葛洲坝电厂励磁装置原理讲解

1、葛洲坝水力发电厂技术培训资料葛洲坝电厂励磁装置原理讲解陈小明 龚元生葛洲坝水力发电厂目录 第一章 励磁系统概述 1.1 励磁系统的任务1.2 励磁附加控制器1.3 葛洲坝电厂励磁系统概述 第二章 MEC-31 多微机励磁控制器 2.1 励磁调节器原理 2.2 MEC-31多微机励磁控制器概述 2.3 MEC-31励磁控制器的硬件配置 2.4 MEC-31励磁控制器软件简介 第三章 励磁大功率整流装置 3.1 励磁大功率柜概述 3.2 励磁大功率柜的技术特点 3.3 励磁大功率柜过电压保护 第四章 发电机灭磁及转子过电压保护 4.1 发电机灭磁及转子过电压保护概述 4.2 发电机灭磁的基本原理

2、4.3 二江电厂灭磁及转子过电压保护装置 4.4 大江电厂灭磁及转子过电压保护装置 4.5 DM4开关配ZnO电阻灭磁系统的改进 第五章 葛洲坝电厂励磁操作系统 5.1 励磁操作系统概述5.2 励磁直流操作系统5.3 励磁交流电源操作系统5.4 励磁系统的操作第一章 励磁系统概述1.1 励磁系统的任务同步发电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个电流称为励磁电流，而供给电流的整个系统称为励磁系统。由于励磁绕组又称发电机转子，故励磁电流也叫转子电流。在电力系统的运行中，同步发电机是电力系统的无功功率主要来源之一，通过调节励磁电流可以改变发电机的无功功率，维持发电机端电压。不论

3、在系统正常运行还是故障情况下，同步发电机的直流励磁电流都需要控制，因此励磁系统是同步发电机的重要组成部分。励磁系统的安全运行，不仅与发电机及其相联的电力系统的运行经济指标密切相关，而且与发电机及电力系统的运行稳定性密切相关。同步发电机励磁系统的任务有以下几点：1 电压控制在同步发电机空载运行中，转子以同步转速n旋转时，励磁电流产生的主磁通0切割N匝定子绕组感应出频率为f=pn/60的三相基波电势，其有效值E0同f，N, 0以及绕组系数k的关系：E0=4.44 fNk0 这样，改变励磁电流If以改变主磁通0，空载电势E0值也将改变，二者的关系就是发电机的空载特性E0=f(If)或发电机的磁化特性

4、0=f(Ff)。在发电机空载状态下，空载电势E0就等于发电机端电压Ut，改变励磁电流也就改变发电机端电压。完成电压控制的设备是由励磁调节器，励磁电源，发电机等组成，同步发电机励磁控制系统框图的一般形式如图1-1所示。信号比较放大给定信号励磁电源发电机 Ug + Uf Uf Ut -其他信号 Uc测量信号励磁调节器图1-1 同步发电机励磁控制系统框图在图1-1中，虚线框内是励磁调节器的基本原理框图。按照调节原理，一个控制调节装置，至少要有三个环节或单元。第一是测量单元，它是一个负反馈环节；第二是给定单元，它是调节中的参考点；第三是比较放大单元，它将测量值同参考值进行比较，并对比较结果的差值进行放

5、大，从而输出控制电压Uk。这里的其他信号，是指调节器中的其他功能的作用信号，比如调差、励磁电流限制、无功限制、PSS等。这里的励磁电源是指可控硅整流装置。对于一个励磁控制系统来说，电压控制就是维持发电机端电压在设定位置。为实现这一目的，首先就要设定电压，要有一个给定信号Ug，以便明确电压控制值；其次要测量电压，看发电机端电压是多少，这里由发电机电压互感器PT和调节器中的测量板组成，将Ut变为Uc；最后，由调节器比较给定值和测量值，当测量值小于给定值时，励磁装置增加励磁电流If，使发电机端电压上升，当测量值大于给定值时，励磁装置减少If使发电机端电压下降。2 无功分配在发电机负载运行时，根据所带

6、负载的性质，空载电势E0同发电机端电压Ut的关系发生了变化。当发电机带感性负载时，电枢反应具有去磁性质，随着负载的增加，Ut越来越小于E0，这时为了维持Ut不变，必须增大励磁电流；当发电机带容性负载时，电枢反应具有助磁性质，随着负载的增加，Ut越来越大于E0，同样为了维持Ut不变，必须减少励磁电流。在发电机并网运行时，系统母线电压控制着发电机端电压Ut，当调节励磁电流If，使E0发生变化时，发电机的定子电流和功率因数也随之变化，即发电机的无功功率随If变化。同步发电机的V形曲线，就是反映了励磁电流同定子电流的关系。在这一关系中，功率因数等于1的励磁电流称为正常励磁。当励磁电流大于正常励磁时，定

