（电力系统及其自动化专业论文）交流励磁发电机励磁控制系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c e gf a c - e x c i t e dg e n e r a t o r ) h a s m a n y e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，a si t sr o t o rr o t a t e s p e e d c a nb ev a r i a b l e ，i tm a y i m p r o v e t h es t a b i l i t yo f e l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，i tc a n n o tl o s e s t e pe v e nw h e no p e r a t e di nd e e pl e a dp h a s e i ti se s p e c i a l l ya p p l i e di np u m p e d - s t o r a g e h y d r a u l i cp o w e rp l a n t a c e g h a sb e e n o p e r a t e ds u c c e s s f u l l yi ns o m ec o u n t r i e s ，b u ti th a s n o tb e e ni n d u s t r i a lo p e r a t e di no u r c o u n t r yu n t i ln o w e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mp l a y sa l l i m p o r t a n t r o l ei nt h ec o n t r o lo fa c e g n l e d e v e l o p m e n to ft h ep o w e r e l e c t r o n i c sa n dt h ec o n t r o lm e t h o d p r o v i d ef l m e rc o n v e n i e n t c o n d i t i o nt os t u d yt h ea c e g a n dt h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fa c e gi sa ni m p o r t a n t w a y f o r p o w e rs y s t e m ss t a b i l i t y c o n t r 0 1 s o ，t h em a i n p u r p o s e o f t h i st h e s i si st os t u d yt h e e x c i t a t i o nc o n t r o lm e t h o d t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e ri n c l u d e s ： ( 1 ) t h e f u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo f a c e gi sg e n e r a l i z e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f o p e r a t i o n o f a e c gi sa n a l y z e d f 2 ) t h ea c e gm a t h e m a t i c sm o d e lj sf o r m u l a t e di nt h i sp a p e r a c e g ，sr o t o r ss 缸u c t u r e i sd i f f e r e n tf r o mt h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sr o t o r ；t h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r s m o d e li nt h er o t o r sd - qc o o r d i n a t ec a n n o tb eu s e di na c e g d i r e c t l y t h es t a t e e q u a t i o ni nt h es y n c h r o n i z e d c o o r d i n a t i o ni sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ( 3 ) t h eo p t i m a l e x c i t a t i o nc o n t r o l s y s t e m t oa c e gi s p r o p o s e d t h e c o n t r o l p e r f o r m a n c e so f t h eo p t i m a le