基于小水电自并励发电机励磁控制系统研究

雷升莉

摘 要：小水电自并励发电机励磁控制系统相比于其他励磁系统具有可靠性高、响应速度快、电机安全系数高等优点，已经在工程实践中得到了广泛应用。本文将对小水电自并励发电机励磁控制系统进行研究，首先分析了系统作用和应用优势，并通过构建数学模型对其进行仿真分析。在此基础上，探讨小水电自并励发电机励磁控制系统的实际应用效果。

关键词：小水电工程 自并励发电机 励磁控制系统

中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（a）-0081-02

在绿色能源发展趋势下，小水电资源开发受到了广泛重视，我国小水电装机量逐年提升，但开发率仅为60%左右，仍具有较大开发潜力。小水电开发项目存在无功不足、功率送出难等问题，通过采用自并励发电机励磁控制系统，可以更加灵活地对小水电发电机进行调节。因此，对小水电自并励发电机励磁控制系统进行研究具有重要的实际意义，可以促进小水电资源的开发和应用。

1 小水电自并励发电机励磁控制系统的主要作用

小水电自并励发电机励磁控制系统的作用主要体现在以下几个方面：对发电机的端电压进行有效控制，使其维持在规定区域，如果出现负荷波动现象，则启动励磁调节器，控制节点电压在允许范围内，重新找到平衡；对无功功率进行合理分配，通过调节励磁电流大小，改变发电机输出无功功率，同时与其他并联运行的发电机组关联起来，通过对励磁电流进行有效调节，达到预期控制效果，保证发电机无功功率、输电线电压、发电机组间无功功率的合理分布；对系统运行条件进行调节和改善，比如出现接地或短路故障时，通过切换励磁调节器工作状态，进行强行励磁，让电力系统电压维持在允许范围内。同时提高继电保护灵敏度，快速灭磁，将励磁电枢电流降低为零，从而减少故障损失[1]。

2 小水电自并励发电机励磁控制系统的应用优势

从励磁系统分类来看，根据电源取向可以将其分为自励方式和他励方式两大类，其中自励方式包括自并励、自复励方式，他励方式包括交直流励磁机供电方式、厂用交流电源供电方式和其他供电方式等。其中一些励磁系统由于自身缺陷，已经逐渐被淘汰。相比于其他励磁方式，自并励励磁控制具有以下几方面优势：不需要采用励磁机和其他整流装置，有利于提高系统运行稳定性；大轴长度被显著缩短，高度也得到下降，有利于降低小水电投入成本；电机轴与轴承座间的振动得到有效减少，从而可以有效提高电机安全系数。基于上述优势，目前自并励发电机励磁控制系统已经在小水电开发中得到较为广泛的应用，并具有良好的应用前景[2]。

3 小水电自并励发电机励磁控制系统的数学模型

3.1 PID参数整定

PID励磁控制器是基于经典控制理论的励磁控制策略，在工业控制中占有重要地位。小水电自并励发电机励磁控制系统的研究应用经历了一个漫长的过程，传统控制器采取PI控制方式，但逐渐无法满足励磁系统控制需要，PID控制逐渐成为其必然趋势。在PID控制基础上，通过加入电力稳定器（PSS），抑制电磁振荡，可以进一步提高励磁控制可靠性。在系统数学建模过程中，首先要进行PID参数整定，具体可采取3种方法，即试凑法、临界比例度法或阶跃反应法。其中阶跃反应法通过采用模拟控制器确定PID控制参数，记录参数响应过程，求出等效滞后时间、等效时间常数及两者比值。

3.2 PID仿真模型

PID控制方法是比例、积分和微分的几何，可以在输入基础上调节输出幅值和输出相位，确保系统稳定性。在PID仿真模型分析过程中，首先要建立几个基本模型：（1）比例控制，传递函数为GC（s）=KP；（2）比例积分控制，传递函数为GC（s）=KI/S；（3）比例微分控制，传递函数为GC（s）=KP+KPτs。进而得出PID控制模型，其传递函数为GC（s）=KP+KI/S+KPτs。在此基础上，再用整定法等，确定具体参数。

3.3 AVR+PSS励磁控制器

针对PID控制方式无法克服低频振荡的问题，目前电力稳定器（PSS）已经在励磁控制系统中得到广泛应用，以AVR为基础，构建AVR+PSS励磁控制器。其中，AVR励磁控制采用PID控制方式，PSS负责消除低频振荡，从而可以改善勵磁系统控制性能。在对AVR+PSS励磁控制系统进行数学建模分析时，首先要确定PSS传递函数。励磁系统和发电机绕组具有相位滞后特性，设其滞后相位角为φ，设低频振荡频率为ω。励磁系统传递函数G（s）=KA/（1+TAs），其中KA为时间增益，TA为惯性时间常数。为消除滞后相位角φ，需要为PSS设计超前环节，一般采取两级设计方式，传递函数为G（s）=[（1+T1s）/ （1+T2s）]×[（1+T3s）/（1+T4s）]。PSS的主要作用是克服系统低频振荡，通过超前环节设计，可以实现其功能。此外，为避免附加信号影响发电机电压，需要增加一个传递函数G（s）=KCTS（1+TS）隔离信号稳态值。在此基础上，构建PSS模块，建立AVR+PSS控制励磁系统。

4 小水电自并励发电机励磁控制系统的实际应用

小水电自并励发电机励磁控制系统主要由励磁变压器、功率元件、励磁调节器和测量元件等构成，接在发电机端的励磁变压器作为励磁电源，经过功率元件整流为直流电供给转子励磁电流，励磁调节器根据PT、CT等测量元件采样的电压电流量，通过控制器运算输出，来调节励磁电流大小，以实现自动控制发电机机端电压或无功功率的目的。

实际应用中，在上述数学建模基础上，分别在PID控制、AVR+PSS控制和线性二次型最优控制3种控制方式下，构建系统仿真模型，记录电机转速和电磁功率在具体扰动条件下的波动情况。

主要分两种情况进行研究，一种情况是静态扰动仿真分析，励磁控制系统机端在6s时施加20%扰动，确定3种控制方式在小扰动下的系统电功率阶跃相应。从实现结果来看，3种控制方式都能调节系统达到另一种稳定运行状态，但从持续波动时间和波动幅度方面来看，线性二次型最优控制更具优势。采用该控制方式，可以有效减小波动幅度，缩短持续波动时间，使系统对小扰动具有更强适应性。另一种情况是在暂态大扰动下进行分析，在机端15s时施加90%扰动。从分析结果来看，3种控制方式都能调节系统回归扰动前的稳定运行状态，其中线性二次型最优控制用时最短、AVR+PSS控制次之，PID控制用时最长。从实际应用情况来看，线性二次型最优控制自并励发电机励磁控制效果最佳。

5 结语

综上所述，自并励发电机励磁控制系统具有更好的励磁控制能力，可以在小水电开发中应用，提升系统运行稳定性。通过对三种自并励励磁控制方式进行对比分析，可以看出线性二次型最优控制效果更好。在小水电自并励发电机励磁控制系统构建过程中，应积极采用先进的控制方法提高系统控制能力。

参考文献

[1] 邓昭俊.小水电自并励发电机励磁控制系统研究[D].湖南工业大学，2016.

[2] 邓昭俊，雷敏，曾进辉，等.基于线性二次型最优控制的小水电自并励励磁控制器设计[J].新型工业化，2016，6（2）：13-20，26.