7、子电流滞后于端电压，功率因数滞后，发电机输出滞后无功功率，这种状态我们俗称为发电机带无功运行；当励磁电流小于正常励磁时，定子电流超前于端电压，功率因数超前，发电机输出超前无功功率，这种状态我们俗称为发电机进相运行。在发电厂中数台发电机并网运行时，调节一台发电机的励磁电流，不仅会改变这台机的无功，还要影响其他发电机的无功稳定性。为此，励磁系统分配并联运行的发电机无功时，还要考虑其稳定性和合理性，这就要求励磁调节器具有调差功能。母线电压水平及无功功率在机组之间的分配，取决于发电机的电压调节特性即调差特性Ut=f（Q），一般来说，发电机的调差特性是一条发电机端电压Ut随无功Q增加而下降的直线，见图1

8、-2的正调差系数K3，K0和K2分别表示零调差和负调差系数。 Ut (Ug,Uk) Ut K2 Uto K0 K3 Us K1 K1K20 Q 0 Q1 Q2 Q 图1-2励磁调差特性 图1-3并联运行机组调差特性如果励磁调节器具有调差功能，则发电机总的调差系数是发电机（发变组）的自然调差系数与励磁调差系数的代数和。由于自然调差系数不可变，故发电机的总调差系数由励磁调差系数控制。若励磁调差系数为零，比如退出调节器中的调差电路，则发电机的调差特性就是自然调差特性，其大小由发电机和变压器的电磁参数决定，且变压器参数起主导作用；若励磁调差系数为负，如图1-2中的直线K2所示，则发电机调差特性就是发电

9、机的自然调差系数减励磁调差系数的差；若励磁调差系数为正，如图1-2中的直线K1所示，则发电机调差特性就是发电机的自然调差系数加励磁调差系数的和。在这里之所以有加减之别，其目的是在控制励磁调差系数大小情况下，保证发电机调差特性向下倾斜，因为只有具有正调差特性的发电机才能并联运行。对于单元接线的发电机系统来说，若发变组的自然调差率很大，励磁调差系数应选择负，以补偿无功电流在主变上的压降；若发变组的自然调差率很小，励磁调差系数应选择正。对于扩大单元接线的发电机系统来说，由于发电机的自然调差率很小，为保证数台发电机的并联运行及其无功功率的均衡分配，发电机必须具有基本一致的正调差特性，这就要求励磁调差必

10、须为正极性。图1-3是两台发电机并入电网后，二者调差特性与无功分配关系，图中Uto是两台发电机空载额定电压，Us母线电压，K1和K2是两台发电机各自的调差系数。这两台发电机并网后，调节励磁电流，其K1和K2直线平行上下移动，所对应的无功Q1和Q2也随之改变，并且相互不影响。我们知道，无论励磁调节器是何种类型，其工作原理都是将反映发电机端电压Ut的测量电压Uc，与给定电压Ug进行比较，从而得到发电机电压偏差信号即控制电压Uk。对于可控硅整流器来说，Uk经移相器产生角变化的脉冲，以此改变整流桥输出电压，使发电机端电压同给定电压保持一致。如果在测量电压Uc或者给定电压Ug上，再叠加一个反映发电机无功

11、变化的附加量Uq，就能使控制电压Uk和角产生变化，从而改变发电机的电压调节特性。这个附加量就是励磁调差起作用的量，也称无功补偿量，其极性直接影响励磁调差极性。一般说来，给定为正信号，测量为负信号，图1-4描述了这一过程的基本原理，虚线表示调差单元的输出电平可以有两种接入方式参与励磁调节。 Ug给定单元 + +调差单元 Q Uq Uk Uf Ut比较放大发电机整流器移相测量单元 Ut Uc - 图1-4 励磁装置调差原理图 如果将调节器中调差单元接入到给定单元上，当调差单元随发电机+Q增加而输出+Uq时，就会引起给定电压Ug增加，控制电压Uk增加，角减少，最终使得发电机端电压Ut增加，此时的励磁

12、调差就是负调差。当调差单元随+Q增加而输出-Uq时，就会引起相反的结果，此时的励磁调差就是正调差。在图1-2中，将给定电压Ug和控制电压Uk引入纵坐标，就能根据Ug=f（Q）和Uk=f（Q）来判断励磁调差极性。如果将调节器中调差单元接入到测量单元上，当调差单元随发电机+Q增加而输出+Uq时，就会引起测量电压Uc减少，控制电压Uk增加，角减少，最终使得发电机端电压Ut增加，此时的励磁调差就是负调差。当调差单元随+Q增加而输出-Uq时，就会引起相反的结果，此时的励磁调差就是正调差。3 提高电力系统稳定性a 提高静态稳定性静态稳定是指电力系统遭受小扰动之后，不发生自发振荡和非周期失步，自动恢复到起始

