电气工程及其自动化专业本科毕业论文Word格式.docx
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第1章绪论
1.1发电机励磁控制系统简介
同步发电机的励磁装置是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机的励磁电源的一套系统。
励磁装置一般由两部分组成，一部分用于向发电机提供直流电流以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分;
另一部分用于在正常运行或发电机发生故障时调节励磁电流以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分（或称控制单元，亦称励磁调节器）。
同步发电机的运行特性与它的气隙电势Eq值的大小有关，而Eq的值是发电机励磁电流IL的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性。
因此对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实施控制的重要内容之一。
电力系统正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。
在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降。
为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。
可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的稳定性及可靠性的方面都起着重要的作用。
同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成。
如图1-1所示。
励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流;
励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。
整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。
图1-1同步发电机励磁控制系统构成示意图
在电力系统发展初期，同步发电机容量较小，励磁电流通常由与发电机组同轴的直流发电机供给，即直流励磁机方式。
随着发电机容量的提高，所需励磁电流也随之增大，而直流励磁机由于存在机械整流环，功率过大时制造存在困难，因此在大容量的发电机组上很少采用。
同步发电机半导体励磁系统中的直流励磁电流是通过把交流励磁电源经半导体整流后得到的。
根据交流励磁电源的不同种类，同步发电机半导体励磁系统又可分为两大类：
1.他励半导体励磁系统
这类励磁系统采用与主发电机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，经二极管、晶闸管或全控功率器件进行整流后，供给发电机励磁；
这类励磁系统由于交流励磁电源取自轴功率，即主发电机之外的独立电源，故称为他励半导体励磁系统，简称他励系统。
用作励磁电源的同轴交流发电机称为交流励磁机。
2.自励半导体励磁系统
这类励磁系统通常采用变压器提供交流励磁电源，励磁变压器接在发电机机端或厂用电母线上。
因励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电力系统，故这种励磁方式称为自励励磁系统，简称自励系统。
1.2励磁控制系统的作用
1.2.1维持发电机端电压在给定水平
在发电机正常运行条件下，励磁系统应维持发电机机端（或指定控制点）电压在给定水平。
通常当发电机负荷变化时，发电机机端电压将随之变化，这时，励磁系统将自动的增加或减少发电机的励磁电流，使机端电压维持在一定的水平上，保证有一定的调压精度。
