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1、葛洲坝水力发电厂技术培训资料葛洲坝电厂厂励磁装置置原理讲解解陈小明 龚龚元生葛洲坝水力力发电厂目录第一章励磁磁系统概述述 11.1 励磁系统统的任务1.2 励磁附加控控制器1.3 葛洲坝电厂厂励磁系统统概述第二章 MEC-31 多多微机励磁磁控制器2.1 励磁调节节器原理2.2MEEC-311多微机励励磁控制器器概述2.3MEEC-311励磁控制制器的硬件件配置2.4MEEC-311励磁控制制器软件简简介第三章励磁磁大功率整整流装置 33.1励磁磁大功率柜柜概述 33.2励磁磁大功率柜柜的技术特特点 33.3励磁磁大功率柜柜过电压保保护第四章发电电机灭磁及及转子过电电压保护 44.1发电电机灭
2、磁及及转子过电电压保护概概述 44.2 发电机灭灭磁的基本本原理 44.3二江江电厂灭磁磁及转子过过电压保护护装置 44.4 大江电厂厂灭磁及转转子过电压压保护装置置 44.5 DM4开开关配ZnnO电阻灭灭磁系统的的改进第五章葛洲洲坝电厂励励磁操作系系统5.1 励磁操作系系统概述5.2 励磁直流操操作系统5.3 励磁交流电电源操作系系统5.4 励磁系统的的操作第一章 励磁系统概概述1.1 励磁系统统的任务同步发电机机运行时，必必须在励磁磁绕组中通通入直流电电流，以便便建立磁场场，这个电电流称为励励磁电流，而而供给电流流的整个系系统称为励励磁系统。由由于励磁绕绕组又称发发电机转子子，故励磁磁电
3、流也叫叫转子电流流。在电力系统统的运行中中，同步发发电机是电电力系统的的无功功率率主要来源源之一，通通过调节励励磁电流可可以改变发发电机的无无功功率，维维持发电机机端电压。不不论在系统统正常运行行还是故障障情况下，同同步发电机机的直流励励磁电流都都需要控制制，因此励励磁系统是是同步发电电机的重要要组成部分分。励磁系系统的安全全运行，不不仅与发电电机及其相相联的电力力系统的运运行经济指指标密切相相关，而且且与发电机机及电力系系统的运行行稳定性密密切相关。同同步发电机机励磁系统统的任务有有以下几点点：1 电压控控制在同步发电电机空载运运行中，转转子以同步步转速n旋转时，励励磁电流产产生的主磁磁通0
4、切割N匝匝定子绕组组感应出频频率为f=pn/660的三相相基波电势势，其有效效值E0同f，N,0以及绕组组系数k的关系：E0=4.44 ffNk0这样，改变变励磁电流流If以改变主磁磁通0，空载电电势E0值也将改改变，二者者的关系就就是发电机机的空载特特性E0=f(If)或发电机的的磁化特性性0=f(Fff)。在发电机空空载状态下下，空载电电势E0就等于发发电机端电电压Ut，改变变励磁电流流也就改变变发电机端端电压。完成电压控控制的设备备是由励磁磁调节器，励励磁电源，发发电机等组组成，同步步发电机励励磁控制系系统框图的的一般形式式如图1-1所示。信号比较放大给定信号励磁电源发电机Ug +UUf
5、 Uf Utt -其他信号Uc测量信号励磁调节器器图1-1 同步发发电机励磁磁控制系统统框图在图1-11中，虚线线框内是励励磁调节器器的基本原原理框图。按按照调节原原理，一个个控制调节节装置，至至少要有三三个环节或或单元。第第一是测量量单元，它它是一个负负反馈环节节；第二是是给定单元元，它是调调节中的参参考点；第第三是比较较放大单元元，它将测测量值同参参考值进行行比较，并并对比较结结果的差值值进行放大大，从而输输出控制电电压Uk。这里里的其他信信号，是指指调节器中中的其他功功能的作用用信号，比比如调差、励励磁电流限限制、无功功限制、PPSS等。这这里的励磁磁电源是指指可控硅整整流装置。对于一个
6、励励磁控制系系统来说，电电压控制就就是维持发发电机端电电压在设定定位置。为为实现这一一目的，首首先就要设设定电压，要要有一个给给定信号UUg，以便便明确电压压控制值；其次要测测量电压，看看发电机端端电压是多多少，这里里由发电机机电压互感感器PT和和调节器中中的测量板板组成，将将Ut变为Uc；最后后，由调节节器比较给给定值和测测量值，当当测量值小小于给定值值时，励磁磁装置增加加励磁电流流If，使发电电机端电压压上升，当当测量值大大于给定值值时，励磁磁装置减少少If使发电机机端电压下下降。2 无功分分配在发电机负负载运行时时，根据所所带负载的的性质，空空载电势EE0同发电机机端电压UUt的关系系发