13、运行状态的能力。电力系统静态稳定性高低，可以用输电线路的输送功率极限的大小来判断，这也是励磁装置常用的静态稳定性试验方法。在单机-无穷大系统中，如果发电机没有励磁控制，则正常运行时，发电机的空载电势E0保持不变，那么该系统的静态极限为Pmax，其功率特性曲线见图1-5中的曲线1。如果发电机具有常规励磁，比如直流励磁机或者交流励磁机带二极管整流的励磁系统，则可保持发电机的暂态电势Eq不变，因此有Pmax，其功率特性曲线见图1-5中的曲线2。如果发电机配置高放大倍数的快速励磁系统，比如采用运算放大器和可控硅整流器，并且励磁调节器带电力系统稳定器PSS或者采用最优励磁控制，则可接近保持发电机端电压U

14、t不变，因此有Pmax，其功率特性曲线见图1-5中的曲线3。粗约比较一下单机-无穷大系统静稳极限，Pmax ：Pmax： Pmax=1：2：3，可见励磁系统对于提高电力系统静态稳定性的作用非常明显。特别是带PSS或者采用最优控制的快速励磁系统对于电力系统的静态稳定性作用明显。 P Pmax= UtUc/Xe Pmax 3 Pmax= Eq Uc/(Xe+Xd) Pmax Pmax = E0Uc/(Xe+Xd) 2 中：Uc为无穷大系统电压 Pmax Xd为d轴同步电抗 1 Xd为d轴暂态电抗 Xe为发电机至无穷大系统间的电抗 图1-5 调节励磁对功率特性的影响b 提高动态稳定性动态稳定是指电力

15、系统遭受小扰动之后，在自动调节装置和附加控制的作用下，保持较长过程稳定运行的能力（通常指不发生周期性振荡失步）。由于影响动态稳定性的主要因数是电力系统的阻尼特性，因而常规励磁系统对于电力系统的动态稳定性不起多大作用，但是，带PSS的快速励磁系统能够阻尼系统的低频振荡，从而提高了电力系统动态稳定性。C 提高暂态稳定性暂态稳定是指电力系统遭受大扰动后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或者恢复到原来状态运行的能力（通常指保持第一或第二个摇摆周期不失步）。由于影响暂态稳定性的主要因数是系统中短路故障性质、主保护的动作情况、重合闸动作成功与否，因而调节励磁对暂态稳定的影响没有对静态稳定那么显著。励磁系

16、统对于提高暂态稳定而言，主要表现在快速励磁和强励的作用上。电力系统中发生短路故障时，由于控制输入机械功率的常规调速系统的动作太慢，主要靠快速继电保护切除故障，以减少加速面积；而故障切除后，快速励磁和强励可以增大发电机电势，因而增大输出的电磁功率，增大了制动面积，防止发电机摇摆角过度增大，以利于暂态稳定性的提高。但是发电机励磁回路具有较大的时间常数，即使是快速励磁系统，也只能在故障后0.40.6S，使转子达到最大磁通。由大量计算结果可知，故障后发电机摆到最大角度的时间往往只有0.50.6S，所以快速励磁和强励所能够增加的制动面积是很有限的，其结果是只能稍许降低第一个振荡周期的摇摆角度。4 有利于

17、电力设备的运行在短路故障期间以及故障切除后，性能良好的励磁控制系统可以尽量维持电力系统的电压、加速电压的恢复，从而改善了系统中电动机的运行条件，有利于电力设备的运行。类似地，它改善了并列运行的同步发电机在失磁后转入异步运行时电力系统的工作条件。此外，励磁系统还可以提高带时限的继电保护装置的工作灵敏性和动作准确性。1.2 励磁附加控制器大型同步发电机励磁系统一般由三部分组成，其一是励磁电源，如可控硅整流器；其二是灭磁和转子过电压保护装置；其三是励磁控制部分，我们称为励磁调节器。由于励磁调节器按照发电机端电压偏差进行调节，我们也称之为自动电压调节器，它是励磁主控制器。随着自动化技术的发展，调节器的

18、调压精度越来越高，励磁电源的响应越来越快，于是电力系统低频振荡就时有发生，影响了电力系统稳定运行。人们在研究了电力系统发生低频振荡的机理之后，提出了在快速励磁系统上增设励磁附加控制器，构成了电力系统稳定器（Power System Stabilizer）,简称PSS。由于PSS对抑制低频振荡，提高电力系统稳定性有一定的效果，因而得到了广泛的应用。随着现代控制理论和计算机技术的发展，微机励磁调节器开始采用最优励磁控制（Optimal Excitation Controller）简称OEC，该技术融自动电压调整同各种励磁附加功能为一体，全面改善发电机端电压调节精度和电力系统稳定性，已取得一定成果。

