IEAC励磁调节技术说明书

1、IAEC-2000型智能自适应 微机励磁控制器技术说明书 宜昌市能达通用电气公司 葛洲坝水力发电厂自动化研究所 华 中 科 技 大 学 二零零三年一月二十日 目录 第一章 装置概述1 1.1 装置特点1 1.2 主要励磁功能配置3 1.3 辅助励磁功能配置4 1.4 主要技术指标5 1.5 适用范围5 1.6 使用环境9 第二章励磁控制原理10 2.1 发电机励磁控制系统的作用11 2.2 励磁反馈控制原理11 2.3 微机励磁控制关键技术12 2.4 励磁控制规律14 2.4.1 电力系统稳定器15 2.4.2线性最优励磁控制LOEC21 2.4.3自适应最优励磁控制22 第三章功能说明30

2、 3.1 三种起励方式30 3.2 五种运行方式31 3.3 控制方式在线转换33 3.4 励磁限制33 3.5 励磁保护35 3.6 自动跟踪35 3.7 在线机切换36 3.8 试验功能36 3.9 控制参数调整37 3.10 逆变灭磁38 第四章软件简介39 4.1软件组成及编程语言39 4.2软件流程图39 第一章装置概述 IAEC-2000型智能自适应微机励磁控制器由能达通用电气公司与华中科技大学联合研制。 是依靠华中科技大学丰富的理论知识、葛洲坝电厂运行维护人员多年的现场经验和能达通用 电气公司多年的实际应用经验总结开发出来的新一代发电机智能微机励磁控制器。本控制器 适应电力系统朝

3、大机组、大电网方向发展的需要，采用智能自适应最优励磁控制规律，能为 电力系统提供良好的阻尼，满足电力系统联网稳定运行的要求。本控制器以“功能完备、可 靠性高、检修维护方便、操作简单直观”为设计思想，不但具有常规模拟式励磁控制器的全 部调节、控制功能，而且具备常规控制器没有的许多控制、保护、限制、逻辑判断、自诊断、 容错、在线整定、参数显示、与现地LCU通讯和开关量的调节、现场调试试验等强大功能， 是大、中型同步发电机励磁控制器的理想选择。 本控制器硬件由管理机、工控机、测量单元、逻辑控制单元和电源单元组成。管理机采 用研华平板PC,完成人机接口、可视化图形显示、各种参数设置、事件记录、与优化维

4、护系 统及监控系统的通讯等。工控机硬件采用具有高抗干扰、高抗振动、4U高度模板的DSP产品, 该产品由专业工控机厂家按恶劣的工业现场条件特别设计，硬件设计合理，配置简单清晰， 按励磁控制系统的要求双重化，可满足各种容量发电机励磁控制的要求。测量单元、逻辑控 制单元、及电源单元全部采用印制电路板由能达通用电气公司针对工控机系统自主设计，采 用母板机箱结构，具有接线简单可靠的优点。管理机可与励磁调节双通道进行信息交换，从 而实现对发电机运行状态进行监视和记录，也可作为一个子站与电厂（站）主计算机管理系 统进行联网，实现励磁设备自动化管理。 励磁控制器按国际标准柜设计，其外围接口符合传统设计要求。如

5、交流信号输入、开关 量信号输入、装置直流电源、交流电源、异常信号输出、RS485、RS232、CAN现场总线以及 以太通讯接口等皆符合现场常规要求。对于新建工程，有典型设计图纸可以套用；而对于改 造工程，也可根据实际情况重新设计。 本说明书将详述IAEC-2000型智能自适应微机励磁控制器的原理、控制理论和软件说明， 其硬件构成、软件流程和调试维护方法详见智能自适应微机励磁控制器使用说明书。 1.1装置特点 1.1.1控制部分采用数字信号处理器 DSP 装置采用利用DSP数字信号处理器超强的数据处理能力，吸收大量的现场经验，并应用 许多成熟的励磁原理及算法实现要求的励磁控制，极大的提高了励磁控

6、制的快速性、可靠性 和准确性，使得整机性能指标达到最佳。 DSP高速数据信号处理器的应用使得将最新、最先进和复杂的算法用于励磁控制成为现 实。 1.1.2装置采用智能自适应励磁控制规律 智能自适应控制器的特点是能修正自己的特性以适应被控对象的动特性的变化。其研究 的对象是具有一定程度的不确定性的系统；这种“不确定性”是指其描述的被控对象及其环 境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。发电机励磁控制系统正 是一个具有一定的不确定性因素的系统，因为与之紧密联系的电力系统是不断发展和变化的 系统。 自适应控制与最优控制或非线性控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同 的是

7、自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识可在系统的运行过程中不断提取有关模 型的信息，使模型逐渐完善，并最终达到一致。 智能自适应控制器的原理简图如图 1-1所示： 图1-1智能自适应控制器原理简图 其中参数辨识器完成智能性功能。它根据被控对象的输入输出数据，对模型的参数进行 在线辨识，使模型变得愈来愈准确，并自动跟踪系统的变化，从这个意义上来说，控制系统 具有自适应能力。 控制器则根据辨识出的参数，按给定的性能指标，对被控制对象进行智能控制。 1.1.3装置采用4U高度硬件平台 装置硬件平台选用的是针对恶劣工业环境设计的高档TMS320C32DSP工控机系统，其体 系结构比STD工控机有很

8、大的改善与提高，抗干扰能力强，性能稳定可靠，操作安全。 1.1.4装置全部采用机箱插件形式、母板连接结构，欧式插件 机箱插件结构形式具有检修维护方便的特点，自定义母板连接具有接线简单的优点，欧 式插接具有可靠性高的优点。因此装置整体性能极高。 1.1.5具有集调试、试验、故障录波多功能的管理系统 管理机采用高度可靠、触摸式研华工业级平板PC作为人机交互接口，波形、状态显示清 晰，在运行中可随时查阅各种运行状态值、控制变量，控制及限制参数。故障录波功能能记 录故障前10秒及故障后50秒的运行参数，便于事后分析与诊断。 1.1.6其它 （1）参数值均采用浮点十进制，菜单式操作简单、快捷、直观，精度

