勵磁系統控制關鍵技術與未來展望

吳濤，梁浩，謝歡，史揚，趙焱，張廣韜

（國網冀北電力有限公司電力科學研究院，北京市 西城區100045）

0 引言

勵磁系統起源于同步發電機組勵磁控制。同步發電機組勵磁系統由勵磁功率部分、勵磁控制部分、發電機電壓測量和無功電流補償部分等組成。勵磁系統控制部分的核心是自動勵磁調節器，也稱為自動電壓調節器(automatic voltage regulator，AVR)，包括機端電壓控制及電力系統穩定器(power system stabilizer，PSS)、多個輔助控制或限制器，如過激磁限制器、過勵限制器、瞬時轉子電流限制器、定子電流限制器和低勵限制器等。

勵磁系統控制的目標是在設備允許運行范圍內維持機端電壓恒定不變。就機組側而言，主要任務是維持發電機機端電壓在額定值附近，提供并調節無功功率，保障發電機安全、經濟運行；就電網側而言，它還承擔著支撐電網電壓，提高電力系統靜態穩定、抑制功率振蕩以及改善暫態穩定性等任務[1-3]。近年來隨著以風電、光伏為代表的新型能源的出現，其無功電壓控制也納入了勵磁系統控制的研究范疇。

本文通過闡述勵磁系統控制的發展歷史、技術挑戰、關鍵技術與未來展望等，探討提升“雙高”電力系統“源網協調”水平的技術途徑，可為我國相關領域發展提供參考。

1 發展歷史

1.1 早期模擬式勵磁調節器的發展

早期的勵磁調節器為振動型和變阻器型，二者都具有機械部件，稱為機電型調節器，主要功能是維持發電機機端電壓為給定值，主要有按擾動量調節和按偏差量調節2種方式。機電型調節器不能連續調節，響應速度緩慢并有死區。20世紀50年代以來，磁放大器出現以后，電力系統廣泛采用磁放大器和電磁元件組成的電磁型調節器。磁放大器具有時滯，調節的時間常數較大，調節速度較慢，但其可靠性高，通常用于直流勵磁機系統。20世紀60年代初期，隨著半導體技術的發展，電力系統開始采用由半導體元件組成的半導體勵磁調節器。半導體元件幾乎沒有時滯，功率放大倍數也較高，半導體勵磁調節器調節速度較快。20世紀70年代初期，半導體勵磁調節器已獲得廣泛應用，通常用于交流勵磁機系統[2-3]。

1.2 電力系統穩定器與數字式勵磁調節器的普及

隨著電力系統的規模不斷擴大，大區之間聯網，以及采用高增益的勵磁調節器來改善發電機電壓調節精度及系統穩定性，使得低頻振蕩的現象時有出現，威脅系統的正常運行。20世紀 60年代誕生了勵磁系統控制技術的第1個里程碑成果——電力系統穩定器[4-7]，它可以用瓦級的功率控制調整發電機兆瓦級的功率，為系統提供附加阻尼轉矩，有效地抑制系統低頻振蕩。勵磁系統控制不僅能維持某臺發電機電壓，還能把整個電力系統運行的穩定性推向一個更高的水平。

隨著數字控制技術、計算機技術及微電子技術的飛速發展和日益成熟，同步發電機組采用數字式勵磁調節器已成為發展趨勢。與機電式、電磁式、晶體管半導體式等模擬式勵磁調節器相比，數字式勵磁調節器具有以下優點：

1）由于計算機具有計算和邏輯判斷功能，可以實現如電力系統穩定器、多輸入多變量的線性最優等復雜控制策略；

2）調節準確、精度高，在線改變參數方便；

3）可以在勵磁控制中實現完備的限制及保護功能、通用而靈活的系統功能、簡單的操作以及智能化的維修和試驗手段；

4）可靠性高，無故障工作時間長；

5）通信方便；

6）便于產品更新換代。

20世紀70年代微機化數字勵磁調節器開始出現，20世紀80—90年代進入工業實用階段[8]。

1.3 勵磁系統在源網協調領域日趨重要的作用

20世紀末在中國電力系統經歷了大區電網互聯的飛速發展，除華中和華東采用500 kV直流連接外，華北—東北、川渝—華中、華北—華中大區互聯系統在聯網初期都采用單回 500 kV交流弱聯方式。在這些聯網工程實施的過程中，都遇到了區域間弱阻尼或負阻尼低頻振蕩的問題。

