1、IAEC-2000型智能自適應 微機勵磁控制器技術說明書 宜昌市能達通用電氣公司 葛洲壩水力發電廠自動化研究所 華 中 科 技 大 學 二零零三年一月二十日 目錄 第一章 裝置概述1 1.1 裝置特點1 1.2 主要勵磁功能配置3 1.3 輔助勵磁功能配置4 1.4 主要技術指標5 1.5 適用范圍5 1.6 使用環境9 第二章勵磁控制原理10 2.1 發電機勵磁控制系統的作用11 2.2 勵磁反饋控制原理11 2.3 微機勵磁控制關鍵技術12 2.4 勵磁控制規律14 2.4.1 電力系統穩定器15 2.4.2線性最優勵磁控制LOEC21 2.4.3自適應最優勵磁控制22 第三章功能說明30

2、 3.1 三種起勵方式30 3.2 五種運行方式31 3.3 控制方式在線轉換33 3.4 勵磁限制33 3.5 勵磁保護35 3.6 自動跟蹤35 3.7 在線機切換36 3.8 試驗功能36 3.9 控制參數調整37 3.10 逆變滅磁38 第四章軟件簡介39 4.1軟件組成及編程語言39 4.2軟件流程圖39 第一章裝置概述 IAEC-2000型智能自適應微機勵磁控制器由能達通用電氣公司與華中科技大學聯合研制。 是依靠華中科技大學豐富的理論知識、葛洲壩電廠運行維護人員多年的現場經驗和能達通用 電氣公司多年的實際應用經驗總結開發出來的新一代發電機智能微機勵磁控制器。本控制器 適應電力系統朝

3、大機組、大電網方向發展的需要，采用智能自適應最優勵磁控制規律，能為 電力系統提供良好的阻尼，滿足電力系統聯網穩定運行的要求。本控制器以“功能完備、可 靠性高、檢修維護方便、操作簡單直觀”為設計思想，不但具有常規模擬式勵磁控制器的全 部調節、控制功能，而且具備常規控制器沒有的許多控制、保護、限制、邏輯判斷、自診斷、 容錯、在線整定、參數顯示、與現地LCU通訊和開關量的調節、現場調試試驗等強大功能， 是大、中型同步發電機勵磁控制器的理想選擇。 本控制器硬件由管理機、工控機、測量單元、邏輯控制單元和電源單元組成。管理機采 用研華平板PC,完成人機接口、可視化圖形顯示、各種參數設置、事件記錄、與優化維

4、護系 統及監控系統的通訊等。工控機硬件采用具有高抗干擾、高抗振動、4U高度模板的DSP產品, 該產品由專業工控機廠家按惡劣的工業現場條件特別設計，硬件設計合理，配置簡單清晰， 按勵磁控制系統的要求雙重化，可滿足各種容量發電機勵磁控制的要求。測量單元、邏輯控 制單元、及電源單元全部采用印制電路板由能達通用電氣公司針對工控機系統自主設計，采 用母板機箱結構，具有接線簡單可靠的優點。管理機可與勵磁調節雙通道進行信息交換，從 而實現對發電機運行狀態進行監視和記錄，也可作為一個子站與電廠（站）主計算機管理系 統進行聯網，實現勵磁設備自動化管理。 勵磁控制器按國際標準柜設計，其外圍接口符合傳統設計要求。如

5、交流信號輸入、開關 量信號輸入、裝置直流電源、交流電源、異常信號輸出、RS485、RS232、CAN現場總線以及 以太通訊接口等皆符合現場常規要求。對于新建工程，有典型設計圖紙可以套用；而對于改 造工程，也可根據實際情況重新設計。 本說明書將詳述IAEC-2000型智能自適應微機勵磁控制器的原理、控制理論和軟件說明， 其硬件構成、軟件流程和調試維護方法詳見智能自適應微機勵磁控制器使用說明書。 1.1裝置特點 1.1.1控制部分采用數字信號處理器 DSP 裝置采用利用DSP數字信號處理器超強的數據處理能力，吸收大量的現場經驗，并應用 許多成熟的勵磁原理及算法實現要求的勵磁控制，極大的提高了勵磁控

6、制的快速性、可靠性 和準確性，使得整機性能指標達到最佳。 DSP高速數據信號處理器的應用使得將最新、最先進和復雜的算法用于勵磁控制成為現 實。 1.1.2裝置采用智能自適應勵磁控制規律 智能自適應控制器的特點是能修正自己的特性以適應被控對象的動特性的變化。其研究 的對象是具有一定程度的不確定性的系統；這種“不確定性”是指其描述的被控對象及其環 境的數學模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機因素。發電機勵磁控制系統正 是一個具有一定的不確定性因素的系統，因為與之緊密聯系的電力系統是不斷發展和變化的 系統。 自適應控制與最優控制或非線性控制一樣，也是一種基于數學模型的控制方法，所不同 的是

7、自適應控制所依據的關于模型和擾動的先驗知識可在系統的運行過程中不斷提取有關模 型的信息，使模型逐漸完善，并最終達到一致。 智能自適應控制器的原理簡圖如圖 1-1所示： 圖1-1智能自適應控制器原理簡圖 其中參數辨識器完成智能性功能。它根據被控對象的輸入輸出數據，對模型的參數進行 在線辨識，使模型變得愈來愈準確，并自動跟蹤系統的變化，從這個意義上來說，控制系統 具有自適應能力。 控制器則根據辨識出的參數，按給定的性能指標，對被控制對象進行智能控制。 1.1.3裝置采用4U高度硬件平臺 裝置硬件平臺選用的是針對惡劣工業環境設計的高檔TMS320C32DSP工控機系統，其體 系結構比STD工控機有很

