（检测技术与自动化装置专业论文）发电机励磁控制器的数字仿真.pdf

摘要 摘要 在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制对整个系统的特性起着重要的作用， 性能优良的励磁控制系统能够有效地保证电压的质量，提高电力系统运行的稳定性，与 其它提高电力系统稳定的措施相比，励磁控制具有投资少、易于实现等特点。 本文首先介绍了同步发电机励磁系统的地位和作用、励磁方式的发展和励磁控制器 的发展，深入讨论了输电系统模型结构及电力系统稳定性问题，详尽分析了同步发电机 励磁控制的任务与要求。 然后，针对天津石化热电厂的发电机组的励磁系统和励磁控制器进行分析，对两种 不同类型的控制器采用了不同的分析内容。针对开关型励磁控制器系统，国内制造厂提 供的励磁装置均不提供励磁系统数学模型及参数推荐值，投运时励磁系统参数大都凭经 验在试验时选定。这里采用1 t a e 法对此励磁控制器的参数进行优化，并通过仿真验证 了优化结果是有效可行的。 针对非线性微机型励磁控制器，着重对其进行模型的精确化，为方便以后的工作， 使用了p s a s p 和v c 配合来完成其数字模型的建立，同时建立石化电网的结构图进行 分析，p s a s p 的仿真结果表明：该控制器与常规p i d 、l o e c 励磁控制方式相比，提高 了发电机机端电压的控制精度，改善了电压的调节品质，有效地改善了系统的静态和暂 态稳定性，取得了良好的控制效果。 在本文中，笔者将石化开关型励磁控制器进行了合理的参数优化，并对非线性励磁 控制规律进行了简化，设计出了适合石化实际情况的仿真模型，为项目的完成提供了基 础。具有较好的实际应用价值。 关键词：发电机；励磁控制；i t a e 法；参数优化；非线性励磁控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee x c i t a t i o no fg e n e r a t o rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np o w e rs y s t e ma g o o dd e s i g n e x c i t a t i o nc a l lm a i n t a i nv o l t a g ee f f e c t i v e l y ，a n di m p r o v et h es t a b i l i t yo fs y s t e m c o m p a r et o o t h e rm e a s u r e sf o c u so ni m p r o v i n gs t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m ，e x c i t a t i o ni sm o r ei n e x p e n s i v e a n dm o r ee a s i l yt oc a r r yo u t ， f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo ft h ee x c i t a t i o nm e a n sa n dt h e e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r t h em a t h e m a t i cm o d e l so fs i r l g l eg e n e r a t o r - i n f i n i t ys t r a pt r a n s m i t e l e c t r i c i t ys y s t e ma n ds o m e t h i n ga b o u tt h es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e ma l s ol u c u b r a t e di nt h i s p a p e r s e c o n d l y , t h ep a p e rs t u d i e st h ej l - 2e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r ，w h i c hi so n eo ft h et w o c o n t r o l l e r st h a tu s e di nt i a n j i ns i n o p e c t h en e c e s s i t yo ft h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ni s c l a r i f i e di n t h a t p a r t o ft h ep a p e r am e t h o di si n t r o d u c e db ya n a l y z i n ga r e p r e s e n t a t i v e e x c i t a t i o ns y s t e mm o d e l ，a n do p t i m