9、高、范围广。 （2）采用频率跟踪技术，使得采样精度高。 （3）单柜设有一个 RS485串口、一个CAN总线接口或一个以太网口，可以与电厂（站）系 统相连；柜内控制机与管理机之间采用RS232通讯。双机之间、双机与集成控制维护系 统之间采用CAN网络通讯，这为励磁装置集散管理，实现综合自动化创造了硬、软条件。 （4）交、直流电源互为热备用，电源模块的任一弱电回路丢失均可告警，并送至RTU或中央 控制室。 1.2主要励磁功能配置 励磁控制器除具有常规励磁控制器的一般功能（正常的励磁调节、手自动开/停机、）外, 还应具备以下功能： 1.2.1 四种可选励磁控制方式： 121.1 1.2.1.2 1.

10、2.1.3 1.2.1.4 PID控制； PID+PSS 控制； 线性最优控制； 智能自适应控制。 1.2.2 五种运行方式： 1.2.2.1 1.2.2.2 恒机端电压运行方式（正常运行方式）； 恒励磁电流运行方式（用于定子短路试验、转子干燥、线路充电、限电流运行、电压 回路异常等工况）； 1.2.2.3 1.2.2.4 1.2.2.5 恒无功功率运行方式； 恒功率因数运行方式（特殊要求时使用）； 恒触发角运行方式（调试或他励）。 1.2.3 二种起励方式： 1.2.3.1 1.2.3.2 设定机端电压起励； 设定转子励磁电流起励（用于零起升压转子干燥、定子短路等工况）； 1.2.3.3 跟

11、踪母线电压起励（用于快速并网）。 1.2.4 五种励磁限制功能： 1.2.4.1 瞬时/延时过励磁电流限制（强励限制）； 1.2.4.2 1.2.4.3 1.2.4.4 1.2.4.5 无功过载限制（过励限制）； 欠励限制； 空载V/F限制； 功率柜故障励磁电流限制。 1.2.5 励磁保护功能： 1.2.5.1 1.2.5.2 1.2.5.3 空载过压保护； PT断线保护； 同步回路断线保护。 1.3辅助励磁功能配置 1.3.1励磁系统现场调试功能： 1.3.1.1 彩色液晶触摸显示屏； 1.3.1.2 中英文可选菜单操作； 1.3.1.3 设置用户口令在线修改、整定各种励磁限制参数，并设掉电

12、保护； 1.3.1.4 励磁系统运行状态图实时显示； 1.3.1.5 电气参数动态曲线显示； 1.3.1.6 状态参数、控制参数显示； 1.3.1.7 故障状态显示； 1.3.1.8 各种静特性试验； 1.3.1.9 运行方式切换、控制方式切换、主/从通道切换； 1.3.1.10起励试验，并根据录波图完成数据处理； 1.3.1.11空载扰动试验，并根据录波图完成数据处理； 1.3.1.12系统稳定试验，并根据录波图完成数据处理； 1.3.1.13人工录波功能，根据操作人员发出的录波命令录波； 1.3.1.14自动录波功能，起励、阶跃及PSS试验自动录波； 1.3.1.15离线能用PC机在Win

13、dows环境处理试验、录波数据。 1.3.2故障录波功能： 保存故障前后各设备的带时间的状态及波形（共计1分钟），并能显示、保存和处理设 备的状态及波形。 1.3.3在线检测与故障诊断及处理功能： 微机系统自身具有自我诊断能力。软件时刻对 CPU、A/D芯片、计数器、通讯、脉冲输 出、微机工作电源等进行在线诊断，可以提前发现问题。发现故障立即由软件输出、硬件自 动切换。 控制器内部各功能模板及各组成单元故障，出现故障后自动切换运行通道或转运行方式， 通讯故障能报警但不影响控制器的正常运行。同时具有与电站优化维护系统通讯接口，通讯 接口采用CANBUS。 1.3.4与监控系统通讯的双向接口功能：

14、 柜内各系统间采用 RS232通讯，对外设有 CAN总线（工控机）或RS485（管理机）串行通讯 或以太网（管理机）接口，上传控制器的各种数据及故障检测、预警、维护管理报告；接收 上位机下传的各种控制命令（开/停机、运行方式、控制方式及方式切换等）。 14主要技术指标 1.4.1 可控硅控制角分辨率：0.001 _14 1.4.2 A/D转换分辨率：2 1.4.3 可控硅控制角移相范围：8150可调 1.4.4 发电机端电压静差率：0.1% 1.4.5 发电机调压精度：0.2% 1.4.6 机端电压手动调节速度：0.5%0.7% Vgn/s 1.4.7 机端电压手动调节范围： 空载：10% 1

15、15% Vgn ; 负载：70% 110% Vgn ; 1.4.8 调差率：-30%+30%可调； 1.4.9 发电机频率适应范围：35Hz80Hz; 1.4.10甩发电机额定有功、无功负荷，发电机定子电压超调量不大于其额定电压的15%，振 荡不超过3次，调节时间不大于5s； 1.4.11 10%vgn阶跃响应：发电机定子电压超调量不大于阶跃量的30%，振荡不超过3次， 调节时间不大于3s。 1.4.12电源适应性：当供电电源在-30% +50%范围内波动时装置可以可靠运行。 1.4.13 功率消耗：小于 300W 1.5适用范围 IAEC-2000型微机励磁控制器适用于所有采用可控硅励磁的发

