專利名稱：可消除負(fù)阻尼的同步發(fā)電機(jī)勵磁控制方法及調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)電機(jī)勵磁控制方法及調(diào)節(jié)器，特別涉及一種可消除負(fù)阻尼的同步發(fā)電機(jī)勵磁控制方法及調(diào)節(jié)器。
現(xiàn)今人們對同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的勵磁調(diào)節(jié)主要要求它能達(dá)到兩個方面的功效1．維持發(fā)電機(jī)端電壓在額定范圍內(nèi)(保持±5％以內(nèi)的偏差)運(yùn)行；2．為本機(jī)組在電力系統(tǒng)中運(yùn)行的穩(wěn)定提供必要的支持。
這第一種功能是勵磁調(diào)節(jié)器原始的功能，從它誕生的第一天起，這就是它的基本功能，勵磁調(diào)節(jié)器最初的設(shè)計就是為實現(xiàn)這一目的的；上述第二種功能人們開始發(fā)現(xiàn)于1938年左右，由前蘇聯(lián)人對此做了探討和總結(jié)，五十年代前后，前蘇聯(lián)設(shè)計建造了古比雪夫和斯大林格勒大型水電站和古比雪夫一莫斯科及斯大林格勒一莫斯科400KV(后升壓為500KV)超高壓輸電線，在此期間，蘇聯(lián)人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)通常單一按發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓反饋調(diào)節(jié)的勵磁調(diào)節(jié)，會造成發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中運(yùn)行時的負(fù)阻尼效應(yīng)，影響了并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定性的進(jìn)一步提高；在對這一問題研究的基礎(chǔ)上，蘇聯(lián)人又設(shè)計制造了“強(qiáng)力式勵磁調(diào)節(jié)器”，這種調(diào)節(jié)器除采用電壓反饋的調(diào)節(jié)機(jī)制外，還加入了機(jī)端電壓的頻率、定子電流的微分等附加的調(diào)節(jié)信號，使在這一方面的理論和實踐都取得了不小的進(jìn)展；但是他們的設(shè)計還存在著根本的缺陷，其控制結(jié)構(gòu)和參數(shù)整定只適合于某種特定的電力系統(tǒng)的連接方式而缺乏必要的普適性，因而在使用上受到了局限(1,2,3)。
由于采用勵磁調(diào)節(jié)以提高本發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定，是提高穩(wěn)定性的諸手段和措施中花費(fèi)最少而又行之有效的方法，所以這種理論和方法受到各國電力行業(yè)專家的關(guān)注，在我國五十到七十年代就將此項技術(shù)列入大學(xué)電力專業(yè)學(xué)科的教科書中，并有不少高等院校和專業(yè)的科研單位對此做了研究，但對上述問題的解決未能取得有效的突破，所以這項技術(shù)在我國未能得到迅速的應(yīng)用。
1969年左右，美國的電力工程專家從電機(jī)學(xué)的理論方面對這一問題給予了更深入的理論闡述，創(chuàng)立了deMello-Concordia模型(4)，并設(shè)計了稱之為PSS(電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)的實用裝置，做為常規(guī)勵磁調(diào)節(jié)器的一個附加裝置在電力系統(tǒng)的許多大型機(jī)組上得到了應(yīng)用。它的性能得到了一定程度的提高，應(yīng)用掌握方面也更容易，因而在歐美各國得到了一定程度的推廣；但是這種新設(shè)計對以上所述的缺陷和局限，并未得到根本的解決，只是緩和了某些矛盾，它的參數(shù)整定仍只適用于某種預(yù)定的電力系統(tǒng)連接方式，缺乏較為寬廣的運(yùn)行方式變化的適應(yīng)性；另外，一個重大缺陷是，由于它是基于線性系統(tǒng)理論分析得來，而電力系統(tǒng)卻是本質(zhì)非線性的，因而它只被限制用來解決小擾動下的穩(wěn)定問題，在電力系統(tǒng)遇有短路沖擊的大擾動下，它被閉塞不能參與調(diào)解(這是人為的，因為它不適應(yīng)于參與大擾動情況下的調(diào)節(jié))。近二十多年來，美國電力系統(tǒng)曾數(shù)次發(fā)生大擾動下的穩(wěn)定破壞事故，造成了全國電力網(wǎng)的解列和大面積停電，這就進(jìn)一步暴露了他們現(xiàn)有PSS技術(shù)的缺點(diǎn)。
