同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式發(fā)展綜述X

1、2005年第20卷第1期電力學(xué)報(bào)Vol.20No.12005(總第70期J OU RNAL OF EL ECTRIC POWER(Sum.70文章編號(hào):1005-6548(200501-0026-04同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式發(fā)展綜述李家坤(長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北赤壁437302Summary of the Development of SynchronizationG enerator Excitation Control MannersL I Jia2kun(Changjiang Engineering Vocational Couege,Chibi437302,China摘要:綜述了同步

2、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式的發(fā)展過程,指出了幾種控制方式的優(yōu)、缺點(diǎn),展望了今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng)穩(wěn)定性;同步發(fā)電機(jī);勵(lì)磁控制中圖分類號(hào):TM761+.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A Abstract:The development process of synchroniza2 tion generator excitation control manner is Summari2 zed,the advantages and disadvantages of some contr2 ol manners are analyzed,and the develop trend is prospected.

3、K ey Words:power system stability;synchroniza2 tion generator;excitation control由于電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的破壞事故,會(huì)造成大面積停電,使國民經(jīng)濟(jì)遭受重大損失,給人民生活帶來重大影響,因此,改善與提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性意義重大。早在20世紀(jì)40年代,有電力系統(tǒng)專家就強(qiáng)調(diào)指出了同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的調(diào)節(jié)對(duì)提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要作用,隨后這方面的研究工作一直受到重視。研究主要集中在2個(gè)方面:一是勵(lì)磁方式的改進(jìn),二是勵(lì)磁控制方式的改進(jìn)。在勵(lì)磁方式方面,世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用可控硅靜止勵(lì)磁方式,因?yàn)檫@種無旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)的可控硅自并

4、勵(lì)方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn);在勵(lì)磁控制方式上,針對(duì)靜止勵(lì)磁方式的控制器研究也取得了很大的進(jìn)展,到現(xiàn)在為止,已經(jīng)經(jīng)歷了3個(gè)階段,即單變量控制階段、線性多變量控制階段、非線性多變量控制階段。由于電力系統(tǒng)具有高度的非線性特性,當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)改變時(shí),系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性會(huì)顯著改變,此時(shí),單一變量的控制方式和線性控制器就難以滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定的要求,只有非線性控制方式的控制器才能有效地提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定能力。本文將綜述半個(gè)多世紀(jì)以來專家學(xué)者在探索可控硅靜止勵(lì)磁控制方式中取得的成就。1單變量控制方式所謂單變量控制方式就是指其控制規(guī)律是按發(fā)電機(jī)端電壓偏差V t的比例進(jìn)行調(diào)節(jié),或按V t 的比例積分微

5、分進(jìn)行調(diào)節(jié)(PID調(diào)節(jié)方式,其傳遞函數(shù)分別為:比例調(diào)節(jié)方式uVt=K p;PID調(diào)節(jié)方式uVt=(K p+K D S11+K I S。在以上2式中,發(fā)電機(jī)端電壓偏差V t= V REF-V t(t,其中V REF為參考電壓,V t(t為發(fā)電機(jī)端電壓實(shí)時(shí)三相有效值的平均值。PID中比例項(xiàng)的作用是放大誤差的幅值;微分項(xiàng)的作用是改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性;積分項(xiàng)的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差,改善穩(wěn)態(tài)特性。在模擬式PID調(diào)節(jié)器中,輸入與輸出之間的基收稿日期:2004-11-15修回日期:2004-11-24作者簡(jiǎn)介:李家坤(1969-,男,湖北監(jiān)利人,副教授,電力系統(tǒng)專業(yè)教學(xué)與研究。本運(yùn)算關(guān)系為u(t=K

6、 pe(t+1T ite(td t+T dd e(td t+u0。(1式中:u(t為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào);e(t為偏差信號(hào);K p為比例增益;T i為積分時(shí)間常數(shù);T d為微分時(shí)間常數(shù)。而數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器主要有2種算法,即位置式PID算法和增量式PID算法。所謂位置式PID,是指輸出量u n與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,其算法公式為u n=K pe n+TT inj=1e j+T dT(e n-e n-1+u0。(2所謂增量式PID,是指計(jì)算的不是輸出量的絕對(duì)值,而是這次采樣輸出值與上次輸出值之差,即本次輸出相對(duì)于上次輸出的增量,其算法公式為:U=un -u n-1=K pe n-e n-1

