（电力系统及其自动化专业论文）抽水蓄能机组微机励磁及变频起动问题的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m y , p o w e rs u p p l yi nc h i n a i sf a rb e h i n dd e m a n d p e a k m o d u l a t i o ni su n d e r g o i n ge x t r e m es t r e s s a sa r ta d v a n c e dr e g u l a t i o nm e a s u r ei nm o d e m p o w e rs y s t e m ，p u m p e ds t o r a g e s t a t i o nw h i c hc a ne f f e c t i v e l yi n c r e a s ee c o n o m i e sa n d r e l i a b i l i t yi sw i d e l yu s e di nd e v e l o p e dc o u n t r y r e c e n t l yc h i n aa l s oa t t a c h e si m p o r t a n c et o p u m p e ds t o r a g es t a t i o np r o j e c t s i ti so fg r e a tv a l u et os t u d ye x c i t a t i o nc o n t r o l l e ra n ds t a t i c f r e q u e n c y c o n v e r t e rs t a t i n gi np u m p e d s t o r a g es t a t i o n p u m p e ds t o r a g e u n i th a sd i v e r s i f o r mw o r kc o n d i t i o n s ，t h e r e q u e s t s f o re x c i t a t i o n c o n t r o l l e ra r ei n c l u d i n gs t a r t i n ga n de l e c t r i c i t yb r a k i n g i t sl o g i cc o n v e r s i o ni sc o m p l i c a t e a n dh i g hr e l i a b i l i t yi sn e e d e d ；w h e np u m p e ds t o r a g eu n i tw o r k sa sm o t o r ，i ti ss t a r t e db y s t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r , h o w e v e r , h a r m o n i c sa r eu n a v o i d a b l e i nt h i s p a p e ht h o s ek e y t e c h n i q u ep r o b l e m s a r et ob es o l v e d f i r s t l y ，t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n p u m p e ds t o r a g es t a t i o n a n dt r a d i t i o n a lh y d r o p o w e rs t a t i o ni si n v e s t i g a t e d s e c o n d l 弘t h en e c e s s i t yo fp s su s e di n p u m p e ds t o r a g eu n i t si sa n a l y z e d ，a n dt h e nh a r d w a r ea n ds o f t w a r es c h e m eo fe x c i t a t i o n c o n t r o l l e rb a s e do n1 6b i ts i n g l e c h i pi sp r e s e n t e di nt h ef i r s tp a r to f t h i s p a p e r b e c a u s et h ec o n t r o lo fe x c i t a t i o nu n d e rp u m p i n gi si n t r i c a t e ，t h el a s tp a r to ft h i sp a p e r c o n c e n t r a t e so ns t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e rs t a r t i n g a ni n t e g r a t i v eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s c h e m e o f s t a t i c f r e q u e n c yc o n v e r t e r i sg i v e n a m o d e lo fs t a r t i n go f p u m p e ds t o r a g eu n i t i s e s t a b l i s h e db ym a t l a bs o f t w a r e f i n a l b ；t h eh a r m o n i c se l i m i n a t i o no ft h e s y s t e mi s s t u d i e d ，t h e nt w od i f f e r e n th a r m o n i c sm i t i g a t i o nm e t h o d si sb r o u g h tf o r w a r d k e yw o r d s ：p u m p e ds t o r a g e ，e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r , s t a r t i n g ，h a r m o n i c sm i t i g a t i o n ， s t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r i j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蕊、瞬 加毕年5 胃宁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复e p 件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密瓯 ( 请在以上方框内打。4 ”) 学位论文作者签名：黄晖指导教师签名：鬯分竞拣孵 加牛年r 月d 日甲年5 月c 。日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 1 绪论 负荷的持续增长，给电力系统调峰带来巨大压力。抽水蓄能电站利用可以兼具水 泵和水轮机两种工作方式的蓄能机组，在电力负荷出现低谷时做水泵运行，用基荷火 电( 核电) 机组发出的多余电能将下水库的水抽到上水库进行蓄能，在电力负荷出现 高峰时做水轮机运行，将储存的水放下来发电川。抽水蓄能电站具备的这种独特的“削 峰填谷”功能，可以解除大型火力发电机组低出力运行的困难，有效增强电力系统的 调节能力，有助于提高供电质量以及提高电力系统本身的经济性。除此之外，抽水蓄 能电站和常规水力发电站一样，在担当调峰、调频、事故备用、旋转备用等方面都有 明显的功效，是满足电网安全经济运行的可靠电源l 二j 。 经过解放以来j o 多年的建设发展，我国已成为世界上的能源大国。我国大陆到 2 0 0 2 年底发电机组总装机容量为3 5 3 亿k w ，年发电量接近1 6 5 4 0 亿度，两项均居世界 前列。然而我国能源结构以燃煤为主，需要具有相当规模的水力发电容量来承担电网 的负荷调节；另外我国电力系统负荷发展很不平衡，需要增加运用灵活的调节容量， 才能达到较高的效益。我国几个大电力系统，如华北、东北、华东电网的水电装机容 量比重均在1 7 以下，其中华北系统只有4 3 。有的电力系统虽水电比重高一些，如 华中系统( 3 7 6 ) ，但某些大型水电站需要担负基荷发电，而且受季节径流的影响，没 有很多调节能力，有时水电站需大量弃水后才能使其参与电网的调峰。我国的电力建 设虽然经过几十年的努力，但由于电力负荷持续快速增长，电力供应仍然处于紧张状 态，很多电力系统的调峰能力还很差，有几个系统峰谷差大大超过了水电机组的容量， 同时峰谷差的增长速度大大超过了负荷的增长速度。为此，很多火电厂被迫使用中型 热力机组来调峰，这样做既耗费燃料又损伤设备。因此发展能够提高供电质量以及提 高本身经济性的技术非常必要，其中抽水蓄能是最为经济和运用方便的手段1 2 , 3 】。 我国水力资源在世界上居首位。理论水电资源为6 g o 亿k w ，可经济丌发容量为 4 0 5 亿k w 。但是到目前为止，实际开发的水电资源只有1 5 8 ，可见我国的水电发展程 度与天然资源条件是十分不相称的，在世界较大国家中是属于后进的。 按照我国电力发展规划，到2 0 0 4 年末我国总装机容量将达到4 2 3 亿k w ，其中水 电将占2 5 ，即1 0 5 亿k w 。现在研究结果表明，为达到低限度的电网调节能力，电 力系统中应至少具有总容量5 的抽水蓄能机组，要达到较好的调节能力，则需要有 华中科技大学硕士学位论文 。c a , 容量1 0 的蓄能装机1 2 1 。按此计算，到本世纪初，我国应该建有0 1 5 亿k w o 3 亿k w 的抽水蓄能装机容量，这个比例应相当于届时水电装机容量的2 0 4 0 。 据现在的抽水蓄能建设进展，我国已建成的抽水蓄能电站，共有容量0 0 6 6 亿k w 。 在建的电站容量可能有0 0 2 o 。