当机组甩负荷时，通过励磁系统的快速调节作用，应限制机端电压不致过分升高。
维持发电机机端（或制定控制点）电压在给定水平上是励磁控制系统最基本和最重要的作用。
1.2.2提高电力系统的静态稳定性
当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行特性称为电力系统的静态稳定性。
现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率。
这需要解决许多技术问题。
而其中最重的和最基本的困难之一是同步发电机只具有较小的静态稳定性。
但由于自动励磁的调节装置的出现，使这一问题得到了圆满的解决。
我们知道，对于一条交流输电线路，在不计电阻损耗的前提下，其上流动的有功功率P与线路两端电压
、
，线路电抗X间的关系为：
（1-1）
其中，
为两端电压之间的电角度差。
在
=
时线路达到所能输送的极限功率，即
对于单机——无穷大母线系统，不考虑凸极效应和定子电阻。
发电机送出的有功功率P可用以下两式表示
（1-2）
（1-3）
式中：
为Eq与Us间的电角度差；
为Ut与Us间的电角度差；
Xd为发电机同步电抗；
Xt为变压器电抗；
XL为线路电抗；
Eq为发电机空载电动势（励磁电动势）；
Ut为发电机机端电压；
Us为无穷大母线电压。
在发电机不进行励磁调节，即Eq=Eq0不变的条件下，极限功率角为
，线路所能传送的静稳极限功率为：
（1-4）
当有励磁调节器，并且具有足够能力维持发电机端电压为恒定不变时，极限功率角为
，此时线路所能输送的静稳极限功率为
（1-5）
由于同步发电机内电抗较大，通常PmUt要大于PmEq。
这样，发电机励磁调节器实际上起到了补偿发电机内电抗的作用。
最初的复励和电压校正器由于允许的反馈增益系数较小，通常只相当于补偿掉
那一段内阻抗，这时静稳功率极限只提高到
维持不变的功角特性最大值。
灵敏快速的励磁调节器可以维持发电机机端电压恒定，相当于补偿了全部发电机的d轴同步电抗，即达到线路静稳功率极限。
1.2.3改善电力系统的暂态稳定性
电力系统的暂态稳定性是指系统遭受到大干扰（如短路，断线等）时，能否维持同步运行的能力。
总的来说，调节励磁对暂态稳定的改善没有对静态稳定那样显著。
励磁系统对提高暂态稳定而言，表现在强行励磁和快速励磁的作用上。
只有励磁电压上升快速并且顶值电压高的励磁系统对于改善暂态稳定才有较显著的作用，快速强励可减少加速面积，增加减速面积，提高系统的暂态稳定性。
由于提高励磁系统的强励倍数受到励磁系统和发电机制造成本的制约以及发电机转子时间常数较大使励磁电流上升速度受到限制等原因，使得靠励磁控制来提高暂稳极限的幅度不可能像提高静稳极限那么显著，但其提高暂稳极限的效益还是明显的。
良好的励磁控制在增加人工阻尼，消除第二摆或多摆失步方面的作用则更为重要。
1.2.4改善电力系统的动态稳定性
动态稳定是研究电力系统受到扰动后，恢复原始平衡点（瞬时扰动）或过度到新的平衡点（大扰动后）的过程稳定性。
研究的前提是：
1.原始平衡点（或新的平衡点）是静态稳定的；
2.大扰动的过程是暂态稳定的。
电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电震荡的阻尼问题。
当阻尼为正时，动态是稳定的；
阻尼为负时，动态是不稳定的；
阻尼为零时，是临界状态。
零阻尼或很小的正阻尼，都是电力系统运行中的不安全因素，应采取措施提高系统的阻尼特性，即动态响应特性。
研究表明，按电压偏差调节的比例式快速励磁系统，会造成电力系统机电震荡阻尼变弱。
在一定的励磁方式和励磁系统参数下，快速励磁调节系统的电压调节作用，在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的阻尼作用，当系统总阻尼较小时，就容易导致低频振荡的发生。