16、电机励磁系统。各种典型励 磁系统接线图分示如下。 1.5.1自励励磁系统： 自励方式包括自并励和自复励方式，自复励方式又可为分交流侧串联、直流侧并联自复 励等。自并励励磁系统为固有高起始响应系统，具有快速响应的性能。自并励励磁系统的典 型接线如图1-2所示。 CT1 图1-2自并励可控硅励磁系统典型接线图 FMK 图1-4直流侧并联自复励方式 1.5.2带直流励磁机的可控硅励磁方式 这种励磁方式包括直流励磁机采用可控硅自励和采用连续性控硅励磁方式。 CT IAEC-2000 IIL J Vd 图1-5直流励磁机采用可控硅自励 图1-6直流励磁机采用连续型可控硅励磁 1.5.3他励方式 式。 此

17、方式包括交流励磁机带静止硅整流器方式、交流励磁机带静止可控硅方式和无刷磁方 图1-7他励静止硅整流器励磁方式 1.6使用环境 1.6.1 使用地点的海拨高度不大于2500米。 1.6.2 环境温度为-2040 C。 1.6.3 环境相对湿度w 90%。 1.6.4 装置周围环境应保持干燥、清洁、通风良好，无爆炸、腐蚀性气体，所含导电尘埃的 浓度不应使绝缘水平降低到允许值以下。 第二章 励磁控制原理 励磁控制系统是同步发电机的重要组成部分，直接控制同步发电机磁场电流，从而控制 同步发电机的电势，所以它还间接控制发电机的端电压、无功功率、功率因素和电流等参量。 由于大型机组的这些参量直接影响系统的

18、运行状态，因此在某种程度上也可以说，励磁控制 器也控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定与励磁控制方式密切相关。 发电机自并励励磁系统一般由励磁控制器、可控硅整流单元、灭磁及过电压保护单元、 起励单元和励磁变压器等 5部分组成。这5部分以一定的设计参数进行有机的结合，构成一 个性能满足一定要求的励磁系统，其相互联接关系如图2-1所示。 图2-1 励磁系统组成单元及相互联接关系 SCRD1 wf IAEC-2000型智能 自适应微机励磁控制器 图2-2他励静止硅整流器励磁系统原理接线图 其中励磁控制器是励磁控制系统中实现发电机电压调节、无功功率分配和系统稳定功能 的核心部分；励磁变压器经电压变换

19、，为发电机励磁控制系统的功率单元提供功率电源；可 控硅整流器是由AVR控制，保证发电机各种工况运行的功率部分；起励单元为发电机提供初 始励磁；灭磁及过电压保护是在发电机及其系统出现故障的情况下快速切除故障的保护单元， 灭磁控制由发电机保护装置完成。 图2-2为他励静止硅整流器励磁系统 （三机励磁系统）的原理接线图。G1为发电机，G2为 交流励磁机，G3为交流副励磁机。IAEC励磁控制器根据发电机运行工况的变化改变可控硅 的控制角，以改变G2的励磁电流和输出电压，而 G1的励磁电流由G2的输出经硅整流装 置D1整流后通过滑环引入，从而起到调节发电机G1励磁电流的作用。 2.1发电机励磁控制系统的

20、作用 1.6.5 在稳态运行时： （1）维持发电机的机端电压在给定水平； （2）合理分配并联运行发电机的无功功率； （3）提高发电机的静稳极限和输电线路的功率传输能力。 1.6.6 在暂态过程中（大干扰时）： （1）抑制发电机切负荷时的电压升高。 （2）提高与之相联电力系统暂态稳定性。 2.2励磁反馈控制原理 如图2-3所示，励磁控制系统是一个闭环控制系统，其反馈控制通过以下过程来实现： 首先励磁控制器的测量单元检测PT输入信号从而获得发电机的机端电压Vt，然后将Vt与给 定电压Vr相比较获得电压差值 N= （Vr-Vt），该电压差 N经综合放大环节后得到控制电压 Vc。若是最简单的比例调节，

21、那么控制电压 Vc与电压差 N有以下的关系式（不考虑调差）： Vc = K(Vr -Vt) (2-1) 上式中K为放大倍数。控制电压Vc经过移相触发环节后得到可控硅（SCR）的触发角 从而控制发电机的励磁电压 Vf,使发电机运行在稳定状态。在 IAEC中，信号的检测、综合放 大、移相触发都是通过软件算法实现的。Vc与、Vfo有以下关系： Vfo a = arccos Vc x I 1.35E 丿 因为三相全控整流桥有以下关系： (2-2) 所以 Vf =1.35Ecos： (2-3) (2-4) SCR的阳极电压。 FMKVf Vf 二 Vc Vf0 二 K(Vr -Vt) Vf0 式中Vf。

22、为发电机空载励磁电压，E为励磁变压器副边电压，即 图2-3自并励静止硅整流器励磁系统原理接线图 如果由于扰动使发电机机端电压Vt上升一个小的值，那么电压差（ Vr-Vt）将减少，经综 合放大环节后得到控制电压Vc也将减少，使得增大，经可控硅整流后使得发电机的励磁电 压Vf减少，使得发电机的机端电压Vt下降，从而抵消了发电机的机端电压Vt上升的扰动。因 此励磁反馈控制可以维持发电机的机端电压Vt的恒定。 如果由于扰动使得发电机的机端电压ut下降一个小的值，那么类似以上分析一样能得到 相同的结论。 2.3微机励磁控制关键技术 交流采样技术、脉冲直接形成技术以及先进的控制策略，是微机励磁控制的关键性

