試論發電機勵磁系統優化控制方法

徐晶

（成都市興蓉環保發電有限公司二分公司，四川成都 610000）

0.引言

本文以發電機勵磁系統優化控制為主題開展討論，首先簡要敘述發電機勵磁系統種類和功能，然后指出發電機勵磁系統存在問題，最后從PSS參數設計和優化、增加PLC控制優化連鎖控制邏輯、滑模變結構勵磁控制方式、螺旋變結構控制四方面提出優化策略。

1.發電機系統勵磁相關概述

勵磁單元向發電機的轉子提供勵磁電流，調節器按照輸入信號、既定調節準則對勵磁單元輸出進行控制。勵磁系統調節器主要作用是提升并聯機組運行穩定性。特別是現階段電力系統迅速發展造成機組的穩定極限逐漸降低，但同時也推動勵磁技術發展進步。勵磁系統主要包括調節器、功率單元。勵磁單元指的是向發電機的轉子繞組提供直流勵磁電流部分。

1.1 發電機系統勵磁方式

發電機系統勵磁方式包括靜止勵磁、交流勵磁、諧波勵磁、直流勵磁等系統。直流勵磁發電機具備專用直流發電機，該發電機是直流勵磁設備，勵磁機通常和發電機保持同軸，發電機勵磁繞組借助固定電刷、滑環獲取直流電流。該勵磁方式有工作可靠、勵磁獨立、降低電耗等優勢，經過幾十年的發展技術逐漸成熟，但是維護量大、調節速度比較慢，應用于10MW以上機組較少。交流勵磁多用于大容量的發電機。交流勵磁裝置安裝于發電機的大軸上，其輸出交流電流通過整流傳輸至轉子勵磁，期間發電機勵磁方式為其他勵磁方式，屬于靜止整流裝置，也被稱作他勵靜止勵磁。副勵磁裝置能夠是永磁機、具備自勵恒壓的發電機裝置。為提升調節速度，該勵磁方式一般應用100Hz～200Hz中頻發電機，副勵磁裝置用400Hz～500Hz中頻發電機。該發電機直流勵磁繞組與三相交流繞組均繞于定子槽中，轉子設計為齒、槽形式，沒有繞組，如同齒輪，沒有滑環、電刷等接觸部件，結構簡單、工作可靠、工藝方便，但是運行時噪音比較大，諧波分量較大。

1.2 發電機系統勵磁作用

發電機處于運行狀態時，勵磁調節器主要作用是通過改變可控硅的導通角調節機端電壓，能夠借助間接、直接方式設置可控硅。應用中，反應速度極快，保護功能完善，抗干擾性能強，維護簡便，可靠性高。勵磁系統能夠通過手動方式或者自動方式調整勵磁功能，所以，操作較為簡便，可降低相關人員維護工作強度，具有智能化的特點。綜上，勵磁系統的主要作用表現在以下五方面：第一，按照發電機的負荷變化對勵磁電流進行調節，保證機端電壓始終處于給定值。第二，對并列運行系統中的各個發電機無功功率控制分配。第三，提升發電機運行時靜態與暫態的穩定性。第四，當發電機的內部存在故障問題時，執行滅磁，最大程度降低故障事故程度。第五，按照運行實際需求對發電機的最大/最小勵磁進行限制。

2.發電機勵磁系統存在問題

現階段，在工程中所應用勵磁系統主要存在兩方面問題。首先，PSS線性控制方式，相關理論完善、結構簡單，因此得到廣泛的應用。同時，隨著科學技術的不斷進步發展，PSS已經發展至PSS4B，能夠在低頻段對系統的功率振蕩加以有效抑制，發展中PSS所需整定參數隨之增加。在對PSS參數進行實際設定之前需獲取系統未補償特性，借助波形記錄儀、信號發生器實現，人工方式對未補償特征加以分析。PSS參數設定多通過工程師工作經驗通過逐次逼近方式設定，該方式過程繁瑣，并且無法確保系統控制達到最優狀態，降低系統的運行效率[1]。另外，PSS控制方式為線性控制，勵磁系統為典型非線性的系統。系統的工作點周圍呈現為線性化，當系統所受擾動比較小時，將保持線性化特性，具有良好的控制效果。而存在較大擾動將造成實際狀態和工作點存在較大偏離，打破線性模型，控制器無法有效工作。

3.發電機勵磁系統優化控制

3.1 PSS參數設計和優化

在開展PSS參數整定工作前應當確保調節器性能滿足相關要求，按照系統的振蕩模式挑選PSS模型，以免出現反調情況，倘若無法確定系統的振蕩模式，則可選用PSS2型，見圖1。第一，對部分的PSS參數進行整定，明確輸出信號、輸入信號，輸出限幅±0.05pu～±0.01pu，并對隔直環節、濾波環節的參數進行設定。第二，明確系統的未補償特性。可通過計算、實測方式獲取特性。相比于實測方式，計算方式可以獲取勵磁系統各工作狀態之后特性的變化范圍，由計算數據精確性決定。通過實測方式能夠減小數據不精確所產生的誤差，本文通過實測方式獲取特性，因為實測方式無法獲得附加力矩，并且方向和暫態電勢基本一致，因此，滯后角度設定為PSS信號和機端電壓交叉點相位差。當針對系統需精準整定補償參數，借助辨識思路獲取。第三，明確系統有補償頻率特性。在系統中加入PSS，PSS信號對機端電壓疊加點相位差為有補償特性，和Δω相位一致阻尼力矩能夠提升系統的阻尼，投影至Δδ軸數值為零。另外，需要對不同的輸入信號和Δω相位關系。對于有補償特性同樣可以借助實測、計算方式獲取，獲取頻率特性。第四，明確PSS的放大倍數。可通過估算方法、現場整定獲取。當PSS輸入信號是功率時，將1/3～1/5臨界增益作控制器增益。如果PSS輸入信號是轉速或者頻率，則將1/2～1/3臨界增益作控制器增益。第五，檢驗參數，開展階躍響應試驗，對PSS參數的整定情況加以分析，主要對發電機機端的電壓階躍、有功功率的振蕩情況進行檢驗，見圖2。

