优化发电机励磁系统防止电网停电事故

■ 哈尔滨电机厂有限责任公司 李宏安

1 励磁系统

随着电力工业的跨越式发展，发电机和电网容量不断增大，电网结构更加复杂。由于发电机和电力系统非线性因素的影响，运行方式和网络参数的变化，都对发电机励磁控制系统的运行性能和功能参数，提出了更高的要求。哈电自行开发和应用的发电机励磁控制系统主要有以下5种：（1）直流励磁机可控硅励磁控制系统；（2）“复励”源静止励磁控制系统；（3）电压源静止励磁控制系统；（4）“它励”交流励磁机励磁控制系统；（5）自励交流励磁机励磁控制系统等。自从三峡机组开建以后，通过技术引进、消化、吸收和再创新，对励磁控制系统的性能、参数等进行了优化、改进，形成了4种用于大型发电机的励磁系统，即：“复励”源静止励磁控制系统、电压源静止励磁控制系统、交流励磁机励磁控制系统和“无刷励磁”励磁控制系统。同时还研究开发了自适应励磁控制系统和 智能型微机自动电压调节器，而智能型微机自动电压调节器却是自适应励磁控制系统的核心。它们的共同特点是：励磁控制方式、理论分析、计算方法和数学模型都是行之有效的，技术上是成熟的、可靠的，已在全国推广应用。

2 预防停电

近年来，由于国际上发生了多次大停电事故，造成了巨大损失。它给国内电网的安全运行也敲响了警钟。而且国内的局部电网也确实因为电力系统电压振荡而引起了停电事故。为保证电力系统的安全稳定运行，国内各电网的调度管理部门决定对其电网进行完善并采取安全稳定运行方面的保护措施，其中包括向电网中投运PSS（电力系统稳定器）。采用这项措施的有效性已被当今世界各大电网所证实。由于它是基于人工智能型的高科技，所以至今为止它也是保护电力系统安全稳定性最先进的手段。但是，这种保护系统要求首先向它输入发电机励磁控制系统详细而又准确的性能、参数，必须提供在励磁控制系统设计阶段所采用的现代化数学模型，以便超前掌握发电机输出电压等参数的变化趋向。

3 优化参数

为了满足国内外电网对发电机励磁控制系统现代化的要求，完成了下述运行参数的优化、选择与设置：自动电压调节器的放大倍数、时间常数(T)、发电机的最大输出限幅、电压(U)与频率(f)的延续时间、 比例增益系数(K)、电压“调差”系数、饱和系数（S）、积分系数、电力系统稳定器（PSS）参数、额定负载系数、“起励”时间系数、角度修正系数、空载“过励”限制、备用参数的设置等；进行了有功功率(P)/无功功率(Q)的百分比、无功补偿率、空载电压/频率定值、负载电压/频率定值、主机功率因数、备用参数、最大步长等的“阶跃”试验等；完成了重要功能的选择，其中包括：跟踪选择、干扰信号、电压“调差”选择、适应选择、“它励”选择、“它励”试验、电力系统稳定器的选择等。开发了HWLT-4微机励磁控制系统完整而又真实的数学模型，并在现有成熟的控制策略基础上添加了标准的单环PI（人工智能）控制结构。

3.1 快速响应

首先对国内外各大电网按照美国标准IEEE 要求而采用的数学模型进行了分析研究，掌握了标准数学模型的各种要求，然后重新优化和更新了现有的励磁控制系统控制“主环”回路的数学模型。十多年的运行实践证明：原有的微机励磁控制系统具有较高的稳定性，只是调节速度稍微慢了。经过优化改进以后，达到了标准要求，并且还开发应用了各大电网迫切要求的具有快速起始响应功能的交流励磁机励磁控制系统及其数学模型。

与“常规”型比，这种“快速”型励磁系统的数学模型特点主要在于改变了其交流励磁机的数学模型环节，是交流励磁机的参数决定了它是“常规”型还是“快速”型。必须指出：近年来许多招标的标书中，要求提供的静止励磁系统应是高（快速）起始响应型的。这是一种误解。静止励磁系统本身就是快速响应系统，其电压调节的响应时间≤0.08s，它不采用交流励磁机；经过改进优化了的交流励磁机系统，虽然具备了快速起始响应功能，其电压调节的响应时间甚至接近于静止励磁系统，但是它采用了交流励磁机。

3.2 软件程序

3.2.1 励磁控制。研究并制定了励磁控制软件程序，其中包括：1)整体软件流程图；2)数据采集模块；3)主控模块；4)通讯模块等。

3.2.2 人机界面。完成了人—机交互界面程序的编写，其中包括：1)与下位机的通讯模块 ；2)主通道数据的显示模块 ；3)备用通道数据的显示模块 ；4)参数设置界面的修改等。

4 便携式装置

如果将现有的励磁调节器整机，送到国家电网指定的华北电网的入网测试实验室进行测试，由于体积和重量方面的原因，运输十分不便。因此 ，对各种运输方案的可能性进行了探讨，并对测试时所需要的物理量进行了仔细的研究分析，改进了励磁调节器的硬件，最后研制出了一种用于电网现场测试的便携式实验装置。

5 验证试验

在进行试验时，采用了物理动态模拟和数字模拟2种方法，应用实时数字仿真系统构建了包括发电机及其励磁机、调速系统、电力系统稳定器、主变压器、主开关、及等值无穷大电源在内的电力系统仿真环境，向自动电压调节器装置提供所需要的发电机的电压、电流、励磁电压、励磁电流，和励磁机本身的励磁电压、励磁电流，以及主开关的位置节点等模拟信号、数字信号，将自动电压调节器装置输出的控制电压模拟信号输入到实时数字仿真系统，经过励磁机模型或描述整流器特性的一阶滞后环节，便可得到发电机的转子电压，从而构成闭环试验环境。

5.1 仿真测试。首先利用厂内实验站的励磁仿真装置对新的软件进行了大量的仿真测试，加深了对新的数学模型参数设置的理解，并且对软件进行了大量的改进，使其功能更加完善。

5.2 入网测试。顺利地通过了在国家电网指定的华北电力科研院实验室进行的励磁系统入网资格测试。

5.3 真机试验。最后通过了在下述发电站进行的真机现场试验，并投入了运行：1) 新疆天业发电站； 2) 山西南庄发电站； 3) 云南“居蒲渡”发电站；4) 贵州“那雍”发电站等电站。

6 结论

（1）作为“发电设备国家工程研究中心”的哈电，经过优化改进了的发电机励磁控制系统的性能参数、数学模型等通过了国家电网按照美国标准进行的测试，达到了世界先进水平。

（2）为满足广大电网的要求而开发的具有快速起始响应功能的交流励磁机励磁控制系统，增强了我国在国内外市场竞争中的综合实力。

（3）最新开发的这种发电机励磁控制系统对于新产品设计、现有产品的运行维护和老产品的技术改造、更新换代都具有重大参考价值。