同步发电机励磁控制方法的发展与展望_程启明
电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment
Vol．32No．5May 2012
第32卷第5期2012年5月
0引言
同步发电机励磁控制对提高电力系统稳定性起着重要的作用，因此同步发电机励磁控制一直是学术界关注和研究的热点［1］。励磁控制的任务从过去简单地维护发电机端电压恒定，到现在的高精度电压调节为主，兼顾抑制振荡，提高电力系统的稳定性（包括静态、动态、暂态稳定）。
励磁系统是由励磁控制部分、同步发电机及检测信息共同组成反馈控制系统，励磁控制部分包括励磁功率单元和励磁调节器，励磁调节器在很大程度上决定了整个励磁系统动、静态特性。目前励磁控制的研究重点主要在励磁功率单元（即励磁方式或主励磁系统）和励磁调节器的改进。按照整流方式的不同，励磁方式可以分成直流、交流、静态3类，其中静态自并励静止励磁方式目前被广泛采用。励磁调节器的发展包括硬件结构更新和控制方法优化，其中硬件结构发展与励磁方式发展有紧密联系，硬件结构可分为模拟式和微机式2类，目前都采用微机式；控制方法优化更为关键，随着控制理论的发展，各种控制方法已被应用于励磁控制设计中，其中一些控制方法在实际电力系统中产生了很好的效益。本文将全面综述介绍各种励磁控制方法［2-28］以及励磁控制与其他控制间的协调控制，并指出励磁控制的发展方向［29-30］。
1励磁调节器的控制方法发展
大容量机组、远距离输电以及快速的静止励磁方
式的广泛应用，致使整个电力系统的阻尼特性恶化。
若还是采用常规PID 励磁控制方式，将导致电力系统发生低频振荡。随着控制理论的发展，一些先进控制方法被引入到励磁控制中，并产生良好的控制效果。励磁控制方法［2-28］的发展经历了线性单变量控制、线性多变量控制、非线性多变量控制及智能控制等几个发展阶段。
1.1线性单变量励磁控制方法
20世纪50年代古典控制理论发展到成熟阶段，采用传递函数对控制系统进行数学描述，研究对象为线性定常的单输入-单输出系统，此时发电机多采用直流励磁机励磁方式，出现了按发电机端电压偏差ΔU t 的P 或PID 励磁控制方式［2］。
此法优点：基于线性传递函数模型的单变量方法，运用频率法或根轨迹法确定控制参数，算法简单可靠，物理意义明确，调整方便，应用经验丰富，可抑制故障后的电压波动，改善发电机电压的稳定性；通过向励磁系统提供超前相位输出会在一定程度上补偿励磁电流的滞后相位和负阻尼转矩。此法缺点：仅适用于单变量的线性定常系统，不适用于非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂对象，无法同时兼顾功率P e 、发电机转速ω等其他变量的调节性能；产生的超前相位频率不一定与低频振荡频率相同，不一定能补偿负阻尼所需的相位；调节系统必须连续地对电压偏差ΔU t 进行调节，无法区别在正、负阻尼之间的变化情况，难以兼顾发电机电压调节及保证正阻尼的要求，抑制系统低频振荡的作用有限。为克服这种方法的缺点，出现了PID 与其他控制相结合的多种新型PID 控制，如自适应PI 、模糊PI 、神经PI 等控制，它们在一定程度上改善了控制性能。1.2线性多变量励磁控制方法
上述控制方法难以有效改善电力系统的阻尼特性和稳定水平，尤其在采用快速励磁方式时会出现负
摘要：励磁控制方法的发展经历了线性单变量控制、线性多变量控制、非线性多变量控制及智能控制几个发展阶段，其中线性多变量控制可分为强力式、PID+PSS 、线性最优等励磁控制方法；非线性多变量控制可分为鲁棒、变结构、自适应、内模、预测、灰色、自抗扰、Lyapunov 、反步、无源、Hamilton 、反馈线性化等励磁控制；智能控制可分为模糊、神经网络、支持向量机、专家、学习、遗传、模糊神经等励磁控制。全面地概括了励磁控制方法的发展历史与现状，并按控制理论发展规律对这些方法进行分类，分析这些方法的原理及优缺点，说明励磁控制与其他控制之间的协调方式，指出存在的主要问题及今后的发展方向。关键词：励磁控制；同步发电机；电力系统；稳定性中图分类号：TM 761；TP 13文献标识码：A 文章编号：1006－6047（2012）05－0108－10
同步发电机励磁控制方法的发展与展望
程启明，程尹曼，薛
阳，胡晓青
（上海电力学院电力与自动化工程学院，上海200090）
收稿日期：2011-03-23；修回日期：2012-03-01
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61040013）；上海市教委重点学科建设项目（J51301）
