【摘要】當前，在電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主要是通過勵磁調(diào)節(jié)來充分發(fā)揮發(fā)電機的作以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。且隨著電網(wǎng)的擴大，電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運行的問題日益突出，因此，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)自動勵磁調(diào)節(jié)作用在電力系統(tǒng)中的重要性也就愈來愈為人們所關注。

　　【關鍵詞】自動勵磁 穩(wěn)定調(diào)節(jié) 作用

　　前言

　　勵磁系統(tǒng)為同步發(fā)電機的重要組成部分，其直接影響發(fā)電機的運行特性，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全的運行有者重要的影響。近年來國內(nèi)大型發(fā)電機組應用自并勵磁系統(tǒng)的方式已經(jīng)得到廣泛普及，因采用自并勵磁系統(tǒng)發(fā)電機組比采用無刷勵磁系統(tǒng)發(fā)電機組造價低，性能價格比高。

　　一、自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構成

　　勵磁系統(tǒng)是供給同步發(fā)電機勵磁電源的一套系統(tǒng)，它一般由兩部分組成：一部分用于向發(fā)電機的磁場繞組提供直流電流，以建立直流磁場，通常稱作功率單元;另一部分用于在正常運行或發(fā)生故障時調(diào)節(jié)勵磁電流，以滿足安全運行的需要，通常稱作勵磁調(diào)節(jié)器。

　　勵磁控制器的硬件結構已經(jīng)從傳統(tǒng)的模擬式調(diào)節(jié)單元發(fā)展到了以微機計算機為核心的數(shù)字式，現(xiàn)階段16位機已經(jīng)成為自此控制器CPU的主流，它的輸入信號來自電壓互感器和電流互感器，通過軟件調(diào)節(jié)輸入量去控制功率單元，數(shù)字式自動勵磁調(diào)節(jié)器借助其軟件優(yōu)勢，在調(diào)節(jié)規(guī)律和輔助功能等方面可以有很大的靈活性，對應于軟件的勵磁控制方式也是從最初的比例控制發(fā)展到PID控制方式以及AVR+PSS控制方式，近年來線型最優(yōu)控制和非線型勵磁控制理論已經(jīng)得到了充分的眼界并在我國看是應用。

　　二、同步發(fā)電機勵磁發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

　　控制理論的發(fā)展是由單變量到多變量，由線性到非線性，最終向智能控制方向邁進，勵磁控制規(guī)律也經(jīng)歷了與之完全相適應的發(fā)展過程。

　　勵磁控制器的控制規(guī)律研究一直是控制領域和電力系統(tǒng)一個極為活躍的課題。同步發(fā)電機的勵磁控制技術總是隨著控制理論的發(fā)展而發(fā)展的，控制理論的每一步發(fā)展都將引起同步發(fā)電機勵磁控制技術的突破。

　　從20世紀40年代開始，勵磁控制規(guī)律主要經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段

　　(1)古典勵磁控制

　　首先從單機系統(tǒng)的分析和研究開始，提出了按機端電壓偏差調(diào)節(jié)的比例調(diào)節(jié)方式。由于比例調(diào)節(jié)方式是以電壓調(diào)節(jié)為主的單一調(diào)節(jié)方式，不能很好的滿足系統(tǒng)穩(wěn)定以及穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度等多方面的要求，于是人們提出了按電壓偏差調(diào)節(jié)的P(比例)——I(積分)——D(微分)調(diào)節(jié)方式。

　　這種電壓調(diào)節(jié)方式的基本功能是調(diào)節(jié)發(fā)電機機端電壓和分配機組間無功功率，它在一定程度上提高了系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性，但是仍然無法有效地解決其在調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性之間的矛盾。

　　(2)強力式勵磁控制

　　為了確保大型水輪發(fā)電機遠距離輸電穩(wěn)定性和抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩，前蘇聯(lián)專家在上世紀50年代末期研制了強力式勵磁調(diào)節(jié)器。這種勵磁調(diào)節(jié)器設計的基本思想是：利用與功率有關的多個參量進行綜合控制以阻止低頻功率振蕩和提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。但只適用于前蘇聯(lián)成員國內(nèi)。