7、生了变变化。当发发电机带感感性负载时时，电枢反反应具有去去磁性质，随随着负载的的增加，UUt越来越越小于E00，这时为为了维持UUt不变，必必须增大励励磁电流；当发电机机带容性负负载时，电电枢反应具具有助磁性性质，随着着负载的增增加，Utt越来越大大于E0，同样为为了维持UUt不变，必必须减少励励磁电流。在发电机并并网运行时时，系统母母线电压控控制着发电电机端电压压Ut，当调调节励磁电电流If，使E0发生变化化时，发电电机的定子子电流和功功率因数也也随之变化化，即发电电机的无功功功率随IIf变化。同同步发电机机的V形曲曲线，就是是反映了励励磁电流同同定子电流流的关系。在在这一关系系中，功率率因
8、数等于于1的励磁磁电流称为为正常励磁磁。当励磁磁电流大于于正常励磁磁时，定子子电流滞后后于端电压压，功率因因数滞后，发发电机输出出滞后无功功功率，这这种状态我我们俗称为为发电机带带无功运行行；当励磁磁电流小于于正常励磁磁时，定子子电流超前前于端电压压，功率因因数超前，发发电机输出出超前无功功功率，这这种状态我我们俗称为为发电机进进相运行。在发电厂中中数台发电电机并网运运行时，调调节一台发发电机的励励磁电流，不不仅会改变变这台机的的无功，还还要影响其其他发电机机的无功稳稳定性。为为此，励磁磁系统分配配并联运行行的发电机机无功时，还还要考虑其其稳定性和和合理性，这这就要求励励磁调节器器具有调差差功
9、能。母线电压水水平及无功功功率在机机组之间的的分配，取取决于发电电机的电压压调节特性性即调差特特性Ut=f（Q），一一般来说，发发电机的调调差特性是是一条发电电机端电压压Ut随无功功Q增加而而下降的直直线，见图图1-2的正调调差系数KK3，K00和K2分分别表示零零调差和负负调差系数数。Ut (UUg,Ukk)UtK2 Uto K00 K3 Us K11 KK1K20 Q 0 QQ1 QQ2 Q图1-2励磁调差差特性图11-3并联联运行机组组调差特性性如果励磁调调节器具有有调差功能能，则发电电机总的调调差系数是是发电机（发发变组）的的自然调差差系数与励励磁调差系系数的代数数和。由于于自然调差差
10、系数不可可变，故发发电机的总总调差系数数由励磁调调差系数控控制。若励励磁调差系系数为零，比比如退出调调节器中的的调差电路路，则发电电机的调差差特性就是是自然调差差特性，其其大小由发发电机和变变压器的电电磁参数决决定，且变变压器参数数起主导作作用；若励励磁调差系系数为负，如如图1-22中的直线线K2所示，则则发电机调调差特性就就是发电机机的自然调调差系数减减励磁调差差系数的差差；若励磁磁调差系数数为正，如如图1-22中的直线线K1所示，则则发电机调调差特性就就是发电机机的自然调调差系数加加励磁调差差系数的和和。在这里里之所以有有加减之别别，其目的的是在控制制励磁调差差系数大小小情况下，保保证发电
11、机机调差特性性向下倾斜斜，因为只只有具有正正调差特性性的发电机机才能并联联运行。对对于单元接接线的发电电机系统来来说，若发发变组的自自然调差率率很大，励励磁调差系系数应选择择负，以补补偿无功电电流在主变变上的压降降；若发变变组的自然然调差率很很小，励磁磁调差系数数应选择正正。对于扩扩大单元接接线的发电电机系统来来说，由于于发电机的的自然调差差率很小，为为保证数台台发电机的的并联运行行及其无功功功率的均均衡分配，发发电机必须须具有基本本一致的正正调差特性性，这就要要求励磁调调差必须为为正极性。图图1-3是两台台发电机并并入电网后后，二者调调差特性与与无功分配配关系，图图中Utoo是两台发发电机空