i z e dp a r a m e t e r sa r ev e r i f i e dt h r o u g has i m u l a t i o ni n m 棚a b t h i r d l y t h i sp a p e rm a k e st h es t u d i e so nn o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l l e rw h i c h i st h eo t h e r o n eo ft h et w oc o n t r o l l e r st h a tu s e di nt i a n j i ns i n o p e cf o rg e n e r a t o r si ni m p r o v i n gp o w e r s y s t e ms t a b i l i t yt h r o u g hd i g i t a ls i m u l a t i o na n dd y n a m i ce x p e r i m e n t i no r d e rt om a k ea e x a c t i t u d ed i 【舀t a ls i m u l a t i o n ，p s a s pa n dv ca r eu s e dt o g e t h e rt os e tu pt h em a t h e m a t i c m o d e lo ft h ed i g i t a ln o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l l e r t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e n o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l l e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gs y s t e ms t a b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h ew r i t e ro p t i m i z e dt h ep a r a m e t e r so fs w i t c h t y p ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e r , a n da l s os e tu pae x a c t i t u d em a t h e m a t i cm o d e lf o rt h ed i g i t a ln o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l l e r t h ew o r ki sg o o df o rt h ew h o l er e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：g e n e r a t o r ；e x c i t a t i o nc o n t r o l ；i t a e ；o p t i m i z a t i o no fp a r a m e t e r s ； n o n l i n e a re x c i t a t t o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：缘形签字日期：和年弓月7 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼墨苎盘至有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨苎盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：1 琢) 易 签字日期：瑚年弓月f7 日 导师签名：乃幼才荛 签字日期：夕“年弓月7 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电力系统安全稳定运行对国民经济和社会文明至关重要，随着电力系统规模的不断 扩大，单机容量的提高，电力系统正朝着大型联合电力系统的方向发展，这是世界电力系 统发展的大势所趋，也是我国电力工业发展的趋势。三峡电厂的建设以及逐步投入运行， 标志着全国性的跨大区联网已经成为现实。此外，由于电力系统市场化的推广和实施， 联络线的作用从紧急支援延伸到经济换电而接近稳定极限。然而，电网规模同渐庞大带 来的巨大经济利益的同时，也给系统的安全、稳定运行提出了新的要求，一旦发生故障， 很有可能会引起大规模的电网瓦解，会导致巨大的经济损失“。更严重的会危及公共 安全和社会秩序。近年来类似的严重事件频频发生，2 0 0 3 年的欧洲大停电和美加大停电 事故等都不断地警示电网安全性不容忽视。 对整个电网来说发电机是极其关键的组成部分。1 ，不仅仅是因为发电机起到了为系 统提供电力能源的作用，更重要的是，在外部系统出现扰动或故障时候，发电机可以进 行适当的调节来保持电压及频率的稳定不变。