán)節(jié)，稱為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。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。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，電力系統(tǒng)能否繼續(xù)穩(wěn)定運行，稱為電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，這也是同步發(fā)電機的重要性能之一。增加勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)強勵能力，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。1.2.5 在并列運行的發(fā)電機間合理分配無功功率多臺發(fā)電機在母線上并列運行時，他們輸出的有功決定于輸入的機械功率，而發(fā)電機輸出的無功則和勵磁電流有關(guān)，控制并聯(lián)運行的發(fā)電機之間無功分配是勵磁控制系統(tǒng)的一項重要功能。各并聯(lián)發(fā)電機間承擔(dān)的無功功率的大小取決于各發(fā)電機的調(diào)差特性，即發(fā)電機端電壓和無功電流的關(guān)系。當(dāng)母線電壓發(fā)生波動時，發(fā)電機無功電流的增量與電壓偏差成正比，與調(diào)差系數(shù)成反比。通常我們希望發(fā)電機間的無功電流應(yīng)當(dāng)按照機組容量的大小成比例的進(jìn)行分配，即大容量機組擔(dān)負(fù)的無功增量應(yīng)大些，小容量機組擔(dān)負(fù)的無功增量相應(yīng)小寫，這樣就可使得各機組無功增量的標(biāo)幺值相等。由于勵磁調(diào)節(jié)器可對調(diào)差系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以就可以達(dá)到機組間無功負(fù)荷合理分配的目的。1.3自動勵磁調(diào)節(jié)器的組成及功能1.3.1 基本工作電路基本工作電路是可控勵磁裝置向發(fā)電機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。自動檢測比較：對電源變換與無功調(diào)差電路輸出的信號進(jìn)行檢測，將發(fā)電機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，輸出一個直流電壓偏差信號，經(jīng)過放大后去控制可控硅的導(dǎo)通角。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。此外，由于除了自動檢測的偏差信號之外，還有其他輔助控制信號（如過勵限制、欠勵限制等）的綜合作用，共同作用于移相觸發(fā)電路。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。勵磁功率輸出電路：一般由勵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。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，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)勵磁的目的。1.3.2 輔助工作電路輔助工作電路是為了使發(fā)電機安全運行而設(shè)置的各種保護(hù)電路和便于運行操作的附加裝置。主要有：1起勵電路：啟動發(fā)電機時，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的剩磁無法建立電壓時，要利用起勵電路供給發(fā)電機初始勵磁電流。2手動、自動控制方式切換電路：在發(fā)電機組進(jìn)行試驗，線路遞升加壓和繼電保護(hù)試驗時，必須由手動方式調(diào)節(jié)勵磁。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。3欠勵限制電路：為了防止勵磁電流過分降低時，發(fā)電機定子電流和電壓關(guān)系由滯后的功率因數(shù)角變?yōu)槌暗墓β室驍?shù)角，導(dǎo)致發(fā)電機發(fā)生進(jìn)相運行，使機組失去穩(wěn)定或危及機組的安全運行，故設(shè)置欠勵限制電路。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)電機進(jìn)行強勵，為了保證發(fā)電機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)。5低壓觸發(fā)電路：在自并勵型可控硅靜止勵磁系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)電機端電壓過度降低時，會導(dǎo)致勵磁變壓器副邊電壓過低，使勵磁系統(tǒng)無法工作。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。1.4 同步發(fā)電機勵磁控制方式研究現(xiàn)狀同步發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性起著重要的作用，隨著快速勵磁系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，勵磁控制對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響效果越來越明顯，科技工作者對發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)進(jìn)行了長期而廣泛的研究，取得了許多顯著的成果。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)。這兩方面是相互聯(lián)系的。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。1.4.1 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）。運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用的控制方法，但對增益K的調(diào)整卻出現(xiàn)了矛盾。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，有時這二者是無法滿足的。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。1.4.2 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)的動態(tài)品質(zhì)與小干擾穩(wěn)定性，多變量反饋的勵磁控制方式便逐步發(fā)展起來。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。所謂PSS的控制方式，實際上是采用雙狀態(tài)變量的反饋控制方式，就是在勵磁調(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。