勵磁調節器

自並勵靜止整流勵磁系統的勵磁調節器是從半導體分立元件向集成化固體組件、從 模擬式向數字式方向發展的。國產裝置可以劃分為半導體模擬式勵磁調節器、微機(含 可編程控制器)數字式勵磁調節器和混合式微機(含可編程控制器)模擬式勵磁調節器 等三大類。國產半導體勵磁調節器於70年代初就有出口的記錄。微機勵磁調節器研製 工作始於70年代末，1985年南瑞電氣公司生產的WLT-1型勵磁調節器首次在池潭水電站50MW機組上投入運行。

勵磁調節器可以分為半導體模擬式勵磁調節器、微機(含 可編程控制器)數字式勵磁調節器和混合式微機(含可編程控制器)模擬式勵磁調節器等三大類。各類的框圖如圖1。

半導體勵磁調節器由基本單元和輔助單元兩大部分組成，其方框圖見圖2。

微機(含可編程控制器)數字式勵磁調節器由硬件和軟件兩大部分組成。

(1)硬件包括主機和外圍設備(接口電路，模擬量、數字量和開關量的輸入輸出通 道和電源等)。如果是雙微機、雙通道，則還包括雙機檢測切換及其通信連線。

(2)軟件包括系統軟件和應用軟件兩部分。系統軟件主要實現對程序的編寫、調 試、修改和運行監控等功能。它包括操作系統、編譯程序、調試程序和監控程序等。編 程，過去採用彙編，現在多用C語言; 可編程控制器勵磁調節器則採用梯形圖編程。 系統軟件由微機生產廠配套提供。應用軟件可分為主程序和調節控制程序。 ^[1] 

混合式勵磁調節器包括微機—模擬型和可編程控制器—模擬型兩種，價格比較便宜，適用於老廠技術改造。

(1)測量比較單元。測量發電機電壓信號，將其按比例變換成直流電壓信號，與給 定直流電壓進行比較，送出發電機電壓偏差信號。為使並列運行的各機組合理穩定地分 擔無功功率，應設置調差單元。

(2)綜合放大單元。由綜合放大環節、比例積分環節和適應器環節組成。綜合放大 環節將各種基本測量輸出的、反饋和輔助限制生成的、以及穩定和補償反應的各種直流 信號加以綜合放大，輸出給比例積分環節。比例積分環節按預定的調節規律進行加工後 輸出。適應器環節將信號電壓經放大加工成為移相控制信號電壓以控制勵磁電壓。

(3)移相觸發單元。接受綜合放大單元的輸出信號電壓的大小，改變晶閘管觸發控 制角的大小，以控制勵磁電壓。

(4)穩壓電源。把輸入的交、直流電源變換成勵磁調節器所需的、電壓穩定的電 源。對輸入的交、直流電源要能適時自動切換。

(5)其他各種輔助功能單元：

1)最大勵磁電流限制器。將晶閘管整流橋輸出的總電流值限制在給定的勵磁頂值 電流以下。

2)勵磁過電流限制器。在強勵或勵磁過電流達到允許時間時，將勵磁電流減小到 長期允許最大值。

3)欠勵磁限制器。根據發電機和電力系統穩定計算的需要，將晶閘管整流橋輸出 最小電流限制在有功功率對應的給定值上。

4) 電壓/頻率限制器。主要用於發電機與電網斷開空載運行期間，防止因調速器故 障而使機組低於工頻運行，出現誤強勵，產生過勵磁故障。

(6)手動單元。早期手動調節勵磁，採用開環方式，後來採用以勵磁電流為信號源 的閉環調節方式。

(7)跟蹤單元。在調節器以“自動方式”按發電機端電壓為信號閉環調節的每一時 刻，跟蹤單元將手動單元的勵磁電流信號“自動緊緊跟蹤對應前述電壓信號”，以保證 在“自動”切換到 “手動”方式時，不出現勵磁的大幅度波動。當調節器 “自動”調節 方式有一主一備雙通道時，則需要保證備用通道自動跟蹤主通道的信號。

(8)失衡(脈衝消失)保護。監測主通道，在主通道脈衝消失或失常時，自動切換 到備用通道。

(9) 電壓互感器斷線保護。當勵磁測量信號所用的電壓互感器電壓因故障消失時， 將勵磁調節器從“自動”切到“手動”運行。

(1)模擬量輸入輸出通道。輸入採樣的量為發電機端電壓、定子電流、有功功率、 無功功率、轉子電流和系統電壓等電量。採樣可以是交流也可以是直流。交流採樣每週12點即可。

(2)開關量輸入輸出通道。為了安全和防止干擾，開關量輸入輸出通道均需經過光 電隔離。它主要用於現場操作、參數給定、機組狀態、保護等信號的輸入，以及調節器 對現場其他勵磁設備的操作指令和調節器各種故障信號的輸出。

(3)數字式移相觸發器。其功能和結構與模擬式移相觸發器類似，由同步整形、移 相計算、脈衝形成、脈衝放大等環節組成。

微機數字式勵磁調節器的特點就是將模擬勵磁調節器的各項由硬件實現的功能，如信號比較、限制、綜合等功能用軟件代替。

我國發電機組勵磁系統調節規律的發展簡況如下。

比例調節P、比例積分調節PI和比例積分微分調節PID三種調節的變量只有發電 機的機端電壓U_t，或者是U_t與給定電壓值之差ΔU_t，故稱為單變量調節。其傳遞函數分別為：