目前解决这一问题的方法，是在励磁调节器上附加一个补偿环节，称为电力系统稳定器。
此外，采用现代控制理论的励磁控制器，如线性最优励磁控制器、自适应励磁控制器和非线性励磁控制器等励磁系统，也能有效的抑制各种频率的低频震荡。
当电力系统的负荷发生突变、线路结构参数改变，以及电力系统遭受突然短路等故障时，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳定性，这也是同步发电机的重要性能之一。
增加励磁自动调节系统强励能力，降低励磁调节系统的时间常数，是提高电力系统动态稳定性的有效措施。
1.2.5在并列运行的发电机间合理分配无功功率
多台发电机在母线上并列运行时，他们输出的有功决定于输入的机械功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关，控制并联运行的发电机之间无功分配是励磁控制系统的一项重要功能。
各并联发电机间承担的无功功率的大小取决于各发电机的调差特性，即发电机端电压和无功电流的关系。
当母线电压发生波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，与调差系数成反比。
通常我们希望发电机间的无功电流应当按照机组容量的大小成比例的进行分配，即大容量机组担负的无功增量应大些，小容量机组担负的无功增量相应小写，这样就可使得各机组无功增量的标幺值相等。
由于励磁调节器可对调差系数进行调节，所以就可以达到机组间无功负荷合理分配的目的。
1.3自动励磁调节器的组成及功能
1.3.1基本工作电路
基本工作电路是可控励磁装置向发电机提供励磁电流并完成自动调节任务必不可少的单元电路，它包括如下工作电路：
电源变换与无功调差：
将发电机输出电压变换成自动检测所需的电压信号，并复合无功电流的变化量，输出一个既可反映电压差变化又能反映无功电流变化量的信号源。
自动检测比较：
对电源变换与无功调差电路输出的信号进行检测，将发电机端电压的偏移和功率因数的变化量与给定值进行比较，输出一个直流电压偏差信号，经过放大后去控制可控硅的导通角。
电压偏差和无功电流变量综合放大：
由于自动检测比较电路的输出信号比较微弱，为了满足励磁系统静态与动态的自动调节精度，故必须加以放大。
此外，由于除了自动检测的偏差信号之外，还有其他辅助控制信号（如过励限制、欠励限制等）的综合作用，共同作用于移相触发电路。
移相触发电路：
将综合并放大的控制信号转换为对应于各相可控硅的移相触发脉冲。
励磁功率输出电路：
一般由励磁电源和可控变流器件组成，可控变流器件由移相触发脉冲进行控制。
改变移相触发脉冲的相位即可改变功率输出单元的输出电压，以实现调节励磁的目的。
1.3.2辅助工作电路
辅助工作电路是为了使发电机安全运行而设置的各种保护电路和便于运行操作的附加装置。
主要有：
1.起励电路：
启动发电机时，当发电机转子的剩磁无法建立电压时，要利用起励电路供给发电机初始励磁电流。
2.手动、自动控制方式切换电路：
在发电机组进行试验，线路递升加压和继电保护试验时，必须由手动方式调节励磁。
此外，手动调节励磁电路还可作为自动调节励磁电路故障时的备用。
3.欠励限制电路：
为了防止励磁电流过分降低时，发电机定子电流和电压关系由滞后的功率因数角变为超前的功率因数角，导致发电机发生进相运行，使机组失去稳定或危及机组的安全运行，故设置欠励限制电路。
4.过励限制电路：
当系统电压剧降时，自动励磁调节器将对发电机进行强励，为了保证发电机和可控整流桥的安全，故设置过励限制电路将转子励磁电流限制在安全范围内。
5.低压触发电路：
在自并励型可控硅静止励磁系统中，当发电机端电压过度降低时，会导致励磁变压器副边电压过低，使励磁系统无法工作。
这时装设低电压触发电路可使可控硅元件在瞬间完全导通，迅速提升励磁电流。
1.4同步发电机励磁控制方式研究现状