0 3 亿麟，加在一起也只有0 0 8 o 0 9 亿k w ，占总 装机容量的3 上下。所以我国目前的抽水蓄能电站建设进展距近年的需求水平还相 差很远。从我国各主要电力系统的发展预估，可以看出随电力系统容量的增加，峰谷 差将以更高的比例上升。在进入2 1 世纪后，我国电力系统在保证发电质量方面仍将 处于紧张的状态。所以，大力发展抽水蓄能电站是我国电力发展的一项长期任务i l “。 抽水蓄能电站在我国起步较晚，目前抽水蓄能电站的主要设备几乎全部依赖进 口。因此，加快研究开发和应用抽水蓄能技术已成为共识，研制大型抽水蓄能机组已 被列入国家科技攻关项目。抽水蓄能机组的励磁调节和控制大大不同于常规水电机 组。抽水蓄能机组有电气起动、电气制动要求，在电力系统中既具有发电、抽水、调 峰、调相、旋转备用等多种用途，叉可以根据电网的需要实现各种运行工况之间的相 互转换，所以抽水蓄能励磁系统应能可靠实现各种运行工况及各种运行工况之间频繁 转换的励磁调节和控制p ”】。为此，研究与设计现代高性能、多功能和高可靠性的数 字式励磁控制系统势在必然。目前，国内尚无设计生产抽水蓄能机组励磁控制器成功 的经验，本项目的研究，将有力推动抽水蓄能机组励磁控制器的本土化进程。 另外，对于可逆运行的蓄能机组来说，运行在电动抽水工况时，起动是运行的关 键技术之一。目前大型抽水蓄能电站一般采用静止变频器( s f c ) 起动，它具有起动 容量大、起动速度快、工作可靠性高、维护工作量小、对系统影响少等优点，但同时 s f c 运行将产生谐波，对电网造成污染。国内抽水蓄能电站s f c 装置几乎都从国外引 进，谐波抑制大多采用无源滤波器滤波h 3 - 2 4 1 。本文在研究用1 6 位单片机实现静止变 频器的同时，通过对s f c 的起动仿真初步探讨了谐波影响，提出了改进的谐波抑制方 案。对抽水蓄能电站电动工况下用低谐波装置起动，减小谐波危害，改善供电质量提 供了合理的参考。 目前抽水蓄能电站成套设备正在进行“十五”国家重大技术设备研制和国产化的 项目申请，作为抽水蓄能成套设备重要组成的励磁控制器和静止变频器，本文对其关 键技术研究，有助于深入分析和消化国外在发展这项技术上的经验，同时可推动国内 抽水蓄能机组辅机的制造技术和科研水平。 1 2 抽水蓄能电站国内外发展概况 世界上最早的抽水蓄能电站是1 8 8 2 年建于瑞士苏黎世的奈特拉抽水蓄能电站， 华中科技大学硕士学位论文 电站容量为5 1 5 k w 。近三四十年来，工业发达国家抽水蓄能电站发展越来越快。据不完 全统计，世界抽水蓄能电站约有4 0 0 多座，总装机容量在1 5 亿k w ，从总的发展趋势 看是向高水头大容量发展。许多发达国家抽水蓄能电站的装机容量已经占到电力系统 总水电装容量的2 0 5 0 。能源缺乏的日本，已有4 0 多座抽水蓄能电站，总装机 容量在2 0 0 0 0 m 1 1 以上，基本和常规水电机组装机容量相等，占整个电力系统容量1 0 以上。英、法两国的抽水蓄能电站装机容量己在5 0 0 0 m w 以上。美国是抽水蓄能电 站投资最大的国家，目前容量超过2 0 0 删的抽水蓄能电站已经超过2 0 座，并且制定 出了1 7 0 0 0 m w 的开发计划。 抽水蓄能电站的最初概念是将火电( 核电) 非峰荷时的低价电能转化为峰荷时的 高价电能，这一概念已发展到利用抽水蓄能电站来控制电力系统中电能质量的趋势。 由于电力需求不断增长，同时电力系统削峰填谷的需要也越来越大，且工业国家的经 济发达地区常规水电资源已基本被开发完，因此急需建设能削峰填谷和动态效益好的 抽水蓄能电站。从电力系统的电力电量平衡考虑，抽水蓄能电站已成为现代电力系统 构成中不可缺少的一个组成部分。近年来世界各国的抽水蓄能电站建设以大于1 0 的速度发展。 我国抽水蓄能电站建设起步较晚。1 9 6 8 年在岗南水库安装了第一台机组，由同本 制造，单机1 1 潲，1 9 7 5 年在密云水库安装了两台我国仿制的1i m w 机组。现在水电建 设处于我国历史上最好的发展时期，抽水蓄能建设也得到了应有的重视而获得快速进 展。9 0 年代一来，我国新建了广州一期、二期，十三陵和天荒坪等大中型抽水蓄能电 站。尽管目前已经建成的抽水蓄能电站不多，总装机容量也不大，但单个电站规模已 经屠世界前列，例如广州抽水蓄能电站在二期工程完工后( 装机为2 4 0 0 凇) 将成为世 界最大的蓄能电站。 我国现在有1 2 个大型及中小型抽水蓄能电站已建成或在建设中，另外有相当数 目的蓄能电站已经规划或在设计阶段。己建成和规划中的抽水蓄能电站约占我国电力 系统总装机容量的3 上下，距近年的需求水平还相差很远。资料表明，到2 0 1 0 年， 我国还需建设1 5 0 0 0 至2 0 0 0 0 m w 以上的抽水蓄能电站。，因此对蓄能电机进行研究，消 化和吸收国外先进技术，使蓄能机组及辅助产品国产化是十分必要的。 1 3 抽水蓄能电站励磁控制概述 抽水蓄能电站绝大多数采用可逆式机组，由于可逆式水泵水轮机作水轮机和水泵 运行时的旋转方向是相反的，这就决定了抽水蓄能电站的控制比常规电站复杂得多； 另一方面，抽水蓄能电站在电力系统中承担调峰、调频、事故备用和旋转备用等任务， 华中科技大学硕士学位论文 i i - , 一= = ；= = = = t = = # = ；= = = = # = ；= = = ；= = = = = = 一 是电力系统安全、可靠、稳定运行的关键，故其对可靠性要求高- 6 】。