1、葛洲壩水力發電廠技術培訓資料葛洲壩電廠勵磁裝置原理講解陳小明龔元生葛洲壩水力發電廠目錄第一章 勵磁系統概述1 勵磁系統的任務1.2 勵磁附加控制器1.3 葛洲壩電廠勵磁系統概述第二章 MEC-31 多微機勵磁控制器勵磁調節器原理MEC-31 多微機勵磁控制器概述MEC-31 勵磁控制器的硬件配置MEC-31 勵磁控制器軟件簡介2.12.22.32.4第三章 勵磁大功率整流裝置3.13.23.3勵磁大功率柜概述 勵磁大功率柜的技術特點 勵磁大功率柜過電壓保護17第四章 發電機滅磁及轉子過電壓保護4.14.24.34.44.5發電機滅磁及轉子過電壓保護概述 發電機滅磁的基本原理 二江電廠滅磁及轉子

2、過電壓保護裝置 大江電廠滅磁及轉子過電壓保護裝置DM4 開關配ZnO電阻滅磁系統的改進第五章 葛洲壩電廠勵磁操作系統5.15.25.35.4勵磁操作系統概述 勵磁直流操作系統 勵磁交流電源操作系統 勵磁系統的操作第一章勵磁系統概述1.1 勵磁系統的任務同步發電機運行時，必須在勵磁繞組中通入直流電流，以便建立磁場，這個電流稱為 勵磁電流，而供給電流的整個系統稱為勵磁系統。由于勵磁繞組又稱發電機轉子，故勵磁 電流也叫轉子電流。同步發電機勵磁系統的任務有以下幾點:在電力系統的運行中，同步發電機是電力系統的無功功率主要來源之一，通過調節勵 磁電流可以改變發電機的無功功率，維持發電機端電壓。不論在系統正

3、常運行還是故障情 況下，同步發電機的直流勵磁電流都需要控制，因此勵磁系統是同步發電機的重要組成部 分。勵磁系統的安全運行，不僅與發電機及其相聯的電力系統的運行經濟指標密切相關， 而且與發電機及電力系統的運行穩定性密切相關。1電壓控制N匝定子繞組感應出頻率為 數k的關系：E0=4.44 fNk 0這樣，改變勵磁電流電機的空載特性 Eo=f(If)在同步發電機空載運行中，轉子以同步轉速f=pn/60的三相基波電勢，其有效值n旋轉時，勵磁電流產生的主磁通0切割Eo同f , N,0以及繞組系If以改變主磁通。，空載電勢Eo值也將改變，二者的關系就是發 或發電機的磁化特性o=f(Ff)。在發電機空載狀態

4、下，空載電勢Eo就等于發電機端電壓 Ut，改變勵磁電流也就改變發電機端電壓。完成電壓控制的設備是由勵磁調節器，勵磁電源，發電機等組成，同步發電機勵磁控 制系統框圖的一般形式如圖1-1所示。勵磁調節器圖1-1同步發電機勵磁控制系統框圖在圖1-1中，虛線框內是勵磁調節器的基本原理框圖。按照調節原理，一個控制調節裝置，至少要有三個環節或單元。第一是測量單元，它是一個負反饋環節；第二是給定單元， 它是調節中的參考點；第三是比較放大單元，它將測量值同參考值進行比較，并對比較結 果的差值進行放大，從而輸出控制電壓Uk。這里的其他信號，是指調節器中的其他功能的作用信號，比如調差、勵磁電流限制、無功限制、PS

5、S等。這里的勵磁電源是指可控硅整流裝置。對于一個勵磁控制系統來說，電壓控制就是維持發電機端電壓在設定位置。為實現這 一目的，首先就要設定電壓，要有一個給定信號Ug，以便明確電壓控制值；其次要測量電壓，看發電機端電壓是多少，這里由發電機電壓互感器PT和調節器中的測量板組成，將Ut變為UC;最后，由調節器比較給定值和測量值，當測量值小于給定值時，勵磁裝置增加If使發電機端勵磁電流If，使發電機端電壓上升，當測量值大于給定值時，勵磁裝置減少 電壓下降。2無功分配在發電機負載運行時，根據所帶負載的性質，空載電勢Eo同發電機端電壓 Ut的關系發 生了變化。當發電機帶感性負載時，電樞反應具有去磁性質，隨著

6、負載的增加，Ut越來越小于Eo,這時為了維持 Ut不變，必須增大勵磁電流；當發電機帶容性負載時，電樞反應具 有助磁性質，隨著負載的增加，Ut越來越大于Eo,同樣為了維持 Ut不變，必須減少勵磁電流。在發電機并網運行時，系統母線電壓控制著發電機端電壓Ut，當調節勵磁電流If，使Eo發生變化時，發電機的定子電流和功率因數也隨之變化，即發電機的無功功率隨 If變化。同步發電機的 V形曲線，就是反映了勵磁電流同定子電流的關系。在這一關系中，功率因 數等于1的勵磁電流稱為正常勵磁。當勵磁電流大于正常勵磁時，定子電流滯后于端電壓， 功率因數滯后，發電機輸出滯后無功功率，這種狀態我們俗稱為發電機帶無功運行；

7、當勵 磁電流小于正常勵磁時，定子電流超前于端電壓，功率因數超前，發電機輸出超前無功功 率，這種狀態我們俗稱為發電機進相運行。在發電廠中數臺發電機并網運行時，調節一臺發電機的勵磁電流，不僅會改變這臺機 的無功，還要影響其他發電機的無功穩定性。為此，勵磁系統分配并聯運行的發電機無功 時，還要考慮其穩定性和合理性，這就要求勵磁調節器具有調差功能。母線電壓水平及無功功率在機組之間的分配，取決于發電機的電壓調節特性即調差特 性Ut=f（Q），一般來說，發電機的調差特性是一條發電機端電壓Ut隨無功Q增加而下降K0和K2分別表示零調差和負調差系數。的直線，見圖1-2的正調差系數 K3，K1圖1-2勵磁調差特