这时发电机的励磁系统就起到了重要的作 用，在正常时候向发电机提供可调节的励磁电流以建立磁场，在系统发生故障时可在一 定的范围内进行无功调节，保持系统的稳定运行，所以这方面的研究也十分活跃，基于 不同控制规律的励磁控制技术不断的翻陈出新。励磁控制技术的发展和提高总是紧紧依 赖于控制理论的发展，可以说励磁控制技术的每一次突破都是以控制理论的发展为契机 的控制理论及其应用总的提高和发展趋势是由单变量到多变量，由线性到非线性，最 后成为完全智能化的控制方式，励磁控制也经历了一条与之完全相适应的发展过程。从 4 0 年代至今，励磁控制方式大体经历了3 个发展阶段： ( 1 ) 古典励磁控制阶段。古典励磁控制的研究是建立在古典控制理论基础上的，经 历了从单变量控制到多变量控制的过渡。其中p i d 调节方式是按发电机端电压偏差u 。 的比例积分一微分进行的单变量调节。p s s 是除保留p i d 调节规律外，还增加了按转 速或频率的二阶超前校正环节的多输入调节。 ( 2 ) 线性多变量控制阶段。线性多变量励磁控制是以现代线性控制理论为基础，为 进一步改善与提高电力系统的动态品质与小干扰稳定性而发展起来的，以线性最优励磁 控制最具代表性。 ( 3 ) 非线性多变量控制阶段“。非线性励磁控制是以非线性系统的分析和综合方法 为基础，建立在电力系统非线性励磁控制模型下的励磁控制技术。由于它真实地反映了 系统运行工况，因而取得了良好的控制效果。 由于电力系统机电暂态过程中的控制问题是一个典型的非线性控制问题，这就决定 了今后励磁控制的研究仍然应该围绕非线性控制模型来展开。同时，因为电力系统对国 民经济和人们日常生活起着不可或缺的重要性，在需要对系统进行分析或者改造的时 候，一般情况下都不可能对整个实际系统进行试验，所以利用软件进行仿真分析便成为 电力行业广泛采用的方法。国内外有多种电力系统的仿真软件，如p s a s p ( p o w e rs y s t e m 第章绪论 a n a l y s i s s o f t w a r e p a c k a g e ) 、p s s e ( p o w e rs y s t e m s i m u l a t o rf o r e n g i n e e r i n g ) 、 e m t d c ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ti nd cs y s t e m ) 、e d s a ( e l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m a n a l y s i sa n dd e s i g np r o g r a m s ) 和e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m m e s ) 等，本文 主要使用p s a s p 。数字仿真中实现准确的设计、分析和优化可以为实际工作提供指导思 想，在节约成本、快速准确分析方面具有明显的优势，但是仿真的精确性很大程度上依 赖数学模型的精确程度，因此对电力系统的设备进行分析从而建立合理的数学模型便成 为电力系统分析的一个重要内容。 1 2 发电机励磁系统装置 发电机励磁系统是指向发电机提供可调节的励磁电流以建立磁场的设备和装置的 组合。通常由励磁电源设备( 如直流励磁机、交流励磁机、励磁变压器及整流装置) ， 手动、自动调节励磁装置，自动灭磁装置以及开关等设备和上述装置的控制、信号、测 量仪表、保护等组成。 1 2 1 励磁系统的基本结构 励磁系统由励磁主电路及励磁调节电路两大部分组成。励磁主电路包括同步发电机 的励磁绕组、励磁电流、整流装置及灭磁电路；励磁调节电路包括自动及手动励磁调节 装置等。如图1 - 1 所示： 图卜l 励磁系统结构图 励磁主电路：将励磁电源输出的交流电，经整流装置变换成直流后，通过灭磁装置， 供给同步发电机励磁绕组的整体电路。除励磁绕组，励磁主电路还包括以下部分： ( 1 ) 励磁电源为同步发电机励磁所需的电能供给者。 ( 2 1 整流装置将励磁电源供给的交流电变换成直流，可以是机械式，可以由大 功率半导体整流元件构成。前者如直流励磁发电机的整流器；后者分两类，由整流二极 管构成的不可控整流装置，以及由可控硅元件构成的可控整流装置。 励磁调节电路：该电路能按照机组及电网的运行情况，自动或手动调节励磁，以满 足正常或事故状态下机组所需励磁电源。 ( 1 1 自动调节装置分基本调节装置和辅助调节装置两部分。基本调节装置包括 调差、测量比较、控制方式切换、综合放大及移相触发等单元电路；辅助调节装置包括 2 第章绪论 过励及欠励限制、稳定校正及补偿等单元电路。天津石化系统q j 的l # 一4 # 机所用的f 【，一2 丌关式励磁调节器就属于这类装鼍。 ( 2 ) 手动调节装置如常规励磁系统巾的直流励磁机磁场变阻器，可控硅励磁系 统中的f 动调节电位器及有关电路等。 1 22 励磁系统的种类 同步发电机的励磁电流可由直流励磁机直接供电，也可以由交流励磁机、发电机的 辅助绕组或发电机出线等的交流电经可控和不可控整流器整流后供给。