　　(3)線性最優(yōu)勵磁控制

　　隨著線性最優(yōu)控制技術的發(fā)展，為了進一步改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及其動態(tài)品質(zhì)，20世紀70年代初國際上一些學者提出了線性最優(yōu)勵磁方式。

　　用線性最優(yōu)控制技術設計的線性最優(yōu)勵磁控制器具有很寬的適用范圍，能夠滿足電力系統(tǒng)運行方式變化的要求。從理論上講線性最優(yōu)勵磁控制可以從根本上解決電力系統(tǒng)的多種模式振蕩問題，能取得比PSS更好的效果。

　　(4)非線性勵磁控制

　　電力系統(tǒng)是一個非線性動力系統(tǒng)，它的工作條件和運行狀態(tài)時刻都在發(fā)生變化，若想要真實地反映系統(tǒng)及其運行的狀況，系統(tǒng)的模型就必須選擇非線性的模型。非線性勵磁控制方式的研究也取得了令人矚目的成就，形成了一套獨特的設計方法.20世紀80年代末，根據(jù)非線性控制系統(tǒng)的微分幾何結構原理，提出了非線性勵磁控制器。

　　(5)自適應勵磁控制

　　自適應控制在電力系統(tǒng)中的應用研究始于20世紀80年代初，其目標是使控制系統(tǒng)自動跟蹤被控系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生的結構、參數(shù)等的動態(tài)變化，不斷修正控制器參數(shù)或者調(diào)節(jié)控制策略以達到最佳控制。

　　由于電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程變化很快，要求運算速度快，而自適應勵磁控制的計算量過大導致的運算速度緩慢使其在快速時變電力系統(tǒng)中的實際應用還存在一定的困難。

　　(6)智能勵磁控制

　　智能控制包括了：人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制、模糊控制以及基于進化算法的控制等。他們的基本特點為不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，而是基于某種智能概念模型，將控制理論和人們的經(jīng)驗與直覺推理相結合，具有處理非線性、自適應、并行計算、自學習、自組織等方面的能力。

　　三、同步發(fā)電機自動勵磁系統(tǒng)的作用

　　同步發(fā)電機運行時，不許再勵磁繞組中通入直流電流，以便建立磁場，這個電流成為勵磁電流，二供給電流的種鴿系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。由于勵磁繞組又稱發(fā)電機轉(zhuǎn)子，故勵磁電流也叫轉(zhuǎn)子電流，

　　在電力系統(tǒng)的運行中，同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)的無功率主要來源之一，通過調(diào)節(jié)勵磁電流可以改變發(fā)電機的無功功率，維持發(fā)電機端電壓。無論在系統(tǒng)正常運行還是故障情況下，同步發(fā)電機的直流勵磁電流都需要控制，因此勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分，勵磁系統(tǒng)的安全運行，不僅與發(fā)電機及其相連的電力系統(tǒng)的運行經(jīng)濟指標密切相關，而且于發(fā)電機及電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性密切相關。同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主要有以下幾點作用

　　1、無功分配

　　在發(fā)電機負載運行時，根據(jù)負載的性質(zhì)，空載電勢

  同發(fā)電機端電壓   的關系發(fā)生了變化。當發(fā)電機帶感性負載時，電樞反應具有去磁性質(zhì)，隨著負載的增加，   越來越小于   ，這時為了維持   不變，必須增大勵磁電流;當發(fā)電機帶容性負載是，電樞反應具有助磁性質(zhì)，隨著負載的增加，   越來越大于   ，同樣為了維持   不變，必須減少勵磁電流。

 

　　在發(fā)電廠中數(shù)臺發(fā)電機并網(wǎng)運行時，調(diào)節(jié)一臺發(fā)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(fā)電機的無功穩(wěn)定性。所以，勵磁系統(tǒng)分配并聯(lián)運行的發(fā)電機無功時，還要考慮其穩(wěn)定性和合理性，這就要求勵磁調(diào)節(jié)器具有調(diào)差功能。

　　2、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

　　a提高靜態(tài)穩(wěn)定性

　　靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)遭受小擾動之后，不發(fā)生自發(fā)振蕩和非周期失步，自動恢復到歧視運行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)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(tài)穩(wěn)定性試驗方法。

　　b提高暫態(tài)穩(wěn)定性

　　當電力系統(tǒng)遭受大德擾動后，發(fā)電機組或電廠之間聯(lián)系立即減弱，只有當系統(tǒng)具有較強的暫態(tài)穩(wěn)定能力，才能是系統(tǒng)中各機組保持同步運行，因為現(xiàn)代繼電保護裝置的快速切除故障作用，勵磁自動控制系統(tǒng)對暫態(tài)穩(wěn)定的影響一般不如對靜態(tài)穩(wěn)定那樣顯著，但在一定條件下，也具有明顯的作用。

