交流励磁发电机励磁控制

国家教委博士点基金资助项目, 编号 96061103。本文于 1996 年 5 月 10 日收到, 1997 年 6 月 7 日改回。 廖　勇　男, 博士, 1964 年生, 毕业于重庆大学, 现主要从事电 机及控制方向的研究工作。 杨顺昌　重庆大学电气工程系教授, 博士生导师, 主要从事电 机及其控制方面的教学、科研工作, 发表论文 60 余篇, 专著两本。 第 18 卷第 2 期 1998 年 3 月 中　国　电　机　工　程　学　报 P roceedings of the CSEE V o l. 18 N o. 2 M ar. 1998 交 流 励 磁 发 电 机 励 磁 控 制 廖　勇　　杨顺昌 (重庆大学电气工程系　重庆　400044) 　　提　要　本文提出了一种新的交流励磁发电机励磁控制 模型, 利用该模型对发电机有功、无功、转速调节特性进行了 仿真研究, 结果表明, 该方法能实现有功、无功和转速的独立 控制, 且具有良好的动态性能。 关键词　交流励磁　　励磁控制　　动态同步轴系 1　前言 交流励磁发电机之所以具有超越传统同步发电机良好的 调节特性、运行的灵活性及可靠性, 除了其电气结构与传统同 步发电机相比, 有多相转子对称交流励磁外, 关键在于应有一 套能充分发挥该电机运行特点的励磁控制系统。因此交流励 磁发电机的励磁控制研究倍受关注, 概括起来有: 类似于异步 化汽轮发电机的双通道多变量反馈励磁控制系统 [1, 4 ]; 基于同 步电动机变频调速矢量控制所提出的励磁控制系统 [3 ]; 基于 交流电机的多标量模型所提出的多标量励磁控制系统 [2 ]。在 这些励磁控制系统中, 双通道多变量反馈励磁控制系统和矢 量励磁控制系统的特点是利用交流励磁发电机的有功、无功 与同步坐标轴下 d 轴和 q 轴电流的解耦关系来建立控制方 程, 实现有功、无功的独立控制。交流励磁发电机能控制的是 励磁绕组的电压相量, 转子电压相量的任何变动, 将引起其在 同步轴系下 d 轴 q 轴电压的同时变化, 因此为了消除这种 d、 q 轴电压的耦合, 一般采用硬性负反馈[1 ] , 从而使得控制系统 较为复杂。而矢量控制系统和多标量控制系统, 都将涉及到磁 链模型, 同时这种解耦是一种近似解耦, 这样不但使励磁控制 系统复杂化, 同时也使控制系统的动态性能受到影响。为此本 文提出了一种新的解耦控制方法, 此方法是控制转子电压相 量在动态同步坐标轴系上的投影来实现有功、无功和转速的 独立控制, 动态同步坐标轴系与固定在定子电压相量上的同 步坐标轴系的相对位置决定于电机本身的参数及转差率 s, 仿真研究表明: 在动态同步轴系下改变励磁电压相量可实现 发电机有功、无功、转速的独立控制, 本文提出的控制策略, 使 励磁控制系统得到简化, 便于工程实现。 2　数学模型 211　电机模型 设交流励磁发电机经一外接电抗 X w 与无穷大系统相 连, 在同步坐标轴系下, 按发电机惯例, 且将同步坐标轴系的 d 轴固定在无穷大电网的电压相量上, 其电压方程式为: u sd 0 u rd u rq = - R s - L s + X wΞ p - ΞL s - X w M p ΞMΞL s + X w - R s - L s + X wΞ p - ΞM M p - M p - sΞM R r + L rp sΞL r sΞM - M p - sΞL r R r + L rP isdisqirdirq (1) 式中: R s、R r 为定转子电阻; L s、L r 为定转子全电感; M 为定转子互感; s = Ξ - ΞrΞ 为转差率Ξ、Ξr 分别同步角速度、转子角速度。 稳态运行时, (1)式中令 p = 0, 可得稳态电压方程式:U sd0U rdU rq = - R s - ΞL s - X w 0 ΞMΞL s + X w - R s - ΞM 00 - sΞM R r sΞL rsΞM 0 - sΞL r R r I sdI sqI rdI rq (2) 电磁转矩: T e = M I sq I rd - M I sd I rq (3) 转子运动方程式: J dΞrd t = T L - T e (4) 上式中 J 为发电机转子惯量, T L 为原动机输出转矩。由 (2)式 改写成电流的矩阵方程式为: I = Z - 1U = YU I sd I sq I rd I rq = Y 11 Y 12 Y 13 Y 14 Y 21 Y 22 Y 23 Y 24 Y 31 Y 32 Y 33 Y 34 Y 41 Y 42 Y 43 Y 44 U sd 0 U rd U rq (5) 定子电流: I sd = Y 11U sd + Y 13U rd + Y 14U rq I sq = Y 21U sd + Y 23U rd + Y 24U rq (6) 式中: Y 11= (- R sR 2r - s2Ξ2R sL 2r + sΞ2R rM 2) öûZ û Y 13= s2Ξ2R sM L r- sΞ2R ′rM L s+ X wΞ ûZ û Y 14= (- sΞR sR ′rM - s2Ξ3L sL rM + s2Ξ3M 3) öûZ û Y 21= - ΞR 2r L s+ X wΞ + sΞ3M 2L r- s2Ξ3 L s+ X wΞ L r öûZ û Y 23= sΞR sR ′rM + s2Ξ3 L s+ X wΞ L rM - s2Ξ3M 3 öûZ û Y 24= s2Ξ2R sL rN - sΞ2R r L s+ X wΞ M ûZ û (7) 　　式中ûZ û为阻抗矩阵的行列式 212　稳态有功功率和无功功率 在同步坐标轴系下交流励磁发电机输出有功功率为: P 1 = U sd õ I sd 将 (6) 式代入, 得: P 1 = Y 11U 2sd + Y 13U sdU rd + Y 14U sdU rq (8) 　　在 (8) 式中 Y 11U 2sd仅与定子电压有关, 实为异步功率, 稳 定运行时, 当定子电压、转差率 s 为定值时, 异步功率为恒值, 而 Y 13U sdU rd + Y 14U sdU rq为与定转子电压有关的同步功率, 当 转差率 s 一定时, 通过对转子电压相量的控制这一部份功率 是可控的。同理可得交流励磁发电机无功功率: Q 1 = U sd I sq 将 (7) 式代入, 得: Q 1 = Y 21U 2sd + Y 23U sdU rd + Y 24U sdU rq (9) (9)式表明, 交流励磁发电机无功功率也由两部份组成, 一部 份仅由定子电压确定, 为不可控部分, 另一部份由定、转子电 压共同决定, 为可控制部份。由 (8)、(9)式可知, 有功、无功都 与同步坐标轴系中转子电压 d 轴和 q 轴分量有关, 任何转子 电压相量的改变都将同时引起发电机定子有功、无功的改变, 如按上述同步轴系, 建立的控制模型, 必须采取其它技术措 施, 才能独立控制有功和无功。 213　动态同步轴系 为简化控制, 本文作如下的变换, 将 (8)式 (9)式改写成: 　　P 1= Y 11U 2sd + Y 213+ Y 214· U 2rd + U 2rq·U sd Y 13 Y 213+ Y 214 · U rd U 2rd + U 2rd + Y 14 Y 213+ Y 214 · U rq U 2rd + U 2rq (10) 　　Q 1= Y 21U 2sd + Y 223+ Y 224· U 2rd + U 2rq·U sd Y 23 Y 223+ Y 224 · U rd U 2rd + U 2rd + Y 24 Y 223+ Y 224 · U rq U 2rd + U 2rq (11) 由 (7)式可知: Y 13 = Y 24, Y 14 = - Y 23, Y 213 + Y 214 = Y 223 + Y 224 设: Y 213 + Y 214 = Y 223 + Y 224 = Y , U 2rd + U 2rq = U r, U rd U r = co sΗ, U rq U r = sinΗ, Y 13Y = co sΑ, - Y 14Y = sinΑ 则: Y 23Y = sinΑ, Y 24Y = co sΑ 将其代入 (10)、(11)式可得: P 1 = Y 11U 2sd + YU sdU r (co sΑco sΗ- sinΑsinΗ) (12) Q 1 = Y 21U 2sd + YU sdU r (sinΑco sΗ+ co sΑsinΗ) (13) 由三角公式化简 (12)、(13)式得: P 1 = Y 11U 2sd + YU sdU rco s (Α+ Η) (14) Q 1 = Y 21U 2sd + YU sdU r sin (Α+ Η) (15) 式 (14)、(15) 中 Η角为同步坐标轴系下定子电压相量与转子 电压相量之间的夹角, 由于定子电压相量与 d 轴重合, Η角即 为转子电压相量与 d 轴的夹角, Α角由电机参数和转差率 s 确 定, 稳态运行时, (14)、(15) 式中的U rco s (Η+ Α) , U r sin (Η+ Α) 可看成是转子电压相量分别在一个新的同步旋转坐标轴系 图 1　d-qø◊ 轴系和 d′-q′轴系的关系 F ig. 1　The rela tionsh ip between d-q ax is and d′-q′ax is d′、q′上的投影, 此新的轴系与 d、q 轴系的关系, 如图 1 所示, 当 Α为正时, d′轴所在的位置为以 d 轴作起始轴沿着顺时针 方向旋转过 Α角的位置, 则 (14 ( (15)式可进一步写成: P 1 = Y 11U 2sd + YU sdU ′rd (16) Q 1 = Y 21U 2sd + YU sdU ′rq (17) (16) (17) 式表明, 交流励磁发电机在稳态运行时有功仅与 d′ 轴上的分量U ′rd有关, 而无功仅与 q′轴上的分量U ′rq有关, 控制 88 中　国　电　机　工　程　学　报 第 18 卷 转子励磁电压相量U r 在 d′、q′轴上的投影, 就可实现交流励 磁发电机有功、无功的独立控制。由于 (d′、q′) 轴系在空间的 位置与转差率有关, 在动态过程中, 它将随动态转差率 s 的改 变而改变, 故将该轴系定义为动态同步轴系。 