【摘要】當(dāng)前，在電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主要是通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)來充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)的作以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。且隨著電網(wǎng)的擴(kuò)大，電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行的問題日益突出，因此，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)作用在電力系統(tǒng)中的重要性也就愈來愈為人們所關(guān)注。

　　【關(guān)鍵詞】自動(dòng)勵(lì)磁 穩(wěn)定調(diào)節(jié) 作用

　　前言

　　勵(lì)磁系統(tǒng)為同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，其直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全的運(yùn)行有者重要的影響。近年來國內(nèi)大型發(fā)電機(jī)組應(yīng)用自并勵(lì)磁系統(tǒng)的方式已經(jīng)得到廣泛普及，因采用自并勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組比采用無刷勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組造價(jià)低，性能價(jià)格比高。

　　一、自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成

　　勵(lì)磁系統(tǒng)是供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源的一套系統(tǒng)，它一般由兩部分組成：一部分用于向發(fā)電機(jī)的磁場繞組提供直流電流，以建立直流磁場，通常稱作功率單元;另一部分用于在正常運(yùn)行或發(fā)生故障時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以滿足安全運(yùn)行的需要，通常稱作勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。

　　勵(lì)磁控制器的硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)從傳統(tǒng)的模擬式調(diào)節(jié)單元發(fā)展到了以微機(jī)計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字式，現(xiàn)階段16位機(jī)已經(jīng)成為自此控制器CPU的主流，它的輸入信號(hào)來自電壓互感器和電流互感器，通過軟件調(diào)節(jié)輸入量去控制功率單元，數(shù)字式自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器借助其軟件優(yōu)勢，在調(diào)節(jié)規(guī)律和輔助功能等方面可以有很大的靈活性，對(duì)應(yīng)于軟件的勵(lì)磁控制方式也是從最初的比例控制發(fā)展到PID控制方式以及AVR+PSS控制方式，近年來線型最優(yōu)控制和非線型勵(lì)磁控制理論已經(jīng)得到了充分的眼界并在我國看是應(yīng)用。

　　二、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

　　控制理論的發(fā)展是由單變量到多變量，由線性到非線性，最終向智能控制方向邁進(jìn)，勵(lì)磁控制規(guī)律也經(jīng)歷了與之完全相適應(yīng)的發(fā)展過程。

　　勵(lì)磁控制器的控制規(guī)律研究一直是控制領(lǐng)域和電力系統(tǒng)一個(gè)極為活躍的課題。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制技術(shù)總是隨著控制理論的發(fā)展而發(fā)展的，控制理論的每一步發(fā)展都將引起同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)的突破。

　　從20世紀(jì)40年代開始，勵(lì)磁控制規(guī)律主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段

　　(1)古典勵(lì)磁控制

　　首先從單機(jī)系統(tǒng)的分析和研究開始，提出了按機(jī)端電壓偏差調(diào)節(jié)的比例調(diào)節(jié)方式。由于比例調(diào)節(jié)方式是以電壓調(diào)節(jié)為主的單一調(diào)節(jié)方式，不能很好的滿足系統(tǒng)穩(wěn)定以及穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度等多方面的要求，于是人們提出了按電壓偏差調(diào)節(jié)的P(比例)——I(積分)——D(微分)調(diào)節(jié)方式。

　　這種電壓調(diào)節(jié)方式的基本功能是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和分配機(jī)組間無功功率，它在一定程度上提高了系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性，但是仍然無法有效地解決其在調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性之間的矛盾。

　　(2)強(qiáng)力式勵(lì)磁控制

　　為了確保大型水輪發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)距離輸電穩(wěn)定性和抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩，前蘇聯(lián)專家在上世紀(jì)50年代末期研制了強(qiáng)力式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。這種勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的基本思想是：利用與功率有關(guān)的多個(gè)參量進(jìn)行綜合控制以阻止低頻功率振蕩和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。但只適用于前蘇聯(lián)成員國內(nèi)。

　　(3)線性最優(yōu)勵(lì)磁控制

　　隨著線性最優(yōu)控制技術(shù)的發(fā)展，為了進(jìn)一步改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及其動(dòng)態(tài)品質(zhì)，20世紀(jì)70年代初國際上一些學(xué)者提出了線性最優(yōu)勵(lì)磁方式。

