淺談WKKL-1微機勵磁調節裝置

劉 學 強， 李 翔

(1.華電四川發電有限公司內江發電廠，四川內江 641000;2.四川大學電氣信息學院，四川成都 610065)

勵磁調節裝置是發電機重要的自動控制設備。一個優良的勵磁控制系統，不僅可以保證發電機可靠、穩定運行，而且可以有效地提高發電機及其相連電網的技術經濟指標。

內江發電廠21號機、22號機、23號機(三臺均為單機容量200 MW機組)分別于1997年、1999年、2003年將勵磁調節器更換為由南京電力自動化設備總廠生產的WKKL-1型微機勵磁調節裝置。WKKL-1型微機勵磁調節裝置采用 INTEL8086微處理器構成的集成電路，雖然功能插件較多，硬件結構較復雜，但從多年運行情況看，其穩定性及優良的技術指標仍是不可多得的。眾所周知，發電機勵磁控制系統是一個閉環的調節系統，如何保證該系統的穩定并具有優良的動態調節品質是衡量勵磁調節裝置性能好壞的首要指標。微機勵磁調節裝置的核心在于采用何種控制理論及其數學模型，WKKL-1勵磁調節裝置采用電力系統穩定器(PSS)及比例-積分-微分(PID)調節，筆者就此進行了初步分析。

1 勵磁控制系統的組成

圖1 三機勵磁系統示意圖

從圖1中可以看出，永磁機、交流勵磁機、發電機的轉子回路構成了三機勵磁系統。發電機的勵磁電流是由100 Hz的交流勵磁機經硅整流裝置供給，交流勵磁機的勵磁則由永磁機經WKKL-1微機勵磁調節裝置供給。

2 自動電壓調整主控制環

2.1 勵磁機小閉環

勵磁機小閉環的作用是減小交流勵磁機的時間常數。三機勵磁系統的主要缺點是交流勵磁機時間常數太大，直接影響發電機轉子電壓的上升速度，即對發電機及電網系統的暫態穩定有直接影響。一般來說，交流勵磁機的時間常數約為1 s，內江發電廠21號機組交流勵磁機實測時間常數為0.65 s。在WKKL-1勵磁調節裝置中采用轉子電壓負反饋后，勵磁機時間常數減少到0.15 s，接近快速勵磁系統水平，從而大大提高了三機勵磁系統的電壓響應水平。

2.1.1 勵磁機小閉環組成

采用轉子電壓硬負反饋算法，取發電機轉子電壓，經直-直變換器隔離后，取反饋量β，送入PID計算后的綜合放大器，通過綜合放大器、移相觸發單元、可控硅三相全控橋、交流勵磁機、發電機轉子電壓組成了一個勵磁機小閉環，框圖見圖2。

圖2 勵磁機小閉環框圖

2.1.2 勵磁機小閉環傳遞函數

勵磁機小閉環數學模型框圖見圖3。

圖3 勵磁機小閉環數學模型框圖

通過推導可將數據模型圖(圖3)簡化為勵磁機小閉環數學模型簡化框圖(圖4)。

圖4 勵磁機小閉環數學模型簡化框圖

由公式可以看出，采用轉子電壓負反饋后，交流勵磁機時間常數減小了(1+K2K3β)倍，等值放大倍數也減小了(1+K2K3β)倍。前者是我們需要的，后者則可以通過主環其他環節的放大倍數調整得到補償。

內江發電廠WKKL-1勵磁調節裝置實際取用的反饋系數β=0.05，實測交流勵磁機時間常數約為0.15 s。從現場錄波圖可以看出:引入轉子電壓負反饋后，交流勵磁機由典型的二階振蕩環節變為接近于一階慣性環節，即在一定程度上有降階作用。

2.2 主控制環

發電機空載時，主控制環框圖見圖5。

圖5 主控制環框圖

經發電機量測PT采得發電機電壓并經降壓后送交流信號處理板，經采樣保持電路送AD板交流采樣，CPU板采得電壓后根據數字電位器設置的放大倍數與自動參考電壓進行比例-積分-微分運算，計算出控制量Uc，查余弦表得到控制可控硅的開放角，從而控制交流勵磁機的勵磁電流，以維持發電機機端電壓的恒定、形成發電機電壓的閉環調節。其數學模型框圖見圖6。