19、1 电力系统低频振荡在电力系统中，发电机经输电线路并列运行时，在负荷突变等小扰动的作用下，发电机转子之间会发生相对摇摆，这时电力系统如果缺乏必要的阻尼就会失去动态稳定。由于电力系统的非线性特性，动态失稳表现为发电机转子之间的持续的振荡，同时输电线路上功率也发生相应的振荡，影响了功率的正常输送。由于这种持续振荡的频率很低，一般在0.22.5HZ之间，故称为低频振荡。电力系统低频振荡在国内外均有发生，通常出现在远距离、重负荷输电线路上，或者互联系统的弱联络线上，在采用快速响应高放大倍数励磁系统的条件下更容易出现。葛洲坝二江电厂建厂发电初期，曾多次发生低频振荡。近年来，在二江电厂同湖北恩施的联络线路

20、上又出现低频振荡，又引起了人们的注意。一般认为，发生低频振荡的主要原因是，现代电力系统中大容量发电机的标幺值电抗增大，造成了电气距离的增大，再加之远距离重负荷输电，造成系统对于机械模式（其频率由等值发电机的机械惯性决定）的阻尼减少了；同时由于励磁系统的滞后特性，使得发电机产生一个负的阻尼转矩，导致低频振荡的发生。采用励磁控制系统的附加控制构成的PSS或其他方式，可以补偿负的阻尼转矩，抑制低频振荡。2 PSS原理简介a 励磁装置的负阻尼作用所谓阻尼就是阻止扰动，平息振荡，而负阻尼恰恰相反。励磁装置的负阻尼，是指励磁装置对于系统功角摆动所作出的调节作用，会加大这种摆动，不利于系统的稳定。并联在电力

21、系统中运行的同步发电机，其稳定运行的必要充分条件是有正的阻尼转矩和正的同步转矩。阻尼转矩MD为负时将会因为出现自发增幅振荡而最终失去稳定，而当同步转矩MS为负时，发电机将出现爬步失步。在同步发电机受到扰动，引起系统振荡期间，电磁转矩M、功角和角频率都作周期性变化，故可以在坐标中表示M、MD和MS。MD同基本同相，MS同同相，二者之和就是和M，这就是说电磁转矩既包含了同步转矩分量又包含了阻尼转矩分量。在不考虑励磁装置的负阻尼情况下，阻尼转矩就是阻止发电机转速偏离同步转速的一种转矩，其作用力的方向总是指向阻止转子偏离同步速度的方向，当转速高于同步速度时，阻尼转矩是制动的；当转速低于同步转速时，阻尼

22、转矩却是驱动的，正是这两种作用，才使得振荡衰减。阻尼转矩包括两种：一种是一般忽略不计的机械性阻尼，它反映了机械运动的惯性原理；另一种是发电机转子中阻尼绕组产生的阻尼，这种阻尼是在发电机转速不同于同步转速时，二者就在转子上产生相对运动，阻尼绕组中就感应出一个转差频率的感应电流，并产生感应电动机那样的转矩，即阻尼转矩。在单机-无穷大系统简化线性模型的电磁转矩矢量图图1-6中，MD1是不考虑调节器负阻尼情况下的阻尼转矩，M1能抑制系统振荡。在考虑励磁装置的负阻尼情况下，阻尼转矩就有了正负之分。当励磁装置产生的负阻尼大于阻尼绕组产生的正阻尼时，阻尼转矩就变成图1-6中的MD2，M2则不能抑制系统振荡。

23、我们知道，自动电压调节器按照发电机端电压偏差Ut调节，当系统发生振荡时，的变化就会引起Ut变化，调节器就会依据Ut进行调节，由于发电机转子绕组具有较大的时间常数，其励磁输出所产生的转矩相对于输入信号必然有一定的延时，正是这种延时才使励磁装置产生的负阻尼转矩。当然，并不是所有励磁装置都产生负阻尼，理论和实践都证明，在单机-无穷大系统的完整的线性模型，又称Phillips-Heffron模型中，只有当参数K5为负时，阻尼转矩才为负。在远距离重负荷输电的单机-无穷大系统中，由于K5可能变负值，并且由于高放大倍数快速响应励磁系统的存在，可能导致系统中的阻尼为负，这时如果实际存在的发电机电气的和机械的正

24、阻尼较小，则该系统可能发生低频振荡。 M3MD1 M1 M4MS MD2 M2 M2 图1-6 电磁转矩矢量图 图1-7 PSS的附加电磁转矩图b PSS的基本原理在考虑励磁装置产生负阻尼情况下，单机-无穷大系统的电磁转矩位于坐标的第四象限，因与转速相位方向相反，它给系统提供的是负阻尼转矩，如图1-17中的M2。这时如果能提供一个位于第一象限的附加电磁转矩M3，则M2和M3的矢量和M4就可以在第一象限，此时的M4与转速相位方向相同，它给系统提供具有正的同步转矩和阻尼转矩，低频振荡将受到抑制。这个第一象限的附加电磁转矩M3可以引进附加控制信号的PSS来获得，这就是PSS的基本原理。PSS励磁附加