Project supported by the National Natural Science Foundation of China （61040013）and Leading Academic Discipline Project of Shanghai Municipal Education Commission （J51301
）
阻尼，使电力系统特性恶化而发生低频振荡。为了改
善调节精度和稳定性间的矛盾以及提供人工阻尼的不足，线性多变量励磁控制方法［3-5］便逐步发展起来。
1.2.1强力式励磁控制方法
强力式励磁控制方法于1958年由前苏联提出［3］，利用与功率有关的多个参量进行综合控制以阻止低频功率振荡和提高电力系统稳定性，它的反馈信号除机端电压偏差ΔU
t
及其一次微分、二次微分外，还
包括频率f、发电机定子电流i
s
的偏差及其一次微分、二次微分等其他物理量。该方法仍采用古典控制理论整定励磁调节器参数，但采用“双变量D域划分”方法确定参数的共同稳定域，这种多参数整定方法需要在变量的各种组合下多次画出，再从中找出共同稳定域。
此法优点：较大的电压偏差放大倍数可使电压偏差减小，且其他参量的一次或二次微分可抑制系统的低频振荡，有效地提高了系统的小干扰稳定性，增大了系统稳定功率极限。此法缺点：当系统结构参数变化时，整定参数比较复杂，参数整定在很大程度上依赖调试人员的经验；虽然曾经成为研究热点，但控制效果不理想，仅在前苏联有应用，未能在国际上推广应用。
1.2.2PID+PSS励磁控制方法
PID+PSS励磁控制方法是1969年由Demello F P等提出的电力系统稳定器PSS（Power System Stabilizer）辅助励磁控制策略，这样励磁控制由单输入控制系统发展为双输入控制系统，从而形成了PID+ PSS结构［4］的励磁控制方法。该方法除了保留PID 调节外，还增加了以发电机转速偏差Δω、功率偏差ΔP e、频率偏差Δf或这些变量的组合作为输入信号的二阶相位超前校正环节，以补偿励磁系统本身引起的相位滞后，提供正阻尼，抑制了低频振荡。
此法优点：PSS环节可使原来PID控制系统传递函数的主导极点左移，对低频振荡具有很好的抑制作用，改善了电力系统阻尼特性和小干扰稳定性。PID+PSS励磁控制方式至今仍被广泛采用。此法缺点：PSS的参数要通过实验方法整定，工作量大；PSS 是针对特定网络模型和低频振荡空间设计的，当参数整定后与实际振荡频率偏离较大时，控制效果就会减弱，甚至起到反作用，鲁棒性和适应性较差；它是一种附加单变量的励磁方式，即使系统受到小干扰且参数设计得当，仍然不能得到最佳控制效果，只能得到较好的结果；在多机系统中，各机组上的PSS相互影响，且多机系统有多种低频振荡模式，各模式都与一定的系统结构和运行方式相对应，存在着PSS安装地点选择和PSS之间不能协调的问题。
1.2.3线性最优励磁控制方法
上面几种控制方法都是基于传递函数的古典控制理论，很难满足多变量、非线性的电力系统的控制要求。最优控制由Bellman R E等在1957年提出，它是在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使得系统的性能指标达到极值。20世纪70年代初余耀南等提出了线性最优励磁控制LOEC（Linear Op-timal Excitation Control）方法［5］，80年代卢强等完善了LOEC的理论体系，并研制出了模拟式LOEC装置。LOEC是将发电机的多个输出量偏差按最优反馈系数叠加而形成控制量，状态变量和反馈变量都选为ΔU t、转速偏差Δω和电磁功率偏差ΔP e，反馈增益系数可由发电机某运行点的线性化状态方程及二次型性能指标最小的目标函数解算得到，从而使状态偏差和控制量在设计运行点达到最优。
此法优点：通过性能指标函数在时域内综合并自动折中各种冲突的设计目标，使动态品质和稳定性之间较好地统一；根据对象的实际要求，用解析方法得出最优控制规律，保证最优的性能指标；适用于单变量或多变量、定常或时变的线性、连续或离散等多类系统；动态性能优于PSS，改善了系统的鲁棒性、适应性及阻尼特性，提高了系统的静稳定极限。此法缺点：只适用于符合几个前提条件的理想状态的系统，此时对应的Riccati方程才有真解；运行点处的局部线性化方法没有考虑到运行方式改变时参数变化，此时控制性能就会变差，其鲁棒性和适应性较差；仅针对单机无穷大系统，多机系统中只能获取有限的状态变量，不能保证最优和全局稳定，得不到分散的最优控制规律；没有确定电压调节通道的主导地位，仅用权系数平衡考虑多因素，虽能满足动态稳定要求，但电压反馈增益不够高，可能难以满足电压调节要求。针对其缺点，提出的积分型LOEC改进了稳态电压调节精度，但附加积分环节会导致削弱阻尼和存在积分饱和的问题；此外，还出现了对反馈增益进行在线整定的自适应最优励磁控制方法。1.3非线性多变量励磁控制方法