同步发电机励磁调节对提高电力系统稳定性起着重要的作用，随着快速励磁系统的广泛应用，励磁控制对电力系统稳定性的影响效果越来越明显，科技工作者对发电机励磁控制系统进行了长期而广泛的研究，取得了许多显著的成果。
研究主要集中在两个方面:
一是励磁方式的改进，二是励磁控制方式的改进。
这两方面是相互联系的。
随着控制理论的不断发展，励磁控制方式主要经历了三个发展阶段，即单变量控制阶段、线性多变量控制阶段和非线性多变量控制阶段。
1.4.1基于单变量控制方式
单变量控制阶段的控制规律是按发电机端电压偏差
Vt的比例进行调节或
Vt的比例一积分一微分进行调节（PID调节方式）。
运用古典控制理论建立按
Vt的比例进行的励磁调节是由于无法对控制对象进行精确的数学模型描述而采取的一种简单实用的控制方法，但对增益K的调整却出现了矛盾。
要使闭环系统成为稳定系统，必须将增益K的值限制在一定范围，而要提高系统的稳态精度就得使增益K大于某一值，有时这二者是无法满足的。
随之，就诞生了PID调节方式，它在一定程度上缓和了对单反馈量的励磁调节系统，按系统稳定性与按稳态调压精度对调节器放大倍数要求之间的矛盾，它就相当于一台可自动改变增益的比例式调节器。
1.4.2基于现代控制理论的多变量控制方式
为了进一步改善与提高电力系统的动态品质与小干扰稳定性，多变量反馈的励磁控制方式便逐步发展起来。
具有代表性的方法就是增加了PSS环节的PID励磁控制和LOEC线性最优励磁控制。
所谓PSS的控制方式，实际上是采用双状态变量的反馈控制方式，就是在励磁调节器中除了用状态量
Vt作为反馈量外再引入一附加镇定参量。
为了得到尽可能好的控制效果，所引的镇定参量不是直接进行反馈于另一反馈量
Vt相加，而是经过一定的校正环节后再与反馈量
Vt相加，目前所采用的附加镇定参量种类有转速
w，发电机端电压的频率
f，发电机电磁功率
pe。
PSS环节的存在，在其参数设计和选取得比较合适的条件下，可使原有的PID控制系统主导特征值左移，起到改善电力系统阻尼特性和小干扰稳定性的作用。
为了进一步改善电力系统小干扰稳定性及动态品质，科学工作者提出了线性最优励磁控制方式，简称LOEC。
该控制方式由于考虑了电力系统多个控制目标的综合，并采用最优化设计，因而具有更好的动态性能，在鲁棒性和适应性上也有很大的改善。
弥补了PSS控制方式的不足之处。
最优控制理论的主要特点是:
不是建立在传递函数的基础上，而是建立在空间状态方程的基础上，是基于系统稳定性的方法;
适用于多控制量的系统;
可以根据被控对象的实际要求，用解析的方法得出最优控制规律，以保证要求的性能指标达到极值;
不局限于常系数线性系统，而亦适用于时变的线性系统、非线性系统及离散系统等。
描述发电机系统的运动方程是一系列非线性方程，线性最优控制将这些非线性方程在时域内逐点线性化，计算出最优控制规律。
控制效果与PSS相比，可提高发电机的静稳20%，提高暂稳30%。
其局限性之一是线性化的结果与实际的非线性方程有一定的偏离；
其二是当电力系统的接线方式发生变化，其描述系统的状态方程将和实际的系统出现偏差而导致控制性能出现微小的下降。
但这种控制规律比起PID+PSS仍然具有明显的优势。
它是基于电力系统状态变量的线性组合，这种控制方式具有以下优点:
第一，可直接根据解析结果整定控制器的最优参数。
第二，系统在偏离设计的最优运行状态下的动态响应与设计的最优运行状态下的动态响应之间相差甚微。
第三，最优励磁控制规律是全部状态量的最优线性组合。
这种组合能够保证系统在过渡过程中各状态量对其稳态值的平方误差的积分最小，故其控制效果不受振荡频率的影响。
第四，可使系统获得高的微动态稳定极限。
但是，LOEC励磁控制方式也存在一些不足，首先由于设计是基于平衡点处的近似线性化模型，因而当系统远离所设计的平衡点时或在系统受大干扰引起的暂态过程中，不能够保证具有很好的控制特性，即对系统的运行点变化的鲁棒性得不到保证。