圖1 PSS無補償特性測量框圖

圖2 PSS有補償特性測量框圖

3.2 增加PLC控制優化連鎖控制邏輯

傳統發電機運行中所使用勵磁系統，多為借助繼電器實現邏輯控制，繼電器連接點串并聯易造成發電機運行中發生故障，并且無法對故障問題加以有效檢測，因此，現階段多借助PLC控制。通過PLC技術加以邏輯控制，可對控制流程加以有效簡化，轉變轉速連鎖。以往發電機運行時，對信號加以測量時多借助繼電器將其轉變成節點信號，之后把其視作發電機運行、啟動監控條件在啟動中，若轉速未在規定時間達到預定速度，說明屬于異常啟動，系統將出現跳閘情況，避免發電機出現堵轉情況。運行時測速信號同樣屬于連鎖條件，信號消失后，說明運行處于異常狀態，發生連鎖跳閘，系統將保留原轉速并啟動連鎖，運行連鎖進行報警。其中，轉速僅為啟動投勵條件，借助一次電流能夠對發電機運行狀態加以實時監測，若信號、電流同時消失，則表明勵磁系統存在故障問題。

3.3 滑模變結構勵磁控制方式

滑膜控制方式已經具有60多年的發展歷史，屬于典型非線性的控制方式，主要體現為控制信號切換項導致不連續性控制，現階段已形成完善的理論體系。該方式借助切換項引導被控系統按照設定的滑膜軌道進行運動，因為滑模面的軌跡不會受系統的運行狀態而有所變化，因此具有較強的魯棒性。發動機運行時，當處于某穩定狀態，相似線性模型僅能夠在X狀態運行，同時和ex偏差比較小方能夠準確出現特性反應，當兩者存在較大偏差，線性模型便與目前系統存在較大差距，無法反映系統特點。電力系統實際運行中將出現不同程度不確定性，包括外界干擾，系統運行是參數變化造成未見模型相關特性，因此進行設計時，控制器設計主要目的為提升系統魯棒性，降低電力系統運行時不確定因素、外界干擾所產生的影響。就線性控制而言，為達到該目的，應當構建模型，將此作為基礎增添擾動補償，但對系統未見模相關特性分析存在一定難度，借助傳統理論對電力系統抗干擾性能不存在明顯特點，結合以上相關因素對控制理論進行分析，在對發電機勵磁系統控制器加以優化設計能夠提升系統運行穩定性。

借助狀態反饋形式設計控制器，無法有效對發電機端的電壓加以控制。系統受擾動運行改變時，電壓無法穩定，并存在比較大的穩態誤差，對用電設備、發電設備的安全運行產生影響。本文對PSS+AVR控制方式規律進行分析，將機端電壓、轉子的角速度、輸出功率作輸出反饋觀測量，換句話說為用輸出函數作為滑模面設計輸出反饋非線性勵磁控制器。借助新滑模函數，研究其控制規律，加以驗證。控制器輸出勵磁電壓的控制信號為Efd，系統受擾動運行出現狀態變化，應當確保發電機端的電壓處于期望值，并保持穩定，提升系統的穩定性。因為輸出功率和轉子的角速度存在關聯，所以按照設計目標，滑模面S取端電壓、有功功率、轉子的角速度的誤差之和，進行求導，最終得出控制規律[2]。

3.4 螺旋變結構控制

電動機處于運行狀態時，為限制抖動多在滑動面設置邊界層，滑動層通常處于邊界層內，借助連續控制方式能夠觀察邊界層值，并于邊界層外切換，借助該方式可降低一定范圍中抖振，但該方式將對被控量精確度產生影響。功率擾動指的是電力系統處于工作點附近存在小擾動，把工況設定成t=10s，機械功率增加1/10[3]。當輸入功率增加后，發電機輸出功率隨之增加，邊界層曲線將出現幾次震蕩然后趨向穩定，螺旋滑膜和終端滑膜的邊界線曲線的穩定時間比較短，能夠以較短時間達到新工作點。螺旋滑膜輸出功率的曲線上升速度較快，穩定時間也較快，角速度存在擾動情況后可以極短時間趨向穩定，并迅速達標幺值，把電網頻率設定成50Hz，終端滑膜和邊界層滑膜調節特性明顯。低端電壓、勵磁電壓因為控制信號可以提供足夠能量，促使其他量迅速趨向穩定，因此終端電壓出現較大波動，但依然能夠以較短時間趨向穩定。

因為電網系統本身存在較高的復雜性，線路運行中任一參數均存在不確定性，倘若過于依賴參數優化設計將對控制器產生影響，把擾動工況設定為其他系統不變，轉動慣量J增加至6，轉子繞組時間從1.01變為2，當t=10時，輸出功率增加1/10。

4.總結

電力系統運行中，勵磁系統運行情況將對電力系統的整體穩定性產生影響。提升控制器性能可以確保發電機的機端電壓得以有效、合理控制，提升電力系統運行穩定性、安全性、可靠性，確保電能供應質量。傳統控制器易受低頻震蕩影響，造成控制器魯棒性下降，因此需要強化系統穩定性，實現電力行業經濟效益、社會效益的提升。