25、控制器，是一种附加反馈控制，即在励磁调节器中，除了引入发电机端电压作为主要控制信号外，再引入一个超前附加控制信号，作用于调节器，如图1-1中的其他信号，改变励磁输出，使整个励磁装置产生正阻尼转矩，从而提高系统稳定性。PSS一般由两部分组成，第一部分是附加信号的检测单元，常用的附加输入信号有f和P，因为这两种信号都可以采用电气测量方法得到，实施比较简单，且二者很容易转换成和。为了保证PSS只在低频振荡发生时起作用，测量单元必须有一个低通滤过器和直流信号隔离环节，只让低频振荡信号输入。第二部分是附加信号放大和相位超前单元，合理选择PSS的放大倍数和相位补偿角，就能使PSS输出一个超前于的附加控制电

26、压，该控制电压通过调节器，改变励磁控制电压，最终达到励磁装置输出正阻尼转矩的目的。C PSS的应用效益和适应性PSS的应用效益主要有三个方面：第一是抑制低频振荡，许多试验结果都证明，在系统发生低频振荡时投PSS，经过12个周波振荡就完全平息了；第二是提高静稳定的功率极限，具有PSS附加功能的调节器，可采用较大电压放大倍数，提高电压调节精度，维持发电机端电压Ut不变，使单机-无穷大系统的静稳极限接近线路的功率极限；第三是有利于暂态稳定,能够在一定频率范围内提供正阻尼，抑制大扰动第一摇摆之后的后续振荡，缩短后续摇摆过程。1985年葛洲坝二江电厂低频振荡抑制试验，可以使线路输送能力提高20%，能有效

27、平息低频振荡。在单机-无穷大系统中应用PSS的适应性问题有两面性：一方面，由于PSS参数是在某个低频振荡频率设计和整定的，当系统参数发生变化时，PSS不可能在所有的运行方式下都具有最好的应用效果；另一方面，不论运行方式怎么变，低频振荡频率范围都在0.22.5HZ之内，PSS总会有一定的阻尼补偿作用，决不会恶化系统的阻尼，因此PSS具有一定的适应性。至于在多机电力系统中，首先要解决PSS最佳安装地点和PSS参数的协调整定问题，否则，即使所有机组都装设PSS，在一定条件下仍会出现低频振荡。3 阻尼单元原理简介葛洲坝二江电厂发电初期，低频振荡时有发生，严重的影响了电力系统的稳定。针对这种情况，葛洲坝

28、电厂联合华中理工大学共同研究新型励磁附加控制器阻尼单元。这是一种以发电机端电压偏差Ut作为附加控制信号的“PSS”，结构简单，调试方便，试验结果较好。阻尼单元在葛洲坝电厂大部分机组上投运过，后来因葛洲坝大江电厂发电，葛洲坝电厂的系统主接线发生了很大变化，再加之该单元有时运行不稳定，于是又都退出了运行。分析阻尼单元的工作原理，同样要涉及到增益高、速度快的励磁系统产生负阻尼转矩问题：同步发电机受到扰动，其功角会产生摇摆。当增大时，发电机端电压Ut要下降，励磁装置又不让Ut下降，就去增加励磁电流。由于转子回路的惯性时间常数较大，励磁电流的增长滞后的变化，这样当减少时，励磁装置虽然也发出减少励磁电流的

29、信号，但励磁电流有可能仍在增加，造成减少过度，即回摆幅度增大，这就助长了的摇摆，对此，我们就说励磁装置产生负阻尼转矩。很显然，要利用调节器中的Ut作为附加控制信号，只需将Ut进行低通滤波和相位超前即可。正是如此，整个阻尼单元只用了两个运算放大器，一个组成低通过滤器，另一个组成微分电路。前者只让0.22.5HZ低频振荡的Ut进入阻尼单元，使其尽量减少对调节器正常工作的影响；后者将以进入阻尼单元的Ut进行微分，使其输出信号的相位超前输入信号90度，这个角度可以补偿转子回路的延时，从而使励磁装置输出正阻尼转矩。4 最优励磁控制器简介尽管励磁附加控制器对抑制低频振荡、提高电力系统稳定性有着明显的作用，

30、但是也存在适应性较差，现场调试麻烦，对提高暂态稳定作用甚微以及在多机系统中应用协调困难等缺点。为解决这些问题，进一步提高电力系统稳定性并改善其动态品质，国内外学者对励磁控制规律进行了大量的研究。先是线性最优控制理论被引入电力系统，研究开发出线性最优励磁控制器（Linear Optimal Excitation Controller）简称LOEC，目前，葛洲坝电厂使用的MEC型多微机励磁控制器，就是采用LOEC技术。近年来，非线性控制系统的微分几何结构理论又被引入励磁控制规律，研究出非线性励磁控制器（Nonlinear Excitation Controller）简称NEC，也在一定范围内得到使