凡有励磁机提供 电源的称它励式励磁系统：凡有发电机出线或由发电机辅助绕组提供励磁电源的称为白 励式励磁系统。 励式励磁系统。 表1 - 1 励磁系统的分类 直流励 与发电机同轴 经齿轮减速器与发电机轴连接 磁机 电动机一发电机组( 由单独供电的感应电机拖动) 静止不可控 它励 交流励 与发电整流 可控 式机同轴旋转不可控 磁机 整流可控 经齿轮减速器与发电机轴连接的静止可控整流 单轴励磁 单独供电的硅整流 不可控 ( 转子绕 可控 组)自并励硅可控整流 励磁自复励硅整并联自直流侧并联 系统 自励流 复励交流侧并联 式( 可控或不串联自直流侧并联 可控)复励交流侧并联 辅助绕组励磁( 反应基波或3 次谐坡) 混合 同轴直漉励碰机它励加串联变压器自串联 同轴真流励磁机它励加励磁变压器自并联 式 同轴交流励磁机它励加串联变压器自串联 双轴励磁正负励磁 ( 转子绕 两轴正交 组) 定子绕 转子型式 纲励磁 第一章绪论 123 励磁系统及其装置的基本要求 励磁系统为了起到上述作用，应满足如下要求。 ( 1 ) 励磁系统应提供足够的励磁容量和调节容量，并保证励磁电源的可靠性。 ( 2 ) 当发电机励磁电流和电压不超过其额定值的1 1 倍时，励磁系统应保证连续运行。 ( 3 ) 励磁系统的顶值电压倍数宜不小于2 ，允许强励时间宜不小于2 0 s 。 ( 4 ) 当励磁电流不大于1 1 倍额定值时，发电机励磁绕组两端所加的整流电压瞬时值不 应大于规定的励磁绕组出厂试验电压幅值的3 0 。 ( 5 ) 灭磁开关及其与励磁绕组之间的电气组件，要满足出厂试验电压规定的数值。有关 出厂试验电压数值见表1 。2 。 ( 6 ) 安装工地现场验收电压为出厂试验电压的7 5 ，允许反复试验电压及维修后的试验 电压为出厂试验电压的6 5 。 表卜2 与励磁绕组连接组件之间的出厂试验电压 额定励磁电压范围出厂试验电压 组件范围 u n l ( v ) u s ( v ) 灭磁开关与励 5 0 0 1 0 u n l 磁绕组之间的 f 最小不低于1 5 0 0 v ) 电气组件 5 0 0 2 u n l 其余与励磁 3 5 0 1 0 u n l 绕组连接的 ( 最小不低于1 5 0 0 v ) 电气组件 3 5 0 2 u n l 1 2 4 调整励磁装置应满足的要求 ( 1 ) 自动调整励磁装置应保证发电机空载电压整定范围为额定值的7 0 1 1 0 。 ( 2 ) 手动调整励磁装置应保证发电机励磁电压调节范围为空载励磁电流的2 0 至额 定励磁电流的1 1 0 。 ( 3 ) 发电机空载运行状态下，自动和手动调整励磁装置的给定电压变化每秒不大于 发电机额定电压的1 ，不小于0 3 。 ( 4 ) 自动调整励磁装置应保证发电机端电压的调差率，对电子型装置要求为 t 1 0 ，对电磁型装置要求为5 。对发电机端电压的静差率，对电子型要求不大于 1 ，对电磁型要求不大于3 。 ( 5 ) 发电机空载时的额定电压工况下，突增阶跃响应1 0 ，常规励磁系统超调量 不应大于阶跃量的5 0 ，快速励磁系统不超过3 0 。 ( 6 ) 自动调整励磁装置应保证发电机突然零起升压时端电压超调量不得超过额定值 的1 5 ，调节时间不大于1 0 s 。 第一章绪论 ( 7 ) 自动调整励磁应保证发电机空载状态下，频率变化在额定值的1 时，发电 机端电压的变化率，对电子型装置一般要求不超过额定电压的- - + 0 2 5 ，对电磁型装置 一般要求不超过额定电压的2 ， ( 8 ) 自动调整励磁装置应装设远距离给定及控制设备。对电子型还应装设过励、电 压回路断线等限制和保护装置以及电力系统稳定器等必要的附加装置。 1 2 5 励磁系统运行要求 ( 1 ) 正常运行时，励磁系统应具有足够的励磁容量及良好的反映特性。具体体现 在：单机运行时，应能按负载及机组运行方式的变化，自动调节励磁电流，维持机端电 压于额定值不变；并联或并网运行时，应能按机组容量及电网电压合理分担无功，并维 持电网某点电压于一定水平。 ( 2 ) 事故或不正常运行时，应具有快速反应的能力。具体表现在：当电网短路或 其他原因造成机端电压严重下降时，应快速提供足够大的强励顶值电流，以提高电网运 行稳定性、继电保护动作可靠性及异步电动机的自起动能力；当机组或电网突然甩负载 或其他原因，造成机端电压急剧升高时，能强行减小励磁，防止电压过高，危及机组或 其他电器设备的绝缘；当机组内部或引出线上短路时，能迅速灭磁，防止事故扩大。 ( 3 ) 应具有良好的抗干扰能力，即运行应不受其他机组或电网运行状态的干扰。 ( 4 ) 应能按运行要求，自动限制机组的最大及最小励磁电流。 ( 5 ) 为了确保励磁系统( 特别是可控硅等半导体元件构成的励磁调节装置) 的安 全运行，应设置足够可靠的过电流及过电压等保护装置。 ( 6 ) 此外，励磁系统应界限简单、操作简便、运行可靠、便于维修、价格低廉。 1 3 励磁控制器及其控制方式 1 3 1 励磁控制器的地位和作用 同步发电机是将旋转形式的机械功率转换为三相电功率的机器设备。为完成这一转 换，它本身需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流称为同步发电机的励磁电流， 又称为转子电流。