其次所设计的控制器和网络结构相关，对系统网络结构变化的适应能力也无法得到保证。
再次在多机系统线性最优分散协调励磁控制中，由于只能获取有限的状态变量，因此只能获得相对次最优的控制效果。
最后，与AVR/PSS式励磁控制器相比，往往缺少足够高的电压反馈增益。
1.4.3非线性多变量励磁控制方式
由于电力系统是一个强非线性和结构多变的系统，大多数实际工程控制系统也都是非线性系统，非线性系统的问题最后要用非线性的控制理论来解决。
随着非线性控制理论的发展，如微分几何法、直接反馈线性化法，李雅普诺夫函数法，变结构控制、逆系统法等等，各种非线性励磁控制方式也迅速发展起来。
a）李雅普诺夫方法
李雅普诺夫（LyaPunov）稳定性定理是关于运动稳定性问题的一般理论和方法，提出一个多世纪以来，大量学者围绕其应用作了系统的研究。
该方法以李雅普诺夫第二稳定性理论为基础，通过构造能反映机组运行规律的李雅普诺夫函数并以其为最小目标进行设计。
它的特点是直接考虑系统的非线性特性从而进行控制。
将李雅普诺夫函数法运用到单机无穷大系统励磁控制器的设计，并取得了较为满意的结果。
另外，该方法具有原理简单易于掌握等优点，但缺点是LyaPunov函数不容易找到。
且在多机系统的设计中难以实现分散控制。
文献将李雅普诺夫第二稳定性理论应用到电力系统控制中，通过构造反映机组运行规律的李雅普诺夫函数并以其为最小目标进行设计。
这些方法直接考虑系统的非线性特性，原理简单，易于掌握。
其中推导了以同步发电机机端电压、功角（转子运行角）和转速等作为变量的非线性状态方程，构造出一个能反映机组运行规律的LyaPunov函数，并根据LyaPunov渐进稳定原理设计发电机组的励磁控制规律。
用大范围线性化方法将非线性系统转化为线性系统，然后利用线性系统的Lyapunov方法进行设计。
但是使用这种方法有一个较大的局限就是李雅普诺夫函数不容易得到，尤其是对于复杂系统，当系统数学模型超过三阶时，寻找李雅普诺夫函数非常困难。
b）基于微分几何数学方法
基于微分几何方法属于反馈线性化方法的一种，它通过合理的坐标变换找到非线性反馈规律，引入虚拟控制量将非线性系统映射为一个线性系统，使非线性系统在一定范围内实现精确线性化，线性控制理论所有的方法都可以直接加以利用，从而把非线性系统的分析与设计转化为线性系统的分析与设计问题。
近年来，许多学者将微分几何方法引入到发电机非线性励磁控制规律的设计中，取得了较为满意的控制效果。
该方法的缺点是数学过程复杂、不直观，不易为工程技术人员所掌握。
直接反馈线性化方法是另一种使非线性系统实现线性化的方法，与微分几何法相比，这种方法数学过程非常简单，不需要进行复杂的坐标变换和数学推导，直接便可得到线性化的结果。
通过变化系统的状态方程，使非线性因素和控制量集中出现在某一高阶微分方程中，通过虚拟控制输入量的建立，直接找到非线性补偿规律，从而使原非线性系统达到线性化的目的。
该方法的优点是数学过程简单，物理概念清晰，且适用于所有非线性系统，易于工程应用。
缺点是运用该方法设计的控制器与网络参数有关，因此无法保证对网络变化的鲁棒性。
用解析的方法证明直接反馈线性化方法和微分几何法可以得到完全相同的非线性励磁控制规律。
上述应用于电力系统的微分几何方法，直接线性化和逆系统方法实质上都是一种反馈线性化的方法。
它们把非线性的电力系统控制问题，采用各种方法，线性化成线性系统，再利用线性控制理论加以分析与设计，克服了采用单点线性化模型产生的不足，对发电机运行点的变化和系统网络结构的改变具有较好的适应能力。
c）非线性变结构和鲁棒控制设计方法
八十年代以来，变结构控制开始应用于电力系统同步发电机励磁控制器的设计中，研究表明其能有效地解决电力系统控制的鲁棒性问题。
但目前这些方法还存在一些问题，如滑动模态的到达条件比较严格，开关逻辑函数的设计比较困难等。
特别是变结构控制的抖动问题严重影响了它的广泛应用。
