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半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由基本單元和輔助單元兩大部分組成.其方框圖見圖2。

微機(jī)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

微機(jī)(含可編程控制器)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由硬件和軟件兩大部分組成。

1、硬件包括主機(jī)和外圍設(shè)備(接口電路.模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量的輸入輸出通 道和電源等)。如果是雙微機(jī)、雙通道.則還包括雙機(jī)檢測(cè)切換及其通信連線。

2、軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的編寫、調(diào) 試、修改和運(yùn)行監(jiān)控等功能。它包括操作系統(tǒng)、編譯程序、調(diào)試程序和監(jiān)控程序等。編 程.過去采用匯編.現(xiàn)在多用C語言; 可編程控制器勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則采用梯形圖編程。 系統(tǒng)軟件由微機(jī)生產(chǎn)廠配套提供。應(yīng)用軟件可分為主程序和調(diào)節(jié)控制程序。

混合式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

混合式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器包括微機(jī)-模擬型和可編程控制器-模擬型兩種.價(jià)格比較便宜.適用于老廠技術(shù)改造。

1、測(cè)量比較單元。測(cè)量發(fā)電機(jī)電壓信號(hào).將其按比例變換成直流電壓信號(hào).與給定直流電壓進(jìn)行比較.送出發(fā)電機(jī)電壓偏差信號(hào)。為使并列運(yùn)行的各機(jī)組合理穩(wěn)定地分擔(dān)無功功率.應(yīng)設(shè)置調(diào)差單元。

2、綜合放大單元。由綜合放大環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)和適應(yīng)器環(huán)節(jié)組成。綜合放大 環(huán)節(jié)將各種基本測(cè)量輸出的、反饋和輔助限制生成的、以及穩(wěn)定和補(bǔ)償反應(yīng)的各種直流 信號(hào)加以綜合放大.輸出給比例積分環(huán)節(jié)。比例積分環(huán)節(jié)按預(yù)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行加工后輸出。適應(yīng)器環(huán)節(jié)將信號(hào)電壓經(jīng)放大加工成為移相控制信號(hào)電壓以控制勵(lì)磁電壓。

3、移相觸發(fā)單元。接受綜合放大單元的輸出信號(hào)電壓的大小.改變晶閘管觸發(fā)控制角的大小.以控制勵(lì)磁電壓。

4、穩(wěn)壓電源。把輸入的交、直流電源變換成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器所需的、電壓穩(wěn)定的電 源。對(duì)輸入的交、直流電源要能適時(shí)自動(dòng)切換。

5、其他各種輔助功能單元:

1)最大勵(lì)磁電流限制器。將晶閘管整流橋輸出的總電流值限制在給定的勵(lì)磁頂值電流以下。

2)勵(lì)磁過電流限制器。在強(qiáng)勵(lì)或勵(lì)磁過電流達(dá)到允許時(shí)間時(shí).將勵(lì)磁電流減小到長期允許最大值。

3)欠勵(lì)磁限制器。根據(jù)發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算的需要.將晶閘管整流橋輸出最小電流限制在有功功率對(duì)應(yīng)的給定值上。

4) 電壓/頻率限制器。主要用于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開空載運(yùn)行期間.防止因調(diào)速器故障而使機(jī)組低于工頻運(yùn)行.出現(xiàn)誤強(qiáng)勵(lì).產(chǎn)生過勵(lì)磁故障。

6、手動(dòng)單元。早期手動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁.采用開環(huán)方式.后來采用以勵(lì)磁電流為信號(hào)源的閉環(huán)調(diào)節(jié)方式。

7、跟蹤單元。在調(diào)節(jié)器以"自動(dòng)方式"按發(fā)電機(jī)端電壓為信號(hào)閉環(huán)調(diào)節(jié)的每一時(shí) 刻.跟蹤單元將手動(dòng)單元的勵(lì)磁電流信號(hào)"自動(dòng)緊緊跟蹤對(duì)應(yīng)前述電壓信號(hào)".以保證 在"自動(dòng)"切換到 "手動(dòng)"方式時(shí).不出現(xiàn)勵(lì)磁的大幅度波動(dòng)。當(dāng)調(diào)節(jié)器 "自動(dòng)"調(diào)節(jié) 方式有一主一備雙通道時(shí).則需要保證備用通道自動(dòng)跟蹤主通道的信號(hào)。

8、失衡(脈沖消失)保護(hù)。監(jiān)測(cè)主通道.在主通道脈沖消失或失常時(shí).自動(dòng)切換到備用通道。

9、電壓互感器斷線保護(hù)。當(dāng)勵(lì)磁測(cè)量信號(hào)所用的電壓互感器電壓因故障消失時(shí). 將勵(lì)磁調(diào)節(jié)器從"自動(dòng)"切到"手動(dòng)"運(yùn)行。