8、性Q2Ut圖1-3并聯運行機組調差特性如果勵磁調節器具有調差功能，則發電機總的調差系數是發電機（發變組）的自然調 差系數與勵磁調差系數的代數和。由于自然調差系數不可變，故發電機的總調差系數由勵 磁調差系數控制。若勵磁調差系數為零，比如退出調節器中的調差電路，則發電機的調差 特性就是自然調差特性，其大小由發電機和變壓器的電磁參數決定，且變壓器參數起主導 作用；若勵磁調差系數為負，如圖1-2中的直線K2所示，則發電機調差特性就是發電機的自然調差系數減勵磁調差系數的差；若勵磁調差系數為正，如圖1-2中的直線K1所示，則發電機調差特性就是發電機的自然調差系數加勵磁調差系數的和。在這里之所以有加減之 別

9、，其目的是在控制勵磁調差系數大小情況下，保證發電機調差特性向下傾斜，因為只有 具有正調差特性的發電機才能并聯運行。對于單元接線的發電機系統來說，若發變組的自 然調差率很大，勵磁調差系數應選擇負，以補償無功電流在主變上的壓降；若發變組的自然調差率很小，勵磁調差系數應選擇正。對于擴大單元接線的發電機系統來說，由于發電 機的自然調差率很小，為保證數臺發電機的并聯運行及其無功功率的均衡分配，發電機必 須具有基本一致的正調差特性，這就要求勵磁調差必須為正極性。圖1-3是兩臺發電機并Us母線入電網后，二者調差特性與無功分配關系，圖中Uto是兩臺發電機空載額定電壓，電壓，K1和K2是兩臺發電機各自的調差系數

10、。這兩臺發電機并網后，調節勵磁電流，其 K1和K2直線平行上下移動，所對應的無功 Q1和Q2也隨之改變，并且相互不影響。Ut的測Uk。對于我們知道，無論勵磁調節器是何種類型，其工作原理都是將反映發電機端電壓 量電壓Uc,與給定電壓 Ug進行比較，從而得到發電機電壓偏差信號即控制電壓 可控硅整流器來說，Uk經移相器產生a角變化的脈沖，以此改變整流橋輸出電壓，使發電機端電壓同給定電壓保持一致。如果在測量電壓Uc或者給定電壓 Ug上，再疊加一個反映發電機無功變化的附加量Uq,就能使控制電壓 Uk和a角產生變化，從而改變發電機的電壓調節特性。這個附加量就是勵磁調差起作用的量，也稱無功補償量，其極性直接

11、影響勵磁 調差極性。一般說來，給定為正信號，測量為負信號，圖1-4描述了這一過程的基本原理，虛線表示調差單元的輸出電平可以有兩種接入方式參與勵磁調節。Ug如果將調節器中調差單元接入到給定單元上，當調差單元隨發電機+Q增加而輸出+Uq時，就會引起給定電壓 Ug增加，控制電壓 Uk增加，a角減少，最終使得發電機端電壓Ut增加，此時的勵磁調差就是負調差。當調差單元隨+Q增加而輸出-Uq時，就會引起相反的結果，此時的勵磁調差就是正調差。在圖1-2中，將給定電壓 Ug和控制電壓Uk引入縱坐標，就能根據 Ug=f (Q)和Uk=f ( Q)來判斷勵磁調差極性。如果將調節器中調差單元接入到測量單元上，當調差

12、單元隨發電機+Q增加而輸出+Uq時，就會引起測量電壓 Uc減少，控制電壓 Uk增加，a角減少，最終使得發電機端電壓Ut增加，此時的勵磁調差就是負調差。當調差單元隨+Q增加而輸出-Uq時，就會引起相反的結果，此時的勵磁調差就是正調差。3提高電力系統穩定性a提高靜態穩定性靜態穩定是指電力系統遭受小擾動之后，不發生自發振蕩和非周期失步，自動恢復到 起始運行狀態的能力。電力系統靜態穩定性高低，可以用輸電線路的輸送功率極限的大小 來判斷，這也是勵磁裝置常用的靜態穩定性試驗方法。在單機-無窮大系統中，如果發電機沒有勵磁控制，則正常運行時，發電機的空載電勢&保持不變，那么該系統的靜態極限為Pmax，其功率特

13、性曲線見圖1-5中的曲線1。如果發電機具有常規勵磁，比如直流勵磁機或者交流勵磁機帶二極管整流的勵磁系統，則可保持發電機的暫態電勢 Eq不變，因此有PmaX，其功率特性曲線見圖 1-5中的曲線2。如果發電機配置高放大倍數的快速勵磁系統，比如采用運算放大器和可控硅整流器，并且勵磁調節器帶電力系統穩定器PSS或者采用最優勵磁控制，則可接近保持發電機端電壓Ut不變,因此有Pmax :其功率特性曲線見圖 1-5中的曲線3。粗約比較一下單機-無窮大系統靜穩 極限，Pmax : PmaX ： PmaX =1 : 2： 3，可見勵磁系統對于提高電力系統靜態穩定性的 作用非常明顯。特別是帶PSS或者采用最優控制