专为同步发电机供应励磁电流的有关机器设备，称为同步发电机的励 磁系统。在电力系统的运行中，同步发电机的励磁电流是电力系统无功功率的主要来源， 有时甚至是唯一的来源，所以同步发电机励磁系统的特性对电力系统运行的作用，无论 是正常情况，还是在事故情况下，都是十分重要的。为了改善励磁系统的运行特性，提 高其反事故的能力，必须在励磁系统中增设必要的自动控制与自动调节的设备，该设备 就是励磁控制器。由此可知，在现代电力系统中，励磁控制器应担负如下任务： n 1 维持发电机端或系统中某一点的电压水平“1 。正常运行时，随着发电机负荷的变 化，发电机端电压将随之变化，根据端电压的变化情况调节发电机的励磁电流，以保持 发电机的端电压为额定值或维持系统中某一点的电压于一定水平。 第一章绪论 ( 2 ) 并列运行发电机间无功功率的合理分配。肖电气距离很近的多台发电机在母线 上并列运行时，由于各发电枫的自动励磁调节器和系统中其他无功电压控制装霄的共同 作用，使母线电压变化很小，这时就应考虑改变每一台发电机的励磁电流使各发电机所 发无功功率得到合理分配。 ( 3 ) 提高系统运行的静态稳定性和输电线路的传输能力，改善系统的暂态稳定性。 灵敏而又快速动作的调节装置可大大提高运行的静态稳定和输电线路的传输能力。在故 障情况下，调节器通过提高励磁电压，可使励磁电压上升到比额定值值大得多的数值( 即 强励1 ，从而改善了暂态稳定。 ( 4 ) 提高系统的动态响应特性。励磁控制器的应用可提高电力系统的阻尼特性，提 高系统发生扰动后平息系统振荡的能力。 ( 5 ) 加速短路切除后的电压恢复过程和改善异步电动机的起动条件。发生短路时， 由于电压下降，故大多数电动机被制动。短路切除后，随着电压的上升，电动机将开始 自起动。由于起动电流较大，所以电压恢复较慢，这样又反过来影响自起动过程的完成。 发电机装有自动励磁调节器后，由于它能提高发电机的电压，因而可缩短电动机的自起 动时间，避免了过多的影响用户的工作，并使电力系统较快的恢复正常运行状态。 ( 6 ) 改善自同期或发电机失磁运行时电力系统的工作条件。发电机自同期并列或失 磁而转入异步运行时，将从系统吸收大量的无功功率，使系统电压下降，严重时甚至可 能导致系统瓦解，在这种情况下，装有励磁调节器的其它发电机将自动加大励磁电流， 以提高系统电压，弥补系统中无功功率的不足。这样发电机的自同期并列或异步运行时 的条件便得到改善，并可减少对用户工作的影响。 ( 乃防止水轮发电机突然甩负荷时电压过度升高。机组由于各种原因突然甩负荷时， 随着转速上升，发电机定子回路的电压可能上到危险的程度。由于水轮发电机一般都装 有强行减磁装置，可以在机组突然甩负荷时减少励磁电流，故可防止电压过度升高。 综上所述，励磁控制器是发电厂中十分关键的控制设备，在电力系统中起着重要作 用。 1 3 2 励磁控制器的控制方式 从励磁调节器的控制规律的发展来看，大体经过了三个发展阶段：单变量控制阶段， 多变量控制阶段，非线性控制阶段。 ( 1 ) 单变量控制阶段 单变量控制阶段的控制规律是按发电机端电压偏差a f t 的比例进行调节或a v t 的比 例积分。微分进行调节( p i d 调节方式) 。运用古典控制理论建立按y f 的比例进行的励磁 调节是由于无法对控制对象进行精确的数学模型描述而采取的一种简单实用的控制方 法，但对增益x 的调整却出现了矛盾。要使闭环系统成为稳定系统，必须将增益k 的值 限制在一定范围；而要提高系统的稳态精度就得使增益k 大于某一值，有时这二者是无 法满足的。随之，就诞生了p 1 d 调节方式，它在一定程度上缓和了对单反馈量的励磁调 节系统，按系统稳定性与按稳态调压精度对调节器放大倍数要求之间的矛盾，它就相当 于一台可自动改变增益的比例式调节器。 第一章绪论 ( 2 ) 多变量控制阶段 为了进一步改善与提高电力系统的动态品质与小干扰稳定性，多变量反馈的励磁控 制方式便逐步发展起来。具有代表性的方法就是增加了p s s 环节的p i d 励磁控制和 l o e c 线性最优励磁控制。所谓p s s 的控制方式，实际上是采用双状态变量的反馈控制 方式，就是在励磁调节器中除了用状态量v t 作为反馈量外再引入一附加镇定参量。为 了得到尽可能好的控制效果，所引的镇定参量不是直接进行反馈与另一反馈量a v t 相 加，而是经过一定的校正环节后再与反馈量v t 相加，目前所采用的附加镇定参量种类 有转速u ，发电机端电压的频率发电机电磁功率p 等。p s s 环节的存在，在其 参数设计和选取得比较合适的条件下，可使原有的p i d 控制系统主导特征值左移，起到 改善电力系统阻尼特性和小干扰稳定性的作用。 为了进一步改善电力系统小干扰稳定性及动态品质，科学工作者提出了线性最优励 磁控制方式，简称l o e c 。最优控制理论的主要特点是：( 1 ) 不是建立在传递函数的基础 上，而是建立在空间状态方程的基础上，是基于系统稳定性的方法；( 2 ) 适用于多控制量 的系统；( 3 ) 可以根据被控对象的实际要求，用解析的方法得出最优控制规律，以保证要 求的性能指标达到极值：( 4 ) 不局限于常系数线性系统，而亦适用于时变的线性系统、非 线性系统及离散系统等。描述发电机系统的运动方程是一系列非线性方程，线性最优控 制将这些非线性方程在时域内逐点线性化，计算出最优控制规律。