　　3、電壓的控制

　　電力系統(tǒng)在正常運行時，負荷總是根據(jù)用戶的變化經(jīng)常波動的，同步發(fā)電機的功率也就隨之相應變化，隨著負荷的波動，需要勵磁電流進行調(diào)節(jié)以維持機端電壓或者系統(tǒng)中某一點的電壓在給定的水平上。

　　在同步發(fā)電機空載運行中，轉(zhuǎn)自以同步轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，勵磁電流產(chǎn)生的主要勵磁通Φ

  切割N匝定子繞組感應出頻率為=     或者發(fā)電機的   的三相基波電勢，其有效值   同f，N，Φ   以及繞組系數(shù)k的關系：

 

　　

  fNΦ  

 

　　這樣，改變勵磁電流

  以改變主磁通Φ   ，空載電勢   值也會改變，兩者的關系就是發(fā)電機的空載特性   或者發(fā)電機的磁化特性Φ   =   。在發(fā)電機空載狀態(tài)下，空載電勢   就等于電壓   ,改變勵磁電流也就改變了發(fā)電機端電壓。

 

　　4、 改善電力系統(tǒng)的運行條件

　　當電力系統(tǒng)處于各種非正常工作狀況，出現(xiàn)暫時低電壓是，勵磁系統(tǒng)應進行強行勵磁，使系統(tǒng)電壓迅速恢復，從而改善系統(tǒng)的運行條件。

　　a水輪發(fā)電機組實行強行減磁

　　由于水輪發(fā)電機調(diào)速裝置的慣性大，所以當發(fā)電機因故甩負荷的時候?qū)⒊倏赡軐е挛ｋU的過電壓，嚴重時可以升高到危及定子絕緣的程度，在此情況下，勵磁裝置會進行強行減磁，避免產(chǎn)生危險過電壓。

　　b為發(fā)電機失磁異步運行創(chuàng)造了條件

　　在發(fā)電機由于各種原因失磁時，可以不退出運行，但要在吸收大量無功功率的條件下轉(zhuǎn)入異步運行，必將導致系統(tǒng)電壓下降，嚴重時甚至危及系統(tǒng)的安全運行，這時，若系統(tǒng)內(nèi)正常運行機組的勵磁系統(tǒng)及時增加勵磁來提供足夠的無功功率，以保持系統(tǒng)電壓水平，那么失磁的發(fā)電機可以在允許時間內(nèi)以異步運行的方式來維持運行，這不僅可以確保系統(tǒng)安全運行而且利于機組熱力設備的運行。

　　c提高繼電保護動作的靈敏度和正確性

　　當系統(tǒng)處于低負荷運行狀態(tài)時，發(fā)電機的勵磁電流不大，系統(tǒng)發(fā)生短路故障是，短路電流較小，且隨時間衰減，以致帶時限的繼電保護不能正確動作。若勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)在系統(tǒng)發(fā)生短路后，實行強行勵磁，使短路電流水平變大，可提高帶時限動作的繼電保護裝置的靈敏度，從而也增加了保護動作的正確性，

　　d改善點擊自啟動條件

　　當系統(tǒng)短路時，電網(wǎng)電壓會降低，未切除的電動機組經(jīng)常為此處于制動狀態(tài)。在短路切除以后，電動機自啟動時需吸收大量的無功功率，如此會延緩電壓恢復過程，以致可能甩負荷。如果勵磁裝置進行強行勵磁，就可以加速電網(wǎng)電壓的恢復，來有效地改善發(fā)動機的啟動條件。

　　結語：由于近年來電網(wǎng)的飛速發(fā)展、電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定提出了更高的要求，所以同步發(fā)電機作為電力系統(tǒng)中的一個核心元件，其安全穩(wěn)定運行對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起著非常關鍵的作用，對其進行進一步的探索和研究具有非常重要而又急迫的現(xiàn)實意義。

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