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)電機端電壓的頻率f，發(fā)電機電磁功率pe。PSS環(huán)節(jié)的存在，在其參數(shù)設(shè)計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。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。該控制方式由于考慮了電力系統(tǒng)多個控制目標(biāo)的綜合，并采用最優(yōu)化設(shè)計，因而具有更好的動態(tài)性能，在魯棒性和適應(yīng)性上也有很大的改善。彌補了PSS控制方式的不足之處。最優(yōu)控制理論的主要特點是: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；適用于多控制量的系統(tǒng)；可以根據(jù)被控對象的實際要求，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；不局限于常系數(shù)線性系統(tǒng)，而亦適用于時變的線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)及離散系統(tǒng)等。描述發(fā)電機系統(tǒng)的運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)逐點線性化，計算出最優(yōu)控制規(guī)律?？刂菩ЧcPSS相比，可提高發(fā)電機的靜穩(wěn)20%，提高暫穩(wěn)30%。其局限性之一是線性化的結(jié)果與實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。但這種控制規(guī)律比起PID+PSS仍然具有明顯的優(yōu)勢。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: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)。第二，系統(tǒng)在偏離設(shè)計的最優(yōu)運行狀態(tài)下的動態(tài)響應(yīng)與設(shè)計的最優(yōu)運行狀態(tài)下的動態(tài)響應(yīng)之間相差甚微。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。這種組合能夠保證系統(tǒng)在過渡過程中各狀態(tài)量對其穩(wěn)態(tài)值的平方誤差的積分最小，故其控制效果不受振蕩頻率的影響。第四，可使系統(tǒng)獲得高的微動態(tài)穩(wěn)定極限。但是，LOEC勵磁控制方式也存在一些不足，首先由于設(shè)計是基于平衡點處的近似線性化模型，因而當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離所設(shè)計的平衡點時或在系統(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，即對系統(tǒng)的運行點變化的魯棒性得不到保證。其次所設(shè)計的控制器和網(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。再次在多機系統(tǒng)線性最優(yōu)分散協(xié)調(diào)勵磁控制中，由于只能獲取有限的狀態(tài)變量，因此只能獲得相對次最優(yōu)的控制效果。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。1.4.3 非線性多變量勵磁控制方式由于電力系統(tǒng)是一個強非線性和結(jié)構(gòu)多變的系統(tǒng)，大多數(shù)實際工程控制系統(tǒng)也都是非線性系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)的問題最后要用非線性的控制理論來解決。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。1李雅普諾夫方法李雅普諾夫（LyaPunov）穩(wěn)定性定理是關(guān)于運動穩(wěn)定性問題的一般理論和方法，提出一個多世紀(jì)以來，大量學(xué)者圍繞其應(yīng)用作了系統(tǒng)的研究。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)造能反映機組運行規(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。它的特點是直接考慮系統(tǒng)的非線性特性從而進(jìn)行控制。將李雅普諾夫函數(shù)法運用到單機無窮大系統(tǒng)勵磁控制器的設(shè)計，并取得了較為滿意的結(jié)果。另外，該方法具有原理簡單易于掌握等優(yōu)點，但缺點是LyaPunov函數(shù)不容易找到。且在多機系統(tǒng)的設(shè)計中難以實現(xiàn)分散控制。文獻(xiàn)將李雅普諾夫第二穩(wěn)定性理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)控制中，通過構(gòu)造反映機組運行規(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。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。其中推導(dǎo)了以同步發(fā)電機機端電壓、功角（轉(zhuǎn)子運行角）和轉(zhuǎn)速等作為變量的非線性狀態(tài)方程，構(gòu)造出一個能反映機組運行規(guī)律的LyaPunov函數(shù)，并根據(jù)LyaPunov漸進(jìn)穩(wěn)定原理設(shè)計發(fā)電機組的勵磁控制規(guī)律。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。但是使用這種方法有一個較大的局限就是李雅普諾夫函數(shù)不容易得到，尤其是對于復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型超過三階時，尋找李雅普諾夫函數(shù)非常困難。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)計轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。近年來，許多學(xué)者將微分幾何方法引入到發(fā)電機非線性勵磁控制規(guī)律的設(shè)計中，取得了較為滿意的控制效果。該方法的缺點是數(shù)學(xué)過程復(fù)雜、不直觀，不易為工程技術(shù)人員所掌握。直接反饋線性化方法是另一種使非線性系統(tǒng)實現(xiàn)線性化的方法，與微分幾何法相比，這種方法數(shù)學(xué)過程非常簡單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，直接便可得到線性化的結(jié)果。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，直接找到非線性補償規(guī)律，從而使原非線性系統(tǒng)達(dá)到線性化的目的。