在我國現(xiàn)階段，面對電力建設(shè)的快速發(fā)展，特別是大、中型水電站的增多，它們一般遠(yuǎn)離電力負(fù)荷中心，需要長距離輸電；也有一些“坑口”的火力發(fā)電站，送電距離也較長，一些穩(wěn)定性事故也開始頻于出現(xiàn)。所以八十年代以來，在我國一些地方，某些發(fā)電機(jī)組上也開始采用PSS裝置，其中有一些被認(rèn)為具有成效，但仍有一些迫于整定困難和掌握不好的原因，未能投入運(yùn)行。就已投入運(yùn)行的部分機(jī)組來看，主要解決了它們在某些工況下的低頻震蕩問題，對于大擾動下的功效，還很少有考核資料說明其利弊。
我國國內(nèi)，從八十年代初期至今，關(guān)于勵磁調(diào)節(jié)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定影響的研究一直方興未艾，發(fā)表論著甚多，其中影響最大并已取得某些使用經(jīng)驗的是清華大學(xué)盧強(qiáng)、王仲鴻、韓英鐸、孫元章等人以線性二次型最優(yōu)控制理論為基礎(chǔ)所研制的線性最優(yōu)控制勵磁調(diào)節(jié)器和非線性最優(yōu)控制勵磁調(diào)節(jié)器(6,7)，其中前者未能解決電力系統(tǒng)運(yùn)行方式改變對調(diào)節(jié)效果的影響，后者則聲稱已經(jīng)解決。需要說明的是，電力系統(tǒng)由于負(fù)荷的不斷變化，送電線路和設(shè)備的定期或臨時的檢修以及局部性短路事故線路的切除，電力系統(tǒng)的運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和方式不可能一成不變，因而要求發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)能夠適應(yīng)廣泛的系統(tǒng)可能發(fā)生的運(yùn)行方式，這是必須考慮的。另外電力系統(tǒng)快速繼電保護(hù)、快速開關(guān)、快速重合閘等一系列用于解決電力系統(tǒng)大擾動下的動態(tài)穩(wěn)定設(shè)施的效果，是和發(fā)電廠內(nèi)發(fā)電機(jī)組的勵磁調(diào)節(jié)的配合密切相關(guān)的，如果勵磁調(diào)節(jié)使發(fā)電機(jī)運(yùn)行存在負(fù)阻尼，以上設(shè)施的效益會大為降低。已為國內(nèi)、外都早已發(fā)現(xiàn)，大擾動下發(fā)電機(jī)的失去同步(穩(wěn)定破壞)，許多都并非在其第一擺動時發(fā)生的，而是在其后繼的擺動中發(fā)生的，這說明負(fù)阻尼的危害。
目前被認(rèn)為是國內(nèi)外最高水平的非線性最優(yōu)控制的勵磁調(diào)節(jié)器(關(guān)于“最高水平”國內(nèi)、外有認(rèn)同者，也有持否定者)(8,9)還存在以下缺點(diǎn)和問題1．理論上的不完善
(1)在其最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)缺少一個最基本的量一發(fā)電機(jī)端電壓，因而使人們對于這種勵磁調(diào)節(jié)器維持發(fā)電機(jī)端電壓的能力產(chǎn)生疑問，實踐證明了這個問題確實存在；為此原創(chuàng)始人在推出產(chǎn)品時，在穩(wěn)定性能力未加以驗證的情況下，補(bǔ)加了一個電壓反饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)以補(bǔ)救其不足，但這在理論上卻留下了某種空缺。
(2)經(jīng)我們從系統(tǒng)的物理關(guān)系方面所做的分析，他們所采用的二次型最優(yōu)準(zhǔn)則的推理中，由于對發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)采用了某種簡化的數(shù)學(xué)模型，并且不太切合實際系統(tǒng)中矛盾問題的實際和解決這種矛盾問題有針對性的需求，這是理論偏離實際最根本的問題，因此也就難以企求它是解決這一實際問題的有效方法。
(3)最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是多變量的，這些變量之間的權(quán)系數(shù)的選取對于設(shè)計結(jié)果有著重要的影響，而在其設(shè)計中卻給不出這些權(quán)系數(shù)選擇的根據(jù)，而是未加說明地一律選為diag[1,1,0]，這也反映了其理論分析的不完善和不徹底。