23、技术, 也是评价一种微机励磁性能的重要标准(数字化程度)。以下分三个部分对此作一简要介绍。 微机励磁控制器对发电机的机端电压 电流Ifd等电量的测量有两种方案可供选择: 2.3.1交流采样技术 Vt,定子电流lg，有功功率Pe，无功功率Qe,转子 采用模拟变量变送器的直流采样和直接交流采样。 电量变送器(传感器)输出的直流量与其输入电量成比例，经A/D转换接口电路读入主 机的数值直接反映了被测变量之值。这种方法容易实现，因而早期的微机励磁控制器多采用 这种方案。变送器把交流电量转换成直流量时往往需要滤波电路，从控制器的响应速度考虑， 变送器的时间常数应尽可能小，但同时仍要保证足够的精度，这是直

24、流采样要面对的困难之 一。另外，电量变送器归根结底也是一种模拟电路，对该电路的调整、维护也是较繁琐的工 作。 交流采样技术由于省略了电量变送器，减少硬件环节，提高了可靠性，并且可以较好地 解决精度与速度的矛盾，因此近几年在电力监测、控制、包括微机励磁中得到广泛应用。 交流采样技术依据以下原理：对于周期为T的周期信号u(t)=u(t+T)，在一个周期内对该 信号等间隔均匀采样 N点，得到N个采样点的电压值 uo, U1,，UN-1，根据不同的算法，微 机可以计算得该信号的特征量，比如有效值、平均值、最大最小值、功率等。比如计算u(t) 的有效值U可以用以下方法算得： (2-5) 对交流电压信号u

25、(t)及电流信号i(t)，在一个周期内采样N点得到电压序列U。，比，, un-1及电流序列io, h,，iN-1，可以用以下方法计算得有功功率： Pe J；(ti(t )d-,fukik-=- 0t k八nJ n N 二 、Ukik k=0 (2-6) 另外，对于周期信号，也可以用富氏算法得到各次谐波的实部和虚部，从而计算得该次 谐波的有效值。12点富氏算法(N=12 )可以用下式表示： Ur”U 6 6 7 ULU 2 2 (2-7) 寸31 U| U3 -U9 +一U2 +U4 -U8 -Ug ）+（5 +U5 -U7 -Un ） (2-8) 6 2 2 u =uR Ui2 其中Ur, U

26、|分别为基波分量的实部与虚部。 (2-9) (2-10) 发电机的有功功率及无功功率则可以用以下公式计算： Pe =VrIrV| I | Qe =Vr I| -V| Ir 2.3.2脉冲形成技术 IAEC-2000微机励磁控制器主控制器板和智能脉冲形成板由两块完全一致的SCT-9809工 控机模板组成，智能脉冲形成板主要功能是根据阳极电压同步点和主控制器板送出的控制角 输出要求的控制脉冲（+A , -C, +B , -A , +C , -B六相脉冲），同时完成控制脉冲的检测任务。 同步信号经滤波整形形成方波后送入DSP中断接口 INT0、INT1和INT2，中断程序完成 移相及脉输出任务，如下

27、图所示。比如当前的上升沿时刻为T2,前一上升沿时刻为 T1，则同 步信号的周期则为 T=T2 T1，此周期应对应于 360的脉冲。假设此时计算机要发出控制角为 a则应该相对于过零点时刻（T1或T2）延时Ta后发出+A脉冲，再延迟600相对应的时间 T60后发-C,再延迟T60后发出+B ,，如此类推。计算机只需设定每个脉冲产生的时刻即 可。这种的脉冲产生方式非常简单自然，硬件、软件均很简单，产生的脉冲可靠性高。 INT T1 T2 +A -C ToT -B ot a 360 T2 T , 60 360 (2-11) 2.4励磁控制规律 比例一积分一微分(PID)控制是依据古典控制理论的频域法进

28、行设计的，该设计方法成 熟可靠，并有大量的应用经验，对于改善发电机的电压静态、动态性能，PID控制规律完全可 以满足要求。但若要同时改善电力系统的低频振荡、提高电力系统静态、暂态稳定性，则必 须依赖于更先进的控制规律。PID控制的传递函数如下： (2-12) I+T2S1 咔丿 比例系数(放大倍数)KP主要是为了提高控制系统的响应速度，减少静态偏差。Ti是微 分常数，Ti与T2构成了不完全微分，微分的作用主要是改善控制系统的动态性能，比如减少 超调量、减少振荡次数等。Ti是积分时间常数，积分的作用主要是消除静态误差。 2.4.1电力系统稳定器 二十世纪50年代随着电力系统规模的扩大，以及长距离

29、大负荷输电线路的出现，现加上 大型发电机开始采用，由半导体励磁调节器和可控硅整流功率柜组成的快速励磁系统，使整 个电力系统的阻尼不断减弱。当电力系统发生故障或受到其它扰动时，出现长时间低频率振 荡，严重影响电力系统安全稳定运行。 二十世纪60年代美国西部系统，发生了低频振荡，在西欧、日本的电力系统中也不断出 现。在我国二十世纪 80年代初湖南西部系统凤淮一常德线故障跳开时，凤淮电厂出线产生低 频振荡。1984年初，广东一九龙联络线投运后不久，发生多次0.45-0.5HZ低频振荡。1985年 湖北系统葛洲坝电厂输出线路发生多次。之后我国电力系统又有发生低频振荡的报道，例如： 湖北鄂西北水电群与华

30、中系统公司等。 按低频振荡发生的频率，可以将低频振荡分为以下几种类型： (1) 超低频振荡：低频振荡频率为0.0170.08Hz ； (2) 典型的低频振荡：低频振荡频率为0.52Hz，振荡持续时间长； (3) 次同步振荡：低频振荡频率为1040Hz，是由于长距离输电线路中的串联电容补偿 引起。 为了提高电力系统阻尼，抑制低频振荡，1966年美国首次把电力系统稳定器(Power System Stabilizer，缩写PSS)投入工业试验，由于其原理清晰，实现简单，能有效抑制低频，其后迅 速在世界各国得到推广应用。 4.1.1单机无穷大系统线性化模型 研究低频振荡问题，一般首先采用单机无穷大系