8、大的改善與提高，抗干擾能力強，性能穩定可靠，操作安全。 1.1.4裝置全部采用機箱插件形式、母板連接結構，歐式插件 機箱插件結構形式具有檢修維護方便的特點，自定義母板連接具有接線簡單的優點，歐 式插接具有可靠性高的優點。因此裝置整體性能極高。 1.1.5具有集調試、試驗、故障錄波多功能的管理系統 管理機采用高度可靠、觸摸式研華工業級平板PC作為人機交互接口，波形、狀態顯示清 晰，在運行中可隨時查閱各種運行狀態值、控制變量，控制及限制參數。故障錄波功能能記 錄故障前10秒及故障后50秒的運行參數，便于事后分析與診斷。 1.1.6其它 （1）參數值均采用浮點十進制，菜單式操作簡單、快捷、直觀，精度

9、高、范圍廣。 （2）采用頻率跟蹤技術，使得采樣精度高。 （3）單柜設有一個 RS485串口、一個CAN總線接口或一個以太網口，可以與電廠（站）系 統相連；柜內控制機與管理機之間采用RS232通訊。雙機之間、雙機與集成控制維護系 統之間采用CAN網絡通訊，這為勵磁裝置集散管理，實現綜合自動化創造了硬、軟條件。 （4）交、直流電源互為熱備用，電源模塊的任一弱電回路丟失均可告警，并送至RTU或中央 控制室。 1.2主要勵磁功能配置 勵磁控制器除具有常規勵磁控制器的一般功能（正常的勵磁調節、手自動開/停機、）外, 還應具備以下功能： 1.2.1 四種可選勵磁控制方式： 121.1 1.2.1.2 1.

10、2.1.3 1.2.1.4 PID控制； PID+PSS 控制； 線性最優控制； 智能自適應控制。 1.2.2 五種運行方式： 1.2.2.1 1.2.2.2 恒機端電壓運行方式（正常運行方式）； 恒勵磁電流運行方式（用于定子短路試驗、轉子干燥、線路充電、限電流運行、電壓 回路異常等工況）； 1.2.2.3 1.2.2.4 1.2.2.5 恒無功功率運行方式； 恒功率因數運行方式（特殊要求時使用）； 恒觸發角運行方式（調試或他勵）。 1.2.3 二種起勵方式： 1.2.3.1 1.2.3.2 設定機端電壓起勵； 設定轉子勵磁電流起勵（用于零起升壓轉子干燥、定子短路等工況）； 1.2.3.3 跟

11、蹤母線電壓起勵（用于快速并網）。 1.2.4 五種勵磁限制功能： 1.2.4.1 瞬時/延時過勵磁電流限制（強勵限制）； 1.2.4.2 1.2.4.3 1.2.4.4 1.2.4.5 無功過載限制（過勵限制）； 欠勵限制； 空載V/F限制； 功率柜故障勵磁電流限制。 1.2.5 勵磁保護功能： 1.2.5.1 1.2.5.2 1.2.5.3 空載過壓保護； PT斷線保護； 同步回路斷線保護。 1.3輔助勵磁功能配置 1.3.1勵磁系統現場調試功能： 1.3.1.1 彩色液晶觸摸顯示屏； 1.3.1.2 中英文可選菜單操作； 1.3.1.3 設置用戶口令在線修改、整定各種勵磁限制參數，并設掉電

12、保護； 1.3.1.4 勵磁系統運行狀態圖實時顯示； 1.3.1.5 電氣參數動態曲線顯示； 1.3.1.6 狀態參數、控制參數顯示； 1.3.1.7 故障狀態顯示； 1.3.1.8 各種靜特性試驗； 1.3.1.9 運行方式切換、控制方式切換、主/從通道切換； 1.3.1.10起勵試驗，并根據錄波圖完成數據處理； 1.3.1.11空載擾動試驗，并根據錄波圖完成數據處理； 1.3.1.12系統穩定試驗，并根據錄波圖完成數據處理； 1.3.1.13人工錄波功能，根據操作人員發出的錄波命令錄波； 1.3.1.14自動錄波功能，起勵、階躍及PSS試驗自動錄波； 1.3.1.15離線能用PC機在Win

13、dows環境處理試驗、錄波數據。 1.3.2故障錄波功能： 保存故障前后各設備的帶時間的狀態及波形（共計1分鐘），并能顯示、保存和處理設 備的狀態及波形。 1.3.3在線檢測與故障診斷及處理功能： 微機系統自身具有自我診斷能力。軟件時刻對 CPU、A/D芯片、計數器、通訊、脈沖輸 出、微機工作電源等進行在線診斷，可以提前發現問題。發現故障立即由軟件輸出、硬件自 動切換。 控制器內部各功能模板及各組成單元故障，出現故障后自動切換運行通道或轉運行方式， 通訊故障能報警但不影響控制器的正常運行。同時具有與電站優化維護系統通訊接口，通訊 接口采用CANBUS。 1.3.4與監控系統通訊的雙向接口功能：

14、 柜內各系統間采用 RS232通訊，對外設有 CAN總線（工控機）或RS485（管理機）串行通訊 或以太網（管理機）接口，上傳控制器的各種數據及故障檢測、預警、維護管理報告；接收 上位機下傳的各種控制命令（開/停機、運行方式、控制方式及方式切換等）。 14主要技術指標 1.4.1 可控硅控制角分辨率：0.001 _14 1.4.2 A/D轉換分辨率：2 1.4.3 可控硅控制角移相范圍：8150可調 1.4.4 發電機端電壓靜差率：0.1% 1.4.5 發電機調壓精度：0.2% 1.4.6 機端電壓手動調節速度：0.5%0.7% Vgn/s 1.4.7 機端電壓手動調節范圍： 空載：10% 1

15、15% Vgn ; 負載：70% 110% Vgn ; 1.4.8 調差率：-30%+30%可調； 1.4.9 發電機頻率適應范圍：35Hz80Hz; 1.4.10甩發電機額定有功、無功負荷，發電機定子電壓超調量不大于其額定電壓的15%，振 蕩不超過3次，調節時間不大于5s； 1.4.11 10%vgn階躍響應：發電機定子電壓超調量不大于階躍量的30%，振蕩不超過3次， 調節時間不大于3s。 1.4.12電源適應性：當供電電源在-30% +50%范圍內波動時裝置可以可靠運行。 1.4.13 功率消耗：小于 300W 1.5適用范圍 IAEC-2000型微機勵磁控制器適用于所有采用可控硅勵磁的發