2．實用上的不易掌握由于其理論上的不完善，數(shù)學(xué)分析上的過于艱深，加上分析和得出的控制算法物理意義不清，使用了一些不甚合理的假定(6,7)，一般來說，具備相當(dāng)基礎(chǔ)知識的電力系統(tǒng)科技人員也難以理解和掌握這一調(diào)節(jié)器的工作原理，自然也會也會使他們長期處于不能很好掌握運(yùn)行和維修的境地。
3．調(diào)節(jié)器算法結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，需要高速32位計算機(jī)才能實現(xiàn)，增加了運(yùn)行維護(hù)的復(fù)雜性。曾有論文(12)，研討過把機(jī)端電壓納入目標(biāo)函數(shù)的此等算法，已證明其所得結(jié)果將會復(fù)雜到計算機(jī)難以實時處理的地步，這是不可取的。
本設(shè)計發(fā)明的目的
為了適應(yīng)我國電力建設(shè)對于這一技術(shù)的需要，我們從發(fā)電機(jī)勵磁與穩(wěn)定問題關(guān)系的物理機(jī)理分析與研究入手，設(shè)計了可消除負(fù)阻尼的同步發(fā)電機(jī)勵磁控制方法及調(diào)節(jié)器，其技術(shù)上的目標(biāo)是1．使勵磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機(jī)可能的運(yùn)行環(huán)境下(即在輸電線路可輸送的極限功率范圍內(nèi))，可為發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性提供最好的支持，使之不發(fā)生負(fù)阻尼現(xiàn)象或效應(yīng)。要做到這一點(diǎn)，必須使勵磁調(diào)節(jié)器在電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)定調(diào)節(jié)兩方面具有良好的協(xié)調(diào)性，并使這種品性不受電力系統(tǒng)運(yùn)行連接方式變化的影響，具有較高的穩(wěn)健性(ROBUSTNESS)。
2．調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，原理清晰明確，易于實現(xiàn)，其工作原理和整定方法易為一般電廠運(yùn)行調(diào)試人員理解和掌握。
以上目的是這樣實現(xiàn)的(本設(shè)計發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容)1．勵磁調(diào)節(jié)器的電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)采用積分分離式的比例一積分調(diào)節(jié)方式，其目的是既保留部分積分調(diào)節(jié)作用以消除發(fā)電機(jī)電壓的穩(wěn)態(tài)偏差，達(dá)到穩(wěn)態(tài)按調(diào)差系數(shù)的無偏差調(diào)節(jié)，并且消除積分滯后帶來的動態(tài)消極影響，滯后是引起機(jī)組負(fù)阻尼的物理根源，因此剪除積分環(huán)節(jié)中的滯后作用部分是有積極意義的。
所謂積分分離式比例-積分調(diào)節(jié)，是將積分調(diào)節(jié)作用限制在被控量ΔUt(發(fā)電機(jī)偏電壓偏差)的以下范圍內(nèi)當(dāng)symb[dΔUtdt]=symb[ΔUt]]]>時，積分環(huán)節(jié)的輸入與偏差信號(ΔUt)相連通(即積分環(huán)節(jié)輸入等于ΔUt)，積分環(huán)節(jié)正常投入，參與調(diào)節(jié)工作。當(dāng)symb[dΔUtdt]≠symb[ΔUt]]]>時，積分環(huán)節(jié)的輸入與偏差信號(ΔUt)不連通，而改為置“0”(零)(即積分環(huán)節(jié)輸入為0)，其輸出將保持前此所達(dá)到的數(shù)值不變，與比例環(huán)節(jié)共同參與調(diào)節(jié)作用，直到下次上述等式成立時又重新恢復(fù)積分環(huán)節(jié)輸入端與偏差信號(ΔUt)相連。
這里symb[·]指方括號[·]內(nèi)的量·的符號值，為“正”或為“負(fù)”。
ΔUt=Ut-UtRUtR為發(fā)電機(jī)端電壓Ut的設(shè)定值。
2．將發(fā)電機(jī)定子電流的縱軸分量的測量計算值
組成(Xd-Xd′)i^d]]>信號量，經(jīng)比例一微分運(yùn)算后作為穩(wěn)定系統(tǒng)的附加調(diào)節(jié)信號，與上述電壓調(diào)節(jié)作用綜合(實為相加)，構(gòu)成勵磁調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)節(jié)信號。這里Xd,Xd＇分別是發(fā)電機(jī)縱軸同步電抗和縱軸暫態(tài)電抗。