微機(jī)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器各單元的功能

1、模擬量輸入輸出通道。輸入采樣的量為發(fā)電機(jī)端電壓、定子電流、有功功率、 無功功率、轉(zhuǎn)子電流和系統(tǒng)電壓等電量。采樣可以是交流也可以是直流。交流采樣每周12點(diǎn)即可。

2、開關(guān)量輸入輸出通道。為了安全和防止干擾.開關(guān)量輸入輸出通道均需經(jīng)過光 電隔離。它主要用于現(xiàn)場(chǎng)操作、參數(shù)給定、機(jī)組狀態(tài)、保護(hù)等信號(hào)的輸入.以及調(diào)節(jié)器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)其他勵(lì)磁設(shè)備的操作指令和調(diào)節(jié)器各種故障信號(hào)的輸出。

3、數(shù)字式移相觸發(fā)器。其功能和結(jié)構(gòu)與模擬式移相觸發(fā)器類似.由同步整形、移相計(jì)算、脈沖形成、脈沖放大等環(huán)節(jié)組成。

微機(jī)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件功能

微機(jī)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)就是將模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)由硬件實(shí)現(xiàn)的功能.如信號(hào)比較、限制、綜合等功能用軟件代替。

單變量調(diào)節(jié)

比例調(diào)節(jié)P、比例積分調(diào)節(jié)PI和比例積分微分調(diào)節(jié)PID三種調(diào)節(jié)的變量只有發(fā)電 機(jī)的機(jī)端電壓Ut.或者是Ut與給定電壓值之差ΔUt.故稱為單變量調(diào)節(jié)。其傳遞函數(shù)分別為:

1、比例調(diào)節(jié)P為U(s)=KpΔ Ut(s)

2、比例積分微分調(diào)節(jié)PID為

式中 U——調(diào)節(jié)器輸出電壓值.V;

UREF——給定電壓值.V;

Ut——與發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓相對(duì)應(yīng)的三相電壓有效值的平均值.V;

s——Laplace算子。

實(shí)踐證明.PID調(diào)節(jié)的應(yīng)用.明顯地提高了同步發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)振蕩時(shí)的阻尼作用和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的性能品質(zhì).但仍然不能滿足遠(yuǎn)距離、重負(fù)荷輸電的要求。有資料說明.這種調(diào)節(jié)方式可將系統(tǒng)極限角δm從無調(diào)節(jié)時(shí)的90°提高到100°左右;但若采用高增益調(diào)節(jié)器.也可能提高到105°或110°。

線性多變量控制

1、強(qiáng)力式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。早在50年代中期.前蘇聯(lián)提出了強(qiáng)力式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器.除 了采用發(fā)電機(jī)端電壓偏差ΔUt外.還采用發(fā)電機(jī)頻率偏差Δf及其一次微分和發(fā)電機(jī)定 子電流及其一次微分等輔助反饋?zhàn)兞�。在設(shè)計(jì)上采用"雙變量D域劃分法"。這種調(diào)節(jié) 器具有在保證調(diào)節(jié)精度下穩(wěn)定勵(lì)磁、提高發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)與暫態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定性、抑制系統(tǒng)事故 后的振蕩等功能.在前蘇聯(lián)得到推廣應(yīng)用。但由于設(shè)計(jì)方法不方便.共同穩(wěn)定域很小. 參數(shù)整定困難等原因.在國際上和我國均未普遍應(yīng)用。

2、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS。它是在PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上.附加發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差 Δω、功率偏差ΔPe、頻率偏差Δf中的一種或兩種信號(hào)的二階超前校正環(huán)節(jié)作為附加控 制。其作用是.增加對(duì)電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩的阻尼.以增強(qiáng)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。有資 料說明.采用PSS可將系統(tǒng)極 限運(yùn)行角提高到110°~120°。 以Δf(Δω) 為附加信號(hào)的 PSS控制器傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

我國引進(jìn)設(shè)備所采用的 PSS的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖見圖4。采用了WASH-OUT 濾波器.保證在任何情況下.直流分量附加到調(diào)節(jié)器控制回路中。兩個(gè)放大因子KSS1和KSS2"加權(quán)"用計(jì)算機(jī)程序 計(jì)算。設(shè)定值取決于機(jī)組參數(shù)、機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)阻抗.從而決定其相位超前和滯后以 及穩(wěn)定信號(hào)的幅度.以求所有運(yùn)行點(diǎn)都達(dá)到好的阻尼效應(yīng)。