12、载载额定电压压，Us母线电电压，K11和K2是是两台发电电机各自的的调差系数数。这两台台发电机并并网后，调调节励磁电电流，其KK1和K22直线平行行上下移动动，所对应应的无功QQ1和Q22也随之改改变，并且且相互不影影响。我们知道，无论励磁调节器是何种类型，其工作原理都是将反映发电机端电压Ut的测量电压Uc，与给定电压Ug进行比较，从而得到发电机电压偏差信号即控制电压Uk。对于可控硅整流器来说，Uk经移相器产生角变化的脉冲，以此改变整流桥输出电压，使发电机端电压同给定电压保持一致。如果在测量电压Uc或者给定电压Ug上，再叠加一个反映发电机无功变化的附加量Uq，就能使控制电压Uk和角产生变化，从
13、而改变发电机的电压调节特性。这个附加量就是励磁调差起作用的量，也称无功补偿量，其极性直接影响励磁调差极性。一般说来，给定为正信号，测量为负信号，图1-4描述了这一过程的基本原理，虚线表示调差单元的输出电平可以有两种接入方式参与励磁调节。 Ugg给定单元 + +调差单元 Q Uqq Uk Uf Ut比较放大发电机整流器移相测量单元 Ut Uc - 图1-4 励磁磁装置调差差原理图如果将调节节器中调差差单元接入入到给定单单元上，当当调差单元元随发电机机+Q增加加而输出+Uq时，就就会引起给给定电压UUg增加，控控制电压UUk增加，角减少，最最终使得发发电机端电电压Ut增增加，此时时的励磁调调差就是
14、负负调差。当当调差单元元随+Q增增加而输出出-Uq时，就就会引起相相反的结果果，此时的的励磁调差差就是正调调差。在图图1-2中，将将给定电压压Ug和控制制电压Ukk引入纵坐坐标，就能能根据Ugg=f（QQ）和Ukk=f（QQ）来判断断励磁调差差极性。如果将调节节器中调差差单元接入入到测量单单元上，当当调差单元元随发电机机+Q增加加而输出+Uq时，就就会引起测测量电压UUc减少，控控制电压UUk增加，角减少，最最终使得发发电机端电电压Ut增增加，此时时的励磁调调差就是负负调差。当当调差单元元随+Q增增加而输出出-Uq时，就就会引起相相反的结果果，此时的的励磁调差差就是正调调差。3 提高电电力系统
15、稳稳定性a 提高静静态稳定性性静态稳定是是指电力系系统遭受小小扰动之后后，不发生生自发振荡荡和非周期期失步，自自动恢复到到起始运行行状态的能能力。电力力系统静态态稳定性高高低，可以以用输电线线路的输送送功率极限限的大小来来判断，这这也是励磁磁装置常用用的静态稳稳定性试验验方法。在单机-无无穷大系统统中，如果果发电机没没有励磁控控制，则正正常运行时时，发电机机的空载电电势E0保持不变变，那么该该系统的静静态极限为为Pmaxx，其功率率特性曲线线见图1-5中的曲曲线1。如如果发电机机具有常规规励磁，比比如直流励励磁机或者者交流励磁磁机带二极极管整流的的励磁系统统，则可保保持发电机机的暂态电电势Eq
16、不变，因因此有Pmmax，其功率率特性曲线线见图1-5中的曲曲线2。如果发电电机配置高高放大倍数数的快速励励磁系统，比比如采用运运算放大器器和可控硅硅整流器，并并且励磁调调节器带电电力系统稳稳定器PSSS或者采采用最优励励磁控制，则则可接近保保持发电机机端电压UUt不变，因因此有Pmmax，其功率率特性曲线线见图1-5中的曲曲线3。粗粗约比较一一下单机-无穷大系系统静稳极极限，Pmmax ：Pmaxx： Pmaax=1：2：3，可可见励磁系系统对于提提高电力系系统静态稳稳定性的作作用非常明明显。特别别是带PSSS或者采采用最优控控制的快速速励磁系统统对于电力力系统的静静态稳定性性作用明显显。P
17、Pmaxx=UtUcc/XePmax 3PPmax= Eq Uc/(Xe+Xd) PmaaxPmaxx = EE0Uc/(Xe+XXd)2 中中：Uc为无穷穷大系统电电压 PmaxXXd为d轴同步电电抗1Xd为为d轴暂态电电抗Xe为发电电机至无穷穷大系统间间的电抗图1-5 调节励磁磁对功率特特性的影响响b 提高动动态稳定性性动态稳定是是指电力系系统遭受小小扰动之后后，在自动动调节装置置和附加控控制的作用用下，保持持较长过程程稳定运行行的能力（通通常指不发发生周期性性振荡失步步）。由于于影响动态态稳定性的的主要因数数是电力系系统的阻尼尼特性，因因而常规励励磁系统对对于电力系系统的动态态稳定性不不