14、的快速勵磁系統對于電力系統的靜態穩定性作用明顯。Pmax UtUc/Xe PmaX = Eq Uc/(Xe+Xd )P maxP maxPmaxt PPmax = Eo Uc/（Xe+Xd） 中：Uc為無窮大系統電壓Xd為d軸同步電抗Xd為d軸暫態電抗Xe為發電機至無窮大系統間的電抗圖1-5調節勵磁對功率特性的影響b提高動態穩定性動態穩定是指電力系統遭受小擾動之后，在自動調節裝置和附加控制的作用下，保持 較長過程穩定運行的能力（通常指不發生周期性振蕩失步）。由于影響動態穩定性的主要 因數是電力系統的阻尼特性，因而常規勵磁系統對于電力系統的動態穩定性不起多大作用，但是，帶PSS的快速勵磁系統能夠

15、阻尼系統的低頻振蕩，從而提高了電力系統動態穩定性。C提高暫態穩定性暫態穩定是指電力系統遭受大擾動后，各同步電機保持同步運行并過渡到新的或者恢 復到原來狀態運行的能力（通常指保持第一或第二個搖擺周期不失步）。由于影響暫態穩 定性的主要因數是系統中短路故障性質、主保護的動作情況、重合閘動作成功與否，因而 調節勵磁對暫態穩定的影響沒有對靜態穩定那么顯著。勵磁系統對于提高暫態穩定而言， 主要表現在快速勵磁和強勵的作用上。電力系統中發生短路故障時，由于控制輸入機械功 率的常規調速系統的動作太慢，主要靠快速繼電保護切除故障，以減少加速面積；而故障 切除后，快速勵磁和強勵可以增大發電機電勢，因而增大輸出的電

16、磁功率，增大了制動面 積，防止發電機搖擺角過度增大，以利于暫態穩定性的提高。但是發電機勵磁回路具有較 大的時間常數，即使是快速勵磁系統，也只能在故障后0.40.6S,使轉子達到最大磁通。由大量計算結果可知， 故障后發電機擺到最大角度的時間往往只有0.50.6S,所以快速勵磁和強勵所能夠增加的制動面積是很有限的，其結果是只能稍許降低第一個振蕩周期的搖擺角 度。4有利于電力設備的運行在短路故障期間以及故障切除后，性能良好的勵磁控制系統可以盡量維持電力系統的 電壓、加速電壓的恢復，從而改善了系統中電動機的運行條件，有利于電力設備的運行。 類似地，它改善了并列運行的同步發電機在失磁后轉入異步運行時電力

17、系統的工作條件。 此外，勵磁系統還可以提高帶時限的繼電保護裝置的工作靈敏性和動作準確性。1.2 勵磁附加控制器 大型同步發電機勵磁系統一般由三部分組成，其一是勵磁電源，如可控硅整流器；其 二是滅磁和轉子過電壓保護裝置；其三是勵磁控制部分，我們稱為勵磁調節器。由于勵磁調節器按照發電機端電壓偏差進行調節，我們也稱之為自動電壓調節器，它 是勵磁主控制器。隨著自動化技術的發展，調節器的調壓精度越來越高，勵磁電源的響應 越來越快，于是電力系統低頻振蕩就時有發生，影響了電力系統穩定運行。人們在研究了 電力系統發生低頻振蕩的機理之后，提出了在快速勵磁系統上增設勵磁附加控制器，構成 了電力系統穩定器(Powe

18、r System Stabilizer)，簡稱PSS。由于PSS對抑制低頻振蕩，提高 電力系統穩定性有一定的效果，因而得到了廣泛的應用。隨著現代控制理論和計算機技術 的發展，微機勵磁調節器開始采用最優勵磁控制( Optimal Excitation Controller )簡稱 OEC， 該技術融自動電壓調整同各種勵磁附加功能為一體，全面改善發電機端電壓調節精度和電 力系統穩定性，已取得一定成果。1 電力系統低頻振蕩在電力系統中，發電機經輸電線路并列運行時，在負荷突變等小擾動的作用下，發電 機轉子之間會發生相對搖擺，這時電力系統如果缺乏必要的阻尼就會失去動態穩定。由于 電力系統的非線性特性，動

19、態失穩表現為發電機轉子之間的持續的振蕩，同時輸電線路上 功率也發生相應的振蕩，影響了功率的正常輸送。由于這種持續振蕩的頻率很低，一般在 0.22.5HZ 之間，故稱為低頻振蕩。電力系統低頻振蕩在國內外均有發生，通常出現在遠距離、重負荷輸電線路上，或者 互聯系統的弱聯絡線上，在采用快速響應高放大倍數勵磁系統的條件下更容易出現。葛洲 壩二江電廠建廠發電初期，曾多次發生低頻振蕩。近年來，在二江電廠同湖北恩施的聯絡 線路上又出現低頻振蕩，又引起了人們的注意。一般認為，發生低頻振蕩的主要原因是，現代電力系統中大容量發電機的標幺值電抗 增大，造成了電氣距離的增大，再加之遠距離重負荷輸電，造成系統對于機械模

20、式(其頻 率由等值發電機的機械慣性決定)的阻尼減少了；同時由于勵磁系統的滯后特性，使得發 電機產生一個負的阻尼轉矩，導致低頻振蕩的發生。采用勵磁控制系統的附加控制構成的 PSS或其他方式，可以補償負的阻尼轉矩，抑制低頻振蕩。2 PSS 原理簡介a 勵磁裝置的負阻尼作用所謂阻尼就是阻止擾動，平息振蕩，而負阻尼恰恰相反。勵磁裝置的負阻尼，是指勵磁裝置對于系統功角擺動所作出的調節作用，會加大這種擺動，不利于系統的穩定。并聯在電力系統中運行的同步發電機，其穩定運行的必要充分條件是有正的阻尼轉矩和正的同步轉矩。阻尼轉矩 MD為負時將會因為出現自發增幅振蕩而最終失去穩定，而當 同步轉矩 MS為負時，發電機