該方法的優(yōu)點是數(shù)學(xué)過程簡單，物理概念清晰，且適用于所有非線性系統(tǒng)，易于工程應(yīng)用。缺點是運用該方法設(shè)計的控制器與網(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。用解析的方法證明直接反饋線性化方法和微分幾何法可以得到完全相同的非線性勵磁控制規(guī)律。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)方法實質(zhì)上都是一種反饋線性化的方法。它們把非線性的電力系統(tǒng)控制問題，采用各種方法，線性化成線性系統(tǒng)，再利用線性控制理論加以分析與設(shè)計，克服了采用單點線性化模型產(chǎn)生的不足，對發(fā)電機運行點的變化和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變具有較好的適應(yīng)能力。3非線性變結(jié)構(gòu)和魯棒控制設(shè)計方法八十年代以來，變結(jié)構(gòu)控制開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)同步發(fā)電機勵磁控制器的設(shè)計中，研究表明其能有效地解決電力系統(tǒng)控制的魯棒性問題。但目前這些方法還存在一些問題，如滑動模態(tài)的到達(dá)條件比較嚴(yán)格，開關(guān)邏輯函數(shù)的設(shè)計比較困難等。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。魯棒勵磁控制的主要目的是通過一種設(shè)計方法來保證得到的控制器在預(yù)定的參數(shù)和結(jié)構(gòu)擾動下仍然能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。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)電機勵磁控制器設(shè)計中的應(yīng)用。研究表明，它們具有良好的針對參數(shù)攝動、非線性項和不確定的魯棒性，有很樂觀的應(yīng)用前景。但該設(shè)計方法有其不足之處，如控制理論本身有待進(jìn)一步完善，而且在應(yīng)用于發(fā)電機勵磁控制設(shè)計時，在模型和實現(xiàn)上還有許多實際問題需要進(jìn)一步研究。1.4.4 智能控制方法隨著智能控制理論的迅速發(fā)展，模糊邏輯勵磁控制、基于規(guī)則（專家系統(tǒng)）的勵磁控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勵磁控制、基于迭代學(xué)習(xí)算法的勵磁控制等許多先進(jìn)控制策略被廣泛地應(yīng)用到發(fā)電機勵磁控制中。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)運行變化的適應(yīng)能力決定的。近年來，模糊控制技術(shù)得到了越來越多的重視，模糊控制不依賴對象的數(shù)學(xué)模型，魯棒性好，簡單實用，可以離線形成控制表存儲在控制器中，可以很好地滿足勵磁控制系統(tǒng)快速反應(yīng)的要求，因而在發(fā)電機勵磁控制器的設(shè)計上受到關(guān)注，并取得了一定的實際效果。1.5 國外研究及發(fā)展?fàn)顩r大型同步發(fā)電機勵磁控制研究長期以來是一個非?；钴S的領(lǐng)域，成為各種控制理論和方法的“試金石”，經(jīng)過多年的探索，在理論和實踐上，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。作者認(rèn)為，在當(dāng)前，應(yīng)該對此進(jìn)行一些實事求是和“承上啟下”的分析和小結(jié)，以明確：哪些問題已得到了比較圓滿的解決，不需要再花精力去研究了哪些關(guān)鍵問題還沒有得到滿意的解答，是今后研究的著力點；哪些問題仍然模糊不清，亟待明確；而哪些問題乃細(xì)枝末節(jié)，不必沉溺于其中等等，將是大有裨益的事。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。需要不同學(xué)派同仁各抒己見、集思廣益，方能奏效。文章嘗試對大型發(fā)電機組勵磁控制發(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?！耙闪x相與析”，僅供廣大電力科研人員特別是長期從事勵磁控制研究的學(xué)者參考?，F(xiàn)代大型同步發(fā)電機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。勵磁控制設(shè)計需要解決的關(guān)鍵問題有：1.為簡化控制器設(shè)計所需的多機系統(tǒng)降階動態(tài)等值問題；2.控制規(guī)律構(gòu)造問題；3.系統(tǒng)非線性問題包括可微非線性和不可微強非線性（如控制限幅）的處理及機端電壓的處理問題；4.多機或多子系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)的處理，即分散與解耦控制問題；5.多控制目標(biāo)的協(xié)調(diào)問題；6.勵磁控制器之間及其與別的控制手段的協(xié)調(diào)問題；7.系統(tǒng)不確定性問題；8.適應(yīng)性問題，勵磁控制器對不同運行點、運行方式和擾動模式的適應(yīng)能力和優(yōu)化程度；9.控制系統(tǒng)的特性分析，包括閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性等。關(guān)于同步發(fā)電機勵磁控制，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)一步研究的重點所在。多機系統(tǒng)中的“強”非線性問題，即考慮控制限幅、飽和、切換以及各種實際約束（如端電壓約束）條件下的控制系統(tǒng)綜合和分析問題。現(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，而對工程實際中廣泛存在的強非線性“視而不見”，或者只是做事后的定性校驗；針對單機無窮大電力系統(tǒng)提出了一種考慮輸入限幅和機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電力系統(tǒng)尚需要進(jìn)行更深入的研究。將針對大型電力系統(tǒng)任意信息模式下的協(xié)調(diào)控制理論和針對小型孤立系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)設(shè)計方法結(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)勵磁控制問題。多目標(biāo)協(xié)調(diào)問題。由于控制手段增多，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的側(cè)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(diào)工作方式，以解決電力系統(tǒng)的多目標(biāo)控制問題。動態(tài)協(xié)調(diào)控制問題。