x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e ma r ep r o v e dt h r o u g hc o m p u t e r s i m u l a t i o n s ， ( 4 ) t h en e u r a ln e t w o r kh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h ed e s i g no ft h eo p t i m a le x c i t a t i o n c o n t r o ls y s t e mt oa c e g t h er e l a t i o n sb e t w e e no p t i m a lf e e d b a c km a t r i c e sa n d s y s t e mo p e r a t i o nc o n d i t i o n sc a nb el e a r n e db yb p n e u r a ln e t w o r k t h e nt h et r a i n e d b pn e t w o r kc a l la d j u s tt h eo p t i m a lf e e d b a c km a t r i xi nr e a l - t i m ea c c o r d i n gt ot h e s y s t e mo p e r a t i o nc o n d i t i o n s b a s e do n t h i st h e o r y ，a n o p t i m a le x c i t a t i o nc o n t r o l l e r b a s e do nb pn e t w o r ki sd e s i g n e d k e y w o r d s ：a ce x c i t e dg e n e r a t o r ，o p t i m a lc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k ，e x c i t a t i o n c o n t r o ls y s t e m i i 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1交流励磁发电机研究的背景和意义 现代电力系统已步入大电网、大机组、交直流混合远距离输电、跨区域联网的新 阶段。大规模联合电力系统的出现使得系统的结构和运行方式越来越复杂多变，所面 临的稳定性问题越来越突出；与此同时，超高压输电线路的无功过剩问题也日趋严重， 导致线路持续工频过电压，危及系统的安全运行。 近年来，我国电力系统得到了飞速发展，电网容量不断扩大，输电线路愈来愈长， 电压等级也愈来愈高。逐步形成了以1 0 0 0 m w 大型发电站为主力电站，3 0 0 m w 大型 同步发电机组为主力机组的电网格局，在山东邹县、哈尔滨、浙江北沦港、内蒙古元 宝山等地还安装了单机容量达6 0 0 m w 的巨型发电机组。在水力发电方面，在吉林自 山水电厂和甘肃龙羊峡水电厂安装了3 0 0 m w 大型水轮发电机组，除此之外，我国还 陆续建成或兴建了葛洲坝、五强溪、二滩等大型水力发电厂。二十世纪最大的三峡工 程首批机组也将于2 0 0 3 年底投产发电，其单机容量达7 0 0 m w ，总装机容量达 1 8 2 0 0 m w 。在核能利用方面，则有广东大亚湾和秦山等大型核电站为先锋我国电力 供需矛盾得到了一定程度的缓解。但是，随着单机容量的迅速增加和巨型电站的不断 涌现，随着这些电站向山区和坑1 ：3 方向的逐渐转移和地区性电网的互联，长距离输电 和快速励磁的使用以及网络结构的复杂化带来的电力系统稳定性问题和无功过剩问 题更加突出。由于系统失稳而造成的局部性电网瓦解事故在我国已有发生，电网的长 时间低频振荡也多有报道，严重影响了我国电力系统的安全运行i i j 。 长期以来，国内外的专家、学者对如何保证和提高电力系统的稳定性进行了大量 的研究，并且至今仍将其作为电力系统研究方面的一个重要课题。电力系统在突然遭 受短路等大扰动的暂态过程中。由于发电机组的机械功率输入与电气功率输出的不平 衡，引起发电机转子定子间产生相对摇摆，如果系统没有足够的能力阻尼这种摇摆使 系统达到新的平衡，那么系统将失去稳定。因此，暂态稳定控制的作用应当是减少因 扰动引起的不平衡功率或提供适当的阻尼，历年来，电力系统研究人员正是沿着这条 思路致力于暂态稳定控制问题的研究，从改善网络拓扑结构、合理分布潮流、快速切 除故障线路和快速恢复供电、改善发电机励磁控制系统等方面入手，提出了一系列有 华中科技大学硕士学位论文 效措施和方法，如采用分裂导线、串联电容器、装设中间调相设备、采用综合最优发 电机控制、直流输电、发电机系统加制动电阻、快关汽门控制、快速励磁系统加装 p s s ( 电力系统稳定器) 控制等技术【2 j 【3 1 。在这些措旋中，对发电机组的励磁控制一直是 作为改善电力系统稳定性的主要措施之一，从最基本的按电压偏差调节的常规调节器 到基于现代控制理论的非线性最优励磁控制，从强励措施到p s s ，各式各样的励磁控 制系统在改善系统运行工况方面起了重要的作用。