31、用。a线性最优励磁控制原理最优控制理论是设计最优控制系统，使其性能指标最优的理论和方法，它是现代控制理论一个重要组成部分。在单机-无穷大系统中，最优励磁控制系统的设计目标是使系统的状态偏差连同控制量一起达到最小，这就意味着系统的电压质量、阻尼转矩和同步转矩将同时得到改善。线性最优励磁控制，以提高系统调压精度，静态稳定和动态稳定为目标，将非线性的电力系统简化为线性模型，采用计算机技术，使其规定的性能指标达到最佳。在一个完整的单机-无穷大系统中，全部变量有六个，即Pe、Eq、Ut、Uf。一个系统的状态变量的选取，应当是那些重要的、独立的、对性能指标影响较大的、易于测量的变量。对于采用励磁机励磁的发

32、电机一般采用Pe、Ut、Uf四个变量，对于采用可控硅静止励磁的发电机一般采用Pe、Ut三个变量。通过这些变量得到状态方程X=AX+BX，采用二次型性能指标，解黎卡梯方程，便可求出最优控制向量。在这个最优控制向量里，有相对Pe、Ut、Uf四个变量的最优控制参数：功率反馈增益KP、角速度反馈增益K、端电压反馈增益KV、励磁电压反馈增益KUf。总之，最优励磁控制理论与技术和采用常规调节器相比，主要有以下两点革新：第一，将单参量辅助反馈Ut改进为多参数反馈(反馈量为电压Ut，功率Pe，转速和转子电压Uf)；第二，运用“线性、二次型、黎卡梯”(LQR)这一成熟的控制方法，求得多个反馈量之间的最恰当放大倍

33、数匹配关系，因而实现“最优化控制”。常规励磁调节器对电压偏差Ut进行比例、积分、微分控制，简称PID调节。比例就是对电压偏差按比例放大；积分是对微小偏差进行累计求和，以达到消除这些偏差，提高调压精度；微分将动态的输入信号相位超前，使调节器能作出快速的反应。尽管该微分电路提供的超前相位，也会减少（即补偿）励磁电流的滞后相位，因而在一定程度上补偿负阻尼转矩。但是，PID是针对电压信号而设计的，它产生超前相位频率与低频振荡的频率不一定相同，它也不能兼顾电压性能与阻尼的要求，按电压进行PID控制的励磁系统对于抑制低频振荡的作用是有限的。PID励磁控制调节规律可以用比例系数KP、积分系数KI、微分系数K

34、D和电压偏差Ut来表达：U=-（KP+KI+KD）Ut。对照线性最优励磁控制规律表达式：U=-（KPPe +K+KVUt）,不难发现，线性最优励磁控制不仅对电压偏差进行调节，还对功率和角速度偏差进行调节，其目的是既要达到常规励磁调节器的电压调节要求，又要达到附加励磁控制器抑制低频振荡，提高系统稳定性。b非线性最优励磁控制原理理论和试验都证明，线性最优励磁控制，能有效的提高电力系统的静态稳定和动态稳定性，但对系统的暂态稳定作用甚微。目前我国电网，低频振荡和小干扰稳定性的改善固然重要，但更具重要意义的是要提高其暂态稳定水平，为此迫切需要发展直接按多机系统、精确非线性模型设计的最优励磁控制器。在过去

35、的十年里，国际上基于微分几何方法的非线性系统控制理论有了较系统的发展，美国将其用于如飞行器和机器人等控制系统。在我国，科研人员将其用于复杂电力系统，并发展了这种理论，使我国在该前沿学科领域占有国际上一席之地。非线性励磁控制器，首先用非线性微分方程式来描述发电机励磁控制系统，接着使用非线性控制系统的微分几何结果理论，通过坐标变换将发电机非线性励磁控制系统变换成完全可控的线性系统，从而得到非线性励磁控制规律。非线性励磁控制器一般使用、Pe和Ut四个变量，其控制规律有以下特点：第一，其中仅含有受控发电机可测的状态变量，所以实现了真正的分散控制；第二，仅含有受控机组本身的参数如Td0等，故对网络结构的

36、变化有完全的自适应能力(鲁棒性)；第三，由于在求解该控制律中，未对模型作近似线性处理，该控制规律对“小干扰”和“大干扰”同样适用；第四，该控制规律对一类二次型性能指标是最优。应着重指出，非线性励磁控制规律采用发电机全状态量非线性最优反馈，这对电力系统的大小干扰都起着镇定(Stabilizing)作用。从这个意义上可以说它是：全状态量非线性最优的PSS(Power System Stabilizer)。动模试验证明，发电机非线性励磁控制器，不仅可显著的改善电力系统稳定性，同时还达到了较高的电压调压精度的要求。发电机非线性励磁控制器，在暂态过程中对电压调节的质量是任何其他励磁控制方式所不可比拟的。