控制效果与p i d + p s s 比较可提高发电机的静态稳定和暂态稳稳定。其局限性之一是线性化的结果与实际的非 线性方程有一定的偏离：其= 是当电力系统的接线方式发生交化，其描述系统的状态方程 将和实际的系统出现偏差而导致控制性能出现微小的下降。但这种控制规律比起 p i d + p s s 仍然具有明显的优势。它是基于电力系统状态变量的线性组合，这种控制方式 具有以下优点：第一，可直接根据解析结果整定控制器的最优参数。第二，系统在偏离设 计的最优运行状态下的动态响应与设计的最优运行状态下的动态响应之间相差甚微。第 三，最优励磁控制规律是全部状态量的晟优线性组合。这种组合能够保证系统在过渡过 程中各状态量对其稳态值的平方误差的积分最小，故其控制效果不受振荡频率的影响。 第四，可使系统获得高的微动态稳定极限。 ( 3 ) 非线性励磁控制阶段 以上所述的前两个阶段中的励磁控制方式，无论是p i d ，p s s 或是l o e c ，都存在一 个共同的问题，那就是励磁控制器设计所依据的是电力系统某一特定状态下近似线性化 的数学模型，它们不可避免的存在一个共同缺点，当电力系统遭受大干扰使实际的状态 点偏离设计所选的平衡点较远，继而产生较大幅度的振荡时，控制效果就会大大减弱。 有的，如p s s 控制方式，甚至还可能起相反作用，使得对电力系统大干扰稳定性反为不 利。对于l o e c 控制方式，其控制效果对于大干扰稳定性的改善尚不能令人满意。电力 系统是一个巨维数的典型动态大系统，它具有强非线性、时变性，对于非线性系统，为 了进一步提高电力系统在大干扰下的稳定性，采用非线性控制势在必行。而长期困扰大 家的是，即使建立了非线性励磁控制的模型，由于没有适用的数学工具来分析处理非线 性系统使得非线性控制成了纸上谈兵，而正如线性代数概念和方法的引入在单输入单输 出及多变量线性系统方面所带来的重大变革一样，微分几何方法的引入使得非线性控制 7 第章绪论 的研究向实用化迈进了一大步，它可以将非线性系统经过坐标变换转换成线性系统，这 就使得人们可以利用成熟的线性系统最优控制理论来分析锯决非线性问题，值得一。提的 是，我国著名电力系统及控制论专家卢强院士等人的不懈努力使我国在电力系统非线性 控制领域居国际领先水平，并且在实际工程中对非线性励磁控制进行了实际应用，取得 了不错的效果。 1 3 3 励磁控制方式的比较 综上所述，励磁控制方式设计是采用不同的数学工具和不同的设计思想，就决定了 其在系统运行中所起的作用也不相同，具有不同的控制特性 以拉氏变换和多项式代数为基础以描述系统输入输出关系的传递函数为工具的p i d 励磁控制方式，形式上简单可靠，且其电压调节性能优异，能有效的抑制故障后的电压 波动，但其所运用的数学工具决定其只能较好的适用于单输入单输出的线性定常系统， 无法同时兼顾p e 。u 等其他量的调节性能。因此，以这种单变量控制理论设计的励磁控 制方式很难有效地改善电力系统的阻尼特性和电力系统的稳定水平。 p s s 这种多变量的励磁控制方式，把电压调节通道确认为主要调节通道，是在电压 调节通道设计完成的情况下进行的。设计中考虑了电压调节通道对动态稳定性的不利影 响，p s s 参数是在有了电压调节作用下确定的。其能够对电力系统某一对应的较窄频带 内的振荡具有较好定控制效果，但从理论上说并不能给出最佳的控制效果，并且由于其 在设计、参数整定上的问题，以及由设计方法决定其并不能对多机间相互作用进行协调， 所有这些都限制了p s s 发挥其最佳效果。 采用线性最优励磁控稍方法设计以提高电力系统动态稳定性为目标的多变量励磁 控制方式，同时确定发电机电压调节通道和其他附加励磁控制通道的增益，没有确定电 压调节通道的主导地位，只以权系数方法予以考虑，其结果虽然能满足动态稳定性的要 求，但能否满足电压调节的要求还不能确定。并且在线性最优励磁控制设计中，采用以 某一性能指标最小为要求，求得控制参数，而没有考虑也无法考虑当系统运行方式发生 变化时改变参数，因而具有较差的鲁棒性。 非线性励磁调节器从理论上讲，比p s s + p i d 和线性最优励磁控制具有更广范围的 系统稳定控制域，其性能比p s s + p i d 和线性最优励磁控制器更优越，但目前非线性励 磁调节器的设计多以发电机功角偏差( d ) 为控制目标，所以当机械功率出现扰动时，就 会出现机端电压偏移问题。这样，非线性励磁控制器可以显著的提高系统稳定性。 1 4 本文主要工作 考虑到励磁控制系统对电网的重要性，本文针对天津石化自备电厂的实际电网，对 其励磁系统控制器进行研究。天津石化热电厂的励磁控制器有两类，其中2 - 错机组使用 的是j l - 2 开关式励磁调节器，1 # 和5 、6 0 机组用的是非线性励磁控制器。对这两类控制 器采用不同的分析方法，做的工作也有所不同。具体内容如下： ( 1 ) 首先建立天津石化公司电力系统的接线图模型，包括装枫容量2 5 m w 的发电 第谭绪论 机4 台( 1 撑甜) ，5 0 m w 的发电机2 台( 5 新口6 撑) 。然后对j l - 2 丌关式励磁控制器的 结构进行了分析，从p s a s p 提供的模型中选用一种可以满足仿真需求的形式。