但是，由于同步发电机的结构特点， 使得其维持系统稳定的能力仍然有限，在承受大的系统干扰而使其功率角超出稳定极 限后，同步发电机将失去稳定而解列，进一步激发和扩大事故范围，造成大面积停电 等严重事故。为此，国内外都在寻找经济、有效的方法。多相励磁发电机技术，包括 异步化同步发电技术与三相交流励磁发电技术，是解决以上问题的有效方法。 二十世纪八十年代初，欧美、原苏联等国研究人员在寻求新的途径解决上述问题 的时候，提出了在电力系统中采用交流励磁发电机取代或部分取代传统同步发电机的 办法，并已由理论到实践取得了一些成果【4 】i 5 1 。 高电压、长距离输电线路带来的另一个严重问题是无功过剩问题，当输电线路传 输功率低于其自然功率时，输电线路将出现过剩的无功功率，从而导致线路持续工频 过电压，危及线路的绝缘寿命，使线路损耗增加，严重时使发电机无法并网，目前， 世界上已有5 0 0 k v 以上输电系统的国家约2 0 个，最高电压己达1 1 5 0 k v ，国内从八 十年代初开始3 3 0 k v 和5 0 0 k v 输变电工程的建设，目前在西北、东北、华北、华东、 中南等电力系统中均有3 3 0 k v 或5 0 0 k v 线路投运【2 j 。在这些己投运的高压输变电工 程中，由无功过剩引起的过电压问题己甚为严重，如某电站两条长度为2 1 0 k m 的 3 3 0 k v 输电线，在第一台机组投运时，电压竟达3 8 0 k v 以上；某5 0 0 k v 长度为3 4 2 k m 的输电线，实测其每l o o k m 有过剩无功1 1 0 m v a r ，虽已采用补偿装置，仍无法解决过 电压问题。目前解决输电线路无功过剩的主要措施是采用同步调相机、并联电抗器、 静止无功补偿装置或使同步发电机进相运行等【l l 。同步调相机是最早采用的一种无功 补偿设备，它能够平滑均匀地调节无功。然而，它的投资较大，能量损耗较大且维护 较复杂，使其应用受到一定限制。并联电抗器方法能够限制高压线的工频过电压和操 作过电压，从而降低线路和母线连接设备的绝缘水平，但其造价较高， 且不能连续 平滑地调节，调节能力也显得不足。静止无功补偿器是近年来新发展的一种无功功率 补偿和电压调节设备，主要结构形式是采用晶闸管切换电容器与晶闸管控制电抗器形 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = ；= = = = j i = = = = = = i 目= = i e = = = = = = j 自= = = = j = = = = ； 式。它具有响应速度快、无转动部件、维护方便等特点。在正常运行时能起到控制电 压波动、稳定运行电压的作用，而在故障状态下可以实现电压的动态支持，抑制系统 电压下降与振荡，提高输送极限，但其投资十分昂贵，并且容量到目前为止也做的不 大。发电机进相运行是调节无功的最直接最有效的方法，但同步发电机进相能力有限， 主要是受定子和转子绕组发热条件的限制和静态稳定条件的限制。交流励磁发电机的 引入，可大大提高发电机的迸相能力，是无功补偿的一种最有效的办法之一f 6 j 。 在大型火电机组和核电机组不断投运的今天，电力供需矛盾趋缓，电网峰谷差加 大，为优化电力结构、提高电能质量、降低系统发电综合成本，应按电网总装机容量 建设一定比例的抽水蓄能电站，抽水蓄能电站具有启运快、运行灵活的特点，在系统 中可承担填谷、调峰、调频、调相和紧急备用等任务，是解决系统中调峰填谷问题比 较有效的手段 7 1 1 8 。我国已经先后建设投产了潘家口、广州、十三陵、天荒坪等抽水 蓄能电站，但对我国电网来讲，它们所占比重仍然很小。据专家预算，抽水蓄能电站 装机容量应占总装机容羹的8 9 比较合适，目前这个比例在日本为8 l l 。在 美国小于5 ，在台湾地区为1 0 ，而我国大陆小于3 ，抽水蓄能电站的建设在今后 会是我国水电建设的一个热点。 在抽水蓄能电站及常规水力发电厂，水轮机的最佳转速( 效率最优) 与水头有很大 关系，水轮机的额定转速般按照预期的加权平均水头设计，在此条件下，水轮机可 发挥最佳效率。但是，在汛期或枯水期，水头偏离设计的加权平均水头过多，会使水 轮机效率减低，水耗加大，气蚀系数增大，泥沙磨损和机组振动增大，机组运行工况 恶化。为解决这一问题，在电机为同步电机的情况下，只能通过改变电机极对数的办 法来实现变速。例如。在潘家口蓄能电站，设计水头为3 6 m 8 5 7 m ，由a b b 公司制 造的发电电动机选定了4 8 4 2 极的双速变极结构，对应转速分别为1 2 5 r p m 和 1 4 2 8 6 r p m ，在发电工况，只接成4 8 极，在水泵工况可选择两种极数，高水头时，采 用较高的转速，接成4 2 极，低水头时采用较低的转速，接成4 8 极【9 1 1 1 0 】f l l 】。这种折衷 办法，只有两种转速，在大的水头变化范围内，仍难以使水轮机发挥最佳效率，并且 电机结构相当复杂。如果发电电动机允许直接变速运行，使其总运行于最佳转速，则 会使水轮机发挥最佳效率，并大大减轻气蚀与泥沙磨损，并减小机组振动。 实际上凡原动机转速经常变化的发电机组，都希望发电机能变速运行。例如风力 发电机、船舶与航空发电机等，其动力机构转速是变化的，但要求其电源输出频率和 华中科技大学硕士学位论文 输出电压基本保持恒定，因此，必须采取稳速措施或加装变频装置，结构复杂。