20世紀末誕生了勵磁系統控制技術的第2個里程碑成果——以同步發電機、大電網為代表的“機網協調”。中國電網規模化開展電力系統“四大參數”測試，各區域或省級電網公司對所屬并網運行的發電機、勵磁調節系統、原動機及其調速系統和負荷進行現場實測建模，電網調度方式計算、穩定控制措施校核采用基于現場實測的模型及參數，準確計及發電機勵磁系統、原動機及調速系統的動態特性，提升電網仿真準確度，科學指導了電網規劃、運行，與PSS參數整定及現場試驗技術一起有力支撐了全國聯網工程[9-12]。

勵磁系統專業逐步受到各級電網調度部門的關注，從勵磁裝置基建調試、勵磁模型參數測試、發電廠安全性評價、技術監督等方面進行全過程技術管理。勵磁系統控制成為“機網協調”技術的重要分支。

進入21世紀以來，隨著以風電、光伏為代表的新型能源的飛速發展，電源結構由同步發電機占主體轉變為同步發電機與風電、光伏新能源各占“半壁江山”，傳統“機網協調”拓展為“源網協調”。一方面，各勵磁廠家也從控制原理、功能開發以及工業設計等方面不斷升級產品，相繼推出了多個新型勵磁調節器，顯著降低機組因勵磁系統控制故障造成功率振蕩以及非停或脫網事件發生的可能性；另一方面，風電、光伏新能源勵磁系統控制對電力系統穩定運行的影響也逐漸變大[13-15]。

2 技術挑戰

2.1 勵磁控制系統自身的隱性缺陷需要完善

在實際生產運行中，勵磁控制系統暴露出以下問題：1）國標和行標中僅對勵磁系統整體性能提出了技術要求，缺乏相關技術細節規范；2）對勵磁調節器輔助控制環節，如過勵、低勵、過激磁等功能和特性認知存在“死角”，缺乏勵磁調節器輔助控制全過程仿真模型；3）部分廠家勵磁調節器軟件頻繁修改，版本更迭隨意，新開發的輔助控制功能及參數整定甚至在未經測試驗證的情況下投入現場使用，為電網穩定運行埋下了隱患。

1）案例1：發電機組異常功率波動。

2010年7月，某電站在分母運行情況下首次將出力增加到3 950 MW時，電站機組發生多次有功功率波動，最大幅值達到 300 MW[16-17]，如圖1所示。

圖1 右二分廠出力異常波動的記錄曲線Fig. 1 Abnormal power fluctuation record curve of the second power plant in right bank

事故原因分析：勵磁調節器誤采用電動機勵磁控制軟件版本，PSS測量環節中默認電抗參數設置錯誤，導致測量計算得到的發電機轉速不正確，使得PSS未能提供預期的阻尼轉矩，在特定運行工況下引發低頻振蕩。

2）案例2：發電機組強迫功率振蕩。

2011年，某核電運行機組在相鄰機組主變空充時，發生大幅度強迫功率振蕩。

事故原因分析：PSS測量環節內置參數有錯誤，導致在空充變壓器產生的和應涌流作用下，測量計算得到的頻率結果不正確，引發勵磁調節器錯誤輸出，PSS成為擾動源并引發強迫振蕩。

3）案例3：勵磁調節器控制邏輯缺陷造成設備損壞。

2014年某電廠發電機端發生相間短路，90 ms故障清除，造成勵磁系統整流柜設備損壞。

事故原因分析：在系統發生故障期間，勵磁調節系統CT監視報警不正確動作，引起AVR切換，失去機端電壓恒定控制功能及相關限制功能，從而導致故障清除后勵磁電壓、勵磁電流分別增大至接近4倍、2.4倍額定值，持續時間400 ms，超過整流柜設備耐受能力，導致設備損壞。