圖6 數學模型框圖

其開環傳遞函數為:

從中可以看出，發電機的閉環調節系統是由多個一階環節組成，在理論上就存在是否穩定的問題。閉環調節系統若不穩定，反映為發電機電壓及無功負荷的持續振蕩，其振蕩頻率與頻率特性有關，故可以根據其開環頻率特性進行穩定性判斷。根據傳遞函數可做出勵磁系統的相頻、幅頻特性(圖7)。

圖7 勵磁系統開環頻率特征圖

相頻特性與－180°相交的角頻率所對應的幅頻特性的數值稱為增益裕度;幅頻特性與ω軸的交點頻率稱為穿越頻率;穿越頻率所對應的相頻特性與－180°的差值稱為相位裕度。如果對應的幅頻特性其增益裕度為負值，則該系統是穩定的;如果增益裕度為0，則該系統是臨界的;如果增益裕度為正值，則該系統是不穩定的。

內江發電廠21號機勵磁系統的增益裕度為－20 db，相位裕度為46°，現場投運時，10%階躍響應試驗錄波圖顯示:無超調，無振蕩，調節時間為0.7 s，說明該系統是穩定的。

3 勵磁系統開環放大倍數對發電機靜態及暫態穩定的影響

3.1 對靜態穩定的影響

同步發電機穩定運行的充分且必要條件是:具有正的同步轉矩和正的阻尼轉矩。從同步電機的穩定理論可知，增大勵磁控制系統的電壓放大倍數可以顯著提高發電機的同步轉矩系數，有利于提高電力系統的靜態穩定;從發電機的功角特性也可看出，一個靈敏、快速的勵磁調節裝置對提高靜態穩定的效果是顯著的。

國標《大中型同步發電機勵磁系統基本技術條件》中規定，自動電壓調節器應保證同步發電機端電壓靜差率＜1%，對于200 MW汽輪發電機，同步電抗xd=1.86，經計算，發電機勵磁電勢從空載到滿載約增長1.6 Pu，即為了滿足靜差率＜1%，開環放大倍數應大于160倍。WKKL-1微機勵磁調節裝置的開環放大倍數遠遠超過該值，故其靜差率指標是優良的，對提高發電機運行靜穩定能力很強。從實際運行也可看出，調節器柜的輸出電壓表在不停地擺動，而發電機的電壓表及無功負荷表則紋絲不動，說明勵磁調節器在不斷地調節。如果調節器的輸出電壓表不動，則說明該系統開放放大倍數太小，調節不夠靈敏;另外，也可通過發電機電壓(00通道)和自動參考電壓(02通道)的值進行比較，如果兩者讀數相差在1%以下，則說明該勵磁系統的開環放大倍數足夠大，且靜差率是合格的。

3.2 對暫態穩定的影響

暫態穩定是指在大干擾下維持發電機同步運行的能力。在電網系統發生短路且故障點還未切除的暫態過程中，發電機電壓將顯著降低而使制動功率減小，此時，原動機調速器一般來不及動作，這就要求勵磁調節器能快速強勵到頂值，不使制動功率過小，以阻止發電機功角δ的搖擺過度增大，有利于提高發電機的暫態穩定。暫態穩定要求勵磁系統能快速響應和有高的頂值電壓，而要做到快速響應，就必須要有足夠大的放大倍數。

3.3 發電機突甩負荷時對過電壓的抑制

發電機在運行中突甩負荷時會造成發電機過壓，如果勵磁調節快速、靈敏，就能將發電機電壓控制在允許的范圍內。DL/T650標準規定，突甩額定無功負荷，發電機電壓不能超過額定值的15%。WKKL-1勵磁調節器在內江發電廠做甩額定無功負荷試驗，其過壓值均小于10%。

4 結語

WKKL-1型微機勵磁調節裝置數學模型合理，技術指標優良。由于該裝置在內江發電廠運行時間較長，元器件老化，目前已逐步更換為WKKL-3型微機勵磁調節器，但其采用的數學模型和經典控制理論仍具有普遍意義。