21、將出現爬步失步。在同步發電機受到擾動，引起系統振蕩期 間，電磁轉矩 M功角5和角頻率3都作周期性變化，故可以在5 坐標中表示 M MDn MS MDW 3基本同相， MS同 5同相，二者之和就是和 M 這就是說電 磁轉矩既包含了同步轉矩分量又包含了阻尼轉矩分量。在不考慮勵磁裝置的負阻尼情況下，阻尼轉矩就是阻止發電機轉速偏離同步轉速的一 種轉矩，其作用力的方向總是指向阻止轉子偏離同步速度的方向，當轉速高于同步速度時， 阻尼轉矩是制動的；當轉速低于同步轉速時，阻尼轉矩卻是驅動的，正是這兩種作用，才使得振蕩衰減。阻尼轉矩包括兩種：一種是一般忽略不計的機械性阻尼，它反映了機械運 動的慣性原理；另一種是

22、發電機轉子中阻尼繞組產生的阻尼，這種阻尼是在發電機轉速不 同于同步轉速時，二者就在轉子上產生相對運動，阻尼繞組中就感應出一個轉差頻率的感 應電流，并產生感應電動機那樣的轉矩，即阻尼轉矩。在單機-無窮大系統簡化線性模型的電磁轉矩矢量圖圖 1-6中， MD1是不考慮調節器負阻尼情況下的阻尼轉矩， M1能抑制系統振蕩。在考慮勵磁裝置的負阻尼情況下，阻尼轉矩就有了正負之分。當勵磁裝置產生的負阻尼大于阻尼繞組產生的正阻尼時，阻尼轉矩就變成圖1-6中的 MD2 M2則不能抑制系統振蕩。我們知道，自動電壓調節器按照發電機端電壓偏差Ut調節，當系統發生振蕩時， 5的變化就會引起 Ut變化，調節器就會依據 Ut

23、進行調節，由于發電機轉子繞組具有 較大的時間常數，其勵磁輸出所產生的轉矩相對于輸入信號5必然有一定的延時，正是這種延時才使勵磁裝置產生的負阻尼轉矩。當然，并不是所有勵磁裝置都產生負阻尼，理論和實踐都證明，在單機-無窮大系統的K5可能變負值，并且由于高放大倍數快 這時如果實際存在的發電機電氣的完整的線性模型，又稱Phillips-Heffron模型中，只有當參數 K5為負時，阻尼轉矩才為負。在遠距離重負荷輸電的單機-無窮大系統中，由于速響應勵磁系統的存在，可能導致系統中的阻尼為負， 和機械的正阻尼較小，則該系統可能發生低頻振蕩。 3 MD1 M1 MD2 M2 5圖1-6電磁轉矩矢量圖圖1-7

24、PSS的附加電磁轉矩圖b PSS的基本原理在考慮勵磁裝置產生負阻尼情況下，單機-無窮大系統的電磁轉矩位于53坐標的第四象限，因與轉速相位方向相反，它給系統提供的是負阻尼轉矩，如圖1-17中的 M2。這時如果能提供一個位于第一象限的附加電磁轉矩M3則 M2和 M3的矢量和 M4就可以在第一象限，此時的 M4與轉速相位方向相同，它給系統提供具有正的同步轉矩和阻尼 轉矩，低頻振蕩將受到抑制。這個第一象限的附加電磁轉矩M3可以引進附加控制信號的PSS來獲得，這就是 PSS的基本原理。1-1中PSSf 和 P,PSS勵磁附加控制器，是一種附加反饋控制，即在勵磁調節器中，除了引入發電機端電 壓作為主要控制

25、信號外，再引入一個超前5附加控制信號，作用于調節器，如圖的其他信號，改變勵磁輸出，使整個勵磁裝置產生正阻尼轉矩，從而提高系統穩定性。 一般由兩部分組成，第一部分是附加信號的檢測單元，常用的附加輸入信號有 因為這兩種信號都可以采用電氣測量方法得到，實施比較簡單，且二者很容易轉換成 和 5。為了保證PSS只在低頻振蕩發生時起作用，測量單元必須有一個低通濾過器和直流信號隔離環節，只讓低頻振蕩信號輸入。第二部分是附加信號放大和相位超前單元，合理選擇PSS的放大倍數和相位補償角，就能使PSS輸出一個超前于 5的附加控制電壓,該控制電壓通過調節器，改變勵磁控制電壓，最終達到勵磁裝置輸出正阻尼轉矩的目的。C

26、 PSS 的應用效益和適應性PSS的應用效益主要有三個方面：第一是抑制低頻振蕩，許多試驗結果都證明， 在系統發生低頻振蕩時投 PSS經過12個周波振蕩就完全平息了；第二是提高靜穩定的功率極 限，具有PSS附加功能的調節器，可采用較大電壓放大倍數，提高電壓調節精度，維持發 電機端電壓 Ut 不變，使單機 -無窮大系統的靜穩極限接近線路的功率極限；第三是有利于 暫態穩定 , 能夠在一定頻率范圍內提供正阻尼，抑制大擾動第一搖擺之后的后續振蕩，縮短 后續搖擺過程。 1985年葛洲壩二江電廠低頻振蕩抑制試驗，可以使線路輸送能力提高20%，能有效平息低頻振蕩。在單機-無窮大系統中應用 PSS的適應性問題有