214　动态同步轴系下励磁控制模型 根据以上推导的交流励磁发电机有功、无功与动态同步 坐标轴系 d′、q′电压分量的对应关系可得到交流励磁发电机 励磁控制模型: U ′rd = U ′rd 0 + K p ∃P + K s∃s (18) U ′rq = U ′rq0 + K q∃Q (19) (18)式为交流励磁发电机有功通道的控制方程, U ′rd为即时运 行状态励磁电压在动态同步轴系 d′轴上的分量; U ′rd0为前一 运行状态时励磁电压在 d′轴上的分量; ∃p 为发电机前一运 行状态时的有功输出与设定有功输出之差; ∃s 为发电机有功 调节过程中, 电机的瞬时转差率与设定转差率之差, 这一项除 了反映不同转差率时, 发电机应有不同的异步功率外, 还有跟 踪动态同步轴系和缩短有功调节过程的作用; K p、K s 为反馈 系数。 (19) 式为交流励磁发电机无功通道的控制, U ′rq、U ′rq0具 有 (18)式中U ′rd、U ′rd0相同的含意 (q′轴上的分量) ; ∃Q 为发电 机前一状态时无功输出与设定无功输出之差。从理论上讲, 无 功通道的方程亦应反映动态过程中, 不同转差率对无功输出 的影响, 但因其无功调节过程是一纯粹的电磁过程, 为简化控 制装置的设计, 因此将与无功功率有关的转差项略去。K q 为 无功反馈系数。按此模型的要求所建立的控制器框图如图 2 所示, 图中交流逆变器的输出即为交流励磁绕组的输入。 图 2　励磁控制器框图 F ig. 2　The structure of Exc ita tion Con trol System 3　有功、无功与转速调节的仿真研究 利用电机模型、同步轴系 (d、q) 与动态同步轴系 (d′、q′) 的关系以及励磁控制方程, 仿真研究了交流励磁发电机有功、 无功和转速的调节特性。交流励磁发电机及系统参数如下 (标 幺值) : R s = 01039 R r = 01039 L s = 31998 L r = 31998 M = 31900 X w = 7 311　有功、无功功率的调节特性 图 3 为保持无功功率、转速不变, 原动机有功的标幺值从 017 阶跃到 018 的仿真计算曲线, 计算时 K p 取 01032, K q 取 - 01019, K s 取- 118, 由图可知, 在调节定子有功输出时, 只 要适当选择 K p、K q、K s 等反馈系数, 发电机定子有功能较好 的跟随设定值的变化而变化, 虽然对无功通道有影响, 但其影 响很小, 过渡过程结束后能回到原来的无功的设定值稳定运 行。有功调节由于是通过原动机的输出有功增大或减小来实 现的, 必然导致过渡过程中转子速度的变化, 但在励磁控制系 统中转差率 s 已被作为了反馈量, 因而过渡过程结束后仍回 到原来的转速稳定运行。图 3 中还绘出了调节过程中转子电 压相量与定子电压相量的夹角 Η, 以及转子电压相量大小的 变化曲线, 它表明该励磁控制系统是通过控制励磁电压的大 小及相位的改变来实现其在新的有功输出状态状态下稳定运 行。 图 3　有功调节曲线 F ig. 3　The regula tion curves of rea l power 图 4 为保持发电机定子输出有功、转速不变, 无功给定标 幺值从 015 调到 016 时, 反馈系数仍保持以前取值不变的仿 真计算曲线, 由图可知, 在进行无功调节时, 定子有功、转子转 速变化很小可近似认为基本保持不变, 且无功调节时的过渡 过程非常短, 可看成是一纯粹的电磁过程。 图 4　无功调节曲线 F ig. 4　The regula tion curves of reactive power 上述研究表明: 交流励磁发电机比传统同步发电机具有 更好的调节特性, 本文所提出的励磁控制模型达到了发电机 有功、无功独立控制的目的。 312　转速调节特性 图 5 为保持发电机定子有功、无功不变, 转差率 s 的给定 值从 0101 调到 01015 时的仿真计算结果, 由图可知, 在改变 转子转速的过渡过程中, 虽然伴随着定子有功、无功功率的波 动, 但过渡过程结束后, 发电机定子有功、无功均能保持原来 的给定值不变。图 6 是在保持无功不变, 同时改变有功及转子 转速的仿真曲线。该曲线进一步表明该励磁控制模型能满足 交流励磁发电机有功 (无功)、转速同时调节的要求。对于反馈 98　第 2 期 交 流 励 磁 发 电 机 励 磁 控 制 系数 K q、K p、K s 取值的深入研究, 将另文讨论。 图 5　转速调节曲线 F ig. 5　The regula tion curves of speed 图 6　有功、转速调节曲线 F ig. 6　The regula tion curves of rea l power and speed 4　结论 本文提出的通过控制转子电压相量在动态同步坐标轴系 d′2q′轴上投影的控制, 能实现发电机定子有功、无功及转速 的独立调节或有功 (无功)、转速的同时调节。