如果 从发电机本身采取措施，使其变速运行恒频发电，则整个系统将大大简化，费用大大 降低【1 2 1 1 13 1 。 解决上述一系列问题的有效办法就是采用交流励磁发电机。 在常规同步发电机中，一般在转子上安放励磁绕组，励磁绕组为直流绕组，电机 气隙中同步旋转磁场的频率只取决于转子的转速，即在定子侧的感应电势频率取决于 转子的实际旋转速度。当发电机并网后，定予电压频率固定，因此转速也就固定了。 在交流励磁发电机中，发电机的转子绕组为二相或三相交流励磁绕组，当通以某 一频率( c ) 的交流电时，就会产生一个相对于转予旋转的磁场，其转速为： r ，、， 以= u w 1 c ( p 为极对数) p 转子实际转速 ，加上交流励磁绕组产生的旋转磁场的转速 。( 方向可以相同或相反) 等于同步转速，则在电机气隙中形成的同步旋转磁场在定子侧感应出同步频率的感 应电势，也即，定子侧的感应电势频率取决于转子实际转速与交流励磁产生的旋转磁 场的转速之和，在感应电势频率定的情况下( 如并入电网) ，改变交流励磁电流的频 率，则转子的实际转速可改变，因此，交流励磁电机又称为可变速电机。 如果按电机转子的转速是否与同步转速一致来区分异步电机或同步电机，则交流 励磁电机应当被称为异步电机。但是从性能来看，交流励磁电机很多地方又与同步电 机相似。例如：异步电机是通过定子从电网吸收无功檄磁，本身无独立的励磁绕组：交 流励磁电机却与同步电机一样，有独立的励磁绕组，可从电网吸收容性无功功率，也 可向电网提供感性无功功率。异步电机转速随负荷变化而变化，交流励磁电机可与同 步电机一样，负荷改变时，转速却可保持不变，因此交流励磁电机又被称为“异步化 同步发电机”。 常规同步电机励磁的可调量只有一个，即励磁电流的幅值，所以同步电机励磁 一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机励磁的可调量有三个，一是与同步机一 样，即可调节励磁电流幅值；二是可调节励磁频率；三是可调节相位。交流励磁发电 机的结构特点决定了其在电力系统中可发挥如下作用： 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 提高电力系统稳定性。在电力系统负荷突变时，通过快速改变励磁频率来迅 速改变电机转速，可以充分利用转子的动能，释放或吸收负荷，使电网扰动远比利用 常规同步电机时轻。 ( 2 ) 扩大发电机进相能力，解决电力系统无功过剩问题。同步发电机在无功进相 运行时，随着无功进相深度的加大，功率角也在加大，当功率角超出稳定极限时，会 引起发电机失步。而对于交流励磁发电机，因为可以通过改变转子电流相位，来调整 转子磁场在气隙空间的位置，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位置，也 就改变了电机的功率角。即使在电机吸收大量无功功率时，也不致引起发电机失步【”】。 ( 3 ) 使水轮机可变速运行，发挥最佳效率，减轻水轮机的泥沙磨损和气蚀，延长 机组寿命【1 5 】。 ( 4 ) 满足抽水蓄能机组电动发电两种状态对转速的不同要求，使两种状态都可 最佳效率运行，减轻机组的振动和噪声1 1 7 】。 ( 5 ) 满足风力发电、潮汐发电、船舶与航空发电等转速变化场合的恒频发电要求。 1 2 交流励磁发电机励磁控制系统的国内外发展现状 由于交流励磁电机具有比常规同步电机更优越的特点和广阔的应用前景，因此 它已经成为国内外关注的焦点。前苏联、日本在交流励磁电机这方面的研究走在世界 的前列，他们已有多台机组投入运行。 早在1 9 3 5 年德国工程师t u x e n e 就提出发电机采用双轴励磁。1 9 6 2 年土耳其伊 斯坦布尔工业大学的h a m d i s e p e n c 在国际大电网会议上发表了提高交流输电系统 的暂态功率极限的方法一文，揭开了近代双轴机研究的序幕。其出发点主要是提高 暂态稳定性，方法是：发电机转子采用两相励磁绕组，用分段投入控制方式，即机组 正常运行时，q 轴励磁绕组开路，当系统发生暂态故障时，投入q 轴励磁电压，拉回 功角，提高系统的暂态稳定性。后来，随着高电压、长距离输电线路的无功过剩问题 的出现，1 9 6 4 年b o t u n n i c k m m 的同步机的异步运行提到了双轴机同频异步运行 原理：发电机转速不同于同步转速，但其合成励磁电势e 与系统电压仍保持同步。到 7 0 年代，国际上研究双轴机的文章明显增多。研究表明：双轴机不管两个绕组成6 0 还是9 0 0 都有很强的进相运行能力。但是，由于没有解决双轴机转子电流的平衡，使 得以往的双轴机无法在实际工业中运行。 华中科技大学硕士学位论文 前苏联的电力工作者首先提出了异步化控制原理，解决了以往双轴机的转子二 相励磁电流不等的问题，于本世纪6 0 年代投运了2 台5 0 m v a 的异步化水轮发电机， 1 9 8 5 年又成功地投运了2 0 0 m w 异步化汽轮发电机【i ”。运行情况表明：异步化同步发 电机能深吸无功运行，并可以通过有功无功独立调节，提高电力系统的稳定性。随着 大功率器件与微电子技术的发展，转子采用三相交流励磁方式越来越受到重视，用于 电动运行就是通常称的双馈电机。 早在5 0 年代中期，前苏联就开始了异步化同步电机的研究，全苏电力科学研究 所于1 9 5 5 年建立了“异步化同步电机实验室”，在这种电机的理论研究和工业应用方 面做了大量的工作，积累了丰富的经验。