31、统，如图2-3所示。在该图中，发电机带 有地区负荷，然后经输电线路与无穷大系统连接。 在建立线性代模型时，对发电机进行如下简化： a) 忽略阻尼效应 b) 忽略定子绕组电阻 c) 不考虑定子绕组和负荷的动态过程 d) 不考虑饱和效应 这样同步发电机可用三阶微分方程描述，即励磁绕组一阶，转子运动方程两阶。经过推 导，可以得到研究低频振荡用的子机无穷大系统线性化模型： 图2-3带地区负荷的单机无穷大系统 L Eq0EfdK3K4 q 1KsTdoS1KsTdoS :M e = KK2 Eq ：Ug 二 yK=Eq 图2-4研究低频振荡用的单机无穷大线性化模型 式中KiK6是与发电机的运行状态和系统

32、参数有关的系数。Ki, K2, K3，K4和K6均大于 0,而K5当负荷较重时，其值将会由正变负。 根据上述方程可以得到同步发电机框图，如图2-4所示。 4.1.2 PSS设计原理 线性化后的同步发电机转子运动方程为： 式中：-=Tm为机械输入转矩，在小干扰分析中，一般可忽略; Te 为电磁转矩，T K - K Eq，忽略 K Eq 项，Te K,-：; 为机械阻尼，如磨擦等，ATD。 考虑：.一 = -和取拉氏变换后有： Tj S2 -0 =-K -D 0 整理后有: S2卫 规范化: S22 I nS 2 = 0 n :阻尼系数, D 2TjKi -.n :无阻尼机械振荡频率, 因一般D较

33、少，所以阻尼不是很好。 该公式也说明在转子运动方程中， 一 D*项是阻尼 项。因此PSS引入的阻尼项其方向必须与一 D. 致，假定为 DE. , DE 0,这样PSS 引入的阻尼才是正阻尼，能够有效地抑制低频振荡。 匸-方向一致，即为 PSS的原理就是要保证引入的辅助信号所产生的转矩保证与 DE I】。 (1)设计超前环节，补偿相位滞后 2-5所示，图中励磁系统的传递函数假 假定引入的辅助信号为 =-、.，则相位滞后环节如图 k 定为。 1TeS Ao Ge(sh-MjL A 图2-5同步发电机滞后环节 K2K3 (1TdoK3S)(1TeS)K3KeK6 因要求与一DE.同相，因此要求PSS

34、传递函数所产生的超前相位与同步发电机 滞后环节所产生的滞后相位抵消，即： /Gpss(S)./Ge(S) = 0 理论上是对所有频率均抵消，但实际系统难以实现，因此在实际系统中只对选定频率要 求抵消。 选取电力系统中已存在的低频振荡频率 d，即S = jd NGPSS( j ) 乙 GE ( j d - 0 选取系统的无阻尼振荡频率，n，即S二j，n - GPSS（ j，n） * /GE（j，n） = 0 由于GE(j )是一滞后环节，即 GE(j ) -0，因此要求.GPSS(j ) 0，即PSS是 个超前环节。 可令 Gpss（ S） -Kpss J + STi J+ST2 丿 TiT2,

35、 般k = 1, 2即可。 (2)设计Kpss,保证合理的阻尼系数n，一般n = 0.10.3 , De=21Tj De =Gpss（jd），GE（jBd） (3) 设计复位环节，以便 PSS不影响正常情况下电压性能: T =2 4 该环节为隔直环节，消除系统分量，而对于振荡分量有Gr( j d)j1.0，影 1 +声dT 响很小。 (4) 设计带通滤波器，因 PSS相位补偿的要求，只能抑制设计频率( .d )附近的频率分 量。 因此，PSS的总体框图如图2-6所示： 图2-6 PSS原理框图 在实际电力系统中，由于=测量有些困难。PSS的辅助信号可取为有功功率偏差量：Pe， 或UPe与机端频

36、率偏差量讦的混合量等。 4.1.3 PSS的微机实现 早期PSS均采用模拟电路实现，采用电阻电容及运算放大器等构成复位环节、超前环节 和限幅环节等。现在微机励磁控制器在电力系统中广泛采用，因此PSS也可采用微机实现。 微机实现与模拟元件实现有其突出优点：模拟电路参数调整是通过电位器实现，电位器多， 调整较复杂；另外还有在元件老化温度漂移等问题，运行一段时间后需要重新调整，而微机 实现是采用数字式，不存在这些问题，调整和维护都是很方便，并可实现更复杂的功能。如 自适应、智能式等功能。 PSS的微机实现实际上就是将微分进行差分化，差分化的方法很多，目前，应用比较广的 方法是通过隐式梯形积分法来实现

37、。 为实现方便在微机实现中带通滤波器，如果需要一般采用硬件实现，而复位环节和PSS 的超前环节采用微机实现。 下面对应用较广的采用发电机有功功率Pe作为辅助信号的PSS进行微机实现，并取K = 2。 即如图2-7所示。 图2-7 有功功率作为辅助信号的PSS PSS的一组典型参数如下: Kpss=3.0 , T=2.3s , T1=009s, T2=0.031s , T3=03s , T4=0.99s。 PSS设计原理清楚，实现简单，抑制低频振荡效果较好，但也有存在一些问题需要进一步 研究。 卬制振荡频率范围窄，对所设计振荡频率效果好，对其它振荡频率效果变差，甚至超反 作用。 在多机电力系统中