接着按 照时问乘误差绝对值的积分值为最小值的评测法( i i a e 法) 进行参数优化，并做出仿真 分析，验证了该方法的有效性。 ( 2 ) 对于非线性励磁控制器的结构进行分析，仿真软件提供的模型均不适用，为 完成仿真任务必须要建立其数字模型，这也是本文工作的一个重要内容。方法是使用电 力科学研究院的电力系统综合分析程序( p s a s p ) 的用户接口模块，与v c 编写程序代 码相结合，开发出非线性励磁控制器的模型。然后将此模型应用到所建立的电力系统接 线图模型中，设定几种典型的故障形式进行仿真，此模型的有效性得到了验证。 第一章i u 力系统模型及萁稳定性 第二章电力系统数学模型 本章首先介绍单机一无穷大母线输电系统的菲线性数学模型，然后分析 了天津石化电力系统的实际情况，建立其仿真接线图。 2 1 单机无穷大母线输电系统的数学模型 一个同步发电机具有定子绕组、转子绕组和阻尼绕组，几个绕组间都有 磁耦合，而且转子的位置在不断变化，绕组间的磁耦合必然和转子位置存在 函数关系。此外，数学模型还需要描述负荷、励磁系统、机械力矩等动态过 程。因此，整个励磁控制系统的数学模型非常复杂，在研究前要进行简化， 采用如图2 1 所示的单机一无穷大母线输电系统的数学模型。 同步 k k 1 糖电线埽i - w i t 卜 而输电线路i i 葺 变压罂 无 穷 大 系 统 图2 - 1 单机一无穷大母线输电系统 系统采用晶闸管整流的自并励励磁装置，做出如下假设： 同步发电机采用三阶模型，忽略定子绕组暂态和阻尼绕组动态过程，只 计及励磁绕组暂态和转子动态过程。 输入同步发电机的机械功率在暂态过程中保持不变，即p m 一0 。 不考虑励磁设备的动态过程，即e ，- v f 。 在上述假设下，数学模型描述如下： 魂) 一珊( f ) 一c o o 却) = 詈假o ) 一只( f ) ) 一百d ( ( f ) 一) ( 2 一1 ) 碍o ) - 享【_ ( e ，( f ) 一e o ) ) d o 状态变量为：功角6 ( 0 ，发电机转子转速o ) ，发电机暂态电势o ) 。 为书写方便，随时间而变的各变量6 0 ) 、甜9 ) 等在公式中一律写为6 、0 5 等。 上述模型中，各变量之间的关系为( 隐极型同步发电机) ： 毛；争乓一毕k c o s 6 ( 2 2 ) 而：1 弘1 一拓币万丽丽 ( z _ 3 ) d 第+ 章电力系统模型及其稳定性 ：堡s j nd 霸z q ：盟。刚一旦 所有变量及符号的物理意义见下表 袭2 1 各变量及符号与其物理意义对照袭 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 6 功率角( 弧度，r a d ) 发电机角速度( 弧度秒，r a d s ) c o o发电机同步转速( 3 1 4r a d s ) 只机械功率( 标么值) 只发电机电磁功率( 标么值) h 发电机转子转动惯量 d 发电机阻尼系数 五。发电机励磁绕组的时间常数( 秒) 发电机d 轴同步电抗 ， 心发电机d 轴暂态电抗 变压器电抗 k无穷大系统母线电压 葺发电机与无穷大母线之间的线路电抗 x s 发电机外电抗，x s = x t + x l 岛发电机q 轴电势，即空载电势 e q发电机暂态电势 珞 发电机励磁电势 吩 发电机励磁电压 k 发电机机端电压 x d e 发电机d 轴总电抗，x 旺= x d + x s x 乙 发电机d 轴暂态总电抗，x d = x t d + x s 其中，是能反映励磁电势e q 大小的可测励磁电流，两者关系由式( 2 6 ) 确定： e q x “i f 其中x d 为励磁绕组的自感抗。 ( 2 - 6 ) 第二章电力系统模型及其稳定性 2 2 天津石化系统数学模型 天津石化热电厂并网连接示意如图卜l 所示。正常情况下，自备电厂共 有6 台发电机，通过1 1 5 、1 1 6 联络线与上古林并网，1 1 7 线路作为备用，联 络线出口断路器装有低频解列装置，整定值为4 8 5 h z ，延时0 ，5 s 。上古林变 电站一般通过两回输电线从大电网受电，该系统比较可靠。但是考虑到线路、 变电站检修及可能的突发故障，系统供电的可靠性就会下降。在双回线的一 回线停运时，存在另一回线路因放跳闸造成系统供电中断的可能性。在这种 情况下，天津石化电厂必须做好事故处理准备工作。2 0 0 0 年6 月1 4 日，就是 因为上古林一台变压器检修，另一台变压器故障系统供电中断，天津石化热 电厂瞬间带上古林配电站其它负荷运行，频率骤降使联络线解列形成企业孤 网，自备电厂由于没有相应的事故处理方案，造成全厂性停电，带来严重经 济损失。本项目就是基于此次事故提出的。 4 2 母缱 5 2 母拽 图2 2 石化热电厂1 i o k v 系统接线图 完善的保护和控制系统、精益的管理可提高电力系统的可靠性，但对数 年、数十年一遇的系统故障( 如2 0 0 0 年事故) 仍无法避免。当然电厂面临故 障也可以积极、有效的应对，针对本企业电网的结构，分析可能故障的类型， 通过研究，从而设计和完善应对故障的自动保护和控制策略。天津石化热电 厂二十几年来首次出现这种事故，故障后自备电厂保护和控制系统如何作出 反应，是否满足故障后的控制要求等问题都需要深入研究。