18、起多大作作用，但是是，带PSSS的快速速励磁系统统能够阻尼尼系统的低低频振荡，从从而提高了了电力系统统动态稳定定性。C 提高暂暂态稳定性性暂态稳定是是指电力系系统遭受大大扰动后，各各同步电机机保持同步步运行并过过渡到新的的或者恢复复到原来状状态运行的的能力（通通常指保持持第一或第第二个摇摆摆周期不失失步）。由由于影响暂暂态稳定性性的主要因因数是系统统中短路故故障性质、主主保护的动动作情况、重重合闸动作作成功与否否，因而调调节励磁对对暂态稳定定的影响没没有对静态态稳定那么么显著。励励磁系统对对于提高暂暂态稳定而而言，主要要表现在快快速励磁和和强励的作作用上。电电力系统中中发生短路路故障时，由由于
19、控制输输入机械功功率的常规规调速系统统的动作太太慢，主要要靠快速继继电保护切切除故障，以以减少加速速面积；而而故障切除除后，快速速励磁和强强励可以增增大发电机机电势，因因而增大输输出的电磁磁功率，增增大了制动动面积，防防止发电机机摇摆角过过度增大，以以利于暂态态稳定性的的提高。但但是发电机机励磁回路路具有较大大的时间常常数，即使使是快速励励磁系统，也也只能在故故障后0.40.6S，使使转子达到到最大磁通通。由大量量计算结果果可知，故故障后发电电机摆到最最大角度的的时间往往往只有0.50.6S，所所以快速励励磁和强励励所能够增增加的制动动面积是很很有限的，其其结果是只只能稍许降降低第一个个振荡周
20、期期的摇摆角角度。4 有利于于电力设备备的运行在短路故障障期间以及及故障切除除后，性能能良好的励励磁控制系系统可以尽尽量维持电电力系统的的电压、加加速电压的的恢复，从从而改善了了系统中电电动机的运运行条件，有有利于电力力设备的运运行。类似似地，它改改善了并列列运行的同同步发电机机在失磁后后转入异步步运行时电电力系统的的工作条件件。此外，励励磁系统还还可以提高高带时限的的继电保护护装置的工工作灵敏性性和动作准准确性。1.2 励磁附加加控制器大型同步发发电机励磁磁系统一般般由三部分分组成，其其一是励磁磁电源，如如可控硅整整流器；其其二是灭磁磁和转子过过电压保护护装置；其其三是励磁磁控制部分分，我们
21、称称为励磁调调节器。由于励磁调调节器按照照发电机端端电压偏差差进行调节节，我们也也称之为自自动电压调调节器，它它是励磁主主控制器。随随着自动化化技术的发发展，调节节器的调压压精度越来来越高，励励磁电源的的响应越来来越快，于于是电力系系统低频振振荡就时有有发生，影影响了电力力系统稳定定运行。人人们在研究究了电力系系统发生低低频振荡的的机理之后后，提出了了在快速励励磁系统上上增设励磁磁附加控制制器，构成成了电力系系统稳定器器（Powwer SSysteem Sttabillizerr）,简称PSSS。由于于PSS对对抑制低频频振荡，提提高电力系系统稳定性性有一定的的效果，因因而得到了了广泛的应应用
22、。随着着现代控制制理论和计计算机技术术的发展，微微机励磁调调节器开始始采用最优优励磁控制制（Opttimall Exccitattion Conttrolller）简称OOEC，该该技术融自自动电压调调整同各种种励磁附加加功能为一一体，全面面改善发电电机端电压压调节精度度和电力系系统稳定性性，已取得得一定成果果。1 电力系系统低频振振荡在电力系统统中，发电电机经输电电线路并列列运行时，在在负荷突变变等小扰动动的作用下下，发电机机转子之间间会发生相相对摇摆，这这时电力系系统如果缺缺乏必要的的阻尼就会会失去动态态稳定。由由于电力系系统的非线线性特性，动动态失稳表表现为发电电机转子之之间的持续续的振
23、荡，同同时输电线线路上功率率也发生相相应的振荡荡，影响了了功率的正正常输送。由由于这种持持续振荡的的频率很低低，一般在在0.22.5HHZ之间，故故称为低频频振荡。电力系统低低频振荡在在国内外均均有发生，通通常出现在在远距离、重重负荷输电电线路上，或或者互联系系统的弱联联络线上，在在采用快速速响应高放放大倍数励励磁系统的的条件下更更容易出现现。葛洲坝坝二江电厂厂建厂发电电初期，曾曾多次发生生低频振荡荡。近年来来，在二江江电厂同湖湖北恩施的的联络线路路上又出现现低频振荡荡，又引起起了人们的的注意。一般认为，发发生低频振振荡的主要要原因是，现现代电力系系统中大容容量发电机机的标幺值值电抗增大大，造
