水轮发电机组调速与励磁复合控制技术的分析

水轮发电机组调速与励磁复合控制技术的分析

李阳 秦鸿鑫

嫩江尼尔基水利水电有限责任公司 黑龙江齐齐哈尔 161005

摘要：水轮发电机组发电的过程实质上就是水能向电能转换的过程。水轮发电机组是完成能量转换的主要设备，而与能量转换相关的控制设备，例如发电机励磁调节器，水轮机调速器和机组自动操作装置等设备构成了水轮发电机组的基本控制设备。水电站生产出的电能一般需要通过输电和变电等环节才能最终送达用户。鉴于此，本文主要分析水轮发电机组调速与励磁复合控制技术。

关键词：水轮发电机组；调速与励磁；复合控制

中图分类号：TM473 文献标识码：A

1、概述

水轮发电机组的主要控制器包括发电机励磁调节器、水轮机调速器等部分。利用它们可实现机组并网，以及机组频率、有功、无功、电压等调节操作，是水电厂的重要生产设备。从目前国内外生产应用情况看，励磁调节器和水轮机调速器是分离的，各自构成一套独立工作的系统。随着微处理器技术的发展，在各自的领域均取得了许多成就，发展出了各式各样的微机励磁调节器、微机调速器，并在工程实际中得到广泛的应用。

从控制对象的角度看,水轮机发电机组的控制对象主要包括同步发电机、水轮机及引水系统。从广义的对象角度看调速器的随动系统和液压放大系统、励磁调节器的功率放大单元也可以看作是被控对象。

2、交流励磁与调速协调控制

常规水轮发电机组(即同步发电机组)只能在额定同步转速下运转，机组转速固定不变，无调节余地。通常设计成在加权平均水头下达到最优单位转速，在最优单位转速附近水轮机具有良好性能和效率。若水头变化而转速不能改变，则水轮机势必效率降低、气蚀系数增大，磨蚀和振动增加，运行工况恶化。对于交流励磁变速恒频机组，在实时水头变化时可以通过动态调节轮机转速来获得最大效率和最优工况。系统总体结构如图1所示。

图1交流励磁变速恒频发电机组结构框图

图 1中，核心模块是交流励磁与调速协调控制系统。当水头发生变化时，由最优转速模型计算出最优转速指令，速度控制回路调节喷针开度，满足转速指令，获得最大效率;在速度调节过程中，功率调节回路维持发电机输出功率不变。

并网运行发电机组存在多工况运行情况，如空载运行和并网发电运行等，不同工况被控对象的数学模型差异较大。要获得良好的控制品质，不同工况应采用不同的控制策略。本文提出了变结构、变参数协调控制思想，即设计协调控制模块，建立协调控制机制。在协调控制模块管理下实现空载运行控制和并网发电控制的动态切换、交流励磁控制和转速控制的动态匹配。协调控制模块实时监测发电机组状态，按协调机制调用控制策略、调整控制结构、重配控制参数。

并网断路器状态信号 DL 用于触发空载运行控制和并网发电控制的动态切换。当 DL = 0 即并网断路器分闸时，调用空载运行控制策略;当 DL= 1 即并网断路器合闸时，切换到并网发电控制策略。协调控制模块监测功率需求增量 ΔP 和水头增量 Δh，并分 4 种情况启动不同的控制策略。当ΔP≠0，Δh =0，即需求电功率变化时，功率调节回路调节交流励磁电流向量，从而控制输出电功率以满足需求变化。速度调节回路恒定机组转速，由于功率调节快、速度调节慢，因此在速度调节回路投入开度前馈控制，动态改变水机喷针开度增量 Δδ = f(ΔP)，预调水轮机出力以减小转速波动。当 ΔP = 0，Δh≠0，即水头变化时，速度调节回路按最优转速指令控制转速以实现最大效率追踪。功率调节回路检测水机转速，调节励磁电流幅值及频率，恒定输出电功率。由于功率调节快，功率调节回路能抑制速度变化带来的扰动，故可不设功率前馈控制，但要兼顾电功率变化时的跟随性能和水头变化时的抗扰性能。当 ΔP≠0，Δh≠0，即功率需求和工作水头同时变化时，功率调节、最大效率追踪控制和开度前馈控制遵循严格时序，即先启动功率调节以保证电网稳定，接着启动开度前馈控制预调机械出力，待功率调节过程基本稳定后再启动最大效率追踪控制。

3、水轮发电机组调速与励磁复合控制技术分析

水轮发电机组控制系统主要两个控制主环构成：水轮机调速控制环和发电机励磁控制环。由于调速控制时间常数大，动作具有时滞性，而励磁控制时间常数小，动作快，导致两者具有很大的动态特性差异。然而，调速控制和励磁控制却又具有角速度上的联系。在传统设计中假设机组运动方程中的动力矩为常数，且当做励磁控制的干扰信号。当系统发生低频振荡时，由于阻力矩变化引发调速器的功率调节，使调速与励磁分别动作。因此，为了协调两者间的控制，抑制低频振荡，采用调速与励磁复合设计比较合适。

电力系统的频率完全取决于发电机转速，而转速又取决于水轮机，从而系统的频率控制实质上就是控制水轮机的转速。并且由耦合关系图可知，调速系统的控制性能与励磁系统的控制性能是具有相互影响作用的，导叶开度变化不仅会影响频率的变化，也会影响到机端电压的调整，同理，励磁电压的变化在影响机端电压的同时，也会对机组频率有作用。所以为了保证整个系统控制目标的最优，两个控制系统间必须要求进行协调，即不能简单地按单系统性能最优来进行设计，而是要按整体系统性能最优进行设计。

现代控制理论的发展为控制系统的设计提供了新的理论和方法，其中包括状态空间理论，现代频域设计理论等。状态空间理论要求受控对象具有精确的数学模型，设计出的控制器结构比较复杂，以至于难以物理实现，因此状态空间理论显得并不方便。而现代频域设计理论不像状态空间法那样，对控制对象的数学模型的精度要求很高，由于这种方法是在古典频率法的基础上发展而来，具有直观、物理概念清晰、容易判别设计方向，在工程上易于实现等优点。

总之，目前各大电厂仍然沿用传统的经典控制理论，对水轮发电机组的调速系统和励磁系统进行单独控制，也即将电压和频率分开控制。这种控制方法虽然已经非常成熟，但是由于电力系统发展迅速，传统单独控制的不足也逐渐体现出来，比如忽略了控制过程中调速系统和励磁系统之间的相互影响等。因此水轮发电机组复合控制相对于传统调速与励磁分离控制而言，有着相当的优势。

参考文献：

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