7、+TT ie n+T dT(e n-2e n-1+e n-2。(3增量式算法與位置式算法相比,優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:位置式算法的每次輸出都與控制系統(tǒng)的整個(gè)歷史狀態(tài)有關(guān),計(jì)算中要用到過去誤差的累加值,這樣容易產(chǎn)生較大的累加計(jì)算誤差。而增量式算法只需計(jì)算增量,計(jì)算誤差對(duì)輸出量的影響較小。以上所述的PID調(diào)節(jié)方式,雖然在一定程度上緩和了對(duì)單反饋量的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)按系統(tǒng)穩(wěn)定性與按穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度對(duì)調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)要求之間的矛盾,但卻不能有效地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)與提高系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。2線性多變量控制方式為了進(jìn)一步改善和提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定與靜態(tài)穩(wěn)定性能,多變量反饋的勵(lì)磁控制方式便逐步發(fā)展起來。前蘇聯(lián)、美國和我國都相

8、繼推出了不同類型的多變量反饋勵(lì)磁控制器。211前蘇聯(lián)提出的強(qiáng)力式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器20世紀(jì)50年代末期,前蘇聯(lián)電力系統(tǒng)科學(xué)工作者提出了強(qiáng)力式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。該類調(diào)節(jié)器,除采用發(fā)電機(jī)端電壓偏差V t的比例及1次微分外,還采用了發(fā)電機(jī)頻率偏差f及其1次微分和發(fā)電機(jī)定子電流及其微分等輔助反饋量。在設(shè)計(jì)方法上,他們一直采用“雙變量D域劃分法”,即在2個(gè)變量增益的直角坐標(biāo)平面上,劃出1個(gè)特定的區(qū)域,若這2個(gè)變量增益的坐標(biāo)落在該區(qū)域內(nèi),則閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。由于變量較多,這種雙變量D域需要在變量的各種組合下多次畫出,然后從中找出共同穩(wěn)定域D。這種設(shè)計(jì)方法相當(dāng)不方便,而且在有些情況下,這種共同穩(wěn)定域D很小,使參數(shù)整定發(fā)生

9、困難,很大程度上依賴現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員的經(jīng)驗(yàn)。因而這種強(qiáng)力式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的應(yīng)用推廣受到了限制。212美國推出的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS 1969年美國的迪米羅和康迪亞提出了稱之為PSS的勵(lì)磁控制方式,PSS是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器英文Power System Stabilizer的縮寫。該控制方式在控制規(guī)律中保留了按發(fā)電機(jī)端電壓偏差V t的比例積分微分的部分,增加了1個(gè)按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或頻率f的二階超前校正環(huán)節(jié)(俗稱PSS通道。PSS通道由2個(gè)一階超前環(huán)節(jié)(1+K D S/(1 +K I S,1個(gè)放大環(huán)節(jié)K S和1個(gè)清除環(huán)節(jié)TS/(1 +TS以及1個(gè)5%的限幅器所組成。由于PSS環(huán)節(jié)的存在,在其參數(shù)K D、K I、K

10、 S 及T選取合理時(shí),可使整個(gè)閉環(huán)主導(dǎo)特征值左移,起到改善電力系統(tǒng)阻尼特性和減小干擾穩(wěn)定性的作用。但PSS控制方式仍存在以下不足:當(dāng)PSS 環(huán)節(jié)中的K D、K I、K S及T幾個(gè)參數(shù)已確定時(shí),控制器對(duì)于電力系統(tǒng)某一對(duì)應(yīng)的較狹窄的振蕩頻率帶能有較好的控制效果,但當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際振蕩頻率落在上述振蕩器抑制振蕩頻率帶以外時(shí),其控制效果就會(huì)明顯減弱。這種附加單變量的勵(lì)磁控制方式,即使在小擾動(dòng)條件下,其本身從理論上就不能達(dá)到最佳的控制效果,只有在設(shè)計(jì)合理的條件下才能獲得較好的控制效果。213獲得推廣的最優(yōu)勵(lì)磁控制器LO EC 20世紀(jì)70年代以來,隨著現(xiàn)代控制理論及其實(shí)際應(yīng)用的不斷發(fā)展,運(yùn)用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行

11、電力系統(tǒng)運(yùn)行性能的最優(yōu)化控制的研究工作有了迅速的發(fā)展,對(duì)如何按最優(yōu)化的方法來設(shè)計(jì)多參變量勵(lì)磁控制器的研究也有了很大的進(jìn)展。70年代初國際上一些專家提出了線性最優(yōu)勵(lì)磁控制方式,簡(jiǎn)稱LOEC即英文Linear Optimal Excitation Controller 的縮寫,隨后,我國科學(xué)工作者對(duì)此作了進(jìn)一步的研究,已經(jīng)發(fā)表了不少這方面的論文,并推出了該系列的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。文獻(xiàn)1系統(tǒng)地論述了最優(yōu)控制理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。對(duì)單機(jī)無窮大系統(tǒng)而言,如果發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)是自并勵(lì)的,若狀態(tài)向量選為72第1期李家坤:同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式發(fā)展綜述X(t=V t,P eT,則最優(yōu)勵(lì)磁控制規(guī)律可表示為u=U f