是由發(fā)電機(jī)定子電流的實測值經(jīng)運(yùn)算而得到的發(fā)電機(jī)定子電流縱軸分量(Xd-Xd′)i^d]]>組成這一信號的最佳選擇。這里Xd,Xd＇分別是發(fā)電機(jī)縱軸同步電抗和縱軸暫態(tài)電抗。
是一個測量計算值，這是指它是根據(jù)定子電流三相，即ia,ib,ic的實測值通過計算而得到的數(shù)值。發(fā)電機(jī)的內(nèi)功率角
的二階導(dǎo)數(shù)d2δ^idt2]]>亦可作為附加調(diào)節(jié)的作用量加入調(diào)節(jié)作用。它或與上述(Xd-Xd′)i^d]]>的附加調(diào)節(jié)量并用(相加)，或此二者取其一而用之，都是可行的。對于大型遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)電機(jī)最好兩者并用。用戶可對此做出自己的選擇。
3．為減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁慣性的滯后影響，可考慮采用串級式勵磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)方式，即設(shè)一副調(diào)節(jié)器(一般用比例調(diào)節(jié)器)，與發(fā)電機(jī)縱軸暫態(tài)電勢
(此量可根據(jù)發(fā)電機(jī)定子電壓，電流的實測值計算得出)為中間變量，組成一個局部反饋的調(diào)節(jié)環(huán)路參與主控環(huán)路工作，以增強(qiáng)調(diào)節(jié)過程的快速性，使之大大快于轉(zhuǎn)子擺動的半周期值。此項措施在實質(zhì)上只是方便整定，實用上也可省去，只要增大調(diào)節(jié)作用的各項放大系數(shù)，亦可獲得快速性相類似的效果。
以上三點(diǎn)設(shè)計是本專利申請要求保護(hù)的主要內(nèi)容，核心是上述1、2兩項，它體現(xiàn)出可消除負(fù)阻尼的勵磁調(diào)節(jié)器的基本控制結(jié)構(gòu)，至于具體實施，這在現(xiàn)在電子技術(shù)十分發(fā)達(dá)的現(xiàn)今，方案可以是多種多樣的，可以說已無需本專利對此一一提供。
本專利申請前，國內(nèi)、外慣用的克服發(fā)電機(jī)負(fù)阻尼的方法是以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或機(jī)端電壓的頻率的變化量(即對時間的導(dǎo)數(shù))為附加調(diào)節(jié)的信號量，經(jīng)超前一滯后校正，或采用有功功率變化信號結(jié)合(即以功率變化量與轉(zhuǎn)速或頻率變化量的向量和)構(gòu)成轉(zhuǎn)速或頻率變化的超前信號，以此構(gòu)成附加控制量，用以克服電壓調(diào)節(jié)中滯后轉(zhuǎn)子擺動環(huán)節(jié)的存在(如電壓調(diào)節(jié)中的積分環(huán)節(jié)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電磁慣性等)而引起的負(fù)阻尼效應(yīng)。由于電壓調(diào)節(jié)所形成的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的變化量是隨著發(fā)電機(jī)所供電的電力網(wǎng)的運(yùn)行的連接方式的不同而變化的，而上述附加控制量卻只與轉(zhuǎn)速或頻率變化的大小有關(guān)，所以這種勵磁調(diào)節(jié)器難以具備優(yōu)良的穩(wěn)健性(robustness)。本專利申請所提供的方法與以前慣用的方法不同之處，在于本設(shè)計舍棄了以上所述的外加阻尼的方法，采取了從調(diào)節(jié)器內(nèi)部消除引起負(fù)阻尼的機(jī)制，協(xié)調(diào)電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)定調(diào)節(jié)的關(guān)系，以避免負(fù)阻尼產(chǎn)生。我們沒有采用轉(zhuǎn)速或頻率變化的信號來組成的附加調(diào)節(jié)，因為機(jī)組轉(zhuǎn)速或頻率的變化并不確切反映本機(jī)與電力系統(tǒng)問存在的相對擺動。顯然，這里所做的結(jié)構(gòu)設(shè)計與以往的設(shè)計區(qū)別是明顯的。
圖1是可消除負(fù)阻尼的同步發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)框圖。圖2是用電抗變壓器和電壓互感器次端電壓相加的辦法求出示 意圖。