27、兩面性：一方面，由于PSS參數是在某個低頻振蕩頻率設計和整定的，當系統參數發生變化時，PSS不可能在所有的運行方式下都具有最好的應用效果； 另一方面， 不論運行方式怎么變， 低頻振蕩頻率范圍都在 0.2 2.5HZ 之內，PSS總會有一定的阻尼補償作用，決不會惡化系統的阻尼，因此PSS具有一定的適應性。至于在多機電力系統中，首先要解決PSS最佳安裝地點和 PSS參數的協調整定問題，否則，即使所有機組都裝設PSS在一定條件下仍會出現低頻振蕩。3 阻尼單元原理簡介葛洲壩二江電廠發電初期，低頻振蕩時有發生，嚴重的影響了電力系統的穩定。針對 這種情況，葛洲壩電廠聯合華中理工大學共同研究新型勵磁附加控制

28、器阻尼單元。這是一種以發電機端電壓偏差 Ut作為附加控制信號的“ PSS”，結構簡單，調試方便，試驗結 果較好。阻尼單元在葛洲壩電廠大部分機組上投運過，后來因葛洲壩大江電廠發電，葛洲 壩電廠的系統主接線發生了很大變化，再加之該單元有時運行不穩定，于是又都退出了運 行。分析阻尼單元的工作原理，同樣要涉及到增益高、速度快的勵磁系統產生負阻尼轉矩 問題： 同步發電機受到擾動， 其功角 5 會產生搖擺。 當5 增大時， 發電機端電壓 Ut 要下降， 勵磁裝置又不讓 Ut 下降，就去增加勵磁電流。由于轉子回路的慣性時間常數較大，勵磁電 流的增長滯后 5 的變化，這樣當 5 減少時，勵磁裝置雖然也發出減少

29、勵磁電流的信號，但 勵磁電流有可能仍在增加，造成 5 減少過度，即 5 回擺幅度增大，這就助長了 5 的搖擺， 對此，我們就說勵磁裝置產生負阻尼轉矩。很顯然，要利用調節器中的Ut作為附加控制信號，只需將 Ut進行低通濾波和相位超前即可。正是如此，整個阻尼單元只用了兩個運 算放大器，一個組成低通過濾器，另一個組成微分電路。前者只讓0.22.5HZ低頻振蕩的 Ut進入阻尼單元，使其盡量減少對調節器正常工作的影響；后者將以進入阻尼單元的 Ut 進行微分， 使其輸出信號的相位超前輸入信號 90 度，這個角度可以補償轉子回路的延時， 從而使勵磁裝置輸出正阻尼轉矩。4 最優勵磁控制器簡介盡管勵磁附加控制器

30、對抑制低頻振蕩、提高電力系統穩定性有著明顯的作用，但是也 存在適應性較差，現場調試麻煩，對提高暫態穩定作用甚微以及在多機系統中應用協調困 難等缺點。為解決這些問題，進一步提高電力系統穩定性并改善其動態品質，國內外學者 對勵磁控制規律進行了大量的研究。先是線性最優控制理論被引入電力系統，研究開發出 線性最優勵磁控制器 ( Linear Optimal Excitation Controller )簡稱 LOEC ，目前，葛洲壩電廠 使用的 MEC 型多微機勵磁控制器，就是采用 LOEC 技術。近年來，非線性控制系統的微Nonlinear Excitation分幾何結構理論又被引入勵磁控制規律，研

31、究出非線性勵磁控制器（ Controller ）簡稱 NEC ，也在一定范圍內得到使用。a 線性最優勵磁控制原理最優控制理論是設計最優控制系統，使其性能指標最優的理論和方法，它是現代控制 理論一個重要組成部分。在單機 -無窮大系統中，最優勵磁控制系統的設計目標是使系統的 狀態偏差連同控制量一起達到最小，這就意味著系統的電壓質量、阻尼轉矩和同步轉矩將 同時得到改善。線性最優勵磁控制，以提高系統調壓精度，靜態穩定和動態穩定為目標， 將非線性的電力系統簡化為線性模型，采用計算機技術，使其規定的性能指標達到最佳。在一個完整的單機-無窮大系統中，全部變量有六個，即Fe、A 5、Aw、 Eq、Ut、 Uf

32、。一個系統的狀態變量的選取，應當是那些重要的、獨立的、對性能指標影響較 大的、易于測量的變量。對于采用勵磁機勵磁的發電機一般采用Pe Aw、 U、 Uf四個變量，對于采用可控硅靜止勵磁的發電機一般采用Pe、Aw、 Ut三個變量。通過這些變量得到狀態方程 X=AX+BX采用二次型性能指標，解黎卡梯方程，便可求出最優控 制向量。在這個最優控制向量里，有相對Pe、Aw、 Ut、 Uf四個變量的最優控制參數：功率反饋增益 KP、角速度反饋增益 K w、端電壓反饋增益 KV勵磁電壓反饋增益 KUf。 總之，最優勵磁控制理論與技術和采用常規調節器相比，主要有以下兩點革新：第一，將 單參量輔助反饋 U改進為

33、多參數反饋（反饋量為電壓 U，功率APe,轉速 w和轉子電 壓厶UD ；第二，運用“線性、二次型、黎卡梯”（LQR）這一成熟的控制方法，求得多個反饋量之間的最恰當放大倍數匹配關系,因而實現“最優化控制”。常規勵磁調節器對電壓偏差 A Ut進行比例、積分、微分控制，簡稱PID調節。比例就是對電壓偏差按比例放大；積分是對微小偏差進行累計求和,以達到消除這些偏差,提高 調壓精度；微分將動態的輸入信號相位超前,使調節器能作出快速的反應。盡管該微分電 路提供的超前相位,也會減少（即補償）勵磁電流的滯后相位,因而在一定程度上補償負 阻尼轉矩。 但是, PID 是針對電壓信號而設計的, 它產生超前相位頻率與