16、電機勵磁系統。各種典型勵 磁系統接線圖分示如下。 1.5.1自勵勵磁系統： 自勵方式包括自并勵和自復勵方式，自復勵方式又可為分交流側串聯、直流側并聯自復 勵等。自并勵勵磁系統為固有高起始響應系統，具有快速響應的性能。自并勵勵磁系統的典 型接線如圖1-2所示。 CT1 圖1-2自并勵可控硅勵磁系統典型接線圖 FMK 圖1-4直流側并聯自復勵方式 1.5.2帶直流勵磁機的可控硅勵磁方式 這種勵磁方式包括直流勵磁機采用可控硅自勵和采用連續性控硅勵磁方式。 CT IAEC-2000 IIL J Vd 圖1-5直流勵磁機采用可控硅自勵 圖1-6直流勵磁機采用連續型可控硅勵磁 1.5.3他勵方式 式。 此

17、方式包括交流勵磁機帶靜止硅整流器方式、交流勵磁機帶靜止可控硅方式和無刷磁方 圖1-7他勵靜止硅整流器勵磁方式 1.6使用環境 1.6.1 使用地點的海撥高度不大于2500米。 1.6.2 環境溫度為-2040 C。 1.6.3 環境相對濕度w 90%。 1.6.4 裝置周圍環境應保持干燥、清潔、通風良好，無爆炸、腐蝕性氣體，所含導電塵埃的 濃度不應使絕緣水平降低到允許值以下。 第二章 勵磁控制原理 勵磁控制系統是同步發電機的重要組成部分，直接控制同步發電機磁場電流，從而控制 同步發電機的電勢，所以它還間接控制發電機的端電壓、無功功率、功率因素和電流等參量。 由于大型機組的這些參量直接影響系統的

18、運行狀態，因此在某種程度上也可以說，勵磁控制 器也控制著系統的運行狀態，特別是系統的穩定與勵磁控制方式密切相關。 發電機自并勵勵磁系統一般由勵磁控制器、可控硅整流單元、滅磁及過電壓保護單元、 起勵單元和勵磁變壓器等 5部分組成。這5部分以一定的設計參數進行有機的結合，構成一 個性能滿足一定要求的勵磁系統，其相互聯接關系如圖2-1所示。 圖2-1 勵磁系統組成單元及相互聯接關系 SCRD1 wf IAEC-2000型智能 自適應微機勵磁控制器 圖2-2他勵靜止硅整流器勵磁系統原理接線圖 其中勵磁控制器是勵磁控制系統中實現發電機電壓調節、無功功率分配和系統穩定功能 的核心部分；勵磁變壓器經電壓變換

19、，為發電機勵磁控制系統的功率單元提供功率電源；可 控硅整流器是由AVR控制，保證發電機各種工況運行的功率部分；起勵單元為發電機提供初 始勵磁；滅磁及過電壓保護是在發電機及其系統出現故障的情況下快速切除故障的保護單元， 滅磁控制由發電機保護裝置完成。 圖2-2為他勵靜止硅整流器勵磁系統 （三機勵磁系統）的原理接線圖。G1為發電機，G2為 交流勵磁機，G3為交流副勵磁機。IAEC勵磁控制器根據發電機運行工況的變化改變可控硅 的控制角，以改變G2的勵磁電流和輸出電壓，而 G1的勵磁電流由G2的輸出經硅整流裝 置D1整流后通過滑環引入，從而起到調節發電機G1勵磁電流的作用。 2.1發電機勵磁控制系統的

20、作用 1.6.5 在穩態運行時： （1）維持發電機的機端電壓在給定水平； （2）合理分配并聯運行發電機的無功功率； （3）提高發電機的靜穩極限和輸電線路的功率傳輸能力。 1.6.6 在暫態過程中（大干擾時）： （1）抑制發電機切負荷時的電壓升高。 （2）提高與之相聯電力系統暫態穩定性。 2.2勵磁反饋控制原理 如圖2-3所示，勵磁控制系統是一個閉環控制系統，其反饋控制通過以下過程來實現： 首先勵磁控制器的測量單元檢測PT輸入信號從而獲得發電機的機端電壓Vt，然后將Vt與給 定電壓Vr相比較獲得電壓差值 N= （Vr-Vt），該電壓差 N經綜合放大環節后得到控制電壓 Vc。若是最簡單的比例調節，

21、那么控制電壓 Vc與電壓差 N有以下的關系式（不考慮調差）： Vc = K(Vr -Vt) (2-1) 上式中K為放大倍數。控制電壓Vc經過移相觸發環節后得到可控硅（SCR）的觸發角 從而控制發電機的勵磁電壓 Vf,使發電機運行在穩定狀態。在 IAEC中，信號的檢測、綜合放 大、移相觸發都是通過軟件算法實現的。Vc與、Vfo有以下關系： Vfo a = arccos Vc x I 1.35E 丿 因為三相全控整流橋有以下關系： (2-2) 所以 Vf =1.35Ecos： (2-3) (2-4) SCR的陽極電壓。 FMKVf Vf 二 Vc Vf0 二 K(Vr -Vt) Vf0 式中Vf。

22、為發電機空載勵磁電壓，E為勵磁變壓器副邊電壓，即 圖2-3自并勵靜止硅整流器勵磁系統原理接線圖 如果由于擾動使發電機機端電壓Vt上升一個小的值，那么電壓差（ Vr-Vt）將減少，經綜 合放大環節后得到控制電壓Vc也將減少，使得增大，經可控硅整流后使得發電機的勵磁電 壓Vf減少，使得發電機的機端電壓Vt下降，從而抵消了發電機的機端電壓Vt上升的擾動。因 此勵磁反饋控制可以維持發電機的機端電壓Vt的恒定。 如果由于擾動使得發電機的機端電壓ut下降一個小的值，那么類似以上分析一樣能得到 相同的結論。 2.3微機勵磁控制關鍵技術 交流采樣技術、脈沖直接形成技術以及先進的控制策略，是微機勵磁控制的關鍵性