圖3是同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部諸正弦交流相量的相位關(guān)系圖。
圖4是采用部分模擬電路的外圍處理電路的可消除負(fù)阻尼的同步發(fā)電機(jī)勵磁控制調(diào)節(jié)器實施方案示意圖。
下面結(jié)合


實施例新設(shè)計的可消除負(fù)阻尼為勵磁調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)圖1圖1中p為拉普拉斯算子， Ti為電壓調(diào)節(jié)積分時間TD為附加調(diào)節(jié)微分時間，ε為調(diào)節(jié)器靜差系數(shù)
為發(fā)電機(jī)內(nèi)功率角
為發(fā)電機(jī)縱軸暫態(tài)電勢
為發(fā)電機(jī)定子電流縱軸分量 φ為發(fā)電機(jī)功率因數(shù)角KcⅠ、KcⅡ、KcⅢ為待整定放大系數(shù)勵磁調(diào)節(jié)器的輸入量Ut,A,B,C發(fā)電機(jī)定子A、B、C三相電壓It,A,B,C發(fā)電機(jī)定子A、B、C三相電流Ut,R發(fā)電機(jī)定子電壓設(shè)定值M1、M2、M3、M4為四個運(yùn)算模塊，其輸入及輸出變量已如圖示，各模塊輸出的算法與計算公式在一般電機(jī)學(xué)和電力系統(tǒng)分析的教科書中都可以找到，不再細(xì)述。
調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)(包括各運(yùn)算模塊)可以借助數(shù)字計算機(jī)的硬件支持軟件實現(xiàn)，亦可用模擬式運(yùn)算電路構(gòu)成，或部分用模擬電路部分用數(shù)字電路(或數(shù)字計算機(jī))混合構(gòu)成。這些都是可行的，并且勵磁調(diào)節(jié)器的以上實現(xiàn)都已有實際運(yùn)行裝置在運(yùn)行。本勵磁調(diào)節(jié)器除所述運(yùn)算模塊和調(diào)節(jié)算法與已有的勵磁調(diào)節(jié)器有些區(qū)別，其它并無大的不同。本設(shè)計的勵磁調(diào)節(jié)器如何實現(xiàn)的問題，取決于造價、可靠性以及電子技術(shù)發(fā)展的水平，目前我國內(nèi)勵磁調(diào)節(jié)器已大都采用數(shù)字計算機(jī)的實現(xiàn)，我們認(rèn)為本勵磁調(diào)節(jié)器在目前的技術(shù)條件下以采用模擬一數(shù)字計算機(jī)混合形式最為有利，可以博采模擬和數(shù)字實現(xiàn)二者之所長，可能是最經(jīng)濟(jì)實用的；如果高速運(yùn)算的數(shù)字計算機(jī)在經(jīng)濟(jì)上可行，采用單一數(shù)字式實現(xiàn)也有一定的好處。
本勵磁調(diào)節(jié)器輸出主要作用于勵磁主回路可控硅(SCR)功率整流裝置的移相觸發(fā)控制，這是絕大多數(shù)同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)形式。本勵磁調(diào)節(jié)器最能適應(yīng)的是靜止勵磁系統(tǒng)，這也是當(dāng)今使用最多的勵磁系統(tǒng)形式。
當(dāng)本調(diào)節(jié)器用數(shù)字式計算機(jī)實現(xiàn)時，采樣和控制周期應(yīng)取3～20毫秒以內(nèi)，最好不大于20毫秒。
本專利申請內(nèi)容只在本勵磁調(diào)節(jié)器的控制結(jié)構(gòu)，具體實施方案在現(xiàn)有技術(shù)條件下可以有很多種，使用者一般愿意并能自行解決，并不需要本設(shè)計提供太多的幫助。
關(guān)于實施實例目前同步發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的主流產(chǎn)品是以數(shù)字計算機(jī)為主體的，有關(guān)它的基本硬件構(gòu)成以及軟件主體結(jié)構(gòu)多已成型，已無需我們在此多述，這里主要說明一下以上四個運(yùn)算模塊M1、M2、M3、M4的構(gòu)成，這是本設(shè)計所獨(dú)有的。
第一種實現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子電壓A、B、C三相經(jīng)正序電壓濾過器(模擬式電路)后經(jīng)交流采樣輸入計算機(jī)。
發(fā)電機(jī)定子電流A、B、C三相經(jīng)正序電流濾過器(模擬式電路)后經(jīng)交流采樣輸入計算機(jī)。
計算機(jī)掌握以上數(shù)據(jù)后，通過運(yùn)算得出E^q′,i^d,δ^i,U^t+ϵI^tsinφ^]]>等數(shù)值，并用以按前圖關(guān)系計算出綜合控制量。