由于动态同步轴 系在动态过程中具有良好的跟踪特性, 因此本文所提出的励 磁控制具有: 1)良好的动态性能; 2)其控制效果将不随运行点 的改变而改变; 3) 控制系统中各反馈系数 K p、K q、K s 的选取 更为容易。 5　参考文献 1 　 ЛабунецИ. А, ЛохматовА. П, ШакрянЮ. Г. режимы работы, статически и динамические характеристики асинхронизированных турбогенераторов　 иэд ан усср Препринт2490 Киев21987 2 　Bogalecka E. M arit im e A cadem y. Contro l System of a Doubly2Fed Induction M ach ine W o rk ing as A Genera2 to r. In telligen t M o tion June 1991 P roceedings P104～ 112 3　M itsu to sh i Yam ao to ,O sam u M o toyo sh i. A ctive and R eac2 t ive Pow er Contro l fo r Doubly2Fed W ound Ro to r Induc2 t ion Generato r. IEEE T ransit ions on Pow er E lectron ics, 1991, 6 (4) : 624～ 629 4　梁志翔. 异步化汽轮发电机励磁控制研究. 重庆: [博士学 位论 ]重庆大学, 1995, (4) 5　林瑞光等. 水轮发电机交流励磁变速运行的控制策略. 电 工技术学报, 1995, 10 (3) Exc ita tion Con trol of A lterna ting Curren t Exc ita tion Genera tors L iao Y ong　Y ang S hunchang (Chongqing U niversity　400044　Chongqing　Ch ina) Abstract　 In th is paper, a new excita t ion con tro l model of al2 ternating curren t excita t ion generato rs (A CEG) is p resen t2 ed. Sim ulating studies of real pow er, reactive pow er and speed fo r A CEG are carried ou t. By using the new contro l model, it is po ssib le that real pow er, reactive pow er and speed are con2 t ro lled separately, and it appears good in dynam ical perfo r2 m ances. Key W ords　alternating curren t excita t ion generato r　　ex2 cita t ion con tro l 　　 dynam ical synch ronours 　　 reference fram e 1998 年度励磁系统学术讨论会征文 通知 关于发布提成方案的通知关于xx通知关于成立公司筹建组的通知关于红头文件的使用公开通知关于计发全勤奖的通知 　　举世瞩目的三峡巨型电站工程正在建设之中, 对于这样 的巨、大型机组和远距离输电系统, 励磁系统装置在设计、制 造、可靠性以及调节性能方面如何满足要求, 是当前励磁系统 技术的重要研究课题。目前我国广大励磁工作者在这些方面 进行了大量的设计、科研工作并取得可喜的成果, 因此我分委 员决定于 1998 年内召开一次以围绕三峡机组的励磁系统为 主的学术讨论会。 征文内容有以下几个方面: 1. 三峡及大型电站机组励磁 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的探讨; 2. 三峡及大型电站机组励磁调节方式的探讨; 3. 三峡及大型电站机组励磁方案可靠性的理论、方法和 措施; 4. 三峡及大型电站机组励磁方案的参数优化设计及综合 控制; 5. 其它有关可供三峡机组励磁系统作参考的研究成果运 行经验总结; 6. 抽水蓄能机组励磁系统的设计与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 等。 希望从事励磁专业工作的及与本专业有关的广大科技人 员踊跃撰写文章。 征文截止日期: 1998 年 8 月底 征文请寄四川省德阳市东方电机股份有限公司控制处转 励磁分委会曹光明收 邮编: 618000　　电话: 0838- 2410491 应征论文一般不超过一万字, 论文应有 2～ 3 百字的摘 要, 并按标准论文格式打印一份寄来, 便于我分委会印制论文 集。征文不论录用与否都不退稿, 请自留底稿。 励磁分委会 09 中　国　电　机　工　程　学　报 第 18 卷