發電機勵磁系統優化控制方法研究

冒杰

[摘 要] 現如今國家經濟發展的速度越來越快，人們對于電能的需求也越來越大，電力系統的規模也得到了進一步的擴展，由于電力系統內部結構越來越復雜，在運行過程中有可能會出現低頻震蕩問題，影響電力系統的穩定性。由于電力系統的低頻震蕩引起電力系統出現故障，很有可能會造成非常大的經濟損失。所以在電力系統運行過程中，研究更符合現代電力系統的控制方法，對發電機的勵磁系統進行不斷的優化能夠解決低頻震蕩問題，基于此，本文就針對發電機勵磁系統的優化控制方法進行了詳細的探討和分析。

[關鍵詞] 發電機 勵磁系統 控制措施方法

中圖分類號：TM732 文獻標志碼：A

隨著電力系統的快速發展，在電能傳遞過程中，電網的復雜性越來越高，在電力系統運行過程中，由于受到外界因素的影響，可能會導致電力系統的運行受到影響，在重負荷的功率下可能會出現低頻震蕩的問題，新能源發電系統也有可能會導致電網受到污染，從而導致大規模的停電事故，給社會和企業帶來非常大的經濟損失。[1]因此，在電力系統運行過程中，保證電力系統的安全穩定運行是目前需要解決的首要問題。

一、發電機勵磁系統的種類及功能簡介

在發電機中，勵磁系統主要分為靜止勵磁系統、交流勵磁系統、諧波勵磁系統和直流勵磁機系統。在發電機運行過程中，勵磁調節器是針對極端電壓進行調節的設備，可以使用直接或者間接的方式配備可控硅半導體，這樣在輸出電壓的時候，就能夠保證發電機可以正向地防止短路。在具體的應用過程中，其反應速度非常快，就非常完善保護功能和抗干擾能力，運行維護都非常簡便，而且具有非常高的可靠性。勵磁系統可以自動調節或者手動調節勵磁功能，因此還具有操作簡便，能夠有效減少工作人員日常維護的工作量，而且具有非常高的智能化程度。[2]

二、勵磁系統優化控制措施

（一）增加PLC控制以優化連鎖控制邏輯

以往在發電機運行過程中使用的勵磁控制系統，全部是利用繼電器來進行邏輯控制，繼電器的連接點的串并聯很容易導致運行過程中出現故障，而且很難對故障進行檢測，所以現如今大多是使用PLC進行控制，利用PLC技術進行邏輯控制，能夠有效簡化控制流程，可以轉變以往的轉速連鎖。原有的發電機運行過程中，測量信號的時候是利用繼電器將其轉換為節點信號，然后將其作為主電機運行和啟動監控的條件在啟動過程中，如果轉速沒有在規定的時間內到達預定的速度，則表示異常啟動，連鎖系統會跳閘，這樣就能夠防止電動機發生堵轉的情況。在運行過程中測速信號也是連鎖的條件，在信號消失以后，也可以認為是運轉異常，出現連鎖跳閘，新的系統會保留轉速啟動連鎖，而運行連鎖則進行報警。轉速只能作為啟動投勵的一個條件，對運行中的速度進行監控，其主要原因是在運行過程中，通過一次電流可以時刻監測主電機的運行狀況，如果電流或者信號同時消失，可以判斷為勵磁系統出現故障。[3]

（二）滑模變結構勵磁控制方法

在發電機運行過程中，在某一個穩定狀態下ex，相似的線性模型只能在X狀態下進行運行，而且與ex的偏差較小時才會出現比較準確的特性反應，如果兩者之間的偏差較大，線性模型就會與目前的系統出現很大的差距，很難反映出系統的特點。任何一個電力系統在實際的運行過程中都會存在不同程度的不確定性，其主要包括外界的干擾以及系統在運行過程中參數變化導致的未見模型特性，所以在設計過程中對控制器進行設計的主要目的就是增強系統的魯棒性，確保電力系統在運行過程中不會受到外界干擾和不確定性因素的影響。從線性控制角度來說，為了有效達到這種目的，必須建立明確的模型，在此基礎上添加擾動補償，但是對系統的未見模特性進行分析具有一定的難度，而且使用傳統的理論對于電力系統的抗干擾能力沒有明顯的特點，綜合以上因素進行考慮使用非線性控制理論，對電力系統的力磁控制器進行設計，能夠有效提高電力系統運行的穩定性。[4]

（三）勵磁控制系統超螺旋變結構控制

在電動機運行過程中，為了限制抖動通常會在滑動面添加邊界層，滑動面一般在邊界層以內，使用連續控制的方法可以觀測邊界層的值，在邊界層外進行切換，使用這樣的方式能夠在一定范圍內降低抖振，但是使用這樣的方式會影響被控量的精確度。所謂的功率擾動是指電力系統在工作點的附近出現的小干擾，將工況設置為t=10s時，機械功率會增加1/10，下圖為經過功率擾動以后系統各個量響應的變化情況。增加輸入功率以后，發電機的輸出功率也會迅速地增加，在邊界層的曲線就會經過幾次震蕩，最后趨于穩定，終端滑膜和超螺旋滑膜邊角線的曲線穩定時間相對較短，可以在很短的時間內到達新的工作點。超螺旋滑膜的輸出功率曲線上升速度非常快，穩定的時間也非常快，在角速度經過擾動以后能夠在很短的時間內達到穩定，可以快速地到達標幺值，將電網的頻率設置為50Hz，邊界層的滑膜和終端滑膜其調節特性更加明顯。勵磁電壓和極端電壓相對應由于控制信號能夠提供大量的能量，使其他的量能夠迅速得到穩定，所以終端電壓存在比較大的波動，但是能仍然可以更快地達到穩定值。也就是說采用超螺旋滑膜勵磁方法能夠提高電力系統的抗干擾能力。（見圖1）

由于電力系統本身的復雜性比較高，在線路過程中任何一個參數都有可能存在不確定性，如果過度依賴參數進行設計會影響勵磁控制器，將擾動工況設置為其他系統不變，轉動慣量H增加到6，繞組的時間也由1.01轉變為2，在t=10s時，輸出功率就會增加1/10。

三、結語

綜上所述，在電力系統運行過程中，勵磁控制系統對整個電力系統的穩定運行有著非常重要的意義，提高勵磁控制器的性能能夠保證發電機終端的電壓得到合理的控制，增強電力系統的可靠性，保證電能供應的質量。使用傳統的勵磁控制器很容易受到低頻震蕩的影響，導致控制器的魯棒性下降，所以從控制角度提高電力系統的穩定性具有非常高的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB/T 7409.3—2007 同步電機勵磁系統大、中型同步發電機勵磁系統技術要求[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]國家能源局.DL/T 843- 2003大型汽輪發電機勵磁系統技術條件[M].北京：中國電力出版社，2003.

[4]孟琛.發電機勵磁限制環節對電力系統安全穩定影響研究[D].北京：華北電力大學，2018.