与常规水电机 组相比，抽水蓄能机组具有运行工况多、运行工况之问频繁转换、控制方式复杂、操 作起停次数多，可靠性要求更高等特点。这些决定了抽水蓄能机组控制比常规机组控 制要求更高。 目前中国抽水蓄能电站励磁装置从制造厂家来看，由多家外国制造商提供，如广 州抽水蓄能电站引进阿尔斯通的励磁装置，十三陵抽水蓄能电站引进奥地利伊林 ( e l i n ) 公司提供的励磁调节器。潘家口抽水蓄能电站采用a b b 公司提供的励磁装置 等等 。由于抽水蓄能电站对励磁有其特殊要求，目前1 0 万k w 以上机组其成套设备 包括励磁在内，几乎是全部购买外国产品。这产品的开发，在国内以主机制造厂为 主一些高校也在作前期的研发工作。从励磁技术看，国内有实力的厂家都能制造，主 要是缺乏经验和机会。 随着微电子技术、计算机技术、电力电子器件的进步，数字化技术不同程度地应 用于各类励磁装置中。数字化励磁装置已经成为各类老机组设备改造和新机组设备选 型的必然趋势。特别是对抽水蓄能电站的励磁控制系统来说，其控制规律复杂，对系 统可靠性要求更高，这就决定了数字化励磁装置是抽水蓄能电站的首要选择。 数字式励磁调节器具有如下特点： 1 ) 硬件结构简单可靠。调节器由专用的高速可编程控制器或高速微处理器及必要 的输入输出电路构成，省掉了大量的逻辑控制继电器，而且易于采用冗余容错硬件结 构方式，其可靠性大大提高。 2 ) 通过软件实现各种调节控制功能。励磁调节计算、逻辑控制、p s s 及各种励磁 限制功能均能由软件实现，可以实现多种调节规律的选择切换。 3 ) 人机界面友好，运行维护方便。现在励磁系统的现地调节和人机接口国内外基 本都采用小键盘和l e d 或l c d 显示器。正常运行时显示励磁系统的一些常规测量数据， 如机组电压、无功功率、转予电压、电流、温度等参数。此外，对励磁系统的各种故 障进行监视，还包括自诊断、自动检测等。 4 ) 通讯功能完善。为了方便地实现励磁系统与电站计算机监控系统的控制及数据 交换，可根据用户的要求设曼串行通讯或网络通信接口。便于在远方了解励磁系统的 运行情况，还可对励磁系统的参数进行修改和设置，有利于电站实现少人值守、无人值 班。 通常数字励磁调节器的硬件结构形式是依据机组容量等级和所在电力系统的重 要性进行选择的，目前主要有单通道微机、双通道微机和多通道微机结构。核心控制 器主要有1 6 位和3 2 位两个类型，控制器有单片机、d s p 、嵌入式工控机、p l c 、通用 型工控机等。 五 华中科技大学硕士学位论文 i t - i j = = # = ；日；= = = _ _ = 抽水蓄能机组励磁控制装置从硬件结构上来说与常规水电机组励磁控制装置并 没有太大的差别，除了在考虑特殊的控制方式，比如引入功率偏差信号的p s s 附加控 制时，可以考虑采用采用硬件实现的功率方向判别以外。其它则是从提高可靠性和运 行性能方面对系统硬件结构提出要求。至于励磁控制方式以及满足双向旋转、工况转 换、起动、电气制动要求等方面，均可从系统软件方面来实现。本文第二章对此将有 详细的论述。 1 4 抽水蓄能电站起动方式概述 抽水蓄能电站工作在电动抽水运行工况时，如何起动蓄能机组，使机组起动电流 不致过大，并对电网不产生过大扰动，是蓄能机组运行控制的关键技术问题。目前常 用的电气起动方法大致有5 种：同轴电动机起动、异步起动、同步( 背靠背) 起动、 半同步起动、以及变频起动等。下面对各种起动方式作一简要论述。 l - 同轴电动机起动 同轴电动机是一台小容量绕线式感应电动机，比主机一般少一对或几对磁极，相 应的同步转速比主机高一些。它装在主电机的顶上，直接与主轴联接，用以起动主机。 这种起动方法简单，无须装设起动母线，各台机组起动装置互不影响，对电网干扰小， 是早期最常用的起动方法，但同轴电机的设置会增加主机的高度，可能需要增加主厂 房高度，随着抽水蓄能机组单机容量不断提高，这种起动方法附加成本和工程费用变 得非常昂贵，而且起动时间较长。5 0 6 0 年代后，这种起动方法在现场实际中越用越 少。 2 异步起动 异步起动是在机组励磁绕组短接情况下，直接将蓄能机组并入电网，利用转子磁 极上阻尼绕组产生的异步力矩使机组起动并加速，在接近同步转速时加上励磁拉入同 步。异步起动加电压的方式有全电压起动、降压起动和部分绕组起动3 种。全压起动 接线简单、起动力矩大、起动时间短，但起动时起动电流大，对电网产生较大的冲击。 降压起动和部分绕组起动，利用主变压器抽头或接入电抗器降低电源电压将机组起 动，在一定程度上减小了对电网的冲击，但起动时间也相应延长了，同时需要增加一 些设备。 3 同步( 背靠背) 起动 同步起动时用本电站或相邻电站的一台常规发电机组或蓄能机组做发电机运行 来起动其它蓄能机组抽水。开机前将被起动机组与起动机组在电气上联接，并分别加 上励磁。将转动起来的发电机产生的低频电源直接加在电动机定子上，电动机在同步 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = ；= = = = = = = ； 转矩作用下跟随发电机逐步升速。