在1 9 5 8 年由列宁格勒电力工厂制造了两台 5 0 m w 异步化水轮发电机，1 9 6 1 年安装在依奥夫斯水电站，1 9 6 2 年投入运行，其中 一台于1 9 7 2 年进行了异步化工况运行的工业实验，1 9 7 7 年第二台也丌始在同频异步 状态下运行，两台水轮机实现同频异步并列运行1 9 8 5 年由乌克兰哈尔科夫重型电机 厂制造的世界上最大的2 0 0 m w 异步化汽轮发电机，1 9 8 6 年开始投入运行。目前正在 研究3 2 0 m v a r 异步化调相机和8 0 0 m w 异步化汽轮发电机。 前苏联技术人员在1 9 9 2 年第3 4 届国际大电网年会s c l l ( 旋转电机) 学术讨论会 上介绍了异步化汽轮发电机的开发应用情况【1 9 1 ，据介绍他们生产的a s t g - 2 0 0 异步化 发电机己连续运行5 年多，由于电网结构的变化( 线路解列等) 在发电机发送无功和吸 收无功时引起的某些干扰发生多次，在所有情况下均无不稳定的迹象【2 0 1 ，己经获得一 定程度的异步运行能力及在欠励运行范围内的满负荷能力。 研究表明，对于2 0 0 m w 异步化发电机，对应有功负荷为零和满载2 0 0 m w 时， 其最大无功进相值分别为- - 2 3 5 m v a 和一1 2 3 m v a ，而同容量的同步发电机的进相能 力只有一1 0 0 m v a 和- - 1 0 m v a ，证明了异步化发电机对电网无功的调节能力。 依奥夫斯克水电站5 0 m w 机组励磁控制回路包括辅助同步发电机或隔离变压 器、自然换相变频器、控制器以及各种传感器。变频器由4 个不可逆可控离子整流器 组成，到1 9 8 0 年换为晶闸管励磁系统。控制器以模拟计算机为基础，主要功能除建 立发电机的控制规律外，还通过转子回路的电磁惯量补偿和由定子电流在转子回路的 感应电势补偿，来实现并联电路的平衡，并利用电动势或发电机电压在同步旋转轴上 的投影分别进行控制。 6 华中科技大学硕士学位论文 日本在经受了第一次石油危机后，又再次受到1 9 7 3 年石油价格暴涨的威胁，为 了谋求经济性和燃料的多样性，以摆脱石油的束缚，采用政府和民间共举的方式开发 新能源。其结果到1 9 8 4 年底，原子能发电总装机容量达到了2 0 7 3 0 m w ，占机组总发 电容量的1 3 。同时，为了降低建设费用，谋求降低单位出力的造价( 换算指标) ，新 建的核电、火电机组越来越趋于大容量化。目前，火电机组单机容量达到1 0 0 0 m w ， 而原子能发电机组单机容量更大，在5 0 1 - 1 z 系统中达到11 0 0 m w ，6 0 h z 系统中达到 1 1 7 5 m w 。与火电相比，核电机组的发电成本更便宜，所以，原子能发电机组是作为 带基本负荷的电源进行满负荷运行。由此接踵带来的问题是当出现电源断开时，降低 了瞬时替补的备用容量，即瞬时备用容量下降了，此外，核能电源的单机容量及电厂 的容量均较大，当输电线出现线路事故时对于系统频率的影响也较大。从经济和系 统控制方面看，增加核能发电量的同时，建设抽水蓄能电厂的重要性也在增加。因此， 同期也相继建成了更大容量的抽水蓄能电厂，然而，夜间及假日等轻负载时，如有可 能用抽水蓄能机组进行抽水频率自动调整( 抽水a f c ) 运行的话，则可减少火电机组的 燃料，实现经济运行。为此，日本政府制定了开发“可变速抽水蓄能发电系统”的 研究计划。 这种“可变速发电机”就是交流励磁发电机，从原理上讲，这种可变速发电机与 异步化同步发电机性质是相同的，只是因其用途有所不同，而使两种电机的结构与设 计有所差异而己。 日本自从1 9 8 1 年开始进行“可变速抽水蓄能发电系统”研究以来，已有多台系 统投运，这些系统借助改变转速，不仅在抽水蓄能和发电工况时进行自动频率控制运 行，还能在抽水蓄能和发电运行时提高水泵水轮机的效率，并提高电力系统的稳定性。 在1 9 8 8 年第3 2 届国际大电网年会s c i i ( 旋转电机) 学术讨论会上，讨论的第一主题就 是介绍日本的“可变速发电机”的发展。 1 9 8 7 年由日立公司生产的一台2 2 m w 变速电机在关西n a r u d e 水电站投入运行。 1 9 9 0 年1 2 月矢木泽发电厂2 号机( 单机容量8 5 m w ) 被改造成可变速抽水蓄能发电机组 投入商业运行，一直被用于东京电力公司的电力系统频率控制，是负荷调度控制中心 具有一级运行优先权的机组。自此，在日本应用转子变频调速抽水蓄能机组日益增加， 先后又有高见电厂1 0 5 m w 机组于1 9 9 3 年4 月投运。大河内电厂3 9 5 m w 机组于1 9 9 3 年1 2 月投运，蛇尾川电厂3 6 0 m w 机组于1 9 9 5 年7 月投运。 华中科技大学硕士学位论文 日本的可变速发电电动机的结构与绕线式转子感应电动机相似，定子和转子均 为三相式分布绕组。在矢木泽发电厂2 号机组励磁系统中，向转子绕组提供变频励磁 电流的双向变频器采用非循环电流方式的1 2 脉冲7 2 支路大容量光控晶闸管，并利用 纯水循环冷却方式。其控制系统利用d s p ( 数字信号处理器) 和微处理器的高速处理能 力对有功功率和无功功率进行分别控制。 国内对交流励磁发电机的研究开始于八十年代中期。