目前的協(xié)調(diào)控制設(shè)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(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。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(diào)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(jì)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(jì)60年代初期，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)開始采用由半導(dǎo)體元件組成的半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器。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。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(guān)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(yīng)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(shè)計開始，提出了按發(fā)電機端電壓偏差進(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。由于比例調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)的PID（Proportional-Intergral-Differential）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)計方法。美國學(xué)者F.D.Demello和C.Concordia采用古典控制理論中的相位補償原理，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(jié)構(gòu)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(jìn)。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。加拿大學(xué)者余耀南先生在20世紀(jì)70年代首先提出將最優(yōu)控制理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。國內(nèi)則是清華大學(xué)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(yīng)當(dāng)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(shè)計的，這樣設(shè)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(dāng)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(jìn)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WLT-1型勵磁調(diào)節(jié)器。清華大學(xué)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(xué)研究院與南京自動化設(shè)備廠合作研制的微機自動勵磁控制器。華中科技大學(xué)先后與東方電機股份有限公司和葛洲壩電廠能達(dá)通用電氣有限公司合作，開發(fā)了線性最優(yōu)和自適應(yīng)最優(yōu)微機勵磁控制器。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)單位也在微機勵磁控制器的研究方面開展了相關(guān)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(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(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。國外微機勵磁控制器進(jìn)入實用也是在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)出微機勵磁調(diào)節(jié)器；瑞士ABB公司開發(fā)了UNITROL-D型微機勵磁調(diào)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(diào)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(yīng)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2.1 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(zhuǎn)子過電流特性表達(dá)式如下： （2-1）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(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。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(yīng)保證實現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子過電流能力，當(dāng)兩者不相同時按小者確定。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)電機轉(zhuǎn)子過電流特性一致。過勵反時限特性與發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷保護(hù)特性之間留有級差，確保在保護(hù)動作之前限制動作。過勵反時限啟動值小于發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)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(dāng)磁場電流大于啟動值后進(jìn)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。限制環(huán)節(jié)可以有不大于0.3s時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，以減少有功功率波動和無功功率超調(diào)。過勵限制信號測量誤差小于0.5%，時間誤差小于0.05%，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證實。2.2 限制過程過勵反時限限制動作轉(zhuǎn)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(yīng)，見表2-1。