鲁棒励磁控制的主要目的是通过一种设计方法来保证得到的控制器在预定的参数和结构扰动下仍然能保证系统的稳定性和可用性。
目前，己有大量的文献报导了以滑模变结构控制、
控制和
综合理论为代表的鲁棒控制理论在发电机励磁控制器设计中的应用。
研究表明，它们具有良好的针对参数摄动、非线性项和不确定的鲁棒性，有很乐观的应用前景。
但该设计方法有其不足之处，如控制理论本身有待进一步完善，而且在应用于发电机励磁控制设计时，在模型和实现上还有许多实际问题需要进一步研究。
1.4.4智能控制方法
随着智能控制理论的迅速发展，模糊逻辑励磁控制、基于规则（专家系统）的励磁控制、人工神经网络励磁控制、基于迭代学习算法的励磁控制等许多先进控制策略被广泛地应用到发电机励磁控制中。
在人工智能应用于励磁控制时，并不需要被控对象精确的数学模型，其控制效果是由控制规则及其对系统运行变化的适应能力决定的。
近年来，模糊控制技术得到了越来越多的重视，模糊控制不依赖对象的数学模型，鲁棒性好，简单实用，可以离线形成控制表存储在控制器中，可以很好地满足励磁控制系统快速反应的要求，因而在发电机励磁控制器的设计上受到关注，并取得了一定的实际效果。
1.5国外研究及发展状况
大型同步发电机励磁控制研究长期以来是一个非常活跃的领域，成为各种控制理论和方法的“试金石”,经过多年的探索，在理论和实践上,都已取得了丰硕的成果；
而在目前和将来,随着电网规模的不断扩大及其对安全稳定性水平要求的提高，以及控制理论的推陈出新,这一领域的研究将继续深入发展。
作者认为，在当前,应该对此进行一些实事求是和“承上启下”的分析和小结，以明确：
哪些问题已得到了比较圆满的解决，不需要再花精力去研究了哪些关键问题还没有得到满意的解答，是今后研究的着力点；
哪些问题仍然模糊不清，亟待明确;
而哪些问题乃细枝末节，不必沉溺于其中等等，将是大有裨益的事。
诚然,想完成这件有益的事并非一两个研究组发表一两篇文章所能胜任的。
需要不同学派同仁各抒己见、集思广益，方能奏效。
文章尝试对大型发电机组励磁控制发展的历史和现状作一简要概括，并从工程角度对已经比较好地解决了的问题、尚存在的问题以及未来大致走向发表拙见。
“疑义相与析”，仅供广大电力科研人员特别是长期从事励磁控制研究的学者参考。
现代大型同步发电机励磁控制的主要目标包括：
高精度的电压调节功能;
机组无功功率分配功能；
提供适当的人工阻尼和提高系统稳定性和传输功率的功能，其中稳定性主要指功角稳定性（包括静态、暂态和动态稳定性）和电压稳定性。
励磁控制设计需要解决的关键问题有：
1.为简化控制器设计所需的多机系统降阶动态等值问题；
2.控制规律构造问题；
3.系统非线性问题——包括可微非线性和不可微强非线性（如控制限幅）的处理及机端电压的处理问题；
4.多机或多子系统间关联的处理,即分散与解耦控制问题；
5.多控制目标的协调问题；
6.励磁控制器之间及其与别的控制手段的协调问题；
7.系统不确定性问题；
8.适应性问题，励磁控制器对不同运行点、运行方式和扰动模式的适应能力和优化程度；
9.控制系统的特性分析,包括闭环系统的稳定性、鲁棒性等。
关于同步发电机励磁控制，还有一些关键的问题迄今没有得到很好地解决，它们是进一步研究的重点所在。
多机系统中的“强”非线性问题,即考虑控制限幅、饱和、切换以及各种实际约束（如端电压约束）条件下的控制系统综合和分析问题。
现有的绝大多数非线性励磁控制所针对的只是常规非线性（或称为光滑可逆非线性）问题，而对工程实际中广泛存在的强非线性“视而不见”，或者只是做事后的定性校验；
针对单机无穷大电力系统提出了一种考虑输入限幅和机组端电压约束的分段LQ励磁控制策略,而对于一般情况的多机电力系统尚需要进行更深入的研究。
将针对大型电力系统任意信息模式下的协调控制理论和针对小型孤立系统的鲁棒自适应设计方法结合起来，解决大系统下考虑参数和
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