2.2 電網運行對同步發電機勵磁系統控制提出更高要求

隨著特高壓交直流電網規模的不斷擴大，電力系統中運行的各種調節、控制裝置面臨著新的挑戰，給電力系統安全穩定運行帶來巨大的壓力。

1）案例4：勵磁系統低勵限制控制參數整定值不能適應電網運行方式。

2016年7月10日，某電廠國產勵磁調節器在機組進相時，低勵限制動作引發功率持續振蕩30 min。

事故原因分析：整定低勵限制控制參數基于廠家經驗，不能保證在各種工況下調節穩定性，現場多次發生因發電機低勵限制動作而引發系統振蕩。

2）案例5：變電站爆炸。

2016年6月，某330 kV變電站爆炸導致6回330 kV出線陸續跳閘。在系統發生故障期間，某300 MW電廠發變組故障錄波器記錄了發電機組經歷勵磁系統強勵、定子電流限制動作、輔助控制動作期間再次故障、機端電壓過低進而失穩、最終機組跳閘等過程。

事故原因分析：在系統發生故障期間，一方面發電機勵磁系統強勵，多發無功試圖恢復系統電壓；另一方面，發電機定子電流增大，超過設備額定值，發電機定子電流限制啟動，按照預先設定的反時限策略，通過降低勵磁電流，減小發電機定子電流中的無功分量。由于故障期間系統已經很脆弱，如果過度減小發電機無功，將可能引起機端電壓進一步下降，局部失去電壓穩定，定子電流反而持續上升，導致控制失效，進而造成機組跳閘。

2.3 電力電子化電源的勵磁系統控制性能亟待提高

新能源尤其是風電的大規模接入電網，使電力系統特性發生了明顯的變化，呈現“寬頻”特性，即振蕩頻率從傳統的0.1～2 Hz擴展到幾十到幾百，甚至上千赫茲范圍。

案例 6：高比例新能源接入電網引發次/超同步諧振。2016年7月，某電網風電、火電機組“打捆”外送電，花園電廠#1、#2、#3機組TSR軸系扭振保護動作跳閘，共損失功率128萬kW，緊急將天中直流功率由450萬kW降至300萬kW。

事故原因分析：哈密風電匯集地區產生十幾到七十幾赫茲的次/超同步諧波電流，在電網內傳播，經歷4個電壓等級近300 km輸電線路，最終與并入電網的火電機組發生次同步諧振，導致3臺66萬kW火電機組非計劃停運及風電機組脫網。

3 關鍵技術

挖掘并發揮同步發電機組“涉網性能”潛力，是應對未來電網技術挑戰最經濟、有效的手段之一。隨著勵磁控制、電力系統穩定器相關機理研究逐漸深入、實驗室仿真測試環境逐步完善以及現場測試手段不斷豐富，已經有條件研究勵磁系統控制領域深層面的一些技術問題，如發電機與勵磁機外特性銜接問題、電力系統穩定器低頻段的阻尼有效性問題、勵磁調節器電壓控制環節(含電力系統穩定器及調差)和輔助控制環節(含各種勵磁限制及附加控制)的配合問題、勵磁限制與相應發電機組繼電保護之間的協調問題等。本文對勵磁控制裝置實驗室檢測、現場試驗測試、勵磁系統控制精細化仿真建模、穩定控制、涉網性能提升等相關內容進行了論述，力圖反映當前勵磁系統控制技術最新的進展。

3.1 實驗室檢測技術

3.1.1 建立勵磁調節器實驗室檢測平臺

國內數字式自動電壓調節器裝置涉網性能檢測始于2005年，在實時仿真系統中搭建包含發電機、主變、輸電線路、負荷等元件的一次仿真系統，通過外接板卡與實際勵磁調節器裝置閉環連接構成數字物理混合測試系統，通過在仿真系統中模擬機組各種運行工況以及電網故障，檢驗勵磁控制設備的涉網性能。

圖 2為勵磁調節器涉網性能檢測原理示意圖，其中AVR模型由仿真系統搭建，AVR裝置為勵磁調節器裝置。當切換開關 K指向AVR裝置時，可以檢測設備的涉網性能；指向AVR模型時，可以通過對比驗證所建立模型的準確性和可信程度。

圖2 勵磁調節器涉網性能檢測原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of net-involved performance test principle for excitation regulator