23、技術, 也是評價一種微機勵磁性能的重要標準(數字化程度)。以下分三個部分對此作一簡要介紹。 微機勵磁控制器對發電機的機端電壓 電流Ifd等電量的測量有兩種方案可供選擇: 2.3.1交流采樣技術 Vt,定子電流lg，有功功率Pe，無功功率Qe,轉子 采用模擬變量變送器的直流采樣和直接交流采樣。 電量變送器(傳感器)輸出的直流量與其輸入電量成比例，經A/D轉換接口電路讀入主 機的數值直接反映了被測變量之值。這種方法容易實現，因而早期的微機勵磁控制器多采用 這種方案。變送器把交流電量轉換成直流量時往往需要濾波電路，從控制器的響應速度考慮， 變送器的時間常數應盡可能小，但同時仍要保證足夠的精度，這是直

24、流采樣要面對的困難之 一。另外，電量變送器歸根結底也是一種模擬電路，對該電路的調整、維護也是較繁瑣的工 作。 交流采樣技術由于省略了電量變送器，減少硬件環節，提高了可靠性，并且可以較好地 解決精度與速度的矛盾，因此近幾年在電力監測、控制、包括微機勵磁中得到廣泛應用。 交流采樣技術依據以下原理：對于周期為T的周期信號u(t)=u(t+T)，在一個周期內對該 信號等間隔均勻采樣 N點，得到N個采樣點的電壓值 uo, U1,，UN-1，根據不同的算法，微 機可以計算得該信號的特征量，比如有效值、平均值、最大最小值、功率等。比如計算u(t) 的有效值U可以用以下方法算得： (2-5) 對交流電壓信號u

25、(t)及電流信號i(t)，在一個周期內采樣N點得到電壓序列U。，比，, un-1及電流序列io, h,，iN-1，可以用以下方法計算得有功功率： Pe J；(ti(t )d-,fukik-=- 0t k八nJ n N 二 、Ukik k=0 (2-6) 另外，對于周期信號，也可以用富氏算法得到各次諧波的實部和虛部，從而計算得該次 諧波的有效值。12點富氏算法(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、|分別為基波分量的實部與虛部。 (2-9) (2-10) 發電機的有功功率及無功功率則可以用以下公式計算： Pe =VrIrV| I | Qe =Vr I| -V| Ir 2.3.2脈沖形成技術 IAEC-2000微機勵磁控制器主控制器板和智能脈沖形成板由兩塊完全一致的SCT-9809工 控機模板組成，智能脈沖形成板主要功能是根據陽極電壓同步點和主控制器板送出的控制角 輸出要求的控制脈沖（+A , -C, +B , -A , +C , -B六相脈沖），同時完成控制脈沖的檢測任務。 同步信號經濾波整形形成方波后送入DSP中斷接口 INT0、INT1和INT2，中斷程序完成 移相及脈輸出任務，如下

27、圖所示。比如當前的上升沿時刻為T2,前一上升沿時刻為 T1，則同 步信號的周期則為 T=T2 T1，此周期應對應于 360的脈沖。假設此時計算機要發出控制角為 a則應該相對于過零點時刻（T1或T2）延時Ta后發出+A脈沖，再延遲600相對應的時間 T60后發-C,再延遲T60后發出+B ,，如此類推。計算機只需設定每個脈沖產生的時刻即 可。這種的脈沖產生方式非常簡單自然，硬件、軟件均很簡單，產生的脈沖可靠性高。 INT T1 T2 +A -C ToT -B ot a 360 T2 T , 60 360 (2-11) 2.4勵磁控制規律 比例一積分一微分(PID)控制是依據古典控制理論的頻域法進

28、行設計的，該設計方法成 熟可靠，并有大量的應用經驗，對于改善發電機的電壓靜態、動態性能，PID控制規律完全可 以滿足要求。但若要同時改善電力系統的低頻振蕩、提高電力系統靜態、暫態穩定性，則必 須依賴于更先進的控制規律。PID控制的傳遞函數如下： (2-12) I+T2S1 咔丿 比例系數(放大倍數)KP主要是為了提高控制系統的響應速度，減少靜態偏差。Ti是微 分常數，Ti與T2構成了不完全微分，微分的作用主要是改善控制系統的動態性能，比如減少 超調量、減少振蕩次數等。Ti是積分時間常數，積分的作用主要是消除靜態誤差。 2.4.1電力系統穩定器 二十世紀50年代隨著電力系統規模的擴大，以及長距離

29、大負荷輸電線路的出現，現加上 大型發電機開始采用，由半導體勵磁調節器和可控硅整流功率柜組成的快速勵磁系統，使整 個電力系統的阻尼不斷減弱。當電力系統發生故障或受到其它擾動時，出現長時間低頻率振 蕩，嚴重影響電力系統安全穩定運行。 二十世紀60年代美國西部系統，發生了低頻振蕩，在西歐、日本的電力系統中也不斷出 現。在我國二十世紀 80年代初湖南西部系統鳳淮一常德線故障跳開時，鳳淮電廠出線產生低 頻振蕩。1984年初，廣東一九龍聯絡線投運后不久，發生多次0.45-0.5HZ低頻振蕩。1985年 湖北系統葛洲壩電廠輸出線路發生多次。之后我國電力系統又有發生低頻振蕩的報道，例如： 湖北鄂西北水電群與華

