浅谈WKKL-1微机励磁调节装置

刘 学 强， 李 翔

(1.华电四川发电有限公司内江发电厂，四川内江 641000;2.四川大学电气信息学院，四川成都 610065)

励磁调节装置是发电机重要的自动控制设备。一个优良的励磁控制系统，不仅可以保证发电机可靠、稳定运行，而且可以有效地提高发电机及其相连电网的技术经济指标。

内江发电厂21号机、22号机、23号机(三台均为单机容量200 MW机组)分别于1997年、1999年、2003年将励磁调节器更换为由南京电力自动化设备总厂生产的WKKL-1型微机励磁调节装置。WKKL-1型微机励磁调节装置采用 INTEL8086微处理器构成的集成电路，虽然功能插件较多，硬件结构较复杂，但从多年运行情况看，其稳定性及优良的技术指标仍是不可多得的。众所周知，发电机励磁控制系统是一个闭环的调节系统，如何保证该系统的稳定并具有优良的动态调节品质是衡量励磁调节装置性能好坏的首要指标。微机励磁调节装置的核心在于采用何种控制理论及其数学模型，WKKL-1励磁调节装置采用电力系统稳定器(PSS)及比例-积分-微分(PID)调节，笔者就此进行了初步分析。

1 励磁控制系统的组成

图1 三机励磁系统示意图

从图1中可以看出，永磁机、交流励磁机、发电机的转子回路构成了三机励磁系统。发电机的励磁电流是由100 Hz的交流励磁机经硅整流装置供给，交流励磁机的励磁则由永磁机经WKKL-1微机励磁调节装置供给。

2 自动电压调整主控制环

2.1 励磁机小闭环

励磁机小闭环的作用是减小交流励磁机的时间常数。三机励磁系统的主要缺点是交流励磁机时间常数太大，直接影响发电机转子电压的上升速度，即对发电机及电网系统的暂态稳定有直接影响。一般来说，交流励磁机的时间常数约为1 s，内江发电厂21号机组交流励磁机实测时间常数为0.65 s。在WKKL-1励磁调节装置中采用转子电压负反馈后，励磁机时间常数减少到0.15 s，接近快速励磁系统水平，从而大大提高了三机励磁系统的电压响应水平。

2.1.1 励磁机小闭环组成

采用转子电压硬负反馈算法，取发电机转子电压，经直-直变换器隔离后，取反馈量β，送入PID计算后的综合放大器，通过综合放大器、移相触发单元、可控硅三相全控桥、交流励磁机、发电机转子电压组成了一个励磁机小闭环，框图见图2。

图2 励磁机小闭环框图

2.1.2 励磁机小闭环传递函数

励磁机小闭环数学模型框图见图3。

图3 励磁机小闭环数学模型框图

通过推导可将数据模型图(图3)简化为励磁机小闭环数学模型简化框图(图4)。

图4 励磁机小闭环数学模型简化框图

由公式可以看出，采用转子电压负反馈后，交流励磁机时间常数减小了(1+K2K3β)倍，等值放大倍数也减小了(1+K2K3β)倍。前者是我们需要的，后者则可以通过主环其他环节的放大倍数调整得到补偿。

内江发电厂WKKL-1励磁调节装置实际取用的反馈系数β=0.05，实测交流励磁机时间常数约为0.15 s。从现场录波图可以看出:引入转子电压负反馈后，交流励磁机由典型的二阶振荡环节变为接近于一阶惯性环节，即在一定程度上有降阶作用。

2.2 主控制环

发电机空载时，主控制环框图见图5。

图5 主控制环框图

经发电机量测PT采得发电机电压并经降压后送交流信号处理板，经采样保持电路送AD板交流采样，CPU板采得电压后根据数字电位器设置的放大倍数与自动参考电压进行比例-积分-微分运算，计算出控制量Uc，查余弦表得到控制可控硅的开放角，从而控制交流励磁机的励磁电流，以维持发电机机端电压的恒定、形成发电机电压的闭环调节。其数学模型框图见图6。