24、成了了电气距离离的增大，再再加之远距距离重负荷荷输电，造造成系统对对于机械模模式（其频频率由等值值发电机的的机械惯性性决定）的的阻尼减少少了；同时时由于励磁磁系统的滞滞后特性，使使得发电机机产生一个个负的阻尼尼转矩，导导致低频振振荡的发生生。采用励励磁控制系系统的附加加控制构成成的PSSS或其他方方式，可以以补偿负的的阻尼转矩矩，抑制低低频振荡。2 PSS原理理简介a 励磁装装置的负阻阻尼作用所谓阻尼就就是阻止扰扰动，平息息振荡，而而负阻尼恰恰恰相反。励励磁装置的的负阻尼，是是指励磁装装置对于系系统功角摆摆动所作出出的调节作作用，会加加大这种摆摆动，不利利于系统的的稳定。并联在电力力系统中运运
25、行的同步步发电机，其其稳定运行行的必要充充分条件是是有正的阻阻尼转矩和和正的同步步转矩。阻阻尼转矩MD为负负时将会因因为出现自自发增幅振振荡而最终终失去稳定定，而当同同步转矩MS为负负时，发电电机将出现现爬步失步步。在同步步发电机受受到扰动，引引起系统振振荡期间，电电磁转矩MM、功角和角频率率都作周周期性变化化，故可以以在坐标中中表示MM、MDD和MSS。MDD同基基本同相，MS同同相，二二者之和就就是和MM，这就是是说电磁转转矩既包含含了同步转转矩分量又又包含了阻阻尼转矩分分量。在不考虑励励磁装置的的负阻尼情情况下，阻阻尼转矩就就是阻止发发电机转速速偏离同步步转速的一一种转矩，其其作用力的的
26、方向总是是指向阻止止转子偏离离同步速度度的方向，当当转速高于于同步速度度时，阻尼尼转矩是制制动的；当当转速低于于同步转速速时，阻尼尼转矩却是是驱动的，正正是这两种种作用，才才使得振荡荡衰减。阻阻尼转矩包包括两种：一种是一一般忽略不不计的机械械性阻尼，它它反映了机机械运动的的惯性原理理；另一种种是发电机机转子中阻阻尼绕组产产生的阻尼尼，这种阻阻尼是在发发电机转速速不同于同同步转速时时，二者就就在转子上上产生相对对运动，阻阻尼绕组中中就感应出出一个转差差频率的感感应电流，并并产生感应应电动机那那样的转矩矩，即阻尼尼转矩。在在单机-无无穷大系统统简化线性性模型的电电磁转矩矢矢量图图11-6中，MD1
27、是不考虑调节器负阻尼情况下的阻尼转矩，M1能抑制系统振荡。在考虑励磁磁装置的负负阻尼情况况下，阻尼尼转矩就有有了正负之之分。当励励磁装置产产生的负阻阻尼大于阻阻尼绕组产产生的正阻阻尼时，阻阻尼转矩就就变成图11-6中的的MD22，M22则不能抑抑制系统振振荡。我们们知道，自自动电压调调节器按照照发电机端端电压偏差差Ut调节，当当系统发生生振荡时，的变化化就会引起起Ut变化，调调节器就会会依据UUt进行调节节，由于发发电机转子子绕组具有有较大的时时间常数，其其励磁输出出所产生的的转矩相对对于输入信信号必必然有一定定的延时，正正是这种延延时才使励励磁装置产产生的负阻阻尼转矩。当然，并不不是所有励励
28、磁装置都都产生负阻阻尼，理论论和实践都都证明，在在单机-无无穷大系统统的完整的的线性模型型，又称PPhilllips-Hefffron模模型中，只只有当参数数K5为负负时，阻尼尼转矩才为为负。在远远距离重负负荷输电的的单机-无无穷大系统统中，由于于K5可能能变负值，并并且由于高高放大倍数数快速响应应励磁系统统的存在，可可能导致系系统中的阻阻尼为负，这这时如果实实际存在的的发电机电电气的和机机械的正阻阻尼较小，则则该系统可可能发生低低频振荡。 MM3MD1 M11M4MS MD2 M2 M22图1-6 电磁转转矩矢量图图 图11-7 PSS的的附加电磁磁转矩图b PSSS的基本原原理在考虑励磁磁