由于国外对我们实行关键技 术保密，使我们在交流励磁变速恒频发电技术研究过程中遇到很多困难，致使我们的 研究发展进程比较缓慢。 尽管我国己在交流励磁发电机方面加强了研究力量，但是由于种种原因，到目 前为止国内还没有商业化的实用机组的制造和投运。 目前我国对交流励磁发电技术的研究还处于起步阶段。国内已有一些高校开始开 展这方面的研究工作但基本上都限于理论研究、计算机仿真和动模实验等形式，目 前还没有实际应用。由于交流励磁发电技术是解决现代电网系统中许多问题的有效手 段，所以已经越来越引起了国内电力工作者的重视。 1 3 论文的主要工作及章节安排 本文的研究内容为交流励磁发电机励磁控制系统的研究，交流励磁发电机的良好 的运行特性与其励磁系统密切相关。本文主要工作如下： 1 、对目前的交流励磁发电机的研究状况进行全面的综述，并分析交流励磁发电机的 研究意义。 2 、建立了交流励磁发电机在同步坐标轴下的状态方程，研究交流励磁发电机的三相 静止坐标系数学模型和两相旋转坐标系数模型及定子电压定向的矢量控制策略。 3 、分析线性最优控制理论的特点及原理，并阐述交流励磁发电机线性最优励磁控制 器的设计过程，建窥交流励磁发电机最优励磁控制模型，由偏差化线性化的状态 方程方程求解最优反馈矩阵，对交流励磁发电机励磁系统进行控制。在仿真环境 中证明交流励磁发电机在正常工况和进相运行时的运行特点和优点。 4 、 将神经网络引入到了线性最优励磁控制器的设计当中，分析b p 神经网络的构成 及其学习算法，提出基于b p 神经网络的交流励磁最优控制器。 华中科技大学硕士学位论文 2 1概述 2 交流励磁发电机的基本理论 交流励磁发电机的主机结构特点是：定子与一般三相交流发电机定子样，具 有分布式绕组：转子不是采用同步发电机的直流集中绕组，而是采用- - n 分布式交流 绕组，与三相绕线式异步机的转子结构相似。正常工作时，定子绕组并入工频电网， 转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电，通常转子励磁系 统的变频电源采用交交变频电源，交流励磁发电系统的结构如图2 1 所示。 图2 1 交流励磁发电系统结构图 交流励磁发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转予旋转磁场在空间上保持相 对静止。当定予旋转磁场在空间以u o - 2 确的速度旋转时，则转子旋转磁场相对于 转子的旋转速度应当为： o j c 2 o ) o 一甜， =090一功o(1一s)(2-1) 2 c o o s 式中：u o 一定子侧电源的电角速度； u ，一转子旋转的电角速度； u 。一转子旋转磁场相对于转子的角速度： s 一交流励磁发电机的转差率。 9 华中科技大学硕士学位论文 上式说明：转子磁场相对于转子的转速同转差率成正比。若交流励磁发电机的 转子旋转速度低于同步转速，那么转予旋转磁场和转子的旋转方向相同，如果转子的 转速高于同步转速，那么二者旋转方向相反。 对于蓄能电站等场合的交流励磁发电机组，其转速由调速器维持在保证机组最 优出力的转速上，即u ，由调整器决定，而定子侧的电源频率决定于电网，对于无穷 大电网，可认为其值恒定，因此，转差率可以确定，从而，转子旋转磁场相对于转子 的旋转角速度u 。可确定，即输入转子绕组中的励磁电流频率就应当是转差频率，它 与转差率之间的关系是： ：= 吼 式中：疋一转子励磁电流的频率： 而一定子电流的频率。 当交流励磁发电机空载时，其气隙旋转磁场的形成类似于同步发电机，仅决定 于转子侧励磁电流，但当发电机并网带负载后，由定子电流引起的电枢反应将影响气 隙磁场，并且由于电机转予的旋转速度不等于同步速度，使得描述电机行为特性的数 学模型就变为一组多变量、时变系数的微分方程组【2 甜。要对交流励磁发电机进行控制， 必须分析其数学模型，从而找出比较适合的励磁控制方法和策略。 2 2a b c 三相坐标系中交流励磁发电机的数学模型 交流励磁发电机的结构与三相绕线式感应电机相似，定、转子绕组均具有三相 绕组。在研究交流励磁发电机的数学模型时，常做如下的假设【2 副： 假设发电机是一台极对数为1 的绕线式感应电机，这台电机没有阻尼绕组： 设三相绕组对称( 在空间上互差1 2 0 。电角度) ，所产生的磁势沿气隙圆周按正弦规 律分布；忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；忽略铁心损耗；不 考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 在建立基本方程之前，首先要选定磁链、电流和电压的正方向。图2 2 所示为 交流励磁发电机的物理模型。图中，定予三相绕组轴线a s 、b 。、c s 在空间上是固定的， 以a s 轴为坐标参考轴：转子绕组轴线a ，、b ，、c 。随转子旋转，转子a r 轴和定子a s 轴闯 的电角度0 为空间角位移变量。定子电压、电流正方向从发电机观点标示，转子电压、 电流正方向从电动机观点标示。选定各相绕组轴线的正方向为各相绕组磁链的正方 0 华中科技大学硕士学位论文 向。 图2 2 交流励磁发电机的物理模型 定子、转子绕组分别连接成星形，定子、 k r b sr c sr s r & l ；飞e 2r q 。r f 2 2 1 电压方程式 定子电压：一“。= 0 。+ p y “。 转子电压：“。