38、，还有 PSS的安装与整定及相互之间的配合问题。 有功功率正常增加减少时，PSS存在反调现象需要闭锁等。 尽管如此，在目前国内外电力系统中，PSS仍是应用最广，研究最为成熟的低频振荡抑制 手段。也正因为 PSS存在一些问题很多研究者正在将现代先进控制理论，如线性最优、非线 性控制、自适应控制理论等应用到电力系统励磁控制中，并正在推广应用。 4.2线性最优励磁控制LOEC 在70年代和80年代期间，当电力系统机组容量较小，负荷增长较快，而电力网络的建 设还落后于线路传输容量的增长速度，即电网结构较薄弱时，电力系统小干扰问题就显得较 突出。电网中经常出现各种频率的小功率振荡。电力线路传输功率极限主

39、要受静态稳定极限 的约束。因此在当时的电力系统发展背景下，研究电力系统小干扰稳定控制理论与方法解决 电力系统小干扰稳定性控制，抑制各种频率的小功率振荡已成为电力系统安全控制中的重要 研究课题。开展这一领域的研究是在以下几个假设条件下进行的： 假设电力网络结构和参数不变；假设负荷动力群动态模型可用恒定阻抗特性代替； 假设将在某一平衡点处台劳线性化并忽略二次以上高次项。 在以上假设条件下，研究电力系统的小干扰稳定控制可归结为研究MIMO线性系统的最 优控制问题，即： (2-14) X 二 AX BU Y = CX 设计上述系统的控制器时，若选择二次型性能指数， J = 1 XtQX U TRU d

40、t(2-15) 2 0 则由LQR方法即可得到最优控制解为 U 二-rbTPX(2-16) 其中P为代数Riccati方程的解。 该理论应用于励磁方面可得到以下的线性最优励磁控制规律： lUcKpLP-KV当发 电机采用五阶模型表达时，d=1, n=5, m=4 ;当发电机采用简化的三阶模型表达时，d=1, n=3, m=2。通常情况下，在实时励磁控制系统中，采用d=1, n=3, m=2模型，该模型简单，计算量 也小，且能满足控制系统要求。 (2) 选取权矩阵 在自适应最优控制器中，权矩阵 Q的选取(权矩阵 R通常选取为1)是很重要的，它的 选取将影响到控制器的性能。一般是根据状态变量的选取

41、而确定权矩阵，含有大量的经验成 分。一种选取Q阵的方法为： 11 1 Q =diag(FF ) x10 x10Xnqo 对于多控制量系统，选取 R阵为: 111 Rdiag(p,p, u) X10 X20Xnq 其中xio, i=1,2,nq, Uj0, j=1,2,nr分别为被控对象各状态量和程控量的最大值。如果 对某状态量不限制，其对应的加权系数可以取为零。该方法的特点是给予所有的状态和控制 量以同等的重视程度。这样由确定加权系数变为只确定一个参数：、。设计过程简章化了。但 Xio和Ujo有时难以给定，并且 匸同样要进行选择和试凑。到目前为止，还未出现一个很好的通 用设计权矩阵Q的方法。作

42、者针对本算法提出了一种设计方法。 由式2-19，状态向量X可以写成： 式中 U =b(k-m-d 1) u(k-m-d 2)u(k-1)T Y -y(k - n 1) y(k - n 2) y(k) T 这样自适应最优控制器的性能指标可以写为： J U亍 2 k=i -Quu Quy (k -1)Ru(k -1) Qyu 式中 为权知阵Q Qyy 由于Q是对称矩阵，因此Quu和Qyy亦为对称矩阵，并且Quy=QTyu。一般情况下，不考 虑对y和u的乘积项的约束，那么，取 Quy=Q T yu =0 为方便起见，Quu和Qyy均取为对角矩阵: Quu=diag(q 11, q22, qm+d-i

43、,m+d-i) Qyy=diag(q m+d,m+d ,qm+d+1,m+d+1 ,qm+n+d-1,m+n+d-1 ) 由于状态量是选取被控对象的控制量和输出量在不同时刻的采样值: X=(u(k-m-d+1)u(k-m-d+2)u(k-2)u(k-1) y(k-n+1)y(k-n+2)y(k-1) y(k)T 因此可以这样选取Quu和Qyy，在Quu中选取: qnW q22 W q33 W qm+d-1,m+d-1 而在QQyy中选取： qm+d,m+d W qm+d+1,m+d+1 WW qm+n+d-1,m+d-1 这样新得到的采样值加权大。由于控制量u还受到R的限制，因此也可考虑选取Q

44、uu=0。 (3) 求解离散Riccati方程 常用的求解方法比较多，采用迭代法求解时： Pk+1 = Q + A T Pk Aa T-1 T Aa = A -B ( R + B Pk B ) B Pk A K = 0, 1,2, Po = I 由于在自适应最优控制器中，系统矩阵A和B包含有大量的零元素， 大大地减少了计算 中的乘法计算次数，因而也大大减少了计算量。 (4) 加入激励信号 为了使自适应最优控制器中的辨识器能长期得到含有丰富频率分量的被控对象的控制信 号和输出信号，以便得到较好的辨识结果。因此有必要给被控对象以持久的激励信号。在理 论上白噪声是理想的激励信号，它能给所有的频率分量

45、均给予激励，但在实际系统中其产生 是比较困难的。因而采用类似的信号七阶 PRBS，在选定的低频区域与白噪声具有类似的效果。 4.3.3自适应最优励磁控制器 在电力系统中，同步发电机由于其定子绕组的过渡过程和阻尼绕组的过渡过程相对于励 磁绕组和转子运动方程的过渡过程相当短，考虑到在实时控制中被控对象的阶数越高，计算 量随之增加很多，因此在实时控制中单机无穷大系统中的同步发电机用三阶模型代替是可以 接受的。在一般的多机电力系统中，采用频谱拟合的方法对这一问题进行分析研究表明：同 步发电机也可以采用 3阶模型，不过对于转动惯量相当大的机组可以采用2阶模型，对于联 系紧密的机组需要采用 4阶或高阶模型