29、装置产生生负阻尼情情况下，单单机-无穷穷大系统的的电磁转矩矩位于坐标标的第四象象限，因与与转速相位位方向相反反，它给系系统提供的的是负阻尼尼转矩，如如图1-117中的M2。这这时如果能能提供一个个位于第一一象限的附附加电磁转转矩M33，则MM2和MM3的矢量量和M44就可以在在第一象限限，此时的的M4与与转速相位位方向相同同，它给系系统提供具具有正的同同步转矩和和阻尼转矩矩，低频振振荡将受到到抑制。这这个第一象象限的附加加电磁转矩矩M3可可以引进附附加控制信信号的PSSS来获得得，这就是是PSS的的基本原理理。PSS励磁磁附加控制制器，是一一种附加反反馈控制，即即在励磁调调节器中，除除了引入发
30、发电机端电电压作为主主要控制信信号外，再再引入一个个超前附加控制制信号，作作用于调节节器，如图图1-1中中的其他信信号，改变变励磁输出出，使整个个励磁装置置产生正阻阻尼转矩，从从而提高系系统稳定性性。PSSS一般由两两部分组成成，第一部部分是附加加信号的检检测单元，常常用的附加加输入信号号有f和P，因因为这两种种信号都可可以采用电电气测量方方法得到，实实施比较简简单，且二二者很容易易转换成和。为了保保证PSSS只在低频频振荡发生生时起作用用，测量单单元必须有有一个低通通滤过器和和直流信号号隔离环节节，只让低低频振荡信信号输入。第第二部分是是附加信号号放大和相相位超前单单元，合理理选择PSSS的
31、放大大倍数和相相位补偿角角，就能使使PSS输输出一个超超前于的附加控控制电压，该该控制电压压通过调节节器，改变变励磁控制制电压，最最终达到励励磁装置输输出正阻尼尼转矩的目目的。C PSSS的应用效效益和适应应性PSS的应应用效益主主要有三个个方面：第第一是抑制制低频振荡荡，许多试试验结果都都证明，在在系统发生生低频振荡荡时投PSSS，经过过12个个周波振荡荡就完全平平息了；第第二是提高高静稳定的的功率极限限，具有PPSS附加加功能的调调节器，可可采用较大大电压放大大倍数，提提高电压调调节精度，维维持发电机机端电压UUt不变，使使单机-无无穷大系统统的静稳极极限接近线线路的功率率极限；第第三是有
32、利利于暂态稳稳定,能够在一一定频率范范围内提供供正阻尼，抑抑制大扰动动第一摇摆摆之后的后后续振荡，缩缩短后续摇摇摆过程。11985年年葛洲坝二二江电厂低低频振荡抑抑制试验，可可以使线路路输送能力力提高200%，能有有效平息低低频振荡。在单机-无无穷大系统统中应用PPSS的适适应性问题题有两面性性：一方面面，由于PPSS参数数是在某个个低频振荡荡频率设计计和整定的的，当系统统参数发生生变化时，PPSS不可可能在所有有的运行方方式下都具具有最好的的应用效果果；另一方方面，不论论运行方式式怎么变，低低频振荡频频率范围都都在0.222.55HZ之内内，PSSS总会有一一定的阻尼尼补偿作用用，决不会会恶
33、化系统统的阻尼，因因此PSSS具有一定定的适应性性。至于在在多机电力力系统中，首首先要解决决PSS最最佳安装地地点和PSSS参数的的协调整定定问题，否否则，即使使所有机组组都装设PPSS，在在一定条件件下仍会出出现低频振振荡。3 阻尼单单元原理简简介葛洲坝二江江电厂发电电初期，低低频振荡时时有发生，严严重的影响响了电力系系统的稳定定。针对这这种情况，葛葛洲坝电厂厂联合华中中理工大学学共同研究究新型励磁磁附加控制制器阻尼单元元。这是一一种以发电电机端电压压偏差UUt作为附加加控制信号号的“PSSS”，结结构简单，调调试方便，试试验结果较较好。阻尼尼单元在葛葛洲坝电厂厂大部分机机组上投运运过，后来
34、来因葛洲坝坝大江电厂厂发电，葛葛洲坝电厂厂的系统主主接线发生生了很大变变化，再加加之该单元元有时运行行不稳定，于于是又都退退出了运行行。分析阻尼单单元的工作作原理，同同样要涉及及到增益高高、速度快快的励磁系系统产生负负阻尼转矩矩问题：同同步发电机机受到扰动动，其功角角会产生生摇摆。当当增大时时，发电机机端电压UUt要下降降，励磁装装置又不让让Ut下降，就就去增加励励磁电流。由由于转子回回路的惯性性时间常数数较大，励励磁电流的的增长滞后后的变化化，这样当当减少时时，励磁装装置虽然也也发出减少少励磁电流流的信号，但但励磁电流流有可能仍仍在增加，造造成减少少过度，即即回摆幅幅度增大，这这就助长了了的