上面的线性励磁控制方式是依据电力系统某一特定状态下近似线性化的数学模型，而电力系统是典型的非线性、时变性、大维数动态系统，因此，当电力系统受大干扰使实际的状态点偏离所选的平衡点较远时，该线性化模型存在较大的偏差，控制效果不理想。为了提高电力系统在大干扰下的稳定性，非线性励磁系统的控制问题应该直接采用非线性控制理论来解决［6-21］。
1.3.1鲁棒励磁控制方法
电力系统是典型的不确定性系统，从控制理论的角度看，鲁棒控制RC（Robust Control）是解决不确定性系统控制的有效方法。鲁棒控制是把系统的不确定性视为某种扰动集合，然后对扰动集合给予适当的数学描述并作为约束条件，和原有系统约束条件一起形成优化问题进行求解得到的控制规律，在不确定性因素出现时，使系统性能仍保持最优。它包括H∞控制［6］、L2增益控制［7］、μ分析控制［8］等几类方法，其中H
∞
控制由Zames G于1981年提出［6］，它以扰
程启明，等：同步发电机励磁控制方法的发展与展望
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动输入至评价信号的传递函数矩阵的H ∞范数作为性能指标，由H ∞范数最小来设计出反馈控制器，使闭环系统稳定，且干扰对系统的影响最小；L 2增益控制由Schaft A J 等于1992年提出［7］，它把干扰对系统的影响用干扰量与评价信号间的L 2增益来描述，如果控制系统的L 2增益满足指定的要求，就可抑制干扰；μ分析方法由Doyle J C 于1982年提出［8］，它将一个具有回路多点独立的有界范数摄动化为一块对角摄动结构，然后给出判断系统鲁棒稳定的充要条件。鲁棒励磁控制通过上述的鲁棒控制方法在预定的参数和结构扰动下仍然能保证励磁系统的稳定性和可用性。鲁棒控制也常与自适应、内模、神经网络等其他控制结合，以改进其性能。
此法优点：对于外界干扰、参数偏差、模型不确定性以及系统噪声有良好的稳定性；μ综合理论可减少时域仿真法的计算复杂度，降低一般H ∞分析方法的保守性，还能保证计算精度。此法缺点：权函数选取困难，依赖于设计者的经验；仍属模型的设计方法，需依参数不同及所选加权不同而重新设计控制器；只能在允许的不确定性界内保证系统的鲁棒稳定性；只能处理非结构性不确定问题，对结构性不确定性问题有局限性；只能优化单一的H ∞范数，不能与其他目标函数综合起来；控制器阶次较高，算法复杂，难以实际应用；μ真实值很难计算，通常只能对μ的上界进行估算，对具体系统设计μ控制器则更加困难；L 2增益控制需要求HJI 微分不等式方程的解析解，但比较困难，特别是对于高阶系统，尚且没有求解HJI 的一般理论。
1.3.2变结构励磁控制方法
变结构控制VSC （Variable Structure Control ）是由Utkni V 等在1962年提出的一种自适应的非线性控制，20世纪70年代中期开始应用于励磁控制［9］。变结构控制是根据被调量的偏差及其导数，迫使处于任何初始条件下的系统状态按一定的趋近率到达并保留在预先设计好的超平面上（超平面是在状态空间中定义的非连续函数），在超平面上系统的动态成为滑动模态。变结构励磁控制是利用Lyapunov 稳定性理论，导出以转子角和发电机暂态电压为控制目标的控制规律，使系统能够切换到任意设定的发电机端电压和有功功率的运行条件。
此法优点：几乎不依赖于模型，其滑动模态具有对干扰和摄动的不变性，能有效地解决电力系统控制的鲁棒性问题，并可保证系统的全局渐近稳定性；不需要在线辨识，控制规律容易实现；对系统模型精度要求不高，控制规律简单，实现容易，可协调动、静态间的矛盾；可有效降低系统的阶数、简化控制；理论上可应用到各类非线性系统。此法缺点：频繁高速的开关切换会带来高频抖动，甚至导致不稳，需用饱和切换函数替换理想的切换函数来解决；需要知道系统不确定性参数和扰动的上、下界的准确度，滑动
模态的到达条件比较严格，影响系统鲁棒性；选择各个子控制器的参数和设计开关逻辑函数比较困难；为达到更好的控制效果，它常与自适应、预测、无源性、反馈线性化、模糊、神经网络等控制相结合。1.3.3自适应励磁控制方法
自适应控制AC （Adaptive Control ）是Tsien H S 在1954年提出的基于数学模型的控制方法，20世纪80年代初期开始被应用于电力系统励磁控制［10］。自适应控制是将系统辨识和控制结合在一起的一种次最优控制理论，它能随系统工况的变化在线辨识控制对象的参数或结构的动态变化，不断修正与调整控制器参数或结构，使之能自动跟踪对象变化以达到最佳控制。它又分为线性与非线性2类。目前模型参考自适应控制（MRAC ）和自校正控制（STAC ）2种线性AC 在励磁控制中应用较多。另外，还发展了以LOEC 为基础的自适应励磁控制，以及针对系统参数不确定时不能达到精确线性化而提出来的自适应非线性励磁控制方法等。