= r f i o + p 妒m ， 写成矩阵形式： 转子各相绕组的电阻分别相等，即 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) o o 00 o 可f 。 o oooo0k o oo o o 卜 oo oo o 卜 000 0 r 5 00l ， 000 00 r j j ：i 或写成：”= r f + p 】；f ， 式中 u 一各绕组端电压； i 一各绕组电流； + p | | f ，珊 p 审h p l l ，。 p 中d ， p p p vc r ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 7 a ) l l 甜 _ 鼍 甜 ， ， ，妇跏鼬 华中科技大学硕士学位论文 矿一各绕组合成磁链： r 一各绕组电阻； p 一微分算子d d t 。 下标s 一定子侧参数； 下标，一转子侧参数。 2 2 2 磁链方程式 上式中各绕组的合成磁链是由本绕组的自感磁链和本绕组与其他绕组间的互感 磁链所组成。因此，六个绕组的磁链可表达为： y 甜 y h 妒“ y 口r y 打 y k 。 l ho 。 三 上北靠 厶 三。 工肿h h h a h l o ? h l h r h o b 。 三如订 厶。 盯凸 。 l 。 l 。， l h 。 l 。r 口r 甜 l b 。 三仃舯 ， k 。 ， 计h l ，h 工f r 打熊 ( 2 8 ) 或写成：i r = l if 2 - 9 ) 式中，l 是6 x 6 电感矩阵，其中对角线元素。，厶；b 。、厶。、工。、l b r b ，、l c r 。 是各有关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。 实际上，与电机绕组交链的磁通主要有两类：一类是只与某相绕组交链而不 穿过气隙的漏磁通：另一类是穿过气隙的相间互感磁通，后者是主要的。定子各相漏 磁通所对应的电感称做定子漏感厶。，由于各相的对称性，各相漏感值均相等；同样， 转子各相漏磁通则对应于转子漏感l ，。与定子一相绕组交链的最大互感磁通对应于 定子互感上。与转予一相绕组交链的最大互感磁通对应于转子互感三。，由于折算后 定转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故可认为工。屯。 对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通与漏磁通之和，因此，定子各 相自感为： l a s a s = l b s b s = l c s c s = m s + l i s( 2 - 1 0 ) 转子各相自感为： 厶，。r - l b b ，= l 。= m r + l ir( 2 - 11 ) 两绕组之间只有互感。互感又分为两类：定子三相彼此之间和转子三相彼此 1 2 华中科技大学硕士学位论文 之间位置都是固定的，故互感为常值：定子任一相与转子任一相间的位置是变化的， 互感是角位移0 的函数。现在先讨论第一类，由于三相绕组的轴线在空间的相位差是 娑。在假定气隙磁通为正弦分布的和条件下，互感值为 l m 。c o s 竿：l 。, c o s 卜竽) ：一昙k (2-12) jjz 于是： k h = k 。= l = l h 。= l 。= l = 一亡。( 2 一1 3 ) 。，= 。，= 。，= 。= 。，= 上。= 一。，( 2 - 1 4 ) 至于第二类定、转子绕组间的互感，由于相互间位置的不同( 见图2 - 2 ) ，分别为： = l 。= l b 。= l ，h = l o 。= l = l ，c o s 口( 2 - 1 5 ) 匕。= k 。= 。= t 。，= 。= k ；，= k c 。s ( 目+ 了2 i ) k 。= k 。= 气。= k 。= k = k 。= k c o 印一等) ( 2 1 6 ) ( 2 - 17 ) 当定、转子两相绕组轴线一致时，两者之l 司的互感最大，此互感就是每相最大 互感工。 将式( 2 - 1 0 ) 至式( 2 1 7 ) 都代入式( 2 - 8 ) ，即得完整的磁链方程，显然这个矩阵方程 是报庞大的。为了方便起见，可以将它写成分块矩阵的形式【2 4 】 阡雌： - ；： 嘞 式中 l f ，3 = w 。i f ，b | l f ，c t r ，= 砂，打吵。r i ，= 【f 。f 。f 。】r f ，= k0f 。】r 华中科技大学顽士学位论文 三。= 巧 l 。= l ，= 工l ，+ 。， 一扛 一扛 三b + 上肿 一扛 一三k 扛 l i ，+ l 。 扛 一扛 l ，+ l 。， 圭k c 。s ( 0 - 孥) c o s 口 一告k 一枉 三l ，+ 三枷 一扛 一 l l 。+ l 。 c o s ( 口一争c o s ( 口一尹2 1 r c o s 口 f 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 】) 值得注意的是，工。和厶，两个分块矩阵互为转置，且与转子位置8 有关，它们的 元素是变参数，这是系统非线性的一个根源【2 4 1 。为了把变参数转换成常参数需利用坐 标变换，将于下节讨论。 