30、中系統公司等。 按低頻振蕩發生的頻率，可以將低頻振蕩分為以下幾種類型： (1) 超低頻振蕩：低頻振蕩頻率為0.0170.08Hz ； (2) 典型的低頻振蕩：低頻振蕩頻率為0.52Hz，振蕩持續時間長； (3) 次同步振蕩：低頻振蕩頻率為1040Hz，是由于長距離輸電線路中的串聯電容補償 引起。 為了提高電力系統阻尼，抑制低頻振蕩，1966年美國首次把電力系統穩定器(Power System Stabilizer，縮寫PSS)投入工業試驗，由于其原理清晰，實現簡單，能有效抑制低頻，其后迅 速在世界各國得到推廣應用。 4.1.1單機無窮大系統線性化模型 研究低頻振蕩問題，一般首先采用單機無窮大系

31、統，如圖2-3所示。在該圖中，發電機帶 有地區負荷，然后經輸電線路與無窮大系統連接。 在建立線性代模型時，對發電機進行如下簡化： a) 忽略阻尼效應 b) 忽略定子繞組電阻 c) 不考慮定子繞組和負荷的動態過程 d) 不考慮飽和效應 這樣同步發電機可用三階微分方程描述，即勵磁繞組一階，轉子運動方程兩階。經過推 導，可以得到研究低頻振蕩用的子機無窮大系統線性化模型： 圖2-3帶地區負荷的單機無窮大系統 L Eq0EfdK3K4 q 1KsTdoS1KsTdoS :M e = KK2 Eq ：Ug 二 yK=Eq 圖2-4研究低頻振蕩用的單機無窮大線性化模型 式中KiK6是與發電機的運行狀態和系統

32、參數有關的系數。Ki, K2, K3，K4和K6均大于 0,而K5當負荷較重時，其值將會由正變負。 根據上述方程可以得到同步發電機框圖，如圖2-4所示。 4.1.2 PSS設計原理 線性化后的同步發電機轉子運動方程為： 式中：-=Tm為機械輸入轉矩，在小干擾分析中，一般可忽略; Te 為電磁轉矩，T K - K Eq，忽略 K Eq 項，Te K,-：; 為機械阻尼，如磨擦等，ATD。 考慮：.一 = -和取拉氏變換后有： Tj S2 -0 =-K -D 0 整理后有: S2衛 規范化: S22 I nS 2 = 0 n :阻尼系數, D 2TjKi -.n :無阻尼機械振蕩頻率, 因一般D較

33、少，所以阻尼不是很好。 該公式也說明在轉子運動方程中， 一 D*項是阻尼 項。因此PSS引入的阻尼項其方向必須與一 D. 致，假定為 DE. , DE 0,這樣PSS 引入的阻尼才是正阻尼，能夠有效地抑制低頻振蕩。 匸-方向一致，即為 PSS的原理就是要保證引入的輔助信號所產生的轉矩保證與 DE I】。 (1)設計超前環節，補償相位滯后 2-5所示，圖中勵磁系統的傳遞函數假 假定引入的輔助信號為 =-、.，則相位滯后環節如圖 k 定為。 1TeS Ao Ge(sh-MjL A 圖2-5同步發電機滯后環節 K2K3 (1TdoK3S)(1TeS)K3KeK6 因要求與一DE.同相，因此要求PSS

34、傳遞函數所產生的超前相位與同步發電機 滯后環節所產生的滯后相位抵消，即： /Gpss(S)./Ge(S) = 0 理論上是對所有頻率均抵消，但實際系統難以實現，因此在實際系統中只對選定頻率要 求抵消。 選取電力系統中已存在的低頻振蕩頻率 d，即S = jd NGPSS( j ) 乙 GE ( j d - 0 選取系統的無阻尼振蕩頻率，n，即S二j，n - GPSS（ j，n） * /GE（j，n） = 0 由于GE(j )是一滯后環節，即 GE(j ) -0，因此要求.GPSS(j ) 0，即PSS是 個超前環節。 可令 Gpss（ S） -Kpss J + STi J+ST2 丿 TiT2,

35、 般k = 1, 2即可。 (2)設計Kpss,保證合理的阻尼系數n，一般n = 0.10.3 , De=21Tj De =Gpss（jd），GE（jBd） (3) 設計復位環節，以便 PSS不影響正常情況下電壓性能: T =2 4 該環節為隔直環節，消除系統分量，而對于振蕩分量有Gr( j d)j1.0，影 1 +聲dT 響很小。 (4) 設計帶通濾波器，因 PSS相位補償的要求，只能抑制設計頻率( .d )附近的頻率分 量。 因此，PSS的總體框圖如圖2-6所示： 圖2-6 PSS原理框圖 在實際電力系統中，由于=測量有些困難。PSS的輔助信號可取為有功功率偏差量：Pe， 或UPe與機端頻

36、率偏差量訐的混合量等。 4.1.3 PSS的微機實現 早期PSS均采用模擬電路實現，采用電阻電容及運算放大器等構成復位環節、超前環節 和限幅環節等。現在微機勵磁控制器在電力系統中廣泛采用，因此PSS也可采用微機實現。 微機實現與模擬元件實現有其突出優點：模擬電路參數調整是通過電位器實現，電位器多， 調整較復雜；另外還有在元件老化溫度漂移等問題，運行一段時間后需要重新調整，而微機 實現是采用數字式，不存在這些問題，調整和維護都是很方便，并可實現更復雜的功能。如 自適應、智能式等功能。 PSS的微機實現實際上就是將微分進行差分化，差分化的方法很多，目前，應用比較廣的 方法是通過隱式梯形積分法來實現

37、。 為實現方便在微機實現中帶通濾波器，如果需要一般采用硬件實現，而復位環節和PSS 的超前環節采用微機實現。 下面對應用較廣的采用發電機有功功率Pe作為輔助信號的PSS進行微機實現，并取K = 2。 即如圖2-7所示。 圖2-7 有功功率作為輔助信號的PSS PSS的一組典型參數如下: Kpss=3.0 , T=2.3s , T1=009s, T2=0.031s , T3=03s , T4=0.99s。 PSS設計原理清楚，實現簡單，抑制低頻振蕩效果較好，但也有存在一些問題需要進一步 研究。 卬制振蕩頻率范圍窄，對所設計振蕩頻率效果好，對其它振蕩頻率效果變差，甚至超反 作用。 在多機電力系統中

