试论发电机励磁系统优化控制方法

徐晶

（成都市兴蓉环保发电有限公司二分公司，四川成都 610000）

0.引言

本文以发电机励磁系统优化控制为主题开展讨论，首先简要叙述发电机励磁系统种类和功能，然后指出发电机励磁系统存在问题，最后从PSS参数设计和优化、增加PLC控制优化连锁控制逻辑、滑模变结构励磁控制方式、螺旋变结构控制四方面提出优化策略。

1.发电机系统励磁相关概述

励磁单元向发电机的转子提供励磁电流，调节器按照输入信号、既定调节准则对励磁单元输出进行控制。励磁系统调节器主要作用是提升并联机组运行稳定性。特别是现阶段电力系统迅速发展造成机组的稳定极限逐渐降低，但同时也推动励磁技术发展进步。励磁系统主要包括调节器、功率单元。励磁单元指的是向发电机的转子绕组提供直流励磁电流部分。

1.1 发电机系统励磁方式

发电机系统励磁方式包括静止励磁、交流励磁、谐波励磁、直流励磁等系统。直流励磁发电机具备专用直流发电机，该发电机是直流励磁设备，励磁机通常和发电机保持同轴，发电机励磁绕组借助固定电刷、滑环获取直流电流。该励磁方式有工作可靠、励磁独立、降低电耗等优势，经过几十年的发展技术逐渐成熟，但是维护量大、调节速度比较慢，应用于10MW以上机组较少。交流励磁多用于大容量的发电机。交流励磁装置安装于发电机的大轴上，其输出交流电流通过整流传输至转子励磁，期间发电机励磁方式为其他励磁方式，属于静止整流装置，也被称作他励静止励磁。副励磁装置能够是永磁机、具备自励恒压的发电机装置。为提升调节速度，该励磁方式一般应用100Hz～200Hz中频发电机，副励磁装置用400Hz～500Hz中频发电机。该发电机直流励磁绕组与三相交流绕组均绕于定子槽中，转子设计为齿、槽形式，没有绕组，如同齿轮，没有滑环、电刷等接触部件，结构简单、工作可靠、工艺方便，但是运行时噪音比较大，谐波分量较大。

1.2 发电机系统励磁作用

发电机处于运行状态时，励磁调节器主要作用是通过改变可控硅的导通角调节机端电压，能够借助间接、直接方式设置可控硅。应用中，反应速度极快，保护功能完善，抗干扰性能强，维护简便，可靠性高。励磁系统能够通过手动方式或者自动方式调整励磁功能，所以，操作较为简便，可降低相关人员维护工作强度，具有智能化的特点。综上，励磁系统的主要作用表现在以下五方面：第一，按照发电机的负荷变化对励磁电流进行调节，保证机端电压始终处于给定值。第二，对并列运行系统中的各个发电机无功功率控制分配。第三，提升发电机运行时静态与暂态的稳定性。第四，当发电机的内部存在故障问题时，执行灭磁，最大程度降低故障事故程度。第五，按照运行实际需求对发电机的最大/最小励磁进行限制。

2.发电机励磁系统存在问题

现阶段，在工程中所应用励磁系统主要存在两方面问题。首先，PSS线性控制方式，相关理论完善、结构简单，因此得到广泛的应用。同时，随着科学技术的不断进步发展，PSS已经发展至PSS4B，能够在低频段对系统的功率振荡加以有效抑制，发展中PSS所需整定参数随之增加。在对PSS参数进行实际设定之前需获取系统未补偿特性，借助波形记录仪、信号发生器实现，人工方式对未补偿特征加以分析。PSS参数设定多通过工程师工作经验通过逐次逼近方式设定，该方式过程繁琐，并且无法确保系统控制达到最优状态，降低系统的运行效率[1]。另外，PSS控制方式为线性控制，励磁系统为典型非线性的系统。系统的工作点周围呈现为线性化，当系统所受扰动比较小时，将保持线性化特性，具有良好的控制效果。而存在较大扰动将造成实际状态和工作点存在较大偏离，打破线性模型，控制器无法有效工作。

3.发电机励磁系统优化控制

3.1 PSS参数设计和优化

在开展PSS参数整定工作前应当确保调节器性能满足相关要求，按照系统的振荡模式挑选PSS模型，以免出现反调情况，倘若无法确定系统的振荡模式，则可选用PSS2型，见图1。第一，对部分的PSS参数进行整定，明确输出信号、输入信号，输出限幅±0.05pu～±0.01pu，并对隔直环节、滤波环节的参数进行设定。第二，明确系统的未补偿特性。可通过计算、实测方式获取特性。相比于实测方式，计算方式可以获取励磁系统各工作状态之后特性的变化范围，由计算数据精确性决定。通过实测方式能够减小数据不精确所产生的误差，本文通过实测方式获取特性，因为实测方式无法获得附加力矩，并且方向和暂态电势基本一致，因此，滞后角度设定为PSS信号和机端电压交叉点相位差。当针对系统需精准整定补偿参数，借助辨识思路获取。第三，明确系统有补偿频率特性。在系统中加入PSS，PSS信号对机端电压叠加点相位差为有补偿特性，和Δω相位一致阻尼力矩能够提升系统的阻尼，投影至Δδ轴数值为零。另外，需要对不同的输入信号和Δω相位关系。对于有补偿特性同样可以借助实测、计算方式获取，获取频率特性。第四，明确PSS的放大倍数。可通过估算方法、现场整定获取。当PSS输入信号是功率时，将1/3～1/5临界增益作控制器增益。如果PSS输入信号是转速或者频率，则将1/2～1/3临界增益作控制器增益。第五，检验参数，开展阶跃响应试验，对PSS参数的整定情况加以分析，主要对发电机机端的电压阶跃、有功功率的振荡情况进行检验，见图2。