12、=-(K VV t+K+K pP e。式中:V t、P e為發(fā)電機(jī)的端電壓、轉(zhuǎn)速及有功功率的偏差量;K V、K、K p為最優(yōu)增益系數(shù)。線性最優(yōu)勵(lì)磁控制方式彌補(bǔ)了PSS控制方式的不足之處,但將線性最優(yōu)控制原理用于多機(jī)電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)時(shí),不能得到分散的最優(yōu)控制規(guī)律,只能得到分散的次優(yōu)控制方案。3非線性多變量控制方式前面得到的PID、PSS和LOEC都存在1個(gè)共同的問題,那就是勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)所依據(jù)的是電力系統(tǒng)在某一特定狀態(tài)下近似線性化的數(shù)學(xué)模型,而電力系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)。按照近似線性化的數(shù)學(xué)模型(其線性狀態(tài)方程為X=A X+B U來設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制器都存在1個(gè)共同的缺點(diǎn),即當(dāng)電力系統(tǒng)遭受大

13、擾動(dòng)使實(shí)際狀態(tài)點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)所選的平衡點(diǎn)較遠(yuǎn)、產(chǎn)生較大幅值的振蕩時(shí),控制效果大為減弱,于是想到對(duì)PSS通道的輸出加上5%的限幅,使得該附加通道的輸出在大擾動(dòng)下自動(dòng)閉鎖;也有學(xué)者提出了1種線性自適應(yīng)勵(lì)磁控制方案,但在大擾動(dòng)下其效果也難以令人滿意。如果能夠在設(shè)計(jì)中直接采用對(duì)于小擾動(dòng)和大擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)過程都是精確的電力系統(tǒng)的非線性模型,將微分幾何法引入非線性控制系統(tǒng),其控制效果應(yīng)能令人滿意。非線性系統(tǒng)最一般的描述形式為X(t=f(X(t,U(t。其中,XR n為狀態(tài)向量,UR m為控制向量。20世紀(jì)90年代,文獻(xiàn)2論述了非線性控制理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,推出了多機(jī)系統(tǒng)非線性勵(lì)磁控制規(guī)律為:Vf i =1P

14、 ei(V ti+Q ei X diV tiP ei-Tdi(V ti+X di Q eiV tidd t(P eiV ti+Q ei X diV ti+H i T doi(t0i d t+2.30+2.4 。(4式中:V ti為發(fā)電機(jī)端電壓;H i為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;i為轉(zhuǎn)速偏差。多機(jī)電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)勵(lì)磁非線性控制規(guī)律有以下優(yōu)點(diǎn):a1控制規(guī)律是分散的,即第i臺(tái)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制是U i只與該臺(tái)發(fā)電機(jī)本身的輸出量如有功P ei、無功Q ei、機(jī)端電壓V ti和轉(zhuǎn)速i有關(guān),而與其他機(jī)組的狀態(tài)量或輸出量無直接關(guān)系。b1控制規(guī)律獨(dú)立于輸電網(wǎng)絡(luò)參數(shù),只與該臺(tái)機(jī)組參數(shù),即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量H i,轉(zhuǎn)子繞組時(shí)間常數(shù)T doi,

15、直軸電抗X di有關(guān)。式(4同樣適用于單機(jī)無窮大系統(tǒng),因?yàn)閱螜C(jī)系統(tǒng)可以看作多機(jī)系統(tǒng)的1個(gè)特例。近幾年來,關(guān)于同步發(fā)電機(jī)非線性勵(lì)磁控制的研究取得了很大的進(jìn)展,這里,按控制器設(shè)計(jì)中采用同步發(fā)電機(jī)的模型不同、控制目的不同,以及電力系統(tǒng)模型的不同加以討論。311按模型的階數(shù)分類大部分同步發(fā)電機(jī)非線性控制器都是基于發(fā)電機(jī)三階簡(jiǎn)化模型(Eq,此時(shí),選擇轉(zhuǎn)子相對(duì)角為控制目標(biāo),同步發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)輸入對(duì)狀態(tài)的精確線性化;若選發(fā)電機(jī)端電壓為控制目標(biāo),同步發(fā)電機(jī)只可以實(shí)現(xiàn)輸入對(duì)輸出部分精確線性化。文獻(xiàn)3將輸入對(duì)狀態(tài)反饋線性化方法應(yīng)用于同步發(fā)電機(jī)控制。其中,發(fā)電機(jī)采取五階模型,又加入了勵(lì)磁電壓和機(jī)械功率作為控制量。文