46、。确定模型结构后，多机电力系统中的同步发电机的 自适应最优励磁控制器的设计与单机无穷大系统中的设计步骤一样。 在运行点线性化后其偏差量的 Z传递函数可以表达为： y(z)z(b0b2z)(2-28) u(z)1 a” a2za3z 其中y(z-1)和u(z-1)分别为同步发电机的输出量和控制量。 同步发电机模型式(2-28)对应于自适应最优控制系统中的模型： d = 1, n = 3, m = 2 选取状态向量为： X= z-2u(z-1)z-1u(z-1)z-2y(z-1)z-1y(z-1)y(z-1) T 则可得到状态方程为： X k 1 二 AX k BU k(2-29) 其中 - 0

47、1 0 0 0 0 0 0 0 0 A = 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 b2 bi 一 a3 _a2 -a b =0 1 0 0 b0 r 最优控制律为： U(2-30) K YR BtPBBtPA(2-31) 其中 P为5阶离散Riccati方程的解 P = Q ATPA ATPB R BTPA 采用迭代法时每次迭代真正所需的乘法次数只有72次。因此采用 (2-32) DSP时完全可以进行实 时求解。 第三章功能说明 IAEC的主要功能大部分由管理机进行管理，管理机的操作主菜单包括：“系统图”、“模 拟屏”、“工作日志”、“开关量”、“检修口令”、“状态波形”和“帮助”，在输入检

48、 修口令后的完整操作主菜单包括：“系统图”、“模拟屏”、“试验”、“工作日志”、“方 式设置”、“参数设置”、“开关量”、“用户管理”、“状态波形”和“帮助”，如图3 1所示。 图3 1管理机主画面图 3.1三种起励方式： 3.1.1起励方式设置 起励方式由管理机“方式设置”主菜单中的“起励方式”框选择设置。可以分别设置为 “恒机端电压”、“恒转子电流”和“跟踪系统电压”三种方式。微机上电后处于等待状态， 当接收到开机令和检测到 95%转速的频率信号，则按事先选择的起励方式自动起励。微机上 电时自动设置起励方式为 100%额定定子电压。 在自并励方式或带直流励磁机励磁方式下一般可残压起励。如果

49、发电机残压太低，则自 动投入外界起励电源助磁， 如果经10秒钟后起励未成功，则报起励失败信号并停发触发脉冲。 由运行人员检查起励回路及可控硅整流电源。再次起励前，需按“逆变”按钮清除起励失败 标志，再按“起励”按钮进行起励操作。 在调试中进行起励试验，可按面板上的“起励”按钮。 3.1.2恒机端电压起励 这种起励方式是将我们所需要的 机端电压作为起励给定值，机组转速达到额定后，如果 给励磁控制器起励命令，系统不断地将机端电压与给定值进行比较，最终将机端电压调节到 设定值，并保持恒电压运行方式。恒机端电压起励方式的缺省给定值为100%Ug，即选择恒机 端电压起励方式后，如不调整给定值，机组将按1

50、00%机端电压起励。但我们可以通过管理机 分别按“ 10% ”、“ 25% ”、“ 50% ”、“ 80% ”和“ 100% ”五种给定起励。因此，这种方式 特别适合发电机递升加压和空载特性试验。 3.1.3恒转子电流起励 这种起励方式是将我们所需要的 转子电流 作为起励给定值，机组转速达到额定后，如果 给励磁控制器起励命令，系统不断地将当前转子电流与给定值进行比较，最终将转子电流调 节到设定值，并保持恒转子电流运行方式。恒转子电流起励方式的缺省给定值为10%Ifn，即 选择恒转子电流起励方式后，如不调整给定值，机组将按10%转子电流起励。但我们也可以 通过增、减磁按钮改变给定。恒转子电流起励

51、方式与机端电压无关，因此，这种方式特别适 合发电机做短路试验或发电机短路干燥（必须做相应的措施）以及当PT测量回路故障又必须 开机的情况。 3.1.4跟踪系统电压起励 这种起励方式是将系统电压作为起励给定值，当励磁控制器收到起励命令后，系统不断 地将机端电压与系统电压比较，最终将机端电压调节到与系统当前电压一致。显然选择这种 起励方式后，起励给定值是不能调整的，但可以达到发电机快速并网的目的。 3.2五种运行方式： 3.2.1运行方式的设置与人工转换： 运行方式由管理机“方式设置”主菜单中的“运行方式”框选择设置，按“确认”按钮 后命令下传进行人工运行方式转换。运行方式可以分别设置、转换为“恒

52、机端电压运行”、 “恒励磁电流运行”、“恒无功功率运行”、“恒功率因数运行”和“恒触发角运行”五种 方式。 3.2.2恒机端电压运行 这种运行方式是以机端电压为调节对象，即始终维持机端电压为恒定。因此，励磁控制 器在运行中不断地采集发电机端电压并与给定值比较，从而计算出调节误差，确定出相应控 制量以保证发电机电压与给定值相等。在这种运行方式下，发电机的无功负荷会随着系统电 压变化而变化，系统电压升高则发电机无功减小，系统电压降低则发电机无功增大。发电机 转子电流也会随电压调节而变化。 323恒转子电流运行 这种运行方式是以发电机转子电流为调节对象，即始终维持发电机转子电流为恒定。因 此，励磁控

53、制器在运行中不断地采集发电机转子电流并与给定值比较，从而计算出调节误差, 确定出相应控制量以保证发电机转子电流与给定值相等。同样，这种运行方式发电机的无功 负荷会随着系统电压变化而变化一一系统电压升高发电机无功减小，系统电压降低发电机无 功增大。这种运行方式控制增量与机端电压无关，因而没有强励功能。 3.2.4恒无功功率运行 这种运行方式是以发电机无功为调节对象，即始终维持发电机无功为恒定。励磁控制器 在运行中不断地采集发电机定子电压和定子电流并计算出无功与给定值比较，从而计算出调 节误差，确定出相应控制量以保证发电机无功与给定值相等。这种运行方式发电机的机端电 压会随着系统电压变化而变化，系