34、低頻振蕩的頻率不 一定相同,它也不能兼顧電壓性能與阻尼的要求,按電壓進行PID 控制的勵磁系統對于抑KD和電壓偏差 U=- ( KPA Pe制低頻振蕩的作用是有限的。PID勵磁控制調節規律可以用比例系數KR積分系數KI、微分系數Ut來表達：A U=- （ KP+KI+ KD A Ut。對照線性最優勵磁控制規律表達式： +Kw Aw +KVA Ut）, 不難發現 ,線性最優勵磁控制不僅對電壓偏差進行調節,還對功率和 角速度偏差進行調節,其目的是既要達到常規勵磁調節器的電壓調節要求,又要達到附加 勵磁控制器抑制低頻振蕩,提高系統穩定性。b 非線性最優勵磁控制原理理論和試驗都證明，線性最優勵磁控制，

35、能有效的提高電力系統的靜態穩定和動態穩 定性，但對系統的暫態穩定作用甚微。目前我國電網，低頻振蕩和小干擾穩定性的改善固 然重要，但更具重要意義的是要提高其暫態穩定水平，為此迫切需要發展直接按多機系統、 精確非線性模型設計的最優勵磁控制器。在過去的十年里，國際上基于微分幾何方法的非 線性系統控制理論有了較系統的發展，美國將其用于如飛行器和機器人等控制系統。在我 國，科研人員將其用于復雜電力系統，并發展了這種理論，使我國在該前沿學科領域占有 國際上一席之地。非線性勵磁控制器，首先用非線性微分方程式來描述發電機勵磁控制系統，接著使用 非線性控制系統的微分幾何結果理論，通過坐標變換將發電機非線性勵磁控

36、制系統變換成 完全可控的線性系統，從而得到非線性勵磁控制規律。非線性勵磁控制器一般使用 Pe和 U四個變量，其控制規律有以下特點：第一，其中僅含有受控發電機可測 的狀態變量，所以實現了真正的分散控制；第二，僅含有受控機組本身的參數如TdO等,故對網絡結構的變化有完全的自適應能力（魯棒性）；第三，由于在求解該控制律中，未對模型作近似線性處理，該控制規律對“小干擾”和“大干擾”同樣適用；第四，該控制規 律對一類二次型性能指標是最優。應著重指出，非線性勵磁控制規律采用發電機全狀態量 非線性最優反饋，這對電力系統的大小干擾都起著鎮定（Stabilizi ng） 作用。從這個意義上可以說它是： 全狀態量

37、非線性最優的P SS（ Power System Stabilizer）。動模試驗證明，發電機非線性勵磁控制器，不僅可顯著的改善電力系統穩定性，同時還達到了較高的電壓調 壓精度的要求。發電機非線性勵磁控制器，在暫態過程中對電壓調節的質量是任何其他勵 磁控制方式所不可比擬的。1.3 葛洲壩電廠勵磁系統概述葛洲壩電廠由二江電廠和大江電廠組成，其中二江電廠裝機7臺，其主要銘牌參數見表1-1，大江電廠裝機21臺，其主要銘牌參數見表1-2。葛洲壩電廠勵磁系統 1F19F采用交流側串聯自復勵靜止可控硅勵磁方式，20F21F采用自并勵靜止可控硅勵磁方式。整流電路即功率柜為可控硅三相全控橋電路，且多柜并聯。大

38、部分調節器采用葛洲壩電廠能達 公司生產的 MEC多微機勵磁控制器。滅磁電阻使用非線性電阻（氧化鋅和炭化硅電阻）， 其滅磁方式為滅磁開關配合非線性電阻滅磁，發電機轉子過壓保護也是用非線性電阻來吸 收。表1-3是二江電廠勵磁系統主要設備配置一覽表，表1-4是大江電廠勵磁調節器配置表，表1-5比較了大江電廠各類勵磁調節器性能，表1-6是大江電廠功率柜配置表，表1-7是大江電廠滅磁系統配置表。從上可見，大江電廠勵磁系統較二江電廠配置復雜，設備種類較 多。表1-1二江電廠發電機銘牌參數表參數名稱單位12F34F型式TS1760/200-110SF125-96/15600容量MVA194.2143額定功率

39、MW170125額定電壓KV13.813.8額定電流KA8.1255.98額定功率因數COS0.8750.875額定勵磁電流KA2.0771.653額定勵磁電壓V497498轉子電阻（75C）Q0.2020.248空載勵磁電流KA1.2890.925縱軸電抗（Xd）Q0.540.358縱軸瞬變電抗（X/d）Q0.30550.37縱軸超瞬變電抗（Xd）Q0.1970.23短路比1.331.1轉子磁極對數對極5548定子槽數槽990792接線方式5Y3Y額定頻率HZ5050勵磁方式靜止可控硅自復勵靜止可控硅自復勵接地方式消弧線圈消弧線圈生產廠家東方電機廠哈爾濱電機廠表1-2大江電廠發電機銘牌參數表

40、機組號8F11F、 16F19F12F14F、 20F21F型式SF125-96/15600SF125-96/15600容量MVA143143額定功率MW125125額定電壓KV13.813.8額定電流KA5.985.98額定功率因數COS半0.8750.875額定勵磁電流KA15901553額定勵磁電壓V450450轉子電阻（75C）Q0.2480.257空載勵磁電流KA0.8760.830接線方式3Y3Y額定頻率HZ5050勵磁方式（20F、21F除外）靜止可控硅自復勵靜止可控硅自復勵接地方式消弧線圈消弧線圈生產廠家哈爾濱電機廠東方電機廠表1-3二江電廠勵磁系統主要設備配置一覽表調節器整流