上述正序電壓濾過器和正序電流濾過器可以是一個，也可以是三個，對于大型機(jī)組建議用三個對應(yīng)于采樣和控制周期為3.3～6.6毫秒情況。
第二種實現(xiàn)如果計算機(jī)機(jī)時比較緊張(對中、小型機(jī)組計算機(jī)檔次較低)，可在發(fā)電機(jī)定子電壓和電流正序濾過器之后，用模擬運(yùn)算電路算出E•^q,i^d,δ^i,U^t+ϵI^tsinφ^]]>后用A/D變換后輸入計算機(jī)，此時上述諸量以直流信號量形式出現(xiàn)。
具體的運(yùn)算法是(見圖2)(ⅰ)用電抗變壓器和電壓互感器次端電壓相加的辦法求出
發(fā)電機(jī)定子電流正序分量
發(fā)電機(jī)定子電壓正序分量(ⅱ)取
信號制成方波(用電壓比較器)，用方波的前沿或后沿驅(qū)動采樣保持器，由it量抽取
值。
(ⅲ)由E^q′=Eq-(Xq-Xd′)Id]]>式算出
(ⅳ)
對應(yīng)的方波以前后沿驅(qū)動采樣保持器，由
量抽取
值，從而計算出
(ⅴ)U^t+ϵI^tsinφ^]]>量的計算形式與一般勵磁調(diào)節(jié)器完全一樣，使用者自會掌握。
以上經(jīng)A/D變換后進(jìn)入計算機(jī)。
本發(fā)明所提供的勵磁調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)在實施上方案甚多，在目前國內(nèi)外同步發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器主流產(chǎn)品已轉(zhuǎn)向以數(shù)字計算機(jī)為硬件主體的現(xiàn)實情況下，本調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)所需要附加考慮的主要是以上框圖結(jié)構(gòu)中的四個運(yùn)算模塊的構(gòu)成。它們可以以調(diào)節(jié)器本體的數(shù)字計算機(jī)為硬件依托，用相應(yīng)的軟件模塊實現(xiàn)，也可以附加一定的信號處理的外圍模擬式硬件電路配以適當(dāng)?shù)能浖o助來實現(xiàn)，這些模塊基本要解決的是以下同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部諸正弦交流向量的運(yùn)算(圖3所示)這里已知
和
兩個向量，它們可以由發(fā)電機(jī)定子電壓Uta、Utb、Utc三相電壓經(jīng)正序電壓濾過器后取得
，由發(fā)電機(jī)定子電流Ita、Itb、Itc三相電流經(jīng)正序電流濾過器后取得
。這兩種(正序電壓和正序電流)濾過器早已有現(xiàn)成工業(yè)產(chǎn)品可供選用(許昌繼電器和阿城繼電器廠均有出售)。
ⅰ)根據(jù)E•q=U•tl+jI•tlxg]]>用硬件電路或計算機(jī)軟件參與可以算出
ⅱ)由
和
用硬件電路或計算機(jī)軟件算出
。由此可進(jìn)一步算出，i^d(xd-xd′)]]>信號量，這里
取
的計算值。這是M2模塊的內(nèi)容。
ⅲ)由E^q′=E^q-I^tl(xd-xd′)]]>，已知
和
，即可算出
。這是M1模塊的內(nèi)容。
ⅳ)由
和
用硬件電路或計算機(jī)軟件可以算出
，這是M3模塊的內(nèi)容。
ⅴ)由
及
用硬件電路和計算機(jī)軟件可以算出組合信號U^tl+ϵI^tlsinφ^]]>這一測量合成構(gòu)成的方法甚多，可以交流采樣合成，亦可由模擬量運(yùn)算合成，這是迄今為止所有的同步發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器都必須具備的測量信號，它的多種構(gòu)成方法早已為本專業(yè)人員所熟悉掌握。這相當(dāng)于M1模塊的內(nèi)容。
以上所得各量可以以交流采樣方式經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入計算機(jī)，亦可先將這些交流量整流濾波后變成直流量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入計算機(jī)。當(dāng)以交流采樣方式輸入時，輸進(jìn)計算機(jī)的是各該變量的正弦交流量的參數(shù)表達(dá)式(如I•t=Itmejωt+θ]]>型式，這里的待求參數(shù)為Itm和θ，可由it的采樣序列值以遞推的最小二乘擬合求出)，這將為上述模塊的信號處理提供方便。
當(dāng)然，也可將Uta、Utb、Utc和Ita、Itb、Itc諸原始正弦交流量以交流采樣方式輸入計算機(jī)，由計算機(jī)來完成正序濾過器的功能，并進(jìn)而完成M1、M2、M3、M4各模塊的功能。這樣做要求計算機(jī)完成的運(yùn)算量將會很大，需要機(jī)時較多，只有采用高速的計算機(jī)才有實現(xiàn)的可能。