16、獻(xiàn)4主要證明了五階模型描述的發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)的精確線性化,以直軸次暫態(tài)電壓作為輸出,勵(lì)磁電壓作為輸入。研究表明,基于五階模型設(shè)計(jì)的控制器比基于三階簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)的控制器具有更大的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。文獻(xiàn)5研究了基于發(fā)電機(jī)詳細(xì)模型(發(fā)電機(jī)七階,汽輪發(fā)電機(jī)二階的多輸入多輸出的非線性控制器。該文選擇轉(zhuǎn)子相對(duì)角和發(fā)電機(jī)端電壓作為控制目標(biāo),汽輪發(fā)電機(jī)組汽門開度和勵(lì)磁電壓作為控制輸入,設(shè)計(jì)了部分反饋線性化控制器。理論上講,發(fā)電機(jī)模型的階數(shù)越高,勵(lì)磁控制器將具有更大的運(yùn)行范圍。但是,其控制量的計(jì)算時(shí)間、測(cè)量參量的延時(shí)對(duì)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大的影響。312按非線性控制的目標(biāo)分類發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制有2個(gè)控制目標(biāo),即改善系統(tǒng)的穩(wěn)

17、定性和滿足發(fā)電機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)特性,這2個(gè)控制目標(biāo)往往是相互矛盾的。大多數(shù)非線性勵(lì)磁控制器以控制發(fā)電機(jī)的功角為目標(biāo)來提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,例如文獻(xiàn)6;非線性勵(lì)磁控制也被用于發(fā)電機(jī)的端電壓調(diào)節(jié),例如文獻(xiàn)7;對(duì)同時(shí)考慮82電力學(xué)報(bào)2005年轉(zhuǎn)子相對(duì)角和端電壓調(diào)節(jié)的非線性協(xié)調(diào)控制也有研究,例如文獻(xiàn)8。313多機(jī)電力系統(tǒng)解耦控制在多機(jī)電力系統(tǒng)中,任何1臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行參變量的變化,或者電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化,都會(huì)在不同程度上引起每臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出功率的相應(yīng)改變,引起全系統(tǒng)潮流的相應(yīng)變化,那么每個(gè)子系統(tǒng)僅僅采用本子系統(tǒng)的狀態(tài)量或輸出量作為反饋量,而得到的卻是最大可能地改善全系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)的效果。具備這種特性的控

18、制就稱為是完全分散的或稱做子系統(tǒng)間完全解耦的控制。文獻(xiàn)9用DFL方法設(shè)計(jì)了多機(jī)電力系統(tǒng)的解耦非線性勵(lì)磁控制器。該文獻(xiàn)指出,DFL方法不能直接得到解耦的多機(jī)電力系統(tǒng)的非線性勵(lì)磁控制規(guī)律,只能先設(shè)計(jì)1個(gè)DFL的補(bǔ)償器將非線性系統(tǒng)部分線性化,然后將系統(tǒng)的耦合等當(dāng)作擾動(dòng),進(jìn)一步采取魯棒控制。目前,幾乎所有基于DFL方法的控制器都采用這種方式。4結(jié)束語伴隨著線性控制理論和非線性控制理論的發(fā)展,大型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式的研究在半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間內(nèi)取得了驚人的成果,從古典的比例控制到PSS,從線性最優(yōu)控制到非線性勵(lì)磁控制,調(diào)節(jié)功能越來越完善。雖然同步發(fā)電機(jī)的非線性勵(lì)磁控制在理論上已經(jīng)得到了充分的研究并在我國

19、開始應(yīng)用,但我國大部分機(jī)組還是使用PSS/PID的控制方式,因?yàn)榉蔷€性控制領(lǐng)域中還存在一些問題有待進(jìn)一步研究,不過,可以斷言,非線性勵(lì)磁控制方式的采用將是勵(lì)磁控制方式發(fā)展的必然趨勢(shì)。今后一段時(shí)期,如何利用現(xiàn)代控制理論(諸如智能控制、自適應(yīng)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等提高非線性勵(lì)磁控制器的控制性能,始終是追求的目標(biāo),而無論采用何種控制理論,其核心問題都應(yīng)集中在如何精確地描述電力系統(tǒng)非線性特征以及提高控制器的整體控制效果這2點(diǎn)上。參考文獻(xiàn):1盧強(qiáng),王仲鴻,韓英譯1輸電系統(tǒng)最優(yōu)控制M1北京:科學(xué)出版社,198212盧強(qiáng),孫元章1電力系統(tǒng)非線性控制M1北京:科學(xué)出版社,199313Marino R.A

20、n Example of a Nonlinear RegulatorJ1IEEE Transactions on Automatic Control,1984,29(3:27627914Sararesi SM.Exact Feed Back Linearinzafion of Fifth Or2der Model Synchronors G eneratorsC1IEEE Proceed2 ings Control Theory and Applications,1999,146(1:5357.5Okou FA,Akhrifo.Nonlinear Control of NonminimuPhase Systems;Application to the Voltage and S peedRagulation of Power SystemC.Proceeding of the1999IEEE International Conferen