此法优点：可以解决PSS 、LOEC 等方法存在的实际运行点离设计运行点偏移较大时控制效果变差的问题，控制效果优于其他参数固定的励磁控制方式；能跟踪被控电网运行工况变化并不断修正系统参数，具有很强的抗干扰能力和良好的鲁棒性。此法缺点：数学模型的建立和运算比较复杂，控制系统不易实现；进行辨识和校正需要一定时间，主要适用于渐变和实时性不高的过程，难以在时变、快速的励磁控制中应用；处理非线性及结构变化的能力较差，在多输出系统中的应用尚不成熟等。为克服不足，目前此法常与其他方法结合形成多种新方法。此外，线性AC 已成熟，现主要研究模糊、神经网络、鲁棒等非线性AC 。
1.3.4内模励磁控制方法
内模控制IMC （Internal Model Control ）由Garcia 和Motari 于1982年提出，它是在Smith 预估基础上扩展的基于过程模型的控制策略，通过对控制器的重新设计，增加了滤波环节，提高了系统的鲁棒性。此法已被用于励磁控制中［11］，系统的动态响应较好，且对参数变化的敏感性小。
此法优点：结构简单，设计直观；在线调节参数少，调整容易；跟踪调节好，鲁棒性强，抗扰性高；特别适合于时滞系统的控制。此法缺点：需要被控对象的内部模型，且当模型失配时，控制效果变差，甚至导致系统不稳；对难以建立模型、存在不确定及非线性的复杂对象，难以取得满意的控制效果。为克服其缺陷，目前此法已扩展到多变量、非线性系统，并与自适应、预测、模糊、神经网络等其他控制方法结合。1.3.5预测励磁控制方法
预测控制PC （Predictive Control ）由Richalet J 等在1978年提出，具有多步测试、滚动优化和反馈校正3个基本特征，它不是采用不变的全局优化目标
，
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而是采用滚动式的有限时域优化策略，在控制的全程中实现动态优化，而在控制的每步实现静态参数优化，及时弥补了模型失配、时变、干扰等引起的不确定性，使控制保持实际上的最优。它主要包括模型算法控制（MAC）、动态矩阵控制（DMC）、广义预测控制（GPC）、预测函数控制（PFC）等多种算法。另外，此法已从单变量线性系统扩展到了多变量、有约束、非线性系统。预测控制已用于励磁控制［12］，设计的控制器具有闭合解析形式控制律，不要求进行在线优化计算，便于工程实现和调试，可提高系统的稳定性和动态品质。
此法优点：预测和优化模式是对最优控制的修正，建模方便；采用非最小化描述的离散卷积和模型，信息冗余量大，提高了鲁棒性；采用滚动优化策略，使模型失配、畸变、干扰等引起的不确定性及时得到弥补，提高了抗扰性和适应性；对模型精度要求不高，跟踪性能良好，更适用于复杂工业过程控制。此法缺点：在线计算时间长，计算量大；理论分析难以深入，对多变量预测控制算法的稳定性、鲁棒性的研究亟待解决；对于线性系统可以解析求解，在线计算相当简便，而对于非线性系统则需要在线的数值迭代求解，计算量很大，无法满足实时控制的要求，非线性系统的预测控制还没有很好地解决。为解决此法问题，常把它与神经网络、模糊、自适应、鲁棒等其他控制方法相结合。
1.3.6灰色励磁控制方法
灰色控制GC（Grey Control）由邓聚龙于1982年提出，它通过系统运行数据建立灰色预测模型，利用灰色预测模型的超前预测功能提前预测出系统变化的趋势，然后将行为预测值与行为给定值进行比较，并采取某种控制算法措施，实现系统的超前控制。灰色控制已用于励磁控制［13］，它采用灰色模型GM（1，1）设计灰色预测励磁控制。
此法优点：原理简单，所需样本少，计算方便，实时性好，工程实现容易；预测精度可检验，并可适当优化修正；灰色预测本身只能预测，它可与任何控制算法结合，实现并提高相应的控制功能；可以克服系统时滞和参数时变等的不利影响，改善控制品质。此法缺点：仅适用于按单一指数规律发展且发展速度不快的系统，在其他增长趋势下预测的精度变差，且在数据离散程度较大时，精度下降很快；建模时极少使用确定性信息；计算复杂，且没有考虑误差的反馈调整；计算精度较低且不可控。
1.3.7自抗扰励磁控制方法
自抗扰控制ADRC（Active Disturbances Rejection Control）是1997年韩京清提出的一种非线性PID控制方法，此法可改善PID控制器在强干扰及非线性系统中的控制效果。ADRC由跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制律3个部分组成，其作用分别为安排过渡过程和提取微分信号、估计扰动以及形成控制量。它把系统的模型摄动作用当作内扰，将其和系统的外扰一起作为系统总的扰动加以补偿，从而将具有非线性、不确定对象的控制系统补偿为确定的、简化的积分串联型线性系统，在此基础上再设计控制器。此法已用于励磁控制［14］中，系统的阻尼力和鲁棒性都有较大改善。
