基于小水電自并勵發電機勵磁控制系統研究

雷升莉

摘 要：小水電自并勵發電機勵磁控制系統相比于其他勵磁系統具有可靠性高、響應速度快、電機安全系數高等優點，已經在工程實踐中得到了廣泛應用。本文將對小水電自并勵發電機勵磁控制系統進行研究，首先分析了系統作用和應用優勢，并通過構建數學模型對其進行仿真分析。在此基礎上，探討小水電自并勵發電機勵磁控制系統的實際應用效果。

關鍵詞：小水電工程 自并勵發電機 勵磁控制系統

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（a）-0081-02

在綠色能源發展趨勢下，小水電資源開發受到了廣泛重視，我國小水電裝機量逐年提升，但開發率僅為60%左右，仍具有較大開發潛力。小水電開發項目存在無功不足、功率送出難等問題，通過采用自并勵發電機勵磁控制系統，可以更加靈活地對小水電發電機進行調節。因此，對小水電自并勵發電機勵磁控制系統進行研究具有重要的實際意義，可以促進小水電資源的開發和應用。

1 小水電自并勵發電機勵磁控制系統的主要作用

小水電自并勵發電機勵磁控制系統的作用主要體現在以下幾個方面：對發電機的端電壓進行有效控制，使其維持在規定區域，如果出現負荷波動現象，則啟動勵磁調節器，控制節點電壓在允許范圍內，重新找到平衡；對無功功率進行合理分配，通過調節勵磁電流大小，改變發電機輸出無功功率，同時與其他并聯運行的發電機組關聯起來，通過對勵磁電流進行有效調節，達到預期控制效果，保證發電機無功功率、輸電線電壓、發電機組間無功功率的合理分布；對系統運行條件進行調節和改善，比如出現接地或短路故障時，通過切換勵磁調節器工作狀態，進行強行勵磁，讓電力系統電壓維持在允許范圍內。同時提高繼電保護靈敏度，快速滅磁，將勵磁電樞電流降低為零，從而減少故障損失[1]。

2 小水電自并勵發電機勵磁控制系統的應用優勢

從勵磁系統分類來看，根據電源取向可以將其分為自勵方式和他勵方式兩大類，其中自勵方式包括自并勵、自復勵方式，他勵方式包括交直流勵磁機供電方式、廠用交流電源供電方式和其他供電方式等。其中一些勵磁系統由于自身缺陷，已經逐漸被淘汰。相比于其他勵磁方式，自并勵勵磁控制具有以下幾方面優勢：不需要采用勵磁機和其他整流裝置，有利于提高系統運行穩定性；大軸長度被顯著縮短，高度也得到下降，有利于降低小水電投入成本；電機軸與軸承座間的振動得到有效減少，從而可以有效提高電機安全系數。基于上述優勢，目前自并勵發電機勵磁控制系統已經在小水電開發中得到較為廣泛的應用，并具有良好的應用前景[2]。

3 小水電自并勵發電機勵磁控制系統的數學模型

3.1 PID參數整定

PID勵磁控制器是基于經典控制理論的勵磁控制策略，在工業控制中占有重要地位。小水電自并勵發電機勵磁控制系統的研究應用經歷了一個漫長的過程，傳統控制器采取PI控制方式，但逐漸無法滿足勵磁系統控制需要，PID控制逐漸成為其必然趨勢。在PID控制基礎上，通過加入電力穩定器（PSS），抑制電磁振蕩，可以進一步提高勵磁控制可靠性。在系統數學建模過程中，首先要進行PID參數整定，具體可采取3種方法，即試湊法、臨界比例度法或階躍反應法。其中階躍反應法通過采用模擬控制器確定PID控制參數，記錄參數響應過程，求出等效滯后時間、等效時間常數及兩者比值。