把磁链方程 式( 2 9 ) 代入电压方程 式( 2 - 7 a ) ，则得展开后的电压方程 “刊州埘划+ 工等+ 等础豢+ 历d l 倒( 2 - 2 2 ) 式中l d i d t 项属于电磁感应电动势中的脉动电动势( 或称变压器电动势) ，( d l d 刚u f 项属于电磁感应电动势中与转速u 成正比的旋转电动势。 2 2 3 交流励磁发电机的功率方程 交流励磁发电机输出的功率瞬时表达式为： p e 珊= l k l 甜+ “b f b + “甜f 矗 写成矩阵形式为： 匕= 甜： 2 2 4 机电运动方程式 由于交流发电机一个重要特征是异步化同步运行， ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 因此。了解交流励磁同步发 1 4 1，j 幼，幼一， + 一 日 护 s s o a c c 妇垮 p s k = 华中科技大学硕士学位论文 = = ，= ；l l 目= ；= 自= 4 l _ l j ；l 目；= = = 目；目；= _ l 电机的机电运动方程式或转矩平衡方程式尤为重要。 假定原动机输出的机械转矩为r ，与原动机转矩相平衡的转矩假设仅由两部分 构成：发电机的电磁转矩疋和由转子的转动惯量，所决定的惯性转矩，这样，转矩之 间的平稳关系应为： l = t o + j 争 。 ( 2 - 2 5 ) 式中目。为机械位移角。 电磁转矩方程为f 2 5 l ： t = n p l 。w 。i o r + i b s i h r + i 。i c r ) s 证8 + o 。k r + i b i c r + i 。i 。r ) 武n 婶+ ；砖 。 ( 2 - 2 6 ) + 心。i c ? + j h ，+ i 。i h ) s i n ( e 一；，蚬 式中玎。为电机极对数。 由式( 2 - 7 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 - 2 4 ) 、( 2 - 2 5 ) 和( 2 2 6 ) 构成的描述异步化同步发电机瞬态特 性和稳态特性所需的全部方程式，也就是交流励磁发电机的数学模型。 2 3 矢量变换技术 2 3 1 坐标变换的原则和基本概念 对于a - b c 三相坐标下的交流励磁发电机数学模型，要分析和求解这组非线性方 程显然是十分困难的。这个数学模型之所以复杂，主要是因为有一个复杂的电感矩阵， 也就是说影响磁链和受磁链影响的因素太多了。因此，要简化数学模型，须从简化磁 链的关系着手。 先研究直流电机的数学模型，它的数学模型比较简单【2 6 1 ，如图2 3 所示为二极 直流电机的物理模型，图中f 为励磁绕组，a 为电枢绕组，c 为补偿绕组。f 和c 都 在定子上，只有a 在转子上。把f 的轴线则称作直轴或d 轴，主磁通中的方向就在d 轴上：a 和c 的轴线则称为交轴或q 轴。虽然电枢本身是旋转的，但其绕组通过换向 器电刷接到端接板上，屯刷将闭合的电枢绕组分成两条支路，一条支路中的导线经过 正电刷后归入另一条支路中去，在负电刷下又有一条导线补回来。这样，每条支路中 导线的电流方向永远是相同的，因此，电枢磁势的轴线始终被电刷限定在q 轴的磁通 而产生旋转电势，这又和真正的静止绕组不一样，通常把这种等效的静止绕组叫做“伪 静止绕组”。电枢磁势的作用可以用补偿绕组磁势抵消。或者由于其作用方向与d 轴 1 5 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = ；j i ；= = l l _ _ l _ l 口l = _ = ；= = ；自= = = = 垂直而对主磁通影响甚微，所以直流电机的主磁通基本上唯一地由励磁电流决定，这 是直流电机的数学模型及控制系统比较简单的根本原因。 、 雁 i f ， ” lr ”m 。 一、i 。 j l 图2 - 3 二极直流电机的物理模型 如果能将交流励磁电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和 控制问题就可以大为简化。坐标变换正是按照这条思路进行的。在这里，不同电机模 型彼此等效的原则是，在不同坐标系下所产生的磁势完全一致。 对于交流电机，当它的三相对称的静止绕组a 、b 、c 通过三相平衡的正弦电流 i a 、i b 、f c 时，所产生的合成磁势是旋转磁势f ，它在空间上呈正弦分布，以同步速度 u o ( 即电流的角频率) 顺着a b c 的相序旋转。 然而。产生旋转磁势并不一定非要三相电流不可，如图2 - 4 ( b ) 所示为两相静止绕 组。和b ，它们在空间上互差9 0 。，通以时间上互差9 0 。的两相平衡交流电流，也 产生旋转磁势f 。当图2 - 4 ( a ) 和( b ) 的两个旋转磁势大小和转速都相等时，即认为图2 _ 4 ( b ) 的两相绕组与图2 - 4 ( a ) 的三相绕组等效。 再看图2 - 4 ( c ) 中的两个匝数相等且互相垂直的绕组d 和q ，其中分别通以直流 电流芘和毛，产生合成磁动势f ，其位置相对于绕组来说是固定的。如果让包含两个 绕组在内的整个铁芯以同步转速旋转，则磁势f 自然也随之旋转起来，成为旋转磁势。 把这个旋转磁势的大小和转速也控制成与图2 4 ( a ) 和图2 - 4 ( b ) 的磁势一样，那么这套 旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。当观察者也站在铁芯上和 绕组