此法优点：系统的非线性项和扰动可通过估计得到，不依赖于系统的模型和参数；安排过渡过程解决快速和超调间的矛盾；不用积分反馈也能实现无静差，避免积分反馈的副作用；统一处理确定系统和不确定系统的控制问题；可抑制外扰，不需知道外扰模型或直接测量；对非线性、大时滞、环境变化恶劣、强不确定性控制对象都有良好的鲁棒性和适应性；不含有高深的数学知识，不需复杂推导，控制规律简单，实时性好，具有很好的工程实用价值。此法缺点：当对象模型阶数大于3时，难以选取满意的非线性函数及相应的参数，同时计算量大，导致控制周期变长，实时性变差；非线性环节的运算较复杂，计算量大，快速实现困难；涉及较多的参数选取问题，它们的取值会影响控制性能；它常与模型配置、无源、神经网络等控制相结合，实现优势互补，获得更好的性能。
1.3.8Lyapunov直接励磁控制方法
Lyapunov直接控制LDC（Lyapunov Direct Control）是在1892年由Lyapunov提出的非线性系统稳定性直接判据的基础上发展起来的控制方法，它先对系统构造一个“类似能量”的纯量Lyapunov函数，然后在保证该函数对时间的变化为负的前提下来设计控制器。此法已应用于励磁控制［15］，它直接考虑以发电机机端电压、功角和转速等作为变量的非线性状态方程，通过构造能反映机组运行规律的Lyapunov函数并以其为最小目标进行设计，根据Lyapunov渐近稳定原理设计发电机组的励磁控制规律。
此法优点：具有全局渐近稳定，对系统的参数变化及外部扰动有较强的鲁棒性；直接考虑系统的非线性特性，理论严格，物理意义清晰；方法简单、实现容易、响应速度快；摆脱了I／O线性化方法中对重定义的输出变量的依赖。此法缺点：需要构造适当的Lyapunov函数，而此函数的构造无一般方法，在高维、强非线性电力系统中构造出此函数很困难；Lyapunov 函数向系统期望点收敛速度不可控，导致动态性能不理想；在多机系统的设计中难以实现分散控制；由于构造Lyapunov函数困难，此法常与其他控制方法结合起来设计系统的控制器。
1.3.9反步励磁控制方法
反步控制BC（Backstepping Control）由Kokotovic P V等在1991年提出，是在LDC方法基础上发展起来的，以Lyapunov能量函数的收敛性为目标，将原来的复杂非线性系统分解为若干个低阶子系统，引入虚拟控制量进行静态补偿，采用由前往后递推的设计方法，通过设计后面子系统的虚拟控制来保证前面子系
程启明，等：同步发电机励磁控制方法的发展与展望
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统达到镇定。此法与自适应机制有机结合所设计的自适应反步控制器可以保证受扰参数不确定系统的渐近稳定性。自适应反步控制与变结构控制相结合被用于励磁控制［16］，系统模型采用反步方法，阻尼系数采用自适应律，干扰采用滑模控制来抑制，该控制器提高了电力系统稳定性。
此法优点：能够维持系统的全局一致渐近稳定，保证系统跟踪误差渐近收敛；设计过程简明；对参数不确定性及外界干扰有鲁棒性；基本解决了LDC 缺乏构造性的问题，给出了反向设计寻求Lyapunov 函数的方法；不要求非线性系统满足匹配条件，增广匹配条件或者非线性增长性约束条件。此法缺点：参数变化需满足线性参数化条件；依赖于对象的数学模型；需要计算回归函数，计算量成指数增长，实现难度较大；自适应反步法要求系统的不确定性必须转化为线性参数未知的不确定性，且在确定和计算回归矩阵时比较繁琐；对系统的不连续干扰和系统的非连续参数摄动的抑制较差；仅适用于可状态线性化或具有严格参数反馈的不确定非线性系统；为提高控制性能，它常与变结构、鲁棒、神经网络等控制或扩张状态观测器相结合使用。
1.3.10无源优化励磁控制方法
无源性控制PBC （Passivity -Based Control ）是由Ortega R 等在1995年提出的非线性反馈控制策略，它通过将输出反馈注入阻尼项，配置系统能量耗散特性方程中的无功分量“无功力”，迫使系统总能量跟踪预期的能量函数，使得整个闭环系统表现为无源特性，保证系统的稳定性，使得被控对象的输出渐近收敛到期望值。无源化控制与鲁棒控制结合［17］被应用到励磁控制中，将反映励磁的输电系统作为动力学方程，采用Lyapunov 函数递推方法，推出链式结构的系统无源化关系，再讨论含有干扰项和不确定性的励磁控制及鲁棒镇定问题。