转速达到同步转速的8 0 时，投入各自的励磁调节 器，然后以准同期方式并入电网，再逐步解除起动发电机，完成起动过程。这种起动 方式的优点是对电网没有什么冲击，但起动过程的调整和操作比较复杂，需要设置专 用的起动母线，而且电站最后一台机组不能用此法起动，还需装置其他方式的起动设 备。目前大型抽水蓄能电站采用此方式作为变频起动的备用。 4 ，半同步起动 半同步起动是由一台作发电运行的机组先与被起动机组在电气上联接。在不加励 磁状态下起动发电机，到转速为额定转速的8 0 时加励磁，发电机就产生6 0 7 0 的额定电压，这个电压加到电动机上能产生异步转矩，使之起动加速，而发电机因 损耗了能量转速下降。当两台电机转速接近时给电动机加励磁，并使之与发电机同步。 电动机在发电机的驱动下同步加速到额定转速。这种起动方式需要发电机容量大于电 动机容量的8 0 ，由于不从系统受电，故对系统无干扰，但与同步( 背靠背) 起动方 式一样，需要预先通过试验来确定加速过程中投入励磁的时间，此外最后一台机组也 不能自行起动。 5 变频起动 变频起动方式是利用晶闸管变频器产生频率可变的交流电源对蓄能机组进行起 动，是近年来发展的新方法。静止变频器( s f c ) 包括两组三相桥式晶闸管，其中一 组用于整流，一组用于逆变。通过转子位置检测装置输出转速及位置信号由变频器 控制调整晶闸管的导通角，用此来进行转速和整流控制。变频起动方式的优点是设备 静止、运行维护方便、起动容量大、起动速度快、工作可靠性高，对系统冲击小。 综上所述，异步起动方式对电网产生较大冲击，同轴电动机起动方式需要专用的 辅助电机，半同步起动方式控制复杂，而与其他起动方式相比，变频起动具有明显的 优点，成为现代国内外大型抽水蓄能电站首要选择的起动方式，本文研究的抽水蓄能 机组起动方式就是针对变频起动来实现的。 1 5 本文主要研究工作及内容安排 抽水蓄能作为现代电力系统的一种先进调节手段，近年来得到快速发展。抽水蓄 能励磁控制和起动是蓄能机组运行控制的关键技术，本文在分析抽水蓄能励磁控制与 常规水电机组励磁控制的不同并探讨动态稳定性的基础上，给出了用1 6 位单片机实 现的p i p 加功率方向p s s 的抽水蓄能励磁控制器的软硬件方案，由于励磁控制器在蓄 能机组抽水工况起动时的励磁电流控制是技术难点，本文后面的研究重点放在了目前 大型抽水蓄能电站起动时普遍采用的静止变频器上，给出了用1 6 位单片机实现的双 华中科技大学硕士学位论文 c p u 自控式静止变频器的设计方案，并对变频起动过程做了仿真分析，对谐波问题进 行了简要探讨，提出了相应的谐波抑制策略。 本文内容安排如下： 第l 章首先介绍抽水蓄能电站的国内外发展概况，对蓄能机组运行中涉及到的 励磁控制以及起动方式做了概要性的论述，指出了数字式励磁控制器和静止变频起动 是目前抽水蓄能电站辅机设备发展面临的两项关键技术，并阐明了本文研究的目的和 意义所在。 第2 章对励磁控制技术进行了综述，分析了抽水蓄能励磁的特点，并简要探讨 了抽水蓄能机组的动态稳定性，在此基础上给出了用i n , e l1 6 位单片机实现的抽水 蓄能励磁控制器的软硬件方案。 第3 章介绍了静止变频的工作原理，并分析了静止变频器的工作特性，详细介 绍了用i n t e l1 6 位单片机实现的双c p 自控式静止变频器软硬件方案。 第4 章建立了静止交频器起动时的数学模型，对自然换流和断续换流两个阶段 的起动电流、起动转矩、转速、励磁电流作了仿真分析给出了仿真结果。分析了变频 起动时的谐波问题，并提出了相应的谐波抑制策略。 第j 章对全文进行了总结，指出了继续研究的方向。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 抽水蓄能机组励磁控制系统原理与方案设计 2 1 励磁控制技术综述 随着电网规模的扩大，电力系统结构和运行方式变得越来越复杂，特别是大容量 机组的广泛使用，区域间的相对弱联系以及远距离超高压大功率输电系统的不断出 现，不但使小干扰稳定问题和由于系统阻尼不足引起的低频振荡成为我国各大电网所 面临的一个严重问题，而且使电力系统大干扰稳定问题变得尤为突出。电力系统失去 稳定，发电机不能正常发电，用户不能正常用电，并引起系统运行参数的巨大变化， 往往会造成大面积停电事故，给国民经济带来重大损失。因而提高电力系统运行的稳 定性一直是人们关注的热点。 改善和提高电力系统稳定性的主要手段是控制。其目的是在保证系统电压和频率 的水平下，使发电机功率能时刻与负荷功率保持平衡。有两种有效控制措施和方法： 一种是有功功率控制，如切机、切负荷、快关汽门、电气制动等。另一种是无功功率 控制，如串联电容补偿、输电线路并联电抗补偿、设置开关站、加设调相机和s v c 等。 在这些控制措施和方法中，发电机组的励磁控制一直被看作是提高和改善电力系统稳 定性的主要措旌之一，具有明显的优越性：既可节约投资，又能在正常运行中减少电 压和频率波动，改善动态品质和提高系统抗干扰能力。