當(dāng)選用交流采樣輸入數(shù)據(jù)時，采樣時間最好以鎖相環(huán)固定，保持與交流量的周期同步，這樣做可以節(jié)省運(yùn)算量，并提高擬和的精度。
以下我們給出一個采用部分模塊電路的外圍處理電路的實施方案。用模擬電路取得
、
、
、
諸量后，通過計算機(jī)運(yùn)算可以得到M1、M2、M3、M4諸模塊要求的結(jié)果。目前看來，這種方案最為方便適用。
圖4是采用部分模擬電路的外圍處理電路的可消除負(fù)阻尼的同步發(fā)電機(jī)勵磁控制調(diào)節(jié)器實施方案示意圖。
發(fā)電機(jī)定子正序電流測量值
發(fā)電機(jī)定子正序電壓測量值
發(fā)電機(jī)定子正序電壓縱軸分量測量值
發(fā)電機(jī)定子縱軸同步電勢測量計算值
發(fā)電機(jī)定子電流縱軸分量測量計算值勵磁調(diào)節(jié)器的輸入量Ut,A.B.C發(fā)電機(jī)定子A、B、C三相電壓It,A.B.C發(fā)電機(jī)定子A、B、C三相電流Ut,B發(fā)電機(jī)定子電壓設(shè)定值TT變壓器KT電抗變壓器A電壓比較器CB1、CB2采樣保持器RtR1R2電阻D1D2二極管本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、使勵磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機(jī)可能的運(yùn)行環(huán)境下(即在輸出電路可輸送的極限功率范圍內(nèi))，可為發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)中并聯(lián)運(yùn)行下的穩(wěn)定性，不發(fā)生負(fù)阻尼現(xiàn)象或效應(yīng)。勵磁調(diào)節(jié)器在電壓之調(diào)節(jié)和穩(wěn)定調(diào)節(jié)兩方面具有良好的協(xié)調(diào)性，這種品性不受電力系統(tǒng)運(yùn)行連接方式變化的影響，具有較高的穩(wěn)健性。
2、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，原理清晰明確，易于實現(xiàn)，其工作原理和整定方法易為一般電廠運(yùn)行人員理解和掌握。
權(quán)利要求
1.一種可消除負(fù)阻尼的同步發(fā)電機(jī)勵磁控制方法，其特征在于(1)、勵磁調(diào)節(jié)器中的電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)采用積分分離式的比例一積分調(diào)節(jié)方式；所謂積分分離式比例一積分調(diào)節(jié)，是將積分調(diào)節(jié)作用限制在被檢量ΔUt(發(fā)電機(jī)電壓偏差)的以下范圍當(dāng)symb[dΔUtdt]=symb[ΔUt]]]>時，積分環(huán)節(jié)的輸入與偏差信號(ΔUt)相連通(即積分環(huán)節(jié)輸入等于ΔUt)，積分環(huán)節(jié)正常接入，參與調(diào)節(jié)工作；當(dāng)symb[dΔUtdt]≠symb[ΔUt]]]>時，積分環(huán)節(jié)的輸入與偏差信號(ΔUt)不連，通而改為置“0”(零)(即積分環(huán)節(jié)輸入為0)，其輸出將保持前此所達(dá)到的數(shù)值不變，與比例環(huán)節(jié)共同參與調(diào)節(jié)作用，直到下次上述等式成立時又重新恢復(fù)積分環(huán)節(jié)輸入端與偏差信號(ΔUt)相聯(lián)；這里symb[·]指方括號[]內(nèi)的量·的符號值，為“正”或為“負(fù)”；ΔUt=Ut-Ut.RUt.R為發(fā)電機(jī)端電壓Ut的設(shè)定值；(2)由
組成(Xd-Xd′)i^d]]>信號量，經(jīng)比例一微分運(yùn)算后做為穩(wěn)定系統(tǒng)的附加調(diào)節(jié)信號，與上述電壓調(diào)節(jié)作用綜合(實為相加)，構(gòu)成勵磁調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)節(jié)信號；這里Xd,Xd＇分別是發(fā)電機(jī)縱軸同步電抗和縱軸暫態(tài)電抗；
是由發(fā)電機(jī)定子電流的實測值經(jīng)運(yùn)算而得到的發(fā)電機(jī)定子電流縱軸分量組成這一信號；選擇(Xd-Xd′)i^d]]>為附加控制信號，這只是一種最佳選擇，這里關(guān)鍵的是采用
；
是一個測量計算值，這是指它是根據(jù)定子電流三相，即ia,ib,ic的實測值通過計算而得到的數(shù)值；發(fā)電機(jī)的內(nèi)功率角