此法优点：设计简单，物理意义明确；系统反馈不需要观测器，直接利用输出反馈；具有全局稳定性，无奇异点，对系统参数变化及外来摄动有较强鲁棒性；选择不同输出函数和能量函数，可设计出多种无源控制器；已成功应用于EL （Euler -Lagrange ）方程所描述的控制系统，且EL 模型中有反对称矩阵，简化了无源控制律。此法缺点：在构造存储函数时，系统的Lagrange 结构常会被打破，系统的稳定性得不到保证；通常借助Lyapunov 函数构造有效的无源性控制器，而Lyapunov 函数的构造无规律可循；无源化控制远没有成熟，它常与鲁棒控制等其他控制结合，以获得更佳的控制性能。
1.3.11基于端口受控Hamilton 能量的励磁控制方法
端口受控Hamilton 控制PCHC （Port Controlled Hamiltonian Control ）也是由Ortega R 等在1999年提出，它是从PBC 理论演化而来，它从结构上克服了能量形成和阻尼注入的障碍，充分利用系统特点来
合理地构造Hamilton 能量函数，并预置反馈，将原非线性系统化为带耗散项的广义受控Hamilton 系统形式，然后根据不变集定理，得到无扰动系统的渐近稳定性。系统的反馈镇定基于互联和阻尼配置的无源性控制（IDA -PBC ）能量成形方法来实现，这样就将镇定问题转化为求解偏微分方程。此法已用于励磁控制和汽门控制［18］。
此法优点：避开了一般系统直接构造Lyapunov 函数的困难；具有全局稳定性和鲁棒性；若选择合适的阻尼注入，会获得好的动、静性能；设计灵活，控制策略简洁；根据能量平衡关系，选择期望的闭环Hamilton 函数，偏微分方程可转成普通的微分方程，求解容易，计算量小，便于实现。此法缺点：缺乏必要的物理意义；直接求解偏微分方程难度大，计算量大，实现困难；要将电力系统中广泛存在的仿射非线性系统转换为标准的Hamilton 系统，存在一定困难；尚处于研究与仿真的阶段，还很不成熟，常与鲁棒控制等方法相结合，以取得更好的控制效果。1.3.12精确反馈线性化励磁控制方法
精确反馈线性化控制EFLC （Exact Feedback Linearization Control ）采用某种方法把非线性控制问题线性化成线性系统，再利用线性控制理论加以分析与设计。它克服了单点线性化模型方法的不足，对运行点的变化和系统结构的改变具有一定的适应能力。但它是基于精确的系统数学模型设计的，而实际电力系统的模型具有很多不确定性，使得实际控制效果受到影响，系统对参数和模型变化的鲁棒性不强。反馈线性化控制方式主要有微分几何［19］、逆系统［20］和直接反馈线性化［21］3种方法。其中微分几何法是将非线性系统看作由其非线性函数向量场构成的流形，利用微分几何理论来研究的数学严密方法；逆系统法是从系统可逆性和函数可控性角度来研究的方法；直接线性化法可看作是逆系统法的特例。微分几何法主要适用于对象为一类仿射型非线性系统，而逆系统法和直接线性化法适用于更为一般的非仿射型非线性系统。对于同一个对象而言，若考虑输入输出反馈线性化，则它们三者是等价的。
a.基于微分几何的励磁控制方法。微分几何方法DGM （Differential Geometry Method ）是由Brockett R W 在1976年提出，它通过合适的局部微分同胚变换，找到非线性反馈，在非线性反馈的作用下，将非线性系统映射为线性系统，再利用线性控制方法设计控制器。对于仿射非线性系统，若系统关系度（即相对次数）r 等于系统阶数n ，则一定可以构造出微分同胚映射，通过合理地构造非线性反馈，实现系统的精确线性化；对于r 小于n 和没有明确输出的系统，通过构造一个虚拟的输出，同样可能实现系统的线性化；对于某些不能实现精确线性化的系统，可采用零动态的设计方法，即通过反馈实现系统的外部响应线性化，对于内部响应，则只要系统稳定。
此
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法已引入到励磁控制［19］中，并且取得了较满意的控制效果。
此法优点：具有坚实的理论基础；可实现对象完全解耦；动态特性相当好，克服了LOEC局部线性化的缺陷；可抑制参数变化和外部干扰的影响；解决了多机电力系统控制决策的分散性问题。此法缺点：在导出的控制规律中无法得到包含发电机端电压偏差的状态变量；要求对象的数学模型精确已知，而电力系统存在参数和模型的不确定性，因而鲁棒性和适应性差；需要全状态可测量和精确抵消动态；存在奇异点的问题；仅适用于仿射非线性系统；数学过程抽象复杂，控制算法较复杂，应用推广困难；为消除需要对象模型精确已知的缺点，它常与自适应、灰色、变结构、鲁棒、神经网络等控制相结合来提高系统的鲁棒性。
b.逆系统方法。逆系统控制ISC（Inverse System Control）由Widrow B在1986年提出，它先用给定对象的模型生成一种可用反馈方法实现的原系统的α阶积分逆模型，将之串联在被控对象的前面，原对象被补偿为具有线性传递关系且已解耦的伪线性规范化系统，再用线性系统理论来完成伪线性系统的控制。此法已用于励磁控制［20］，可有效地提高发电机的稳定性和电压精度。