　　用線性最優(yōu)控制技術(shù)設(shè)計(jì)的線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器具有很寬的適用范圍，能夠滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的要求。從理論上講線性最優(yōu)勵(lì)磁控制可以從根本上解決電力系統(tǒng)的多種模式振蕩問題，能取得比PSS更好的效果。

　　(4)非線性勵(lì)磁控制

　　電力系統(tǒng)是一個(gè)非線性動(dòng)力系統(tǒng)，它的工作條件和運(yùn)行狀態(tài)時(shí)刻都在發(fā)生變化，若想要真實(shí)地反映系統(tǒng)及其運(yùn)行的狀況，系統(tǒng)的模型就必須選擇非線性的模型。非線性勵(lì)磁控制方式的研究也取得了令人矚目的成就，形成了一套獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法.20世紀(jì)80年代末，根據(jù)非線性控制系統(tǒng)的微分幾何結(jié)構(gòu)原理，提出了非線性勵(lì)磁控制器。

　　(5)自適應(yīng)勵(lì)磁控制

　　自適應(yīng)控制在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)80年代初，其目標(biāo)是使控制系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤被控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)、參數(shù)等的動(dòng)態(tài)變化，不斷修正控制器參數(shù)或者調(diào)節(jié)控制策略以達(dá)到最佳控制。

　　由于電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程變化很快，要求運(yùn)算速度快，而自適應(yīng)勵(lì)磁控制的計(jì)算量過大導(dǎo)致的運(yùn)算速度緩慢使其在快速時(shí)變電力系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用還存在一定的困難。

　　(6)智能勵(lì)磁控制

　　智能控制包括了：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、模糊控制以及基于進(jìn)化算法的控制等。他們的基本特點(diǎn)為不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而是基于某種智能概念模型，將控制理論和人們的經(jīng)驗(yàn)與直覺推理相結(jié)合，具有處理非線性、自適應(yīng)、并行計(jì)算、自學(xué)習(xí)、自組織等方面的能力。

　　三、同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)的作用

　　同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，不許再勵(lì)磁繞組中通入直流電流，以便建立磁場，這個(gè)電流成為勵(lì)磁電流，二供給電流的種鴿系統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。由于勵(lì)磁繞組又稱發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，故勵(lì)磁電流也叫轉(zhuǎn)子電流，

　　在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，同步發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的無功率主要來源之一，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可以改變發(fā)電機(jī)的無功功率，維持發(fā)電機(jī)端電壓。無論在系統(tǒng)正常運(yùn)行還是故障情況下，同步發(fā)電機(jī)的直流勵(lì)磁電流都需要控制，因此勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，勵(lì)磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行，不僅與發(fā)電機(jī)及其相連的電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)密切相關(guān)，而且于發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性密切相關(guān)。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主要有以下幾點(diǎn)作用

　　1、無功分配

　　在發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)，空載電勢

  同發(fā)電機(jī)端電壓   的關(guān)系發(fā)生了變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載時(shí)，電樞反應(yīng)具有去磁性質(zhì)，隨著負(fù)載的增加，   越來越小于   ，這時(shí)為了維持   不變，必須增大勵(lì)磁電流;當(dāng)發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載是，電樞反應(yīng)具有助磁性質(zhì)，隨著負(fù)載的增加，   越來越大于   ，同樣為了維持   不變，必須減少勵(lì)磁電流。

 

　　在發(fā)電廠中數(shù)臺(tái)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，不僅會(huì)改變這臺(tái)機(jī)的無功，還要影響其他發(fā)電機(jī)的無功穩(wěn)定性。所以，勵(lì)磁系統(tǒng)分配并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)無功時(shí)，還要考慮其穩(wěn)定性和合理性，這就要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器具有調(diào)差功能。

　　2、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(dòng)之后，不發(fā)生自發(fā)振蕩和非周期失步，自動(dòng)恢復(fù)到歧視運(yùn)行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性高低，可以用輸電線路的輸送功率極限的大小來判斷，這也是勵(lì)磁裝置常用的靜態(tài)穩(wěn)定性試驗(yàn)方法。

　　b提高暫態(tài)穩(wěn)定性

　　當(dāng)電力系統(tǒng)遭受大德擾動(dòng)后，發(fā)電機(jī)組或電廠之間聯(lián)系立即減弱，只有當(dāng)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的暫態(tài)穩(wěn)定能力，才能是系統(tǒng)中各機(jī)組保持同步運(yùn)行，因?yàn)楝F(xiàn)代繼電保護(hù)裝置的快速切除故障作用，勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響一般不如對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定那樣顯著，但在一定條件下，也具有明顯的作用。