因而各个时期控制理论最新成 就都被相继引入发电机励磁控制的设计中口5 , 2 6 , 2 7 , 2 8 , 2 9 ，以充分挖掘其改善系统稳定性 的潜力。 迄今为止，励磁控制方式的发展主要经历了经典控制理论、现代控制理论、非线 性和人工智能控制三个发展阶段。经典控制理论阶段是五十年代初期形成的理论体 系，经过几十年的发展，现在已经十分完善。励磁控制技术中机端电压的p i 或p i d 控制就是采用经典控制理论进行设计的，这种控制方式形式上比较简单，技术成熟， 但由于受经典控制理论本身的限制，这种励磁控制方式很难有效地改善电力系统的动 态品质与提高电力系统的稳定水平。为了抑制大规模电力系统出现的低频振荡问题， 改善系统的阻尼特性，1 9 6 9 年美国的迪米罗和康克迪亚提出了电力系统稳定器 ( p s s ) ，p s s 在控制规律中，除了保留p i d 调节控制器以外，还增加了发电机转速偏 差、频率偏差f 、电功率偏差p 。和过剩功率p 。及它们的组合等。经过相位超前 校正环节，以孙偿由于励磁系统和发电机本身所引起的相位滞后，提供正阻尼，从而 起到抑制低频振荡的作用。理论研究和运行实践都表明：p s s 对抑制系统出现的低频 华中科技大学硕士学位论文 振荡有比较好的控制效果，并且可以改善系统的阻尼特性和小干扰稳定。目前，p s s 获得了普遍的应用。但p s s 由于受经典理论的局限，存在着以下不足：p s s 只有在设 计得当的条件下才能对电力系统某一对应的较狭窄的振荡频带( 一般为0 2 2 h z ) 内 的振荡产生较好的控制效果，也就是说如果由于设计、参数整定上的问题，或者由于 电力系统运行状态、网络结构变化的原因，p s s 的控制效果就会减弱，表现出较差的 鲁棒性。近来研究的可自动改善p s s 参数的自适应p s s 和智能p s s ，可以提高p s s 对电力系统运行方式以及网络结构变化的能力，使p s s 的应用得到了拓展。 自六十年代一来，线性最优控制、线性鲁捧控制、自适应控制等现代控制理论得 以迅速发展。线性最优控制是现代控制理论最完善、应用最广泛的一个分支。线性最 优励磁控制器( l o e c ) 的主要思想是：以机端电压偏差、频率偏差和有功功率偏差 为状态变量，建立受控对象的状态空间模型，以二次型性能指标最小为控制目的，利 用状态变量为反馈信号，构成最优反馈励磁控制器。线性最优励磁控制器可以根据解 析结果整定控制器的最优参数，利用状态变量的最优线性组合保证过渡过程中的状态 变量对其稳态值的平方误差的积分最小，其控制效果不受振荡频率的影响。但由于线 性最优控制采用全状态量反馈，意味着需要进行大量的远距离的信号传输，这对于地 域广阔复杂的电力系统来说是非常困难甚至是不可能的。即使采用状态观测器观测系 统状态变量，对于具有快速动态过程的电力系统来说，其实时性也难以满足要求。另 外线性最优控制理论是建立在线性状态方程模型基础上的，所得到的线性最优控制器 只能是基于某一平衡点( 工作点) 处的局部近似线性化的数学模型进行设计的。在小 干扰情况下可以取得较好的控制效果，但电力系统实际运行点发生较大变化或运行中 系统遭到较大扰动时，系统实际运行点可能会偏离控制器所设计的工作点。 为了使控制器能适应电力系统运行工况的变化和减轻参数变化对控制性能的影 响，电力工作者将自适应控制理论用于研究电力系统的控制问题。自适应是将参数辨 识和控制结合在一起的一种次最优控制理论。它跟随系统运行工况的变化不断修正控 制器的参数，使系统的实际动态响应与希望的动态响应尽量相吻合。因此，自适应控 制器能跟踪被控系统运行工况的变化情况并不断地修正控制器参数，具有很强的抗干 扰能力和良好的鲁棒性。但并非在运行工况变化很大时自适应控制器都能保持在最佳 状态，从理论上讲，自适应控制理论只能分析参数未知但这些参数是固定不变或者慢 时变系统，而且参数辨识需要时间，这很难满足电力系统实时性的要求。目前自适应 控制理论仍停留在线性系统的自适应上。很难处理非线性及快时变系统。要将自适应 控制器实际应用于具有复杂非线性和快时变特性的电力系统，还需进一步解决参数辨 识的速度以及实测数据的精度要求等。 随着控制理论的发展，近年来，许多学者提出了非线性励磁控制器，在设计中采 9 华中科技大学硕士学位论文 用电力系统的非线性模型，使其控制效果对于大稳定性得到改善。然而，现有的非线 性励磁控制器的设计方法偏重于改善电力系统的功角稳定，而忽视了对发电机端电压 的控制作用，对电力系统的运行带来不利影响，而且由于非线性控制理论本身正在不 断发展和完善中，也存在很多需要解决的问题，加上系统运行方式的多变性导致众多 设备参数的不确定性，都使目前采用的非线性控制理论还无法进行精确的计算和分析 研究。 智能控制是控制科学发展的最前沿，代表着控制科学发展的新阶段，当前较成熟 而行之有效的是模糊控制和专家控制系统。与此同时，以变结构控制、比控制，灰色 控制、人工神经网络以及遗传算法都用于励磁控制系统的设计当中。它们的基本特点 是不依赖于对象系统的精确数学模型，而是基于某种智能概念模型将控制理论和人的 感觉及直觉推理相结合，具有处理非线性、并行计算、自适应、自学习和自组织等多 方面的能力和优点。目前，智能型励磁控制方法大多还停留在仿真计算阶段，少数应 用实例也仅是一些简单的实验性尝试，在推广应用过程中，还有大量的实际问题需要 解决。 