此法优点：避免了微分几何的复杂繁琐理论束缚；不局限于仿射非线性系统，使用范围广；数学推导简单，物理概念清晰，容易理解和应用，适用于工程应用。此法缺点：要求系统的模型精确已知，需要求出逆系统的解析表达式，且须满足系统可逆性条件，因而应用受到很大限制。由于神经网络不依赖于模型，常将其与ISC结合使用；控制精度依赖于逆模型的精度，自适应性和鲁棒性差；为解决自适应性差的问题，它常与自适应、神经网络、支持向量机等相结合，对参数和模型在线辨识或校正，以取得更好的控制效果。
c.直接反馈线性化方法。直接反馈线性化DFL （Direct Feedback Linearization）方法的基本思想于1981年由韩京清首先提出，它通过变化系统的状态方程，使非线性因素都集中地体现在含有控制量的状态方程中，或者从系统的高阶输入-输出方程出发进行线性补偿，通过虚拟控制输入量的建立，直接找到非线性补偿规律，抵消原系统的非线性因素，从而使非线性系统直接实现线性化。此法已被用于励磁控制［21］，使电力系统稳定。
此法优点：不需进行复杂的坐标变换和数学推导，数学过程简单；不局限于仿射非线性系统，适用于所有非线性系统；设计思路简明，物理概念清晰，易于工程应用。此法缺点：需要系统的精确模型和详细的状态变量，不具备对系统模型和参数不确定性的鲁棒性；当系统的相对次数r低于系统阶数n时，系统会出现隐动态问题，即非线性反馈补偿器只能抵消系统中的一部分非线性因素，不能使系统完全线性化；虚拟控制量对非线性子系统的能控能观性视情况而定；虚拟控制量只能保证线性化部分系统的稳定性，非线性子系统的稳定性将由其自身特性决定，如果该子系统不稳定，则整个系统不能镇定；为提高系统的鲁棒性，它常与PID、自适应、变结构、鲁棒、神经网络等控制相结合。
1.4智能励磁控制方法
电力系统的强非线性、时变性和某些不确定因素导致建立系统精确模型很困难，基于状态方程的各种线性或非线性控制理论都难以计及这些因素的影响。智能控制不依赖于对象模型，具有处理非线性、并行计算、自适应、自学习、自组织等方面的能力，可在处理具有不精确性和不确定性的电力系统稳定性问题中获得可处理性、鲁棒性。目前很多智能控制方法已被用于励磁控制［22-28］。
1.4.1模糊励磁控制方法
模糊控制FC（Fuzzy Control）由Zadeh L A在1973年提出，它基于模糊推理，模仿人的思维模式，能够方便地利用人的经验知识、技巧和直觉推理进行控制。它包括精确量的模糊化、模糊推理、清晰化3个部分。为消除常规模糊控制存在的静差，可采用带积分的模糊控制器。规则自适应模糊控制器已应用到励磁控制［22］中，它提供了更佳的阻尼作用，提高了扰动下的动态品质，改善了系统的稳定性。
此法优点：不依赖对象模型，能够克服过程参数变化和非线性等不确定因素，鲁棒性强；能模仿人的经验对复杂对象进行专家式控制；算法清晰，结构简单，性能优良，实时性好，应用容易。此法缺点：稳态精度低，甚至可能振荡；自适应能力有限；缺乏系统的设计方法，无法定义控制目标，并且控制规则、论域的选择，模糊集的定义，量化因子、比例因子和隶属函数的选取等多采用试凑法，不适用于对复杂系统的控制；多变量模糊建模和模糊控制稳定性等问题有待于进一步研究；为了解决其精度及自适性较差等问题，常把它与PID、自适应、变结构、神经网络等其他控制相结合。
1.4.2神经网络励磁控制方法
神经网络NN（Neural Network）由Mcculloch W S等在1943年提出，1992年开始被应用于控制领域。NN模拟人的大脑神经生物结构，它具有很强的非线性函数拟合能力、联想记忆能力、并行处理和泛化能力等。NN控制能有效地解决非线性系统建模难的问题，可学习与适应不确定过程的动态特性，具有很强的鲁棒性。此法用于励磁控制［23］已有很多研究成果。
此法优点：自适应和自学习、非线性映射、鲁棒性和容错性均很强；只需通过一定的I／O样本来训练，可逼近任意对象的动态特性；不需复杂控制结构和对象模型，可用于复杂的控制对象。此法缺点：物
程启明，等：同步发电机励磁控制方法的发展与展望
第5期
理意义不明确；网络结构、隐层数及各层神经元数的选取缺乏理论支持；计算复杂，计算量大；对训练集的要求高、训练时间长，训练样本不易从实际中取得；稳定性分析较困难，不能保证收敛性，易陷入局部最优，甚至发散；优化目标是基于经验风险最小化，泛化性能不强；为克服其缺点，它常与自适应、PID 、模糊等控制结合使用。
1.4.3支持向量机励磁控制方法