3.2 PID仿真模型

PID控制方法是比例、積分和微分的幾何，可以在輸入基礎上調節輸出幅值和輸出相位，確保系統穩定性。在PID仿真模型分析過程中，首先要建立幾個基本模型：（1）比例控制，傳遞函數為GC（s）=KP；（2）比例積分控制，傳遞函數為GC（s）=KI/S；（3）比例微分控制，傳遞函數為GC（s）=KP+KPτs。進而得出PID控制模型，其傳遞函數為GC（s）=KP+KI/S+KPτs。在此基礎上，再用整定法等，確定具體參數。

3.3 AVR+PSS勵磁控制器

針對PID控制方式無法克服低頻振蕩的問題，目前電力穩定器（PSS）已經在勵磁控制系統中得到廣泛應用，以AVR為基礎，構建AVR+PSS勵磁控制器。其中，AVR勵磁控制采用PID控制方式，PSS負責消除低頻振蕩，從而可以改善勵磁系統控制性能。在對AVR+PSS勵磁控制系統進行數學建模分析時，首先要確定PSS傳遞函數。勵磁系統和發電機繞組具有相位滯后特性，設其滯后相位角為φ，設低頻振蕩頻率為ω。勵磁系統傳遞函數G（s）=KA/（1+TAs），其中KA為時間增益，TA為慣性時間常數。為消除滯后相位角φ，需要為PSS設計超前環節，一般采取兩級設計方式，傳遞函數為G（s）=[（1+T1s）/ （1+T2s）]×[（1+T3s）/（1+T4s）]。PSS的主要作用是克服系統低頻振蕩，通過超前環節設計，可以實現其功能。此外，為避免附加信號影響發電機電壓，需要增加一個傳遞函數G（s）=KCTS（1+TS）隔離信號穩態值。在此基礎上，構建PSS模塊，建立AVR+PSS控制勵磁系統。

4 小水電自并勵發電機勵磁控制系統的實際應用

小水電自并勵發電機勵磁控制系統主要由勵磁變壓器、功率元件、勵磁調節器和測量元件等構成，接在發電機端的勵磁變壓器作為勵磁電源，經過功率元件整流為直流電供給轉子勵磁電流，勵磁調節器根據PT、CT等測量元件采樣的電壓電流量，通過控制器運算輸出，來調節勵磁電流大小，以實現自動控制發電機機端電壓或無功功率的目的。

實際應用中，在上述數學建模基礎上，分別在PID控制、AVR+PSS控制和線性二次型最優控制3種控制方式下，構建系統仿真模型，記錄電機轉速和電磁功率在具體擾動條件下的波動情況。

主要分兩種情況進行研究，一種情況是靜態擾動仿真分析，勵磁控制系統機端在6s時施加20%擾動，確定3種控制方式在小擾動下的系統電功率階躍相應。從實現結果來看，3種控制方式都能調節系統達到另一種穩定運行狀態，但從持續波動時間和波動幅度方面來看，線性二次型最優控制更具優勢。采用該控制方式，可以有效減小波動幅度，縮短持續波動時間，使系統對小擾動具有更強適應性。另一種情況是在暫態大擾動下進行分析，在機端15s時施加90%擾動。從分析結果來看，3種控制方式都能調節系統回歸擾動前的穩定運行狀態，其中線性二次型最優控制用時最短、AVR+PSS控制次之，PID控制用時最長。從實際應用情況來看，線性二次型最優控制自并勵發電機勵磁控制效果最佳。

5 結語

綜上所述，自并勵發電機勵磁控制系統具有更好的勵磁控制能力，可以在小水電開發中應用，提升系統運行穩定性。通過對三種自并勵勵磁控制方式進行對比分析，可以看出線性二次型最優控制效果更好。在小水電自并勵發電機勵磁控制系統構建過程中，應積極采用先進的控制方法提高系統控制能力。

參考文獻

[1] 鄧昭俊.小水電自并勵發電機勵磁控制系統研究[D].湖南工業大學，2016.

[2] 鄧昭俊，雷敏，曾進輝，等.基于線性二次型最優控制的小水電自并勵勵磁控制器設計[J].新型工業化，2016，6（2）：13-20，26.