表2-1 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)0.421.80.474.66交流勵磁機勵磁系統(tǒng)0.241.11.151.30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。2.3 級差發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)按照發(fā)電機特性設(shè)定。過勵反時限與發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)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(hù)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(dǎo)致保護(hù)動作；3較小的級差，即過勵反時限限制設(shè)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(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?？紤]測量偏差和限制過程熱量。如If=2，保護(hù)和過勵限制電流測量各有1.5%和-1.5%的誤差，并且各有0.2%和-0.2%的時間誤差，限制過程磁場繞組增加的過熱量約4.77%。設(shè)定級差為2 s。限制成功時刻離保護(hù)動作還有0.79S。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。提高電流測量準(zhǔn)確度，適當(dāng)減少限制過程時間，改進(jìn)限制失敗判斷方法，有可能將頂值電流下的級差進(jìn)一步減少。2.4 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(fù)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(fù)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(guān)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： （2-2）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(diào)整Ce。4）按照Ce整定發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)。5）按照級差2 s選取過勵限制最大過熱量。2.5 無發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)的處理當(dāng)不采用發(fā)電機轉(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)電機過電流特性留有級差。2.6 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(shè)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(shè)定值在連續(xù)多次電網(wǎng)故障時提供較多的支持。2.7 過勵保護(hù)GB/T7409.12008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。勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)的過勵保護(hù)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）延時0.2s保護(hù)動作的誤強勵時間是0.54s。在此期間有可能完成電壓互感器斷線、調(diào)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(hù)實際起后備保護(hù)作用。2.7.1 頂值電流保護(hù)勵磁調(diào)節(jié)器的頂值電流保護(hù)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(jìn)行檢測，以提高檢測的可靠性。當(dāng)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?jǐn)?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(yīng)遠(yuǎn)小于300%Ifn，附加發(fā)熱應(yīng)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、延時0.15s完成通道切換時，磁場電流達(dá)到235%Ifn，轉(zhuǎn)子繞組附加發(fā)熱量約2.8%。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(shè)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(nèi)部或者外部的過電流切除調(diào)節(jié)器停機功能。2.7.2 過勵反時限保護(hù)過熱量累計超過設(shè)定值某個百分?jǐn)?shù)（如10%）時判斷過勵反時限限制失敗，進(jìn)行通道切換?，F(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)電機轉(zhuǎn)子過電流能力被削弱，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定不利。2.7.3 過勵報警信號為了及時調(diào)整勵磁以避免跳機，可以設(shè)置過勵報警，如1.2倍額定電流延時5 s報警，其相當(dāng)于轉(zhuǎn)子過負(fù)荷定時限保護(hù)功能。第3章 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)實驗裝置操作及維護(hù)3.1 實驗裝置操作說明實驗開啟及關(guān)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(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。控制屏左側(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。2）檢查無誤后開啟“電源總開關(guān)”，“停止”按鈕指示燈亮，表示實驗裝置的進(jìn)線已接通電源，但還不能輸出電壓。此時在電源輸出端進(jìn)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(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器的手柄，在輸出口U、V、W處可得到0450V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(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，表計指示三相調(diào)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(diào)壓器調(diào)回到零位，斷總開關(guān)。