54、统电压升高发电机电压就高，系统电压降低发电机电压降 低。同样这种运行方式控制增量与机端电压无关，因而也没有强励功能。 3.2.5恒功率因数运行 这种运行方式是以发电机功率因数为调节对象，即始终维持发电机无功功率与有功功率 的比值为恒定。励磁控制器在运行中不断地采集发电机定子电压和定子电流并计算出无功功 率与有功功率的比值与给定值比较，从而计算出调节误差，确定出相应控制量以保证该比值 与给定值相等。这种运行方式发电机的机端电压会随着系统电压变化而变化，系统电压升高 发电机电压就高，系统电压降低发电机电压降低。同样这种运行方式控制增量与机端电压无 关，因而也没有强励功能。 3.2.6恒触发角运行

55、这种运行方式是以给定的触发角运行，属于开环控制，与系统无关。这种方式适用于阳 极电压恒定的他励方式，可以用作系统静态调试、备励等工况，但不能用于闭环系统，否则 系统是不稳定的。 3.2.7运行方式的自动转换 发电机在空载运行时，用机端电压方式起励和跟踪母线电压起励方式起励后励磁控制器 均保持在恒电压方式运行，只有恒转子电流起励后励磁控制器才在恒转子电流方式运行。但 是无论空载在何种方式运行，发电机一旦并网，只要无“限制”信号和相应故障信号，励磁 控制器就会自动转换到恒电压方式运行。 当出现PT断线故障、功率柜故障后自动转换到恒转子电流运行。 PT断线故障恢复后, 再自动转换为断线前运行方式。这

56、是因为 PT断线后，电压采样将会降低，如不转换到恒转子 电流运行势必会引起误强励。 当励磁系统发出无功过载和欠励限制动作信号时，系统将会自动转换到恒无功运行方式， 当限制信号解除时，会自动恢复到以前的运行方式。 当系统由于某种原因，强励限制动作，励磁控制器也会自动转换到恒转子电流运行方式。 同样，强励限制消除后，系统会自动恢复到以前的运行方式。 3.3控制方式在线转换： IAEC微机励磁控制器具有 PID、PID+PSS、线性最优控制和智能自适应等4种控制方式, 系统上电时根据用户的要求可以自动设置为其中的任意一种控制方式。 控制方式由管理机“方式设置”主菜单中的“控制方式”框选择设置，按“确

57、认”按钮 后命令下传进行人工控制方式转换。 3.4励磁限制 励磁限制对发电机组及励磁系统的安全运行具有重要意义。IAEC微机励磁控制器设有五 种励磁限制：（1）瞬时/延时过励磁电流限制；（2）无功过载限制；（3）欠励限制；（4）空载V/F 限制；（5）功率柜故障分级励磁电流限制。 3.4.1瞬时/延时过励磁电流限制 瞬时/延时过励磁电流限制通常称为强励限制，励磁系统强励的原因大部分是由发电机及 其相联系统发生短路故障，励磁系统为保证系统稳定和继电保护可靠动作自动强行励磁所致。 设置这一限制的目的是防止励磁绕组较长时间过电流而过热。限制曲线按发热量大小作成反 时限特性，并考虑当电力系统中发生短路

58、，应保证机组强励到顶值，不受限制，反时限特性 的设计曲线示意图如 3-2所示。实际限制参数根据电厂要求设定。 图3-2 瞬时/延时过励磁电流限制曲线 IAEC设定当励磁电流小于或等于额定励磁电流的1. 1倍时不限制；当励磁电流超过 1.1 倍时，则经过相应的延时后立即限制到1.1倍额定励磁电流运行。 3.4.2无功过载限制 无功过载限制通常又称为过励限制，设置无功过载限制的目的是防止人为或计算机监控 系统自动增加无功过多。以致于定子电流过大造成过热。无功过载限制线示意图如图3-3（a） 所示。实际限制参数根据用户要求设定。 无功过载限制只针对增磁操作出错时限制无功增加过多。当电力系统发生短路，

59、系统电 压降低，这时机组送出的无功不受限制，以支援电力系统。 图3-3欠励限制及过无功限制曲线 3.4.3欠励限制 设置欠励限制的目的是防止人为或计算机监控系统自动减小无功过多。以致于电磁功率 过小造成发电机失步。欠励限制由软件实现，整定值可在线修改。限制线示意图如图3-3（b） 所示。实际限制参数根据用户要求设定。 欠励限制线以上，无功过载限制线以下，有功限制线（由调速器设定）以左围成的区域 （参看图3-3），为机组P、Q安全运行区。 3.4.4伏/赫限制（V/f限制） 设置伏/赫限制的目的是防止机组在低转速下运行时过多地增加励磁，以致发电机电压过 高，铁芯磁通密过大。同时可作为主变压器的过

60、磁通保护。 其基本原理是通过软件在低速区间（4047HZ）使 V （标么值）/f （标么值）=常数 常数值根据要求设置，本控制器取为1.1,即在低转速区间铁芯中磁通密度最高限制到 110%，以防过热。 程序设定f在47Hz以上不限制，f40Hz，自动逆变灭磁。机组并网后V/F限制无效。 限制曲线如图3-4所示。 图3-4 V/f 限制曲线 3.4.5功率柜停风或部分功率柜退出时限励磁电流 当功率柜部分退出或停风，由 PLC判断是否发出限负荷信号，一旦满足限负荷条件，立 即向微机发出限负荷命令，微机将励磁电流最大值设置为额定励磁电流的1.1倍，不再有强励 功能。 3.5 励磁保护 为保证机组的安