图6 数学模型框图

其开环传递函数为:

从中可以看出，发电机的闭环调节系统是由多个一阶环节组成，在理论上就存在是否稳定的问题。闭环调节系统若不稳定，反映为发电机电压及无功负荷的持续振荡，其振荡频率与频率特性有关，故可以根据其开环频率特性进行稳定性判断。根据传递函数可做出励磁系统的相频、幅频特性(图7)。

图7 励磁系统开环频率特征图

相频特性与－180°相交的角频率所对应的幅频特性的数值称为增益裕度;幅频特性与ω轴的交点频率称为穿越频率;穿越频率所对应的相频特性与－180°的差值称为相位裕度。如果对应的幅频特性其增益裕度为负值，则该系统是稳定的;如果增益裕度为0，则该系统是临界的;如果增益裕度为正值，则该系统是不稳定的。

内江发电厂21号机励磁系统的增益裕度为－20 db，相位裕度为46°，现场投运时，10%阶跃响应试验录波图显示:无超调，无振荡，调节时间为0.7 s，说明该系统是稳定的。

3 励磁系统开环放大倍数对发电机静态及暂态稳定的影响

3.1 对静态稳定的影响

同步发电机稳定运行的充分且必要条件是:具有正的同步转矩和正的阻尼转矩。从同步电机的稳定理论可知，增大励磁控制系统的电压放大倍数可以显著提高发电机的同步转矩系数，有利于提高电力系统的静态稳定;从发电机的功角特性也可看出，一个灵敏、快速的励磁调节装置对提高静态稳定的效果是显著的。

国标《大中型同步发电机励磁系统基本技术条件》中规定，自动电压调节器应保证同步发电机端电压静差率＜1%，对于200 MW汽轮发电机，同步电抗xd=1.86，经计算，发电机励磁电势从空载到满载约增长1.6 Pu，即为了满足静差率＜1%，开环放大倍数应大于160倍。WKKL-1微机励磁调节装置的开环放大倍数远远超过该值，故其静差率指标是优良的，对提高发电机运行静稳定能力很强。从实际运行也可看出，调节器柜的输出电压表在不停地摆动，而发电机的电压表及无功负荷表则纹丝不动，说明励磁调节器在不断地调节。如果调节器的输出电压表不动，则说明该系统开放放大倍数太小，调节不够灵敏;另外，也可通过发电机电压(00通道)和自动参考电压(02通道)的值进行比较，如果两者读数相差在1%以下，则说明该励磁系统的开环放大倍数足够大，且静差率是合格的。

3.2 对暂态稳定的影响

暂态稳定是指在大干扰下维持发电机同步运行的能力。在电网系统发生短路且故障点还未切除的暂态过程中，发电机电压将显著降低而使制动功率减小，此时，原动机调速器一般来不及动作，这就要求励磁调节器能快速强励到顶值，不使制动功率过小，以阻止发电机功角δ的摇摆过度增大，有利于提高发电机的暂态稳定。暂态稳定要求励磁系统能快速响应和有高的顶值电压，而要做到快速响应，就必须要有足够大的放大倍数。

3.3 发电机突甩负荷时对过电压的抑制

发电机在运行中突甩负荷时会造成发电机过压，如果励磁调节快速、灵敏，就能将发电机电压控制在允许的范围内。DL/T650标准规定，突甩额定无功负荷，发电机电压不能超过额定值的15%。WKKL-1励磁调节器在内江发电厂做甩额定无功负荷试验，其过压值均小于10%。

4 结语

WKKL-1型微机励磁调节装置数学模型合理，技术指标优良。由于该装置在内江发电厂运行时间较长，元器件老化，目前已逐步更换为WKKL-3型微机励磁调节器，但其采用的数学模型和经典控制理论仍具有普遍意义。