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(diào)壓器”電源開關(guān)須在“關(guān)”位置，調(diào)壓器必須調(diào)至零位。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。3）實驗中如果需要改接線路，必須將開關(guān)撥到“關(guān)”位置，保證操作安全。實驗完畢，將調(diào)壓器調(diào)回到零位，最后，關(guān)斷“電源總開關(guān)”。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(guān)，可獲得220V（額定電流為1.5A）不可調(diào)的直流電壓輸出。接通“可調(diào)直流電壓輸出”開關(guān)，可獲得40220V（額定電流為3A）可調(diào)節(jié)的直流電壓輸出。固定電壓及可調(diào)電壓值可由控制屏下方中間的直流電壓表指示。當(dāng)將該表下方的“電壓指示切換”開關(guān)撥向“可調(diào)電壓”時，指示可調(diào)電源電壓的輸出值，當(dāng)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(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，采用了限流延時保護(hù)電路。所以本電源在開機時，約需有34秒鐘的延時后，進(jìn)入正常的輸出。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。當(dāng)輸出電壓調(diào)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(diào)低（約240V以下），并按“過壓復(fù)位”按鈕后，才能自動恢復(fù)正常輸出。當(dāng)負(fù)載電流過大（即負(fù)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(fù)輸出，只要調(diào)小負(fù)載電流（即調(diào)大負(fù)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(fù)載電流太大，需要降低負(fù)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(hù)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(diào)直流電源”開關(guān)）預(yù)熱幾十分鐘，即可停止告警，恢復(fù)正常。3.2 實驗的基本要求可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)實驗的目的在于培養(yǎng)學(xué)生掌握系統(tǒng)的實驗方法與操作技能。通過實驗使學(xué)生能夠根據(jù)實驗?zāi)康?，實驗?nèi)容及實驗設(shè)備擬定實驗線路，選擇所需儀表，確定實驗步驟，讀取實驗所需數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，得出必要的結(jié)論，從而完成實驗報告。在整個實驗過程中，學(xué)生必須集中精力，及時認(rèn)真做好實驗?，F(xiàn)按實驗過程提出下列基本要求。1實驗前的準(zhǔn)備實驗前應(yīng)復(fù)習(xí)教科書有關(guān)章節(jié)內(nèi)容，認(rèn)真研讀實驗指導(dǎo)書，了解實驗?zāi)康摹㈨椖?、方法與步驟，明確實驗過程中應(yīng)注意的問題（有些內(nèi)容可到實驗室對照實驗設(shè)備進(jìn)行預(yù)習(xí)，熟悉組件的編號，使用及其規(guī)定值等）。實驗前應(yīng)寫好預(yù)習(xí)報告，經(jīng)教師檢查認(rèn)為確實做好了實驗前的準(zhǔn)備，方可開始實驗。認(rèn)真作好實驗前的準(zhǔn)備工作，對于培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力，提高實驗質(zhì)量和保護(hù)實驗設(shè)備、保證人身安全等都具有十分重要的作用。2實驗的進(jìn)行1）建立小組，合理分工每次實驗都以小組為單位進(jìn)行，每組由23人組成。實驗過程中的接線、接通或切斷負(fù)載、調(diào)節(jié)電壓或電流、記錄數(shù)據(jù)等項工作每人應(yīng)有明確的分工，以保證實驗操作的協(xié)調(diào)和記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。2）選擇組件和儀表實驗前先熟悉本次實驗所用的組件，記錄繼電器銘牌數(shù)據(jù)和選擇合適的儀表量程，然后依次排列組件和儀表，便于讀取數(shù)據(jù)。3）按圖正確接線根據(jù)實驗線路圖及所選組件、儀表，按圖接線，接線力求簡單明了。接線原則應(yīng)是先接串聯(lián)主回路，再接并聯(lián)支路。為方便檢查線路的正確性，實驗線路圖中的直流回路、交流回路、控制回路等應(yīng)分別用不同顏色的導(dǎo)線連接。4）試運行在正式實驗開始之前，先熟悉儀表，然后按有關(guān)規(guī)定起動繼電保護(hù)電路，觀察所有儀表是否正常。如果出現(xiàn)異常，應(yīng)立即切斷電源，并排除故障；如果一切正常，即可正式開始實驗。5）讀取數(shù)據(jù)預(yù)習(xí)時對繼電器及其保護(hù)裝置的試驗方法及所測數(shù)據(jù)的大小作到心中有數(shù)。正式實驗時，根據(jù)實驗步驟逐個讀取數(shù)據(jù)。6）認(rèn)真負(fù)責(zé)，實驗有始有終實驗完畢，須將實驗結(jié)果交指導(dǎo)老師審查。經(jīng)指導(dǎo)老師認(rèn)可后，才允許拆線，并把實驗所用的組件、導(dǎo)線及儀器等物品整理好，放至原位。3.3 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)操作運行及檢測維護(hù)3.3.1 可控勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投入運行的操作步驟1將控制方式切換開關(guān)置于“自動”位置，將勵磁整定電位器旋至最低勵磁輸出端。2按起勵試驗步驟將發(fā)電機電壓UF建立至最低整定值。3向勵磁電流增加方向緩慢旋動勵磁整定電位器，使UF上升至額定值UFe；觀察控制電壓表、勵磁電壓表、勵磁電流表及發(fā)電機電壓表、勵磁電流表，各參數(shù)應(yīng)平滑均勻上升，無跳躍突變現(xiàn)象。4穩(wěn)定運行幾分鐘，檢查勵磁系統(tǒng)各部分有無異?，F(xiàn)象。5按并列操作要求和步驟，將發(fā)電機并入電網(wǎng)。6往增方向緩慢旋動勵磁整定電位器，發(fā)電機逐漸帶上無功負(fù)載、觀察勵磁電流表、無功功率表（或cos表）亦應(yīng)平滑均勻上升，無跳躍突變現(xiàn)象。此外，系統(tǒng)也允許按類似步驟用手控方式起勵及運行。3.3.2 自動手動控制切換操作要點1正常運行中的切換：當(dāng)需要從自控切換到手控，或者相反操作時，可按如下步驟