38、，還有 PSS的安裝與整定及相互之間的配合問題。 有功功率正常增加減少時，PSS存在反調現象需要閉鎖等。 盡管如此，在目前國內外電力系統中，PSS仍是應用最廣，研究最為成熟的低頻振蕩抑制 手段。也正因為 PSS存在一些問題很多研究者正在將現代先進控制理論，如線性最優、非線 性控制、自適應控制理論等應用到電力系統勵磁控制中，并正在推廣應用。 4.2線性最優勵磁控制LOEC 在70年代和80年代期間，當電力系統機組容量較小，負荷增長較快，而電力網絡的建 設還落后于線路傳輸容量的增長速度，即電網結構較薄弱時，電力系統小干擾問題就顯得較 突出。電網中經常出現各種頻率的小功率振蕩。電力線路傳輸功率極限主

39、要受靜態穩定極限 的約束。因此在當時的電力系統發展背景下，研究電力系統小干擾穩定控制理論與方法解決 電力系統小干擾穩定性控制，抑制各種頻率的小功率振蕩已成為電力系統安全控制中的重要 研究課題。開展這一領域的研究是在以下幾個假設條件下進行的： 假設電力網絡結構和參數不變；假設負荷動力群動態模型可用恒定阻抗特性代替； 假設將在某一平衡點處臺勞線性化并忽略二次以上高次項。 在以上假設條件下，研究電力系統的小干擾穩定控制可歸結為研究MIMO線性系統的最 優控制問題，即： (2-14) X 二 AX BU Y = CX 設計上述系統的控制器時，若選擇二次型性能指數， J = 1 XtQX U TRU d

40、t(2-15) 2 0 則由LQR方法即可得到最優控制解為 U 二-rbTPX(2-16) 其中P為代數Riccati方程的解。 該理論應用于勵磁方面可得到以下的線性最優勵磁控制規律： lUcKpLP-KV當發 電機采用五階模型表達時，d=1, n=5, m=4 ;當發電機采用簡化的三階模型表達時，d=1, n=3, m=2。通常情況下，在實時勵磁控制系統中，采用d=1, n=3, m=2模型，該模型簡單，計算量 也小，且能滿足控制系統要求。 (2) 選取權矩陣 在自適應最優控制器中，權矩陣 Q的選取(權矩陣 R通常選取為1)是很重要的，它的 選取將影響到控制器的性能。一般是根據狀態變量的選取

41、而確定權矩陣，含有大量的經驗成 分。一種選取Q陣的方法為： 11 1 Q =diag(FF ) x10 x10Xnqo 對于多控制量系統，選取 R陣為: 111 Rdiag(p,p, u) X10 X20Xnq 其中xio, i=1,2,nq, Uj0, j=1,2,nr分別為被控對象各狀態量和程控量的最大值。如果 對某狀態量不限制，其對應的加權系數可以取為零。該方法的特點是給予所有的狀態和控制 量以同等的重視程度。這樣由確定加權系數變為只確定一個參數：、。設計過程簡章化了。但 Xio和Ujo有時難以給定，并且 匸同樣要進行選擇和試湊。到目前為止，還未出現一個很好的通 用設計權矩陣Q的方法。作

42、者針對本算法提出了一種設計方法。 由式2-19，狀態向量X可以寫成： 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 這樣自適應最優控制器的性能指標可以寫為： J U亍 2 k=i -Quu Quy (k -1)Ru(k -1) Qyu 式中 為權知陣Q Qyy 由于Q是對稱矩陣，因此Quu和Qyy亦為對稱矩陣，并且Quy=QTyu。一般情況下，不考 慮對y和u的乘積項的約束，那么，取 Quy=Q T yu =0 為方便起見，Quu和Qyy均取為對角矩陣: 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 ) 由于狀態量是選取被控對象的控制量和輸出量在不同時刻的采樣值: 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 因此可以這樣選取Quu和Qyy，在Quu中選取: qnW q22 W q33 W qm+d-1,m+d-1 而在QQyy中選取： qm+d,m+d W qm+d+1,m+d+1 WW qm+n+d-1,m+d-1 這樣新得到的采樣值加權大。由于控制量u還受到R的限制，因此也可考慮選取Q

44、uu=0。 (3) 求解離散Riccati方程 常用的求解方法比較多，采用迭代法求解時： 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 由于在自適應最優控制器中，系統矩陣A和B包含有大量的零元素， 大大地減少了計算 中的乘法計算次數，因而也大大減少了計算量。 (4) 加入激勵信號 為了使自適應最優控制器中的辨識器能長期得到含有豐富頻率分量的被控對象的控制信 號和輸出信號，以便得到較好的辨識結果。因此有必要給被控對象以持久的激勵信號。在理 論上白噪聲是理想的激勵信號，它能給所有的頻率分量

45、均給予激勵，但在實際系統中其產生 是比較困難的。因而采用類似的信號七階 PRBS，在選定的低頻區域與白噪聲具有類似的效果。 4.3.3自適應最優勵磁控制器 在電力系統中，同步發電機由于其定子繞組的過渡過程和阻尼繞組的過渡過程相對于勵 磁繞組和轉子運動方程的過渡過程相當短，考慮到在實時控制中被控對象的階數越高，計算 量隨之增加很多，因此在實時控制中單機無窮大系統中的同步發電機用三階模型代替是可以 接受的。在一般的多機電力系統中，采用頻譜擬合的方法對這一問題進行分析研究表明：同 步發電機也可以采用 3階模型，不過對于轉動慣量相當大的機組可以采用2階模型，對于聯 系緊密的機組需要采用 4階或高階模型