37、1.3 葛洲坝电厂励磁系统概述葛洲坝电厂由二江电厂和大江电厂组成，其中二江电厂装机7台，其主要铭牌参数见表1-1，大江电厂装机21台，其主要铭牌参数见表1-2。葛洲坝电厂励磁系统1F19F采用交流侧串联自复励静止可控硅励磁方式，20F21F采用自并励静止可控硅励磁方式。整流电路即功率柜为可控硅三相全控桥电路，且多柜并联。大部分调节器采用葛洲坝电厂能达公司生产的MEC多微机励磁控制器。灭磁电阻使用非线性电阻（氧化锌和炭化硅电阻），其灭磁方式为灭磁开关配合非线性电阻灭磁，发电机转子过压保护也是用非线性电阻来吸收。表1-3是二江电厂励磁系统主要设备配置一览表，表1-4是大江电厂励磁调节器配置表，表1

38、-5比较了大江电厂各类励磁调节器性能，表1-6是大江电厂功率柜配置表，表1-7是大江电厂灭磁系统配置表。从上可见，大江电厂励磁系统较二江电厂配置复杂，设备种类较多。表1-1二江电厂发电机铭牌参数表参 数 名 称单位12F34F型 式 TS1760/200-110SF125-96/15600容 量MVA194.2143额定功率MW170125额定电压 KV13.813.8额定电流 KA8.1255.98额定功率因数COSj0.8750.875额定励磁电流KA2.0771.653额定励磁电压 V497498转子电阻（75）W0.2020.248空载励磁电流KA1.2890.925纵轴电抗（Xd）W

39、0.540.358纵轴瞬变电抗（X/d）W0.30550.37纵轴超瞬变电抗（X/d）W0.1970.23短路比1.331.1转子磁极对数对极5548定子槽数槽990792接线方式5Y3Y额定频率HZ5050 励磁方式静止可控硅自复励静止可控硅自复励接地方式消弧线圈消弧线圈生产厂家东方电机厂哈尔滨电机厂 表1-2 大江电厂发电机铭牌参数表机组号8F11F、16F19F12F14F、20F21F型 式 SF125-96/15600SF125-96/15600容 量MVA143143额定功率MW125125额定电压 KV13.813.8额定电流 KA5.985.98额定功率因数COSj0.8750

40、.875额定励磁电流KA15901553额定励磁电压 V450450转子电阻（75）W0.2480.257空载励磁电流KA0.8760.830接线方式3Y3Y额定频率HZ5050 励磁方式(20F、21F除外)静止可控硅自复励静止可控硅自复励接地方式消弧线圈消弧线圈生产厂家哈尔滨电机厂东方电机厂 表1-3 二江电厂励磁系统主要设备配置一览表调节器整流柜并联变串联变灭磁系统主接线 大机MEC-31STR-1600/800×3柜SG2400/13.8CDT-800/15单相3台DM4-2500/083×64片 ZnO交流侧串联自复励小机MEC-31STR-1600/800

41、15;2柜ZSG2400/13.8CDT-1000/15单相 3台DM4-1600/083×48片 ZnO交流侧串联自复励表1-4 大江电厂励磁调节器配置表调节器型号制造厂家类型结构功能使用机组DLS15A东方电机厂模拟式双通道不全15FLT-06B洪山电工厂模拟式双通道较全10FSILCO-4CGE模拟式双通道全20F、21FSJ-820南自院数字式双通道全11FMEC-31能达公司数字式三通道全其余机组表1-5 大江电厂励磁调节器性能比较表调节器型号SILCO-4DLS15ALT-06SJ-820MEC-31调节方式PID+PSSPPPID+PSS线性最优无功补偿有有有有有强励限

42、制有有有有有无功进相限制有有有有有PT断线保护有有有有有U/F限制有无有有有无功过载限制有无有有有转子过压抑制有无无无有同步断线保护无无无有有风压检测有无无无有脉冲检测有无有有有掉相检测有无有无无风机开闭检测有无无无无整流桥导通检测有无无无无跨接器过流保护有无无无无整流变过流保护有无无无无整流桥过流保护有无无无无整流桥温度保护有无无无无转子温度模拟有无无无无转子接地检测有无无无无表1-6 大江电厂励磁整流柜配置表整流柜型号制造厂家串联元件并联元件通风结构保护功能使用机组DLS15A东方厂2只5只单柜抽风较全13F、15FSTR-1600A能达1只2只整体风道较全12F、14FSILCO-4CG