3、線性最優(yōu)勵(lì)磁控制LOEC。為了進(jìn)一步改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定及動(dòng)態(tài)品質(zhì). 70年代初.國際上一些學(xué)者提出了線性最優(yōu)控制方式LOEC。80年代清華大學(xué)對(duì)此進(jìn) 行了研究.研制成功工業(yè)樣機(jī).經(jīng)由天津電氣傳動(dòng)研究所、武漢洪山電工研究所制造生產(chǎn)的產(chǎn)品.已在碧口、劉家峽、白山、紅石等水電站的機(jī)組上投入運(yùn)行。有資料說明. 結(jié)合實(shí)際計(jì)算.這種勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式.可將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限角δm提高到127°。但是. 它是基于系統(tǒng)全狀態(tài)量的最優(yōu)線性反饋的.要求狀態(tài)量能實(shí)際測(cè)量.從而給實(shí)際應(yīng)用帶來了困難。而且將其應(yīng)用于多機(jī)電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)時(shí).不能得到分散的最優(yōu)控制規(guī) 律.只能得到次優(yōu)的控制方案.這不能不是一種缺陷.在非線性系統(tǒng)中.一旦偏離了設(shè)計(jì)工況.最優(yōu)控制就不存在了。

4、零動(dòng)態(tài)多變量勵(lì)磁控制ZDEOC。ZDEOC的設(shè)計(jì)原則是僅僅保證輸出狀態(tài)量的 動(dòng)態(tài)品質(zhì)在任何時(shí)刻都是最優(yōu)的.即系統(tǒng)輸出狀態(tài)量的動(dòng)態(tài)偏差Y (t)在任何時(shí)候都 趨于零.即.當(dāng)t≥0時(shí).Y (t) =0。而對(duì)其發(fā)電機(jī)的其他狀態(tài).即內(nèi)部狀態(tài).無須 苛求.只求穩(wěn)定即可。這種調(diào)節(jié)規(guī)律系由清華大學(xué)提出.在電力自動(dòng)化研究院電氣控制 技術(shù)所生產(chǎn)SJ800微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上配置.已在動(dòng)模上作了單機(jī)無窮大系統(tǒng)試驗(yàn).證明 能有效改善遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性.現(xiàn)已在巖灘水電站300MW機(jī)組上投入運(yùn)行。

非線性多變量勵(lì)磁控制NEC

NEC在設(shè)計(jì)中.對(duì)于小干擾和大干擾.都采用電力系統(tǒng)精確的非線性模型。應(yīng)用微 分幾何方法對(duì)電力模型(可表示為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的仿射非線性系統(tǒng))進(jìn)行精確線性化.尋找適 當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換及非線性狀態(tài)反饋.使系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)完全可控的線性系統(tǒng).由此求出線性 最優(yōu)控制.從而求得非線性控制。經(jīng)變量代換.最終得出非線性最優(yōu)控制規(guī)律NOEC。

清華大學(xué)用這種NEC的理論和方法設(shè)計(jì)并研究成功GEC-1型微機(jī)非線性勵(lì)磁控 制器.它一舉解決了電力系統(tǒng)小干擾與大干擾控制的統(tǒng)一性、控制對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的魯棒 性、分散最優(yōu)控制等三個(gè)關(guān)鍵問題.有利于提高輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平。

GEC-1型微機(jī)非線性勵(lì)磁控制器.從1994年11月起已經(jīng)在豐滿水電站一臺(tái)容量為 85MW的水輪發(fā)電機(jī)組和10臺(tái)容量為100~200MW的汽輪發(fā)電機(jī)上成功地運(yùn)行。西北電網(wǎng)的穩(wěn)定仿真計(jì)算表明.依靠這種控制器不僅抑制了西電東送所出現(xiàn)的弱阻尼振蕩.而且還 提高了東電西送動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限。對(duì)三峽工程機(jī)組勵(lì)磁方式的研究表明.采用NEC方式.在 各種運(yùn)行方式下.都能提供很強(qiáng)的人工阻尼.在提高系統(tǒng)暫態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定方面.均優(yōu)于目前 的所有PSS和LOEC。以單機(jī)對(duì)無窮大系統(tǒng)的為例.靜態(tài)穩(wěn)定極限比采用PID方式提高 35.7%.比采用PSS方式提高7.1%.比采用LOEC方式提高15.7%;暫態(tài)穩(wěn)定極限比采用 PID方式提高38%.比采用PSS方式提高4.7%.比采用LOEC方式提高14.2%。