46、。確定模型結構后，多機電力系統中的同步發電機的 自適應最優勵磁控制器的設計與單機無窮大系統中的設計步驟一樣。 在運行點線性化后其偏差量的 Z傳遞函數可以表達為： y(z)z(b0b2z)(2-28) u(z)1 a” a2za3z 其中y(z-1)和u(z-1)分別為同步發電機的輸出量和控制量。 同步發電機模型式(2-28)對應于自適應最優控制系統中的模型： d = 1, n = 3, m = 2 選取狀態向量為： X= z-2u(z-1)z-1u(z-1)z-2y(z-1)z-1y(z-1)y(z-1) T 則可得到狀態方程為： 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 最優控制律為： U(2-30) K YR BtPBBtPA(2-31) 其中 P為5階離散Riccati方程的解 P = Q ATPA ATPB R BTPA 采用迭代法時每次迭代真正所需的乘法次數只有72次。因此采用 (2-32) DSP時完全可以進行實 時求解。 第三章功能說明 IAEC的主要功能大部分由管理機進行管理，管理機的操作主菜單包括：“系統圖”、“模 擬屏”、“工作日志”、“開關量”、“檢修口令”、“狀態波形”和“幫助”，在輸入檢

48、 修口令后的完整操作主菜單包括：“系統圖”、“模擬屏”、“試驗”、“工作日志”、“方 式設置”、“參數設置”、“開關量”、“用戶管理”、“狀態波形”和“幫助”，如圖3 1所示。 圖3 1管理機主畫面圖 3.1三種起勵方式： 3.1.1起勵方式設置 起勵方式由管理機“方式設置”主菜單中的“起勵方式”框選擇設置。可以分別設置為 “恒機端電壓”、“恒轉子電流”和“跟蹤系統電壓”三種方式。微機上電后處于等待狀態， 當接收到開機令和檢測到 95%轉速的頻率信號，則按事先選擇的起勵方式自動起勵。微機上 電時自動設置起勵方式為 100%額定定子電壓。 在自并勵方式或帶直流勵磁機勵磁方式下一般可殘壓起勵。如果

49、發電機殘壓太低，則自 動投入外界起勵電源助磁， 如果經10秒鐘后起勵未成功，則報起勵失敗信號并停發觸發脈沖。 由運行人員檢查起勵回路及可控硅整流電源。再次起勵前，需按“逆變”按鈕清除起勵失敗 標志，再按“起勵”按鈕進行起勵操作。 在調試中進行起勵試驗，可按面板上的“起勵”按鈕。 3.1.2恒機端電壓起勵 這種起勵方式是將我們所需要的 機端電壓作為起勵給定值，機組轉速達到額定后，如果 給勵磁控制器起勵命令，系統不斷地將機端電壓與給定值進行比較，最終將機端電壓調節到 設定值，并保持恒電壓運行方式。恒機端電壓起勵方式的缺省給定值為100%Ug，即選擇恒機 端電壓起勵方式后，如不調整給定值，機組將按1

50、00%機端電壓起勵。但我們可以通過管理機 分別按“ 10% ”、“ 25% ”、“ 50% ”、“ 80% ”和“ 100% ”五種給定起勵。因此，這種方式 特別適合發電機遞升加壓和空載特性試驗。 3.1.3恒轉子電流起勵 這種起勵方式是將我們所需要的 轉子電流 作為起勵給定值，機組轉速達到額定后，如果 給勵磁控制器起勵命令，系統不斷地將當前轉子電流與給定值進行比較，最終將轉子電流調 節到設定值，并保持恒轉子電流運行方式。恒轉子電流起勵方式的缺省給定值為10%Ifn，即 選擇恒轉子電流起勵方式后，如不調整給定值，機組將按10%轉子電流起勵。但我們也可以 通過增、減磁按鈕改變給定。恒轉子電流起勵

51、方式與機端電壓無關，因此，這種方式特別適 合發電機做短路試驗或發電機短路干燥（必須做相應的措施）以及當PT測量回路故障又必須 開機的情況。 3.1.4跟蹤系統電壓起勵 這種起勵方式是將系統電壓作為起勵給定值，當勵磁控制器收到起勵命令后，系統不斷 地將機端電壓與系統電壓比較，最終將機端電壓調節到與系統當前電壓一致。顯然選擇這種 起勵方式后，起勵給定值是不能調整的，但可以達到發電機快速并網的目的。 3.2五種運行方式： 3.2.1運行方式的設置與人工轉換： 運行方式由管理機“方式設置”主菜單中的“運行方式”框選擇設置，按“確認”按鈕 后命令下傳進行人工運行方式轉換。運行方式可以分別設置、轉換為“恒

52、機端電壓運行”、 “恒勵磁電流運行”、“恒無功功率運行”、“恒功率因數運行”和“恒觸發角運行”五種 方式。 3.2.2恒機端電壓運行 這種運行方式是以機端電壓為調節對象，即始終維持機端電壓為恒定。因此，勵磁控制 器在運行中不斷地采集發電機端電壓并與給定值比較，從而計算出調節誤差，確定出相應控 制量以保證發電機電壓與給定值相等。在這種運行方式下，發電機的無功負荷會隨著系統電 壓變化而變化，系統電壓升高則發電機無功減小，系統電壓降低則發電機無功增大。發電機 轉子電流也會隨電壓調節而變化。 323恒轉子電流運行 這種運行方式是以發電機轉子電流為調節對象，即始終維持發電機轉子電流為恒定。因 此，勵磁控

53、制器在運行中不斷地采集發電機轉子電流并與給定值比較，從而計算出調節誤差, 確定出相應控制量以保證發電機轉子電流與給定值相等。同樣，這種運行方式發電機的無功 負荷會隨著系統電壓變化而變化一一系統電壓升高發電機無功減小，系統電壓降低發電機無 功增大。這種運行方式控制增量與機端電壓無關，因而沒有強勵功能。 3.2.4恒無功功率運行 這種運行方式是以發電機無功為調節對象，即始終維持發電機無功為恒定。勵磁控制器 在運行中不斷地采集發電機定子電壓和定子電流并計算出無功與給定值比較，從而計算出調 節誤差，確定出相應控制量以保證發電機無功與給定值相等。這種運行方式發電機的機端電 壓會隨著系統電壓變化而變化，系