图1 PSS无补偿特性测量框图

图2 PSS有补偿特性测量框图

3.2 增加PLC控制优化连锁控制逻辑

传统发电机运行中所使用励磁系统，多为借助继电器实现逻辑控制，继电器连接点串并联易造成发电机运行中发生故障，并且无法对故障问题加以有效检测，因此，现阶段多借助PLC控制。通过PLC技术加以逻辑控制，可对控制流程加以有效简化，转变转速连锁。以往发电机运行时，对信号加以测量时多借助继电器将其转变成节点信号，之后把其视作发电机运行、启动监控条件在启动中，若转速未在规定时间达到预定速度，说明属于异常启动，系统将出现跳闸情况，避免发电机出现堵转情况。运行时测速信号同样属于连锁条件，信号消失后，说明运行处于异常状态，发生连锁跳闸，系统将保留原转速并启动连锁，运行连锁进行报警。其中，转速仅为启动投励条件，借助一次电流能够对发电机运行状态加以实时监测，若信号、电流同时消失，则表明励磁系统存在故障问题。

3.3 滑模变结构励磁控制方式

滑膜控制方式已经具有60多年的发展历史，属于典型非线性的控制方式，主要体现为控制信号切换项导致不连续性控制，现阶段已形成完善的理论体系。该方式借助切换项引导被控系统按照设定的滑膜轨道进行运动，因为滑模面的轨迹不会受系统的运行状态而有所变化，因此具有较强的鲁棒性。发动机运行时，当处于某稳定状态，相似线性模型仅能够在X状态运行，同时和ex偏差比较小方能够准确出现特性反应，当两者存在较大偏差，线性模型便与目前系统存在较大差距，无法反映系统特点。电力系统实际运行中将出现不同程度不确定性，包括外界干扰，系统运行是参数变化造成未见模型相关特性，因此进行设计时，控制器设计主要目的为提升系统鲁棒性，降低电力系统运行时不确定因素、外界干扰所产生的影响。就线性控制而言，为达到该目的，应当构建模型，将此作为基础增添扰动补偿，但对系统未见模相关特性分析存在一定难度，借助传统理论对电力系统抗干扰性能不存在明显特点，结合以上相关因素对控制理论进行分析，在对发电机励磁系统控制器加以优化设计能够提升系统运行稳定性。

借助状态反馈形式设计控制器，无法有效对发电机端的电压加以控制。系统受扰动运行改变时，电压无法稳定，并存在比较大的稳态误差，对用电设备、发电设备的安全运行产生影响。本文对PSS+AVR控制方式规律进行分析，将机端电压、转子的角速度、输出功率作输出反馈观测量，换句话说为用输出函数作为滑模面设计输出反馈非线性励磁控制器。借助新滑模函数，研究其控制规律，加以验证。控制器输出励磁电压的控制信号为Efd，系统受扰动运行出现状态变化，应当确保发电机端的电压处于期望值，并保持稳定，提升系统的稳定性。因为输出功率和转子的角速度存在关联，所以按照设计目标，滑模面S取端电压、有功功率、转子的角速度的误差之和，进行求导，最终得出控制规律[2]。

3.4 螺旋变结构控制

电动机处于运行状态时，为限制抖动多在滑动面设置边界层，滑动层通常处于边界层内，借助连续控制方式能够观察边界层值，并于边界层外切换，借助该方式可降低一定范围中抖振，但该方式将对被控量精确度产生影响。功率扰动指的是电力系统处于工作点附近存在小扰动，把工况设定成t=10s，机械功率增加1/10[3]。当输入功率增加后，发电机输出功率随之增加，边界层曲线将出现几次震荡然后趋向稳定，螺旋滑膜和终端滑膜的边界线曲线的稳定时间比较短，能够以较短时间达到新工作点。螺旋滑膜输出功率的曲线上升速度较快，稳定时间也较快，角速度存在扰动情况后可以极短时间趋向稳定，并迅速达标幺值，把电网频率设定成50Hz，终端滑膜和边界层滑膜调节特性明显。低端电压、励磁电压因为控制信号可以提供足够能量，促使其他量迅速趋向稳定，因此终端电压出现较大波动，但依然能够以较短时间趋向稳定。

因为电网系统本身存在较高的复杂性，线路运行中任一参数均存在不确定性，倘若过于依赖参数优化设计将对控制器产生影响，把扰动工况设定为其他系统不变，转动惯量J增加至6，转子绕组时间从1.01变为2，当t=10时，输出功率增加1/10。

4.总结

电力系统运行中，励磁系统运行情况将对电力系统的整体稳定性产生影响。提升控制器性能可以确保发电机的机端电压得以有效、合理控制，提升电力系统运行稳定性、安全性、可靠性，确保电能供应质量。传统控制器易受低频震荡影响，造成控制器鲁棒性下降，因此需要强化系统稳定性，实现电力行业经济效益、社会效益的提升。