35、摇摆摆，对此，我我们就说励励磁装置产产生负阻尼尼转矩。很很显然，要要利用调节节器中的Ut作为附加加控制信号号，只需将将Ut进行低通通滤波和相相位超前即即可。正是是如此，整整个阻尼单单元只用了了两个运算算放大器，一一个组成低低通过滤器器，另一个个组成微分分电路。前前者只让00.222.5HZZ低频振荡荡的Ut进入阻尼尼单元，使使其尽量减减少对调节节器正常工工作的影响响；后者将将以进入阻阻尼单元的的Ut进行微分分，使其输输出信号的的相位超前前输入信号号90度，这这个角度可可以补偿转转子回路的的延时，从从而使励磁磁装置输出出正阻尼转转矩。4 最优励励磁控制器器简介尽管励磁附附加控制器器对抑制低低频振
36、荡、提提高电力系系统稳定性性有着明显显的作用，但但是也存在在适应性较较差，现场场调试麻烦烦，对提高高暂态稳定定作用甚微微以及在多多机系统中中应用协调调困难等缺缺点。为解解决这些问问题，进一一步提高电电力系统稳稳定性并改改善其动态态品质，国国内外学者者对励磁控控制规律进进行了大量量的研究。先先是线性最最优控制理理论被引入入电力系统统，研究开开发出线性性最优励磁磁控制器（Linear Optimal Excitation Controller）简称LOEC，目前，葛洲坝电厂使用的MEC型多微机励磁控制器，就是采用LOEC技术。近年来，非线性控制系统的微分几何结构理论又被引入励磁控制规律，研究出非线
37、性励磁控制器（Nonlinear Excitation Controller）简称NEC，也在一定范围内得到使用。a线性最优优励磁控制制原理最优控制理理论是设计计最优控制制系统，使使其性能指指标最优的的理论和方方法，它是是现代控制制理论一个个重要组成成部分。在在单机-无无穷大系统统中，最优优励磁控制制系统的设设计目标是是使系统的的状态偏差差连同控制制量一起达达到最小，这这就意味着着系统的电电压质量、阻阻尼转矩和和同步转矩矩将同时得得到改善。线线性最优励励磁控制，以以提高系统统调压精度度，静态稳稳定和动态态稳定为目目标，将非非线性的电电力系统简简化为线性性模型，采采用计算机机技术，使使其规定的的
38、性能指标标达到最佳佳。在一个完整整的单机-无穷大系系统中，全全部变量有有六个，即即Pe、EEq、Ut、Uf。一个系系统的状态态变量的选选取，应当当是那些重重要的、独独立的、对对性能指标标影响较大大的、易于于测量的变变量。对于于采用励磁磁机励磁的的发电机一一般采用Pe、Ut、Uf四个变量量，对于采采用可控硅硅静止励磁磁的发电机机一般采用用Pe、Ut三个变量量。通过这这些变量得得到状态方方程X=AX+BX，采用二次型型性能指标标，解黎卡卡梯方程，便便可求出最最优控制向向量。在这这个最优控控制向量里里，有相对对Pe、Ut、Uf四个变量量的最优控控制参数：功率反馈馈增益KP、角速度度反馈增益益K、端端
39、电压反馈馈增益KVV、励磁电压压反馈增益益KUf。总之，最最优励磁控控制理论与与技术和采采用常规调调节器相比比，主要有有以下两点点革新：第第一，将单单参量辅助助反馈UUt改进为多多参数反馈馈(反馈量量为电压Ut，功率Pe，转速和转子子电压UUf)；第二二，运用“线线性、二次次型、黎卡卡梯”(LLQR)这这一成熟的的控制方法法，求得多多个反馈量量之间的最最恰当放大大倍数匹配配关系，因因而实现“最最优化控制制”。常规励磁调调节器对电电压偏差Ut进行比例例、积分、微微分控制，简简称PIDD调节。比比例就是对对电压偏差差按比例放放大；积分分是对微小小偏差进行行累计求和和，以达到到消除这些些偏差，提提高
40、调压精精度；微分分将动态的的输入信号号相位超前前，使调节节器能作出出快速的反反应。尽管管该微分电电路提供的的超前相位位，也会减减少（即补补偿）励磁磁电流的滞滞后相位，因因而在一定定程度上补补偿负阻尼尼转矩。但但是，PIID是针对对电压信号号而设计的的，它产生生超前相位位频率与低低频振荡的的频率不一一定相同，它它也不能兼兼顾电压性性能与阻尼尼的要求，按按电压进行行PID控控制的励磁磁系统对于于抑制低频频振荡的作作用是有限限的。PID励磁磁控制调节节规律可以以用比例系系数KP、积分分系数KII、微分系系数KD和电压压偏差UUt来表达：U=-（KP+KI+KDD）Ut。对照线线性最优励励磁控制规规律