(1) 比例調節P為U(s)=K_pΔ U_t(s)

(2) 比例積分微分調節PID為

式中 U——調節器輸出電壓值，V；

U_REF——給定電壓值，V；

U_t——與發電機機端電壓相對應的三相電壓有效值的平均值，V；

s——Laplace算子。

實踐證明，PID調節的應用，明顯地提高了同步發電機在系統振盪時的阻尼作用和勵磁調節器的性能品質，但仍然不能滿足遠距離、重負荷輸電的要求。有資料説明，這種調節方式可將系統極限角δ_m從無調節時的90°提高到100°左右；但若採用高增益調節器，也可能提高到105°或110°。

(1)強力式勵磁調節器。早在50年代中期，前蘇聯提出了強力式勵磁調節器，除 了採用發電機端電壓偏差ΔU_t外，還採用發電機頻率偏差Δf及其一次微分和發電機定 子電流及其一次微分等輔助反饋變量。在設計上採用“雙變量D域劃分法”。這種調節 器具有在保證調節精度下穩定勵磁、提高發電機動態與暫態運行穩定性、抑制系統事故 後的振盪等功能，在前蘇聯得到推廣應用。但由於設計方法不方便，共同穩定域很小， 參數整定困難等原因，在國際上和我國均未普遍應用。 ^[2] 

(2) 電力系統穩定器PSS。它是在PID調節器的基礎上，附加發電機的轉速偏差 Δω、功率偏差ΔP_e、頻率偏差Δf中的一種或兩種信號的二階超前校正環節作為附加控 制。其作用是，增加對電力系統機電振盪的阻尼，以增強電力系統的動態穩定性。有資 料説明，採用PSS可將系統極 限運行角提高到110°～120°。 以Δf(Δω) 為附加信號的 PSS控制器傳遞函數結構圖如圖3所示。

我國引進設備所採用的 PSS的傳遞函數結構圖見圖4。採用了WASH—OUT 濾波器，保證在任何情況下，直流分量附加到調節器控制迴路中。兩個放大因子K_SS1和K_SS2“加權”用計算機程序 計算。設定值取決於機組參數、機組運行點及網絡阻抗，從而決定其相位超前和滯後以 及穩定信號的幅度，以求所有運行點都達到好的阻尼效應。

(3)線性最優勵磁控制LOEC。為了進一步改善電力系統小干擾穩定及動態品質， 70年代初，國際上一些學者提出了線性最優控制方式LOEC。80年代清華大學對此進 行了研究，研製成功工業樣機，經由天津電氣傳動研究所、武漢洪山電工研究所製造生產的產品，已在碧口、劉家峽、白山、紅石等水電站的機組上投入運行。有資料説明， 結合實際計算，這種勵磁調節方式，可將系統動態穩定極限角δ_m提高到127°。但是， 它是基於系統全狀態量的最優線性反饋的，要求狀態量能實際測量，從而給實際應用帶來了困難。而且將其應用於多機電力系統勵磁控制設計時，不能得到分散的最優控制規 律，只能得到次優的控制方案，這不能不是一種缺陷，在非線性系統中，一旦偏離了設計工況，最優控制就不存在了。

(4)零動態多變量勵磁控制ZDEOC。ZDEOC的設計原則是僅僅保證輸出狀態量的 動態品質在任何時刻都是最優的，即系統輸出狀態量的動態偏差Y (t)在任何時候都 趨於零，即，當t≥0時，Y (t) =0。而對其發電機的其他狀態，即內部狀態，無須 苛求，只求穩定即可。這種調節規律系由清華大學提出，在電力自動化研究院電氣控制 技術所生產SJ800微機勵磁調節器上配置，已在動模上作了單機無窮大系統試驗，證明 能有效改善遠距離輸電系統穩定性，現已在巖灘水電站300MW機組上投入運行。

NEC在設計中，對於小干擾和大幹擾，都採用電力系統精確的非線性模型。應用微 分幾何方法對電力模型(可表示為一個標準的仿射非線性系統)進行精確線性化，尋找適 當的座標變換及非線性狀態反饋，使系統轉化為一個完全可控的線性系統，由此求出線性 最優控制，從而求得非線性控制。經變量代換，最終得出非線性最優控制規律NOEC。

清華大學用這種NEC的理論和方法設計並研究成功GEC-1型微機非線性勵磁控 制器，它一舉解決了電力系統小干擾與大幹擾控制的統一性、控制對電網參數的魯棒 性、分散最優控制等三個關鍵問題，有利於提高輸電系統的安全穩定水平。

GEC-1型微機非線性勵磁控制器，從1994年11月起已經在豐滿水電站一台容量為 85MW的水輪發電機組和10台容量為100～200MW的汽輪發電機上成功地運行。西北電網的穩定仿真計算表明，依靠這種控制器不僅抑制了西電東送所出現的弱阻尼振盪，而且還 提高了東電西送動態穩定極限。對三峽工程機組勵磁方式的研究表明，採用NEC方式，在 各種運行方式下，都能提供很強的人工阻尼，在提高系統暫態和靜態穩定方面，均優於目前 的所有PSS和LOEC。以單機對無窮大系統的為例，靜態穩定極限比採用PID方式提高 35.7%，比採用PSS方式提高7.1%，比採用LOEC方式提高15.7%;暫態穩定極限比採用 PID方式提高38%，比採用PSS方式提高4.7%，比採用LOEC方式提高14.2%。 ^[3]