3.1.2 開展勵磁調節器功能全面測試與評估優化

2010年以前，重點檢測評估AVR電壓控制的穩定性及PSS性能。2010年以后，逐漸開展勵磁調節器輔助控制環節對電力系統穩定影響的相關研究，檢測的重點圍繞勵磁控制系統輔助控制環節，經歷了4個階段：第1階段關注有無輔助控制功能及其動作后是否穩定；第2階段關注各輔助控制之間的動作配合；第3階段逐步完善輔助控制功能；第4階段優化輔助控制的控制策略。

3.1.3 助力勵磁控制裝置技術升級

實驗室檢測技術可以幫助廠家查找、分析和完善電力系統實際運行中勵磁控制裝置存在的缺陷，如TV斷線、輔助控制等判據或參數設置不合理的問題，控制邏輯不合理、控制策略有缺陷等程序設計不正確的問題，部分輔助控制未設計、三機勵磁方式未設計勵磁電流硬負反饋等功能設計不健全的問題，輔助控制動作后屏蔽PSS功能、低勵與過勵限制同時動作引發振蕩等主輔控制配合不完善的問題等。

3.1.4 解決生產實際中遇到的問題

我偷偷給陸浩宇遞紙條，他沒回復，我不甘心，我開始給陸浩宇買早餐。可是我為他買的第一份早餐，居然被早上沒吃飯的肖斌給霸占了。

實驗室檢測技術完成了發電廠與勵磁系統相關的運行仿真分析和事故場景重現，幫助電廠查找現場勵磁裝置缺陷，確認事故原因[13-15,18]。

3.2 現場勵磁控制裝置試驗測試技術

在出廠試驗、交接試驗、大修試驗等環節建立了包括勵磁控制裝置測試流程及試驗項目、試驗內容、試驗步驟以及試驗判據等的技術體系，對現場裝置進行全方位測試，有效提高了設備的可靠性和安全性。

近幾年，便攜式勵磁調節器檢測平臺也在調試現場得到應用與推廣，在機組停機工況下與實際勵磁控制裝置閉環連接，基于平臺搭建的仿真測試系統模擬各種現場不易出現的復雜工況與電網事故，全面測試勵磁控制裝置性能，或者利用仿真復現或波形回放技術，對現場出現問題的勵磁控制裝置進行故障分析，查找事故原因。圖3為便攜式勵磁調節器檢測平臺現場測試圖。

圖3 便攜式勵磁調節器檢測平臺現場測試圖Fig. 3 Field test chart of portable excitation regulator test platform

3.3 勵磁系統控制精細化仿真建模技術

以往勵磁控制系統仿真建模工作主要圍繞勵磁調節器電壓控制及 PSS，IEEE Std421.5-2005《IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power Stability Studies》以及國標GB/T 7409.2—2008《同步電機勵磁系統 第2部分：電力系統研究用模型》均對不同勵磁形式、不同勵磁廠家設計方式進行了歸納和整理，無論是國外的 PSS/E、DigSilent，還是國內 BPA 和PSASP等電力系統穩定分析程序，均已包含AVR電壓控制及電力系統穩定器典型模型庫，而且不斷擴充完善[19-20]。

2010年以來，通過對伏赫茲限制、過勵限制、低勵限制、定子電流限制等勵磁輔助控制環節啟動、動作和返回功能進行精細化建模，提出了適用于連鎖故障分析的勵磁調節器主輔控制環節詳細模型參數庫，幾乎涵蓋了所有主流勵磁調節器型號[21-22]。在此基礎上，修訂了GB∕T 7409.2—2020《同步電機勵磁系統 第2部分：電力系統研究用模型》，重點增加了輔助控制接入方式以及相關模型。

如圖4所示，PSS有3種介入位置，伏赫茲限制有3種介入位置，過勵限制有5種介入位置，定子電流限制有6種介入位置，低勵限制有4種介入位置。

目前，勵磁系統主輔控制環節控制詳細模型參數庫已能真實反映出各種工況下勵磁調節器的涉網特性，并成功應用于特高壓直流輸電系統場景仿真分析，支撐調度仿真計算，有效提升特高壓送、受端電網暫態及中長期動態穩定的仿真精度。

圖4 輔助控制環節介入勵磁調節器主控制環節方式Fig. 4 Mode of auxiliary control link connecting to main control loop of excitation regulator