54、統電壓升高發電機電壓就高，系統電壓降低發電機電壓降 低。同樣這種運行方式控制增量與機端電壓無關，因而也沒有強勵功能。 3.2.5恒功率因數運行 這種運行方式是以發電機功率因數為調節對象，即始終維持發電機無功功率與有功功率 的比值為恒定。勵磁控制器在運行中不斷地采集發電機定子電壓和定子電流并計算出無功功 率與有功功率的比值與給定值比較，從而計算出調節誤差，確定出相應控制量以保證該比值 與給定值相等。這種運行方式發電機的機端電壓會隨著系統電壓變化而變化，系統電壓升高 發電機電壓就高，系統電壓降低發電機電壓降低。同樣這種運行方式控制增量與機端電壓無 關，因而也沒有強勵功能。 3.2.6恒觸發角運行

55、這種運行方式是以給定的觸發角運行，屬于開環控制，與系統無關。這種方式適用于陽 極電壓恒定的他勵方式，可以用作系統靜態調試、備勵等工況，但不能用于閉環系統，否則 系統是不穩定的。 3.2.7運行方式的自動轉換 發電機在空載運行時，用機端電壓方式起勵和跟蹤母線電壓起勵方式起勵后勵磁控制器 均保持在恒電壓方式運行，只有恒轉子電流起勵后勵磁控制器才在恒轉子電流方式運行。但 是無論空載在何種方式運行，發電機一旦并網，只要無“限制”信號和相應故障信號，勵磁 控制器就會自動轉換到恒電壓方式運行。 當出現PT斷線故障、功率柜故障后自動轉換到恒轉子電流運行。 PT斷線故障恢復后, 再自動轉換為斷線前運行方式。這

56、是因為 PT斷線后，電壓采樣將會降低，如不轉換到恒轉子 電流運行勢必會引起誤強勵。 當勵磁系統發出無功過載和欠勵限制動作信號時，系統將會自動轉換到恒無功運行方式， 當限制信號解除時，會自動恢復到以前的運行方式。 當系統由于某種原因，強勵限制動作，勵磁控制器也會自動轉換到恒轉子電流運行方式。 同樣，強勵限制消除后，系統會自動恢復到以前的運行方式。 3.3控制方式在線轉換： IAEC微機勵磁控制器具有 PID、PID+PSS、線性最優控制和智能自適應等4種控制方式, 系統上電時根據用戶的要求可以自動設置為其中的任意一種控制方式。 控制方式由管理機“方式設置”主菜單中的“控制方式”框選擇設置，按“確

57、認”按鈕 后命令下傳進行人工控制方式轉換。 3.4勵磁限制 勵磁限制對發電機組及勵磁系統的安全運行具有重要意義。IAEC微機勵磁控制器設有五 種勵磁限制：（1）瞬時/延時過勵磁電流限制；（2）無功過載限制；（3）欠勵限制；（4）空載V/F 限制；（5）功率柜故障分級勵磁電流限制。 3.4.1瞬時/延時過勵磁電流限制 瞬時/延時過勵磁電流限制通常稱為強勵限制，勵磁系統強勵的原因大部分是由發電機及 其相聯系統發生短路故障，勵磁系統為保證系統穩定和繼電保護可靠動作自動強行勵磁所致。 設置這一限制的目的是防止勵磁繞組較長時間過電流而過熱。限制曲線按發熱量大小作成反 時限特性，并考慮當電力系統中發生短路

58、，應保證機組強勵到頂值，不受限制，反時限特性 的設計曲線示意圖如 3-2所示。實際限制參數根據電廠要求設定。 圖3-2 瞬時/延時過勵磁電流限制曲線 IAEC設定當勵磁電流小于或等于額定勵磁電流的1. 1倍時不限制；當勵磁電流超過 1.1 倍時，則經過相應的延時后立即限制到1.1倍額定勵磁電流運行。 3.4.2無功過載限制 無功過載限制通常又稱為過勵限制，設置無功過載限制的目的是防止人為或計算機監控 系統自動增加無功過多。以致于定子電流過大造成過熱。無功過載限制線示意圖如圖3-3（a） 所示。實際限制參數根據用戶要求設定。 無功過載限制只針對增磁操作出錯時限制無功增加過多。當電力系統發生短路，

59、系統電 壓降低，這時機組送出的無功不受限制，以支援電力系統。 圖3-3欠勵限制及過無功限制曲線 3.4.3欠勵限制 設置欠勵限制的目的是防止人為或計算機監控系統自動減小無功過多。以致于電磁功率 過小造成發電機失步。欠勵限制由軟件實現，整定值可在線修改。限制線示意圖如圖3-3（b） 所示。實際限制參數根據用戶要求設定。 欠勵限制線以上，無功過載限制線以下，有功限制線（由調速器設定）以左圍成的區域 （參看圖3-3），為機組P、Q安全運行區。 3.4.4伏/赫限制（V/f限制） 設置伏/赫限制的目的是防止機組在低轉速下運行時過多地增加勵磁，以致發電機電壓過 高，鐵芯磁通密過大。同時可作為主變壓器的過

60、磁通保護。 其基本原理是通過軟件在低速區間（4047HZ）使 V （標么值）/f （標么值）=常數 常數值根據要求設置，本控制器取為1.1,即在低轉速區間鐵芯中磁通密度最高限制到 110%，以防過熱。 程序設定f在47Hz以上不限制，f40Hz，自動逆變滅磁。機組并網后V/F限制無效。 限制曲線如圖3-4所示。 圖3-4 V/f 限制曲線 3.4.5功率柜停風或部分功率柜退出時限勵磁電流 當功率柜部分退出或停風，由 PLC判斷是否發出限負荷信號，一旦滿足限負荷條件，立 即向微機發出限負荷命令，微機將勵磁電流最大值設置為額定勵磁電流的1.1倍，不再有強勵 功能。 3.5 勵磁保護 為保證機組的安