同步发电机自问世以来，励磁调节器有了很大发展。励磁系统的发展历史，是从 简单到复杂，从单一功能到多重功能的发展历史。随着控制理论的发展和新技术、新 器件的不断涌现，励磁调节方式从手动发展到了自动；调节功能从单一的电压调节发 展到多功能的励磁控制；调节反馈量从单一的电压偏差发展到以电压偏差为主，附加 了电功率、角速度、发电机电流、励磁电流、励磁电压的偏差或它们的适当组合：调 节规律从简单的比例反馈调节发展到p i d 调节、电力系统稳定器( p s s ) 附加控制、 用线性最优原理设计的多变量反馈调节：从线性励磁调节发展到自校正励磁调节、自 适应励磁控制、模糊励磁控制等非线性励磁调节：在实现手段上，从机电或电磁式发 展到晶体管或集成电路式等模拟调节器，直到今天的数字式励磁调节器( 基于微处理 器的励磁调节器或微机励磁调节器) 逐步投入运行。 抽水蓄能励磁控制系统由于在可靠性上要求比常规水电机组励磁控制系统要求 高出许多。本文的对抽水蓄能励磁控制的研究重点是放在实现本身上，对各种控制规 律的理论不着过多的笔墨论述，所采用的控制方式是目前应用最为广泛成熟的p i d 加 p s s 控制，为了提高控制器的性能，可以考虑采用其它控制方式或者它们的组合。 2 2 抽水蓄能励磁控制的特点 目前抽水蓄能电站中应用最多的是可逆式电动发电机，这种机组工作在电动抽水 工况时需要专门的起动措施，由发电工况向抽水工况转换时有换相要求，停机时需要 1 0 华中科技大学硕士学位论文 电气制动。与常规水轮发电机相比，具有如下不同特点： 1 双向旋转 由于可逆式水泵水轮机作水轮机和水泵运行时的旋转方向是相反的，因此蓄能机 组工作在发电和抽水工况时需要相应地双向旋转。为实现同步电机双向旋转，在电气 上要求电源相序能够转换，这在电气主接线和开关设备的选择上可以实现：要求电机 本身通风冷却和轴承都能适应双向工作。 双向旋转是否对励磁控制调节器带来影响，取决于不同主接线形式下，换相开关 装设的位置。根据接线和布置条件，抽水蓄能电站设置发电机断路器时一般采用低压 同期方式，而采用发电机变压器单元接线时则采用高压同期方式，并应考虑换相、起 动等特殊要求。 低压同期接线情况下，在主变低压侧设置断路器、换相开关、厂用及启动电源开 关等。励磁变压器从主变低压侧( 换相开关) 外侧引出，这时，励磁电源相序始终与 电网相序一致，一套励磁设备可以满足发电和抽水两种工况。 在高压同期方式下，换相开关设置在主变高压侧，如果励磁电源取自主变低压侧， 由于换相开关的倒换，将使励磁调节装置的主回路、测量用电压互感器、电流互感器 发生相序的变化，要求励磁调节器在电压测量、功率测量和晶闸管的触发脉冲顺序方 面作出相应的改变。对于微机励磁调节来说，上述要求很容易实现，只要在软件对应 的测量模块和发脉冲模块作出相应的相序变换即可。另外一种解决方案是在厂用电及 励磁变压器侧设置换相开关将相序倒换回来，使励磁变压器及厂用电相序与电网保持 一致。 换相切换装置设在主变低压侧，可不影响电站高压侧接线和布置，节省投资，方 便厂用电源和机组起动电源的引接，因此对于可逆式抽水蓄能机组的抽水蓄能电站采 用超高压出线时，应采用这种换相开关装设方式。换相开关装设在主变高压侧时，常 和起动电源，厂用电电源的引接和同期方式结合考虑。由于换相开关的操作总要与高 压断路器配合进行，即操作前必须先跳开断路器，使得高压断路器频繁操作而增加了 操作次数，使得高压侧接线可靠性降低，超高压出线设备和土建投资费用都增加，只 有在出线在2 2 0 k v 以下时较为经济。目前，尚未有高压和超高压的换相开关来使用， 若采用普通的隔离开关，由于受机械寿命和操作性能的限制，远不及低压专用的三相 五极换相开关机械寿命商和准确可靠，故难姒适应抽水蓄能机组的需要【3 0 、3 卦。 由此看来，目前大型抽水蓄能电站接线方式中换相开关装设的位置，大多采用低 压同期方式，对励磁调节器带来的影响不大，即使考虑换相对励磁调节器的影响，对 微机励磁调节器来说，只要对相应的软件模块修改即可，可在常规机组微机励磁调节 器的基础上加设一工况识别判断环节，在发电和电动工况下跳到相应模块执行即可。 l i 华中科技大学硕士学位论文 2 频繁起停 抽水蓄能机组不但具有常规发电机方式下的所有运行工况，而且还有电动抽水工 况下的起动( 包括变频器起动、同步对拖起动或异步起动) 、抽水、调相运行以及发 电、电动两种工况下的相互转换，按其排列组合总共有2 0 多种工况。对于担负调峰 填谷的机组来说，每天开停机可达8 次之多。电气制动可以有效地缩短机组减速的时 间，目前我国近年投产的大型抽水蓄能机组都配备有电气制动功能。对于励磁调节器 来说，需要适应频繁起停，同时在机组停机时与电气制动相互配合，相应控制励磁电 流。电气制动的方法是在同步电机从电网解列、转子灭磁以后。把定子绕组直接短路 或通过外加电阻短路，同时给发电机加励磁电流，使它产生个转向与机组惯性力矩 方向相反，具有强大制动作用的电磁转矩，使转子减速。机组电气镱动过程中般按 定子电流使定子三相电流维持某一允许值，一般为0 9 1 2 倍额定电流，因此励磁调 节器需输入定子电流信后或采用恒励磁电流控制。