3.4 穩定控制技術

PSS是最典型的附加勵磁控制，借助自動勵磁調節器調節校正勵磁系統輸入產生阻尼轉矩，對系統低頻振蕩進行抑制，達到提高系統小干擾穩定性及動態穩定性的目的。PSS2型模型相對成熟，現場應用廣泛[23]。具有全頻段功率振蕩抑制能力的PSS4B、基于PSS2B改進的PSS-NEW-B以及廣域PSS等也有相關研究[24-26]，目前大多還停留于實驗階段，在已投運機組中應用很少。

為提高電網的輸送能力，在輸電線路上配置串聯電容補償(簡稱“串補”)的技術被廣泛采用，串補投運后存在發生汽輪發電機組與系統間次同步諧振(sub synchronous resonance，SSR)的風險，導致發電機組轉子軸系疲勞，甚至損壞。附加勵磁阻尼控制(supplementary excitation damping control，SEDC)是抑制 SSR 的措施之一，以發電機機頭或機尾轉子轉速信號w為輸入，經過 3或 4 個模態濾波器分解后，分別經過各自比例積分微分(PID)控制回路的相位校正，最后將各個模態信號相加，經過限幅后，與勵磁調節器輸出的控制信號進行疊加，通過調節發電機勵磁電壓，提高多個次同步扭振模態的阻尼，如圖5 所示。該技術已在上都、府谷等多個電廠應用[27-28]。

圖5 SEDC接入勵磁方式以及控制原理Fig. 5 SEDC access excitation mode and control principle

基于暫態全過程勵磁控制理論，將系統故障后的發電機功角暫態過程劃分為5個階段，有針對性地對每個階段采取不同的控制策略，通過調節發電機勵磁電壓，發揮勵磁控制提高暫態穩定的潛力，依托該技術已研制樣機產品，在ADPSS的機電-電磁暫態混合仿真平臺得到驗證[29]。

3.5 涉網性能提升技術

目前國內外主流型號勵磁調節器均配置了輔助控制功能，模型和控制策略也日趨成熟，在保護機組安全的前提下發揮了勵磁系統對電網的電壓無功支撐作用。在此基礎上，對過勵限制、定子電流限制、低勵限制環節進行了優化，在復雜電網運行工況下提升發電機組涉網性能及支撐電力系統穩定。

目前過勵限制反時限功能設計方案均依據發電機額定運行工況下的轉子過流能力進行整定，在系統發生故障時機組的強勵潛能未得到充分的發揮。文獻[30]基于發電機轉子繞組發熱、散熱溫升過程，準確評估機組運行能力邊界，采用勵磁電流計算轉子溫升變化量代替原來勵磁電流變化量整定反時限時間，提出了計及發電機散熱類型、初始負荷運行工況且具備二次強勵功能的過勵限制優化設計方案，挖掘并發揮機組對電網的無功支撐能力。

目前現場投運機組勵磁系統低勵限制控制參數幾乎均采用默認定值且偏保守，調試人員一般只通過減磁或機端電壓下階躍試驗對其調節效果做初步驗證，而缺少對其穩定裕度進行量化評估的手段[31]。文獻[32]提出了包含低勵限制動作后的Heffron-Phillips擴展模型，研發了可量化評估低勵限制動作后系統穩定裕度的控制參數現場整定試驗方法，獲取現場低勵限制動作期間的閉環控制系統頻域特性，利用奈奎斯特判據量化評估低勵限制動作后系統穩定裕度，指導現場控制參數整定與優化，在降低低勵限制動作引發振蕩風險的同時，提高發電機快速進相、抑制暫態系統過電壓的能力。

定子電流限制在發電機因有功功率超發或者機端電壓下降引起定子電流越限時，會持續減磁，減小無功輸出直至零，進而減小定子電流，在極端工況下可能導致系統靜態電壓失穩。文獻[33]基于定子電流限制動作后系統電壓失穩機理，提出定子電流限制優化控制策略，利用發電機機端功率因數角小于系統外功角來識別發電機定子電流允許最小值，避免過度減磁，降低在電網事故過程中發電機組脫網風險。

4 未來展望

4.1 電源、電網結構改變帶來的問題

隨著大規模風電、光伏、儲能等電力電子設備接入電網，特高壓“十二交、十一直”輸電工程的陸續投運，我國電力系統正向著“高比例可再生能源”和“高比例電力電子化電源及輸電設備”方向發展[34-40]。