41、柜并聯變串聯變滅磁系統主接線大MEC-31STR-1600/800SGCDT-800/15DM4-2500/08交流側串機X 3柜2400/13.8單相3臺3X 64 片 ZnO聯自復勵小MEC-31STR-1600/800ZSG CDT-1000/15DM4-1600/08交流側串機X 2柜2400/13.8單相3臺3X 48 片 ZnO聯自復勵表1-4大江電廠勵磁調節器配置表調節器型號制造廠家類型結構功能使用機組DLS15A東方電機廠模擬式雙通道不全15FLT-06B洪山電工廠模擬式雙通道較全10FSILCO-4CGE模擬式雙通道全20F、 21FSJ-820南自院數字式雙通道全11FME

42、C-31能達公司數字式三通道全其余機組表1-5大江電廠勵磁調節器性能比較表調節器型號SILCO-4DLS15ALT-06SJ-820MEC-31調節方式PID+PSSPPPID+PSS線性最優無功補償有有有有有強勵限制有有有有有無功進相限制有有有有有PT斷線保護有有有有有U/F限制有無有有有無功過載限制有無有有有轉子過壓抑制有無無無有同步斷線保護無無無有有風壓檢測有無無無有脈沖檢測有無有有有掉相檢測有無有無無風機開閉檢測有無無無無整流橋導通檢測有無無無無跨接器過流保護有無無無無整流變過流保護有無無無無整流橋過流保護有無無無無整流橋溫度保護有無無無無轉子溫度模擬有無無無無轉子接地檢測有無無無無表

43、1-6大江電廠勵磁整流柜配置表整流柜型號制造廠家串聯元件并聯元件通風結構保護功能使用機組DLS15A東方廠2只5只單柜抽風較全13F、 15FSTR-1600A能達1只2只整體風道較全12F、 14FSILCO-4CGE1只4只整體風道很全20F、 21FKZF-3哈爾濱廠2只5只單柜抽風較全其余機組表1-7大江電廠滅磁系統配置表滅磁開關型號制造廠家滅磁方式過壓保護方式使用范圍ASLGG-4000ASEA單斷口 +SiC跨接器+SiC12F、 14FAMF-1BCGE三斷口 +SiC跨接器+SiC20F、 21FDM4-1600立新開關廠雙斷口 +Z nO跨接器+Z nO其余機組1葛洲壩電廠勵

44、磁方式勵磁方式，就是指勵磁電源的不同類型。一般分為三種：直流勵磁機方式、交流勵磁 機方式、靜止勵磁方式。靜止勵磁方式是指采用半導體整流的勵磁方式，又分為自并勵和 自復勵，常用的自復勵有交流側串聯和直流側并聯兩種，具體分類如下：r它勵：備用勵磁裝置勵磁方式廠 自并勵：20F21F勵磁裝置自勵r 交流側串聯自復勵：仆一19F勵磁裝置自復勵葛洲壩電廠仆19F 極電源基本接線見圖1-8,并勵勵磁方式，其陽極電源接線和電壓相量圖，除沒有的 和圖1-9。直流側并聯自復勵采用采用可控硅靜止式交流側串聯型自復勵勵磁方式，其交流陽 可控硅陽極電壓相量圖見圖1-9。20F21F采用可控硅靜止式自CB和Ucb外，其

45、余部分同圖1-8UtItUd|CB廠TUy*1SCRUcb圖1-8陽極電源基本接線由接線圖及相量圖可知ZBG0UzbUyUcbIt圖1-9 可控硅陽極電壓相量圖UY=UzB+UcB=Ut/K ZB+jItX 而：Ud= 1.35UyCOS a式中：U Y 可控硅整流橋陽極電壓；Uzb 并聯變壓器二次側電壓；Kzb 整流變變比；It 發電機定子電流;Ucb串聯變壓器二次側電壓;Ut 發電機定子電壓;Xu串聯變互感抗;Ud 整流橋輸出電壓。不僅反映了發電機機端電壓的水平, 其整流輸出電壓不僅與陽極電壓和控制角因此，交流側串聯型自復勵的可控硅陽極電壓，而且也同時反映了發電機實際負載情況，其整流輸出電

46、壓不僅與陽極電壓和控制角a有關,而且也與機組工況密切相關。特別是，當發電機機端發生三相短路，盡管機端電壓下降了， 造成Uzb變小，但短路電流的上升，卻使Ucb變大，其結果可以維持較高的可控硅整流橋陽極電壓U Y，從而保證勵磁裝置的強勵能力。葛洲壩電廠采用交流側串聯型自復勵勵磁方式，是基于設計時的系統結構和設備制造水平，并考慮下面兩個原因：第一，當系統發生短路時，機端電壓下降，勵磁強勵能力受 到影響。特別是機端三相短路而又長時間未被切除，自并勵方式不能保證強勵。第二，如 果上述原因造成短路電流迅速衰減，帶時限的繼電保護裝置可能會拒動。隨著勵磁技術的 發展，發電設備制造水平的提高，特別是發電機封閉

47、母線的使用，新建的大中型發電廠都 采用自并勵勵磁方式。葛洲壩大江電廠20F21F也在這種背景下采用了自并勵勵磁方式。二江電廠整流變和串聯變壓器的參數見表1-8。對于三相可控硅整流電路來說，由于串聯變壓器的存在，使得陽極回路的總電抗增大，從而造成換相缺口大，過電壓很高。過高 的換相電壓，使轉子電壓和陽極電壓的過電壓毛刺尖峰極高，最高峰峰值高達4000V，不僅損害電氣設備的絕緣，還加重可控硅阻容保護的負擔，這一切都使得勵磁系統主回路設 備極易損壞。按照目前葛洲壩電廠的系統結構和繼電保護水平，在適當的時候取消串聯變 壓器是可能的。表1-8整流變、串聯變主要技術參數整流變串聯變型號ZSG2400/13

