發電機勵磁系統穩定性分析和控制研究

馬明銳

摘 要：隨著社會的高速發展，在各個領域呈現出一派繁榮景象，特別是在科技化創新戰略的引導下，越來越多的產業向著科學化、信息化的發展目標轉移，作為時代標志的電力事業自然也是成績顯著，特別是在電力供應性能上，展開了對勵磁系統的開發與研究，只有將勵磁系統研究的更加深入透徹，才會使得勵磁系統在電力系統中真正起到輔助性作用，成為電力運行的基本保障。

關鍵詞：發電機；勵磁系統；穩定性；控制

一、發電機勵磁系統概述

說到電力系統，大家都耳熟能詳，可以說電力始終是時代不可或缺的基本保障之一，而且隨著社會的不斷發展，大家對電力的依賴性就愈加強烈，但是談及勵磁系統，在大多數人看來還很陌生，這樣就對電力事業進一步的發展形成阻力，而且也不利于勵磁系統的開拓與完善，只有深入了解和認識勵磁系統，才能更好的促進和推動勵磁系統在電力運行中的發展和研究。

（一）發電機勵磁系統簡介

發電機勵磁系統是指在同步發電機的條件下，為兩臺發電機提供電源以及相關的附屬設備統稱為勵磁系統。勵磁系統主要由勵磁功率單元和勵磁調節器兩部分組成，勵磁功率單元是給轉子繞組提供勵磁電源供給，勵磁調節器則是對勵磁功率單元實行控制的輸出裝置。

在日常生活中，常見的勵磁方式有：直流發電機、交流勵磁機以及無勵磁機三種，其中利用直流發電機達到勵磁效果的應用方式比較明顯。

（二）發電機勵磁系統的作用

勵磁系統在生產生活中，主要是作為電氣控制裝置為企業服務。勵磁系統是電站設備中不可或缺重要組成部分之一，通過勵磁機、勵磁變壓器等各元件間的相互配合、協調，維持同步發電機端電壓在同一水平上，與此同時，對勵磁電流進行適當的調節，進而實現整個電力系統得到平穩供應，另外，對于采用勵磁變壓器作為勵磁電源的還具有整流功能，使整個發電機體的電流保持在一個波動幅度內，由此保證了電流輸送的穩定。

二、對于發電機勵磁系統穩定性分析

對于發電機勵磁系統來說，要想驗證系統能否真正發揮作用，主要還要看其穩定性能，勵磁系統的穩定性能越強，就代表其調控能力越強，從而對電力系統的保障性就越高，所以，只有保證了勵磁系統的穩定性，才能使電力系統更加平穩的運行。

（一）勵磁系統穩定性分析模型的構建

為了對勵磁穩定性進行更加直觀、透徹的分析，采用建立數據模型的方式對勵磁系統穩定性展開研究，模型主要是以單片機無窮大作為理論基礎，利用線性模型Heffron-Philips對發電機及其控制系統進行敘述，此外，同步發電機則是通過計及凸極效應和勵磁回路動態相結合的方式，建立了三階實用模型，在保證機械功率不變的狀態下，分別對轉速偏差Δω、轉子角偏差Δδ、q 軸暫態電動勢偏差ΔE′q、發電機勵磁壓偏差ΔEfd四個狀態變量作出分析，同時得出了小干擾動態穩定理論的同步機動態增量方程等式，如下式所示。

通過模型我們可以很直觀的觀察到發電機各個部分與勵磁系統之間的接口位置，但單純的依靠Heffron-Philips 模型對勵磁系統穩定性進行分析是遠不夠的，這其中還欠缺了恒無功和恒功率因素對勵磁系統產生的干擾，為此，為了更好的對勵磁系統穩定性進行分析，選用兩種勵磁方式作為參考，如圖1所示。

如圖1中控制框圖所示，控制參數分別是KA、TA、TE、KF、TF，勵磁機的飽和系數為SE，p 則代表微分算子，其主要實現保持發電機端電壓保持不變的功能，通過與恒無功勵磁控制框圖相融合之后，可以得出勵磁系統的控制框圖，此時TR為測量時間常數，KQ為附加控制放大倍數，TQ為附加控制時間常數，通過公式之間的推導以及矩陣根特征的分布情況，從而判斷出系統小于干擾穩定的特性。

（二）影響發電機勵磁系統穩定性的因素

為了對勵磁系統穩定性進行深入分析，利用根軌跡法來驗證影響勵磁系統穩定的因素都有哪些，通過對兩種不同控制方式的探究，分析得出了 KQ，TR和 TQ三個參數的影響，具體其中負荷 100 MW，發電機有功出力 45 MW，xd=xq=2.22，xd=xq=0.26，xL=0.11，M=6s，T ′d=6.48s，KA=20，TA=0.1s，TE=0.5s，SEMAX=0.8，SE0.75MAX=0.5，KF=0.04，TF=0.7s，TR=0.02，KQ=20，TQ=0.3s，經過一系列演算之后，得出結論勵磁系統的穩定情況隨著KQ，TR和 TQ的改變而改變。

三、案例控制分析

某企業電網于某日發生故障，后查明：造成電網自備機組振蕩解列的原因是由于勵磁控制方式選擇不當所致。該企業此前一直采用的是恒無功勵磁控制方式，事故發生后，勵磁方式改由恒電壓控制方式后，解決了事故的再發，保證了工廠的正常運作。

經過分析得到：勵磁方式采用恒無功的狀態下，出現了系統震蕩現象，通過結果對比，震蕩現象是由于勵磁系統自身失穩造成的，采用恒電壓控制方式后，無論是負荷沖擊故障還是三相短路故障，系統均可保持良好的穩定性能，和更改勵磁模式后的震蕩現象相符合。

由此可以證明通過改變勵磁系統的控制參數，仍可達到其他勵磁方式的效果。

參考文獻：

[1] 劉取.電力系統穩定性及發電機勵磁控制[M].中國電力出版社，2006.

[2] 倪以信等.動態電力系統的理論和分析[M].清華大學出版社，2002.