相比以往，“雙高”電力系統的電源和電網結構均發生重大變化[41-43]。電源結構的改變帶來以下問題：一是電源支撐電網穩定的能力受到削弱，如強勵或進相、一次調頻等；二是電源耐受異常運行工況的能力下降，如高、低電壓穿越等。

電網結構的改變帶來以下問題：一是故障影響范圍全局化，高壓或特高壓直流受端電網發生故障，導致直流閉鎖，送、受兩端交流電網將在幾十到幾百毫秒內出現大幅功率過剩或缺額，引發電網電壓、頻率等穩定問題；二是電力系統出現 0.1到幾百甚至上千赫茲寬頻振蕩，威脅電源并網安全。

未來電源將與電網深度融合、相輔相成，即“源網協調”，從電源和電網2個角度完善勵磁系統控制技術，即一方面體現在提升電源設備涉網性能及抗擾動能力，另一方面體現在管理協調系統可控資源，提升對大電網的駕馭能力。

4.2 提升電源設備涉網性能及抗擾動能力

電源既包括傳統同步發電機，也包括以風電、光伏為代表的電力電子化變頻設備，2種類型的電源發展歷史、技術特點及成熟度存在較大差異，需要區別對待，其發展目標如下：

1）挖掘同步發電機潛力，在保證設備安全的前提下，提升可靠性及對大電網穩定運行的支撐能力，包括完善技術標準、規范控制功能設計、優化控制技術等，使之成為保障電力系統安全的中流砥柱。

2）電力電子化變頻電源設備升級，包括風電、光伏以及變速抽蓄機組等勵磁系統控制性能優化，具備抑制0.1到幾百甚至上千赫茲寬頻振蕩的能力，建立電力系統穩定計算用模型，規范勵磁控制功能設計、參數整定、評價指標以及現場試驗方法，滿足電網調度運行管理需求等，力圖盡快縮小與同步發電機組在涉網性能上的差距，實現從“自我保護、被動適應”向“主動支撐”型電源的跨越，擔當支撐電力系統穩定運行的責任。

4.3 管理協調系統可控資源

電網處于能源生產和消費的中間環節，是能源資源配置的重要平臺，其發展目標為：

1）認知“雙高”電力系統的特性，創新電力系統控制理論及應用技術，其中新能源勵磁系統控制實測建模是基礎工作。

2）基于先進通信技術，構建并網電源涉網安全大數據管理體系，建立電力系統網源協調性能在網監測及分析數據平臺，實現并網發電機及風、光新能源勵磁設備狀態檢測及評估，探索人工智能控制等。

5 結論

發電機勵磁系統控制技術對保證電力系統安全、穩定運行意義重大。經過20余年的發展與進步，勵磁控制裝置實驗室涉網性能檢測、現場試驗測試與評價、勵磁系統控制精細化仿真建模、附加穩定控制、輔助控制策略優化等關鍵技術已日趨完善，在改善電網穩定、抑制功率振蕩以及保障機組安全等方面發揮了重要作用。但隨著我國電力系統向著“雙高”方向發展，對勵磁系統控制又提出了更高的要求與挑戰，未來的研究熱點有如下3個方面：

1）無論在機理研究、仿真建模還是實驗室檢測、現場試驗，同步發電機勵磁控制系統技術已日趨成熟，設備的可靠性以及支撐電力系統的涉網性能均有很大的提高和改進，并且其研究深度、廣度還在不斷拓展、細化之中。

2）借鑒同步發電機組技術成果，提升風電、光伏電力電子化電源涉網性能，滿足適應未來“雙高”電力系統運行方式與抵御連鎖故障的需求，開拓新的研究方向，實現從“自我保護、被動適應”向“主動支撐”型電源的跨越。

3）基于先進通信技術，進行電力系統物理、數據資源的整合，達到通過“源網協調”提升電力系統本質安全的目的。

總之，風電、光伏等新能源發展迅猛，無論是在電力電子化電源設備的技術成熟程度，還是在其規模化接入電網對電力系統特性影響等方面，均有很大的提升空間。圍繞“2030碳達峰和2060碳中和”戰略目標，在我國能源轉型背景下確保電力系統本質安全是電源、電網企業共同的責任。