　　3、電壓的控制

　　電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷總是根據(jù)用戶的變化經(jīng)常波動(dòng)的，同步發(fā)電機(jī)的功率也就隨之相應(yīng)變化，隨著負(fù)荷的波動(dòng)，需要?jiǎng)?lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)以維持機(jī)端電壓或者系統(tǒng)中某一點(diǎn)的電壓在給定的水平上。

　　在同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行中，轉(zhuǎn)自以同步轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁電流產(chǎn)生的主要?jiǎng)?lì)磁通Φ

  切割N匝定子繞組感應(yīng)出頻率為=     或者發(fā)電機(jī)的   的三相基波電勢，其有效值   同f，N，Φ   以及繞組系數(shù)k的關(guān)系：

 

　　

  fNΦ  

 

　　這樣，改變勵(lì)磁電流

  以改變主磁通Φ   ，空載電勢   值也會(huì)改變，兩者的關(guān)系就是發(fā)電機(jī)的空載特性   或者發(fā)電機(jī)的磁化特性Φ   =   。在發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)下，空載電勢   就等于電壓   ,改變勵(lì)磁電流也就改變了發(fā)電機(jī)端電壓。

 

　　4、 改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件

　　當(dāng)電力系統(tǒng)處于各種非正常工作狀況，出現(xiàn)暫時(shí)低電壓是，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁，使系統(tǒng)電壓迅速恢復(fù)，從而改善系統(tǒng)的運(yùn)行條件。

　　a水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)行強(qiáng)行減磁

　　由于水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速裝置的慣性大，所以當(dāng)發(fā)電機(jī)因故甩負(fù)荷的時(shí)候?qū)⒊倏赡軐?dǎo)致危險(xiǎn)的過電壓，嚴(yán)重時(shí)可以升高到危及定子絕緣的程度，在此情況下，勵(lì)磁裝置會(huì)進(jìn)行強(qiáng)行減磁，避免產(chǎn)生危險(xiǎn)過電壓。

　　b為發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行創(chuàng)造了條件

　　在發(fā)電機(jī)由于各種原因失磁時(shí)，可以不退出運(yùn)行，但要在吸收大量無功功率的條件下轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行，必將導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時(shí)甚至危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行，這時(shí)，若系統(tǒng)內(nèi)正常運(yùn)行機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)及時(shí)增加勵(lì)磁來提供足夠的無功功率，以保持系統(tǒng)電壓水平，那么失磁的發(fā)電機(jī)可以在允許時(shí)間內(nèi)以異步運(yùn)行的方式來維持運(yùn)行，這不僅可以確保系統(tǒng)安全運(yùn)行而且利于機(jī)組熱力設(shè)備的運(yùn)行。

　　c提高繼電保護(hù)動(dòng)作的靈敏度和正確性

　　當(dāng)系統(tǒng)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流不大，系統(tǒng)發(fā)生短路故障是，短路電流較小，且隨時(shí)間衰減，以致帶時(shí)限的繼電保護(hù)不能正確動(dòng)作。若勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在系統(tǒng)發(fā)生短路后，實(shí)行強(qiáng)行勵(lì)磁，使短路電流水平變大，可提高帶時(shí)限動(dòng)作的繼電保護(hù)裝置的靈敏度，從而也增加了保護(hù)動(dòng)作的正確性，

　　d改善點(diǎn)擊自啟動(dòng)條件

　　當(dāng)系統(tǒng)短路時(shí)，電網(wǎng)電壓會(huì)降低，未切除的電動(dòng)機(jī)組經(jīng)常為此處于制動(dòng)狀態(tài)。在短路切除以后，電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)時(shí)需吸收大量的無功功率，如此會(huì)延緩電壓恢復(fù)過程，以致可能甩負(fù)荷。如果勵(lì)磁裝置進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁，就可以加速電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，來有效地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件。

　　結(jié)語：由于近年來電網(wǎng)的飛速發(fā)展、電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定提出了更高的要求，所以同步發(fā)電機(jī)作為電力系統(tǒng)中的一個(gè)核心元件，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的探索和研究具有非常重要而又急迫的現(xiàn)實(shí)意義。

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