近几年天津电网 供电形势严峻，系统几乎在无旋转备用的情况下运行，拉闸限电或发生事故 的概率加大，而天津石化正面临聚酯项目投建，电厂扩容以及技术改造等问 题。当前企业电网还存在哪些薄弱环节，需要制定哪些控制措施以及如何制 第二章电j 系统模型及其稳定性 定来防止类似事故的发生，在当前形势f ，解决这些问题显得尤为重要与迫 切。 对上述系统进行相应的简化，得到如图2 一l 的等值结构图。 = 蝾r 鱼8蜜尸望“b 广酽4 b 望”望”_ _ v j z jj ：二：； 1 8 二1 = l 工t二 工t 2 下- b u 8 1 “日b u s 4 1s 墨。j ”1 。 l 3 4 巴 3 2 2 】6 e 血g e d l 伸2 1 l ， 葛莨1 6 茜茁1 ff 4 1 6 ，乏牛 品 亨于 荟 一 6 i ( v 6 4 废j7 荷 。鬣荷 2 段i 荷，鑫； 2 3 小结 图2 - 3 天津石化企业电网结构等值结构 在本章中，参考建立单机一无穷大母线输电系统的数学模型的方法，建立 天津石化的系统模型，该模型清楚的反应了石化热电厂系统地等值接线图， 以及各部分之间的连接关系，对这个等值电路图进行各种机组组合情况下的 潮流计算是以后工作的前提，以后所设计的任何一种故障情况下的暂态计算 都是在这张接线图的潮流计算基础上进行的。 第童章j l - 2 开芙式励磁调钳器的参数优化 第三章j l 一2 开关式励磁调节器的参数优化 针对天津石化电厂系统进行分析，天滓石化电厂目前共有六台主发电机，其中 1 # 一4 抖机使用的是j l 一2 开关式励磁调节器，5 # 和6 # 机用的是非线性励磁控制器。下面 主要对第一种儿一2 开关式励磁调节器进行分析。 3 1 天津石化两种励磁控制器之一：j l 一2 开关式励磁调节器 儿一2 开关式励磁调节器是针对中小型发电机的特点研制的新型自动励磁调节装置， 是中小发电机励磁设备升级代换产品，适用于带直流励磁机励磁方式的各种发电机组。 采用大功率电力电子开关调节技术，使用测量电压触发控制开关导通比，无需直流电源， 电路简单，反应速度快，调节精度高，运行稳定，有效地提高了发电机励磁性能“”。 图3 - 1j l - 2 开关式励磁调节器 3 1 1 主回路工作原理 图3 - 2主回路工作原理 开关j k 表示大功率开关晶体管，串联接入励磁机磁场回路。通过控制晶体管开关的 导通比，改变加在磁场绕组上的平均电压，从而控制和调节励磁电流。导通时相当于j k 闭合，则励磁回路接通，励磁机的电枢电压全部加在励磁绕组上；当开关晶体管截止时， 相当于j k 触点打开，励磁回路断开，励磁绕组中的电流通过续流二极管d 续流，而绕组 两端电压为零。在一个开关周期内，开关晶体管导通与截止的时阳j 不同，即导通比不同， 则加在励磁绕组上的平均电压就不同，因此励磁电流也不同。由于晶体管开关工+ 作的频 ，o 第二章j l - 2 开关式励磁调讧器的参数优化 率相当高，而励磁绕组又有很大的电感，励磁绕组中的电流时相当平稳的直流。只要控 制开关晶体管的导通比，即可控制发电机的励磁电流。当开关导通比k = i 即全导通时， 发电机处于强励状态；而当导通比k = 0 即晶体管全截止时，发电机即强减励磁。因此开 关式励磁调节器可以方便的在发电机强励至强减的整个范围内连续调节。 对于图3 - 3 ( a ) 所示的直流励磁机，只要改变磁场回路的电阻值r 。，就可以改变其 磁场回路的电流i 。，从而改变励磁机输出的端电压u 。励磁机若带上发电机的转子励磁 绕组f l 0 作为负载，这时励磁机输出的端电压u 。随磁场电流l ，而变化的关系，一般成作 为励磁机的负载特性曲线，如图3 3 ( b ) 的曲线l 所示。 l ( a ) i i i j l l ( b ) ( a ) 励磁机主回路图；( b ) 励磁机特性曲线 图3 - 3 励磁机主回路及其负载特性 曲线l 一威磁机受载特性曲线；直线2 、3 、4 一励磁桃磁场回路电阻线；图中直线2 、 3 、4 表示加于励磁机磁场回路两端的电压u 。与在该回路产生的电流i 。的关系，它们取 决于回路总电阻，称作励磁机磁场回路的电阻线，以下式表示： u l ；( r l + r 。+ r 。) i l ( 3 1 ) 其中： r l 励磁机磁场绕组的电阻； r 。：磁场电阻中的固定部分，由它限制励磁机的强励顶值电压的高低； r 。：磁场变阻器中的可变电阻，图3 3 ( b ) 中直线2 、3 、4 分别代表r 。阻值不 同时的三根磁场回路电阻线。 励磁机磁场回路电阻线与励磁机负载特性曲线的交点，决定了励磁机的静态工作点。 例如磁场变阻器的阻值r 。较大时，工作于a 点；将r 。减小到某一个数值，工作于b 点； 当r 。等于零时( 例如强励接触器o l c 将r 。短接) ，则工作于c 点，这是励磁机进行强励 时输出的顶值电压，它取决于磁场绕组的电阻r 。及强励限制电阻r ；。以往机电型变阻 式凋节器以及现场手动调整时，就是这样改变磁场变阻器的电阻r 。来改变励磁机电压 的。 可控硅丌关式调节器将主可控硅管接在磁场回路内，当主可控硅管导通时则相当于 第二章j l 2 开关式励磁调1 ，器的参数优化 扯! r 。短接，让磁场电流j 。上升；当主可控硅管关断时，则将浚回路断丌或者串入