48、.8ZSG2000/13.8CDT800/15CDT1000/13.8容量2400KVA2000KVA3X 8000KVA3X 1000KVA高壓側 電壓2 一 314.49KV14.49KV正常一次側電壓29V正常一次側電壓80V3 一 413.8KV13.8KV4 一 513.11KV13.11KV高壓側電流（一次側）100A84A8.125KA5.98KA低壓側電壓（二次側）727V790V83V144V低壓側電流（二次側）1900A1462A1.711KA1.35KA強勵電流一次26.8KA15.8KA強勵電流二次2.54KA2.18KA接線方式Y/Y 一 12Y/Y 一 121/1

49、一 121/1 一 12絕緣等級BBBB相數三相三相三相三相冷卻方式空氣自冷空氣自冷空氣自冷空氣自冷制造廠沈陽變壓器廠沈陽變壓器廠沈陽變壓器廠沈陽變壓器廠2葛洲壩電廠功率柜原理葛洲壩電廠勵磁整流柜即功率柜，全部采用可控硅三相全控橋電路，其接線特點是六 個橋臂元件全都采用可控硅管，共陰極組的可控硅元件及共陽極組的可控硅元件都要靠觸 發換流。它既可工作于整流狀態，將交流變成直流；也可工作于逆變狀態，將直流變成交 流。正是因為有逆變狀態，勵磁裝置在正常停機滅磁時，就不需要跳滅磁開關，可以大大 減輕了滅磁裝置的工作負擔。三相全控橋整流電路原理接線見圖1-10，這里，六個可控硅按 +A、-C、+B、-A

50、、+C、-B順序輪流配對導通， 在一個360度周期內，每個可控硅導通120度。KRD是快速熔斷器， 起保護可控硅的作用。RC是可控硅阻容保護，主要吸收可控硅換相時的過電壓，可限制可控硅兩端的電壓上升率，有效防止誤導通。運行實踐表明，RC對勵磁系統過電壓毛刺的影響最大，選擇合理的參數非常重要。YGK表示三相電源刀閘或電動開關，由于功率柜都是先切脈沖后跳開關，再加上使用電動開關后的維護工作量較大，現在一般都使用刀閘。目前，二江電廠功率柜都使用刀閘，大江電廠大功率柜也是使用刀閘，只有原來的功率柜使 用的是開關，運行情況很不好。ZDK表示直流輸出刀閘。國內生產的功率柜都裝有輸入輸出刀閘，而國外幾乎都不

51、裝設，比如大江電廠20F21F功率柜。其原因一方面我國勵磁規程講究功率柜故障后的退柜運行，另一方面是國產功率柜的質量較差，故障率較高。FL和A表示檢測電流的分流器和直流電流表，所謂分流器就是一個大電流低阻值的分流電阻， 當規定的額定電流通過時，它產生75毫伏的電壓，該電壓驅動相應的電壓表滿量程。圖1-10是葛洲壩電廠大功率柜的原理接線，它沒有裝設電抗器。電抗器的作用主要是 限制通過可控硅的電流上升率，可降低可控硅的換流過電壓。另外，在多個功率柜并聯的 情況下，電抗器還可改善功率柜的均流，即讓每個功率柜的輸出盡量保持一樣。正是由于 大功率柜沒有使用電抗器，其均流情況不好，且可控硅的RC阻容負擔較

52、重，電阻功率過載,（平均電壓）同陽極電壓 Uy （線電壓有效值）和控制 這里的a范圍一般是20120度。整流電流的平均值 ly=0.817ld。值得注意的是，電流關系的這種表達式，溫度很高。基于這種分析，大功率柜阻容保護的參數要不同于常規設計，要滿足安全、合 理、有效的要求，目前，二江電廠正在進行大功率柜阻容參數的試驗和改造，也在探討功 率柜采用集中式過電壓保護的技術問題。在圖1-10中，整流輸出電壓 Ud 角 a 的關系式：Ud=1.35 UyCOS a , Id同陽極線電流有效值 ly的關系式：只在全控橋外接大電感和大電容負載情況下存立，比如發電機轉子負載。對于全控橋帶電 阻負載，電流表達

53、式還與a有關系。葛洲壩電廠功率柜的冷卻方式都是強迫風冷，二江電廠采用專用風道將熱風吸出來并 排向廠房外，冷卻效果好且非常方便功率柜的除塵，其缺點是將廠房內的空氣排向廠房外， 使整個廠房內的空調效果變差；大江電廠功率柜采用盤頂風機，單獨的冷卻效果并不好， 但同盤后冷風機結合后，冷卻效果好；大江電廠大功率柜采用專用風道將熱風吹出來并排 向廠房內，冷卻效果也好。大江電廠功率柜非常不方便除塵清灰，加大了維護工作量。從 上可見，采用二江電廠功率柜專用風道結構再配上大江電廠勵磁盤后的冷風機，這才是一 種理想的功率柜冷卻方式。大江電廠功率柜配置情況見表1-6，二江電廠功率柜配置情況見表 1-9。UdId表1-9二江電廠功率柜配置情況一覽表機組號整流柜型號可控硅型號串并支路可控硅總數仆2FSTR 1600/800KPX 1650/42003并18只3F 6FSTR 1600/8