41、表达式式：U=-（KPPPe +K+KVUUt）,不难发现现，线性最优优励磁控制制不仅对电电压偏差进进行调节，还还对功率和和角速度偏偏差进行调调节，其目目的是既要要达到常规规励磁调节节器的电压压调节要求求，又要达达到附加励励磁控制器器抑制低频频振荡，提提高系统稳稳定性。b非线性最最优励磁控控制原理理论和试验验都证明，线线性最优励励磁控制，能能有效的提提高电力系系统的静态态稳定和动动态稳定性性，但对系系统的暂态态稳定作用用甚微。目目前我国电电网，低频频振荡和小小干扰稳定定性的改善善固然重要要，但更具具重要意义义的是要提提高其暂态态稳定水平平，为此迫迫切需要发发展直接按按多机系统统、精确非非线性模
42、型型设计的最最优励磁控控制器。在在过去的十十年里，国国际上基于于微分几何何方法的非非线性系统统控制理论论有了较系系统的发展展，美国将将其用于如如飞行器和和机器人等等控制系统统。在我国国，科研人人员将其用用于复杂电电力系统，并并发展了这这种理论，使使我国在该该前沿学科科领域占有有国际上一一席之地。非线性励磁磁控制器，首首先用非线线性微分方方程式来描描述发电机机励磁控制制系统，接接着使用非非线性控制制系统的微微分几何结结果理论，通通过坐标变变换将发电电机非线性性励磁控制制系统变换换成完全可可控的线性性系统，从从而得到非非线性励磁磁控制规律律。非线性性励磁控制制器一般使使用、PPe和Ut四个变量量，
43、其控制制规律有以以下特点：第一，其其中仅含有有受控发电电机可测的的状态变量量，所以实实现了真正正的分散控控制；第二二，仅含有有受控机组组本身的参参数如Tdd0等，故故对网络结结构的变化化有完全的的自适应能能力(鲁棒棒性)；第第三，由于于在求解该该控制律中中，未对模模型作近似似线性处理理，该控制制规律对“小小干扰”和和“大干扰扰”同样适适用；第四四，该控制制规律对一一类二次型型性能指标标是最优。应应着重指出出，非线性性励磁控制制规律采用用发电机全全状态量非非线性最优优反馈，这这对电力系系统的大小小干扰都起起着镇定(Stabbilizzing)作用。从从这个意义义上可以说说它是：全全状态量非非线性
44、最优优的PSSS(Powwer SSysteem Sttabillizerr)。动模模试验证明明，发电机机非线性励励磁控制器器，不仅可可显著的改改善电力系系统稳定性性，同时还还达到了较较高的电压压调压精度度的要求。发发电机非线线性励磁控控制器，在在暂态过程程中对电压压调节的质质量是任何何其他励磁磁控制方式式所不可比比拟的。1.3 葛洲坝电电厂励磁系系统概述葛洲坝电厂厂由二江电电厂和大江江电厂组成成，其中二二江电厂装装机7台，其其主要铭牌牌参数见表表1-1，大大江电厂装装机21台台，其主要要铭牌参数数见表1-2。葛洲洲坝电厂励励磁系统11F199F采用交交流侧串联联自复励静静止可控硅硅励磁方式式
45、，20FF21FF采用自并并励静止可控硅硅励磁方式式。整流电路路即功率柜柜为可控硅硅三相全控控桥电路，且多柜并联。大部分调节器采用葛洲坝电厂能达公司生产的MEC多微机励磁控制器。灭磁电阻使用非线性电阻（氧化锌和炭化硅电阻），其灭磁方式为灭磁开关配合非线性电阻灭磁，发电机转子过压保护也是用非线性电阻来吸收。表1-3是二江电厂励磁系统主要设备配置一览表，表1-4是大江电厂励磁调节器配置表，表1-5比较了大江电厂各类励磁调节器性能，表1-6是大江电厂功率柜配置表，表1-7是大江电厂灭磁系统配置表。从上可见，大江电厂励磁系统较二江电厂配置复杂，设备种类较多。表1-1二二江电厂发发电机铭牌牌参数表参数名称单位12F34F型式TS17660/2000-1110SF1255-96/156000容量MVA194.22143额定功率MW170125额定电压KV13.813.8额定电流KA8.12555.98额定功率因因数COSj0.8755