43、E1只4只整体风道很全20F、21FKZF-3哈尔滨厂2只5只单柜抽风较全其余机组表1-7 大江电厂灭磁系统配置表灭磁开关型号制造厂家灭磁方式过压保护方式使用范围ASLGG-4000ASEA单断口+SiC跨接器+SiC12F、14FAMF-1BCGE三断口+SiC跨接器+SiC20F、21FDM4-1600立新开关厂双断口+ZnO跨接器+ZnO其余机组 1 葛洲坝电厂励磁方式励磁方式，就是指励磁电源的不同类型。一般分为三种：直流励磁机方式、交流励磁机方式、静止励磁方式。静止励磁方式是指采用半导体整流的励磁方式，又分为自并励和自复励，常用的自复励有交流侧串联和直流侧并联两种，具体分类如下：它励：

44、备用励磁装置励磁方式 自并励：20F21F励磁装置 自励 交流侧串联自复励：1F19F励磁装置自复励 直流侧并联自复励葛洲坝电厂1F19F采用采用可控硅静止式交流侧串联型自复励励磁方式，其交流阳极电源基本接线见图1-8，可控硅阳极电压相量图见图1-9。20F21F采用可控硅静止式自并励励磁方式，其阳极电源接线和电压相量图，除没有的CB和UCB外，其余部分同图1-8和图1-9。 Ut It Ud F ZB UY UZB UCB SCR CB UCB UZB UY It 图1-8 阳极电源基本接线 图1-9 可控硅阳极电压相量图 由接线图及相量图可知: UY=UZB+UCB=Ut/KZB+jItX

45、u 而： Ud1.35UYCOS 式中： U Y可控硅整流桥阳极电压； KZB整流变变比； UZB并联变压器二次侧电压； It发电机定子电流； UCB串联变压器二次侧电压； Ut发电机定子电压； Xu串联变互感抗； Ud整流桥输出电压。因此，交流侧串联型自复励的可控硅阳极电压，不仅反映了发电机机端电压的水平，而且也同时反映了发电机实际负载情况，其整流输出电压不仅与阳极电压和控制角有关，而且也与机组工况密切相关。特别是，当发电机机端发生三相短路，尽管机端电压下降了，造成UZB变小，但短路电流的上升，却使UCB变大，其结果可以维持较高的可控硅整流桥阳极电压U Y，从而保证励磁装置的强励能力。葛洲坝

46、电厂采用交流侧串联型自复励励磁方式，是基于设计时的系统结构和设备制造水平，并考虑下面两个原因：第一，当系统发生短路时，机端电压下降，励磁强励能力受到影响。特别是机端三相短路而又长时间未被切除，自并励方式不能保证强励。第二，如果上述原因造成短路电流迅速衰减，带时限的继电保护装置可能会拒动。随着励磁技术的发展，发电设备制造水平的提高，特别是发电机封闭母线的使用，新建的大中型发电厂都采用自并励励磁方式。葛洲坝大江电厂20F21F也在这种背景下采用了自并励励磁方式。二江电厂整流变和串联变压器的参数见表1-8。对于三相可控硅整流电路来说，由于串联变压器的存在，使得阳极回路的总电抗增大，从而造成换相缺口大

47、，过电压很高。过高的换相电压，使转子电压和阳极电压的过电压毛刺尖峰极高，最高峰峰值高达4000V，不仅损害电气设备的绝缘，还加重可控硅阻容保护的负担，这一切都使得励磁系统主回路设备极易损坏。按照目前葛洲坝电厂的系统结构和继电保护水平，在适当的时候取消串联变压器是可能的。表1-8 整流变、串联变主要技术参数整 流 变串 联 变型 号ZSG2400/13.8ZSG2000/13.8CDT800/15CDT1000/13.8容 量2400KVA2000KVA3×8000KVA3×1000KVA高 压 侧电 压2一314.49KV14.49KV正常一次侧电压29V正常一次侧电压80

48、V3一413.8KV13.8KV4一513.11KV13.11KV高压侧电流(一次侧)100A84A8.125KA5.98KA低压侧电压(二次侧)727V790V83V144V低压侧电流(二次侧)1900A1462A1.711KA1.35KA强励电流一次26.8KA15.8KA强励电流二次2.54KA2.18KA接线方式Y/Y一12Y/Y一121/1一121/1一12绝缘等级BBBB相 数三相三相三相三相冷却方式空气自冷空气自冷空气自冷空气自冷制造厂沈阳变压器厂沈阳变压器厂沈阳变压器厂沈阳变压器厂 2 葛洲坝电厂功率柜原理葛洲坝电厂励磁整流柜即功率柜，全部采用可控硅三相全控桥电路，其接线特点是六个桥臂元件全都采用可控硅管，共阴极组的可控硅元件及共阳极组的可控硅元件都要靠触发换流。它既可工作于整流状态，将交流变成直流；也可工作于逆变状态，将直流变成交流。正是因为有逆变状态，励磁装置在正常停机灭磁时