现在也有一种方法是，电气制动时 不需要通过励磁调节装置，而是通过一专用的整流装置给转子提供励磁，这种情况下， 对励磁调节器功能不需另外提出电气制动的要求。 3 需有专门起动措施 由于转向相反，电动发电机作电动机运行时不能向发电机那样利用水泵水轮机起 动，必须采用专门的起动方法。起动问题成为抽水蓄能电站一个突出的技术问题，起 动过程中投入励磁的方式和时刻是起动成功的关键。目前大中型抽水蓄能电站通常采 用两种典型的电气起动方式，即异步起动( 全压或半压) 或同步起动( 变频器或背靠 背) 。异步起动是在机组励磁绕组短接情况下，直接将电动发电机并入电网，利用转 子磁极上阻尼绕组所产生的异步力矩使机组起动并加速，在接近同步转速时加上励磁 拉入同步。虽然异步起动接线简单，投资少，但在起动瞬间使电网受到较大冲击，电 机本身起动电流大，起动过程中阻尼绕组将产生较大的发热和热应力。为此，可以采 用阻尼绕组水内冷及整体磁极等改进措施，机组结构变得复杂，制造难度大，造价增 高。同轴电动机起动动接线也简单，但辅助设备多，变阻器、水箱、泵、冷却器等占 用空间太，且增加损耗。8 0 年代以来，国内外大型抽水蓄能电站广泛采用的晶闸管变 频启动装置具有设备少、占地面积小、可靠性高、维护工作量小等优点。现在国内外 大型抽水蓄能电站都用变频器起动为主要方式，用背靠背为备用方式。 机组采用静止变频器起动时，对励磁电流的大小控制与机组频率有关。当机组从 静t t ：n 开始转动时，励磁电流值为空载额定电流值左右，随后励磁电流降低，当频率 达到5 h z 时，励磁电流减小到空载额定值一半左右。从5 h z1 0 h z 之间，随着频率 增加至空载额定值。 需要指出的是，目前用于抽水蓄能电站的静止变频器采用交直交变频方案，包括 1 2 华中科技大学硕士学位论文 两组三相桥式晶闸管，一组用于整流，一组用于逆变。由于电机旋转电势与定子电流 之间的相对位置受逆变器变换的制约：在静止或低转速时，定子绕组上没有足够的感 应电压，逆变桥不可能实现正常的换相，逆变器处于强迫换相状态。为了保证逆变器 可靠换流，系统采用断续换流对逆变器进行控制。目前有两种解决措旌，一种是在电 机轴上装设随电机转动的转子位置传感器，另外一种是在起动之前，首先投入励磁， 从定子出口p t 取3 相暂态感应电势进行计算得到转予的初始位最。配合脉冲发生器 的零脉冲检测结果，便可在电动机的整个运行过程中得知转子的动态位置。 正是由于可逆式抽水蓄能机组具有上述特点，应用在可逆式电动发电机组上的励 磁系统除在发电和抽水工况提供正常励磁电流外，还需满足以下功能：1 ) 抽水工况 时机组由零转速起动；2 ) 励磁电流与起动方式的配合：3 ) 进行工况转换时停机过程 使用电气制动。 其中抽水蓄能机组在电动抽水工况下起动问题( 此时励磁电流的控制) 是抽水蓄 能机组微机励磁控制器设计的一个难点和关键问题。抽水蓄能机组运行在发电工况 时，与常规发电机组并没有什么本质上的区别，励磁系统的作用是维持端电压恒定和 提高系统的稳定性，而当抽水蓄能机组抽水运行时，作为受电系统，其端电压和频率 基本不变，它主要是将电能转换为机械能以适应不同水头的需要。励磁控制方式可以 根据需要采用恒端电压调节方式、恒无功功率调节或恒功率因数调节方式、恒转子电 流等调节方式。至于各种励磁限制模块，可以根据实际发电和抽水工况时的实际情况， 首先判别机组运行工况以后，转入相应分支执行即可。 2 3 抽水蓄能机组动态稳定性分析 抽水蓄能机组可以运行在发电、抽水、调相各种运行工况，作为发电机运行时， 其稳定性问题研究，可以参照常规水电机组进行。至于抽水蓄能机组工作在抽水、调 相工况下，针对同步发电机迟相发电工况下设计的常规p s s 是否还能适用这一问题， 文献【3 4 指出，并列于无穷大容量电网的抽水蓄能电机，如果忽略发电抽水工况力矩 自调节系数的差异，对同一无功功率，抽水蓄能机组发电工况与对应抽水工况下的系 统状态方程系数矩阵相似。两种工况下的系统特征根相同，从而系统的静态稳定性和 动态稳定性关于有功功率对称。文献 3 5 指出，发电状态下，p s s 参数选择与一般发 电机相同，电动状态下，如采用发电状态下的参数，则p s s 不但不能提供正阻尼，反 而提供负阻尼。保持原来增益不变，在相位上增加1 8 0 度的补偿后可以提供足够的e 阻尼。文献 3 6 1 在此基础上进一步提出了功率方向p s s 的概念，认为常规p s s 是针对 同步发电机迟相工况设计的，在设计工况下，常规p s s 对机电模式产生正的附加阻尼 华中科技大学硕士学位论文 力矩，从而抑制低频振荡。但在抽水工况下却产生负向的附加电磁阻尼力矩t 反而破 坏机组的稳定性。针对一p 型p s s ，需在p s s 上增加有功功率环节，对由软件构成的 p s s ，只需在软件设计上考虑功率方向的判别和符号函数的实现即可。同时，这篇文 献认为，以机组转速为输入信号的型p s s 是一种特殊的功率方向p s s ，这种p s s 一般以直流测速发电机( 或其它能够反映转速方向的测速元件) 为测速元件，它不需 要增加专门的功率方向环节就可以直接用于抽水蓄能电机。发电抽水工况下，蓄能机 组的转子旋转方向相反。直流测速发电机输出电压的