的二階導(dǎo)數(shù)d2δ^idt2]]>亦可做為附加調(diào)節(jié)的作用量加入調(diào)節(jié)作用；它或與上述(Xd-Xd′)i^d]]>的附加調(diào)節(jié)量并用(相加)，或此二者取其一而用之，都是可行的；對于大型遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)電機(jī)最好兩并用；(3)為減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁慣性的滯后影響，可考慮采用串級式勵磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)方式，即設(shè)一副調(diào)節(jié)器(一般用比例調(diào)節(jié)式)，以發(fā)電機(jī)縱軸暫電勢Eq＇(此量可根據(jù)發(fā)電機(jī)定子電壓，電流的實測值計算得出)為中間變量，組成一個局部反饋的調(diào)節(jié)環(huán)路參與主控環(huán)路工作，以增強(qiáng)調(diào)節(jié)過程的快速性，使之大大快于轉(zhuǎn)子對擺動的半周期值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可消除負(fù)阻尼的同步發(fā)電機(jī)勵磁控制方法的調(diào)節(jié)器，其特征在于由發(fā)電機(jī)定子電壓、電流的測量值，經(jīng)M1、M2、M3、M4諸模塊運(yùn)算，得出E^tl′,i^d,δ^i,U^t+ϵI^tsin(φ^)]]>后用于調(diào)節(jié)器控制策略的構(gòu)成，調(diào)節(jié)器的輸出用于勵磁主回路可控硅(SCR)功率整流裝置的移相觸發(fā)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可消除負(fù)阻尼的同步發(fā)電機(jī)勵磁控制方法的調(diào)節(jié)器，其特征在于由發(fā)電機(jī)定子電壓uta、utb、utc三相電壓經(jīng)正序電壓濾過器后取得發(fā)電機(jī)正序電壓Utl，由發(fā)電機(jī)定子電流ita、itc、itb三相電流經(jīng)正序電流濾過器后取得發(fā)電機(jī)正序電流Itl；正序電流濾過器輸出的
經(jīng)TT變壓器和并聯(lián)的電阻RT得至Itl發(fā)電機(jī)定子正序電流測量值；Itl再經(jīng)CBl采樣保持器求得
發(fā)電機(jī)定子電流縱軸分量測量計算值，Itl經(jīng)KT電抗變壓器得
與從正序電壓濾過器輸出的
形成
發(fā)電機(jī)定子縱軸同步電勢測量計算值；Utl經(jīng)CB2采樣保持器形成
發(fā)電機(jī)定子正序電壓縱軸分量測量值；電壓經(jīng)正序電壓濾過器輸出的Utl，和正序電流濾過器輸出的Itl經(jīng)電阻R1、R2二極管D1、D2，電壓比較器A控制采樣時間得到
，并產(chǎn)生中斷信號，由計算機(jī)啟動A/D轉(zhuǎn)換器將
量輸入計算機(jī)。這是這一控制策略實現(xiàn)的典型方案。
全文摘要
可消除負(fù)阻尼的同步發(fā)電機(jī)勵磁控制方法及調(diào)節(jié)器是勵磁調(diào)節(jié)器的電壓調(diào)節(jié)采用積分分離式的比例—積分調(diào)節(jié)方式;發(fā)電機(jī)定子電流的測量計算值組成信號量,經(jīng)比例一微分運(yùn)算做為附加調(diào)節(jié),與電壓調(diào)節(jié)綜合構(gòu)成調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)信號。并采用串級式勵磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是:發(fā)電機(jī)在輸送極限功率范圍內(nèi),不發(fā)生負(fù)阻尼現(xiàn)象。電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)定調(diào)節(jié)具有良好的協(xié)調(diào)性,不受電力系統(tǒng)運(yùn)行連接方式變化的影響,穩(wěn)健性高;結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn)。
文檔編號H02P9/14GK1224274SQ9810006
公開日1999年7月28日 申請日期1998年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月22日
發(fā)明者曹保定 申請人:曹保定