支持向量机SVM （Support Vector Machine ）是由Vapnik V 等在1995年提出的机器学习算法，它是建立在统计学习和结构最小化原则基础上的，能较好地解决小样本、非线性、高维数和局部极小点等实际问题。但SVM 算法的样本数据越大，求解相应的二次规划问题越复杂，计算速度越慢，存在鲁棒性、稀疏性和大规模运算问题。Suykens J A 等在1999年提出的最小二乘SVM （LS -SVM ）算法可解决SVM 的问题。此法与逆控制、PID 控制等结合已用于励磁控制［24］，它利用SVM 构造系统的逆模型，将线性多变量反馈控制和PID 调节的输出及SVM 逆模型输出进行综合，这种复合控制具有更好的电压稳定性和抗扰动性。
此法优点：具有小样本学习、全局最优、泛化能力强等特点；核函数利用隐式非线性变换，巧妙地解决了维数灾难问题；拓扑结构由支持向量决定；能以任意的精度逼近任意函数；结构简单，可调参数少，学习速度快。此法缺点：核函数及参数的构造和选择缺乏理论指导；有时无法利用现有的公式计算决策函数的阈值；一些变形方法还缺乏相应的统计学习理论基础；LS -SVM 不具有SVM 的稀疏性与鲁棒性。1.4.4专家励磁控制方法
专家控制EC （Expert Control ）系统由Roth H 在1983年提出，它将专家系统与控制理论相结合，仿效专家智能，实现对较复杂问题的控制，能自适应地解释当前状况，预测未来行为，诊断出现问题的原因，制订校正规划，并监控规划的执行，确保成功。此法与自学习控制结合已用于励磁控制，自学习控制解决了专家控制的知识库不足的问题，提高了系统在不同工况下的适应能力。此法已用于励磁控制［25］，并取得了较好的控制效果。
此法优点：以控制专家的经验和知识弥补了对象数学模型的缺陷；运行可靠，决策能力强，能够处理不确定性、不完全性和不精确性之类的问题；拟人能力强，应用通用性好，控制与处理灵活。此法缺点：过度依赖专家的经验，且专家经验知识获取困难；缺乏自学习能力，知识库的验证、更新与规则生成困难；控制精度不高，存在稳态误差；需要建立实时操作知识库；系统的稳定性难以分析；解释机构的设计、用户接口的建立等存在问题。
1.4.5迭代学习励磁控制方法
迭代学习控制ILC （Iterative Learning Control ）于
1978年由Uchiyama M 提出，它仿效人类学习行为提
取经验的过程，采用“在重复中学习”的学习策略。它具有记忆系统和经验的修正机制，利用先前的控制经验和测到的跟踪误差信号，通过某种学习律（如开环或闭环PID ）和反复训练过程对下一次的控制量进行前馈修正，寻找理想的控制输入信号，使被控系统在有限时间内输出高精度的跟踪理想轨迹。ILC 一般用于具有重复性或周期性的对象，但将ILC 对被控对象输入u （t ）的记忆与修正改成对期望控制u d （t ）的记忆与修正，可克服在有限时间区间上的限制。此法已应用于励磁控制［26］，它能处理好强非线性和时变性问题，获得较好的动态特性和鲁棒性。
此法优点：运行过程中不需要辨识系统的参数，属于基于品质的自学习控制；具有自学习能力，能在运行过程中不断改善系统的性能，鲁棒性较强；算法简单，应用方便；可用于非线性程度较强，甚至系统参数未知的动态系统。此法缺点：本质上是一种前馈控制，当存在噪声或非重复的干扰时，可能会降低系统的稳定性和鲁棒性，甚至阻碍期望轨迹的完全跟踪，通过引入PID 控制等反馈控制可降低干扰对系统的影响。
1.4.6基于遗传算法的励磁控制方法
智能优化算法是1974年以来发展起来的新型优化算法，它包括遗传、粒子群、混沌、蚁群、免疫、模拟退火、禁忌搜索及其混合等优化算法，其中遗传算法GA （Genetic Algorithm ）是最常用的优化方法。GA 由Holland J 于1975年提出，它是模拟自然进化过程中的自然选择和遗传变异的一种随机搜索优化方法，通过模拟自然界生物发展进化的遗传、变异、选择行为来寻找问题的最优解。GA 体现了优胜劣汰、自然选择和物种遗传的思想。GA 已用于模糊励磁控制［27］中隶属度函数和量化因子的优化选取，经GA 优化后系统的控制效果更好，鲁棒性更强。
此法优点：并行随机搜索，全局择优，计算时间少，收敛性好；搜索使用评价函数启发，过程简单；具有自组织性、适应性和鲁棒性；可与各种控制方法相结合，对控制参数寻优。此法缺点：不能很好地解决大规模计算量问题，搜索时间长；容易陷入“早熟”，收敛于次优解；需要根据具体问题调整选择和变异策略；编码不太容易；对初始种群的选择有一定依赖性。1.4.7模糊神经励磁控制方法
模糊、神经、专家等基本智能方法各有其优势及局限，将它们集成融合在一起已成为设计更高智能的控制系统方案，其中模糊神经网络FNN （Fuzzy Neu -ral Network ）是由Lee S C 和Lee E T 在1974年提出的最常用结合形式，它结合了模糊系统的逻辑推理能力及神经网络的自学习能力。尽管FC 和NN 控制都具有不依赖于对象的数学模型且鲁棒性强的优点，但FC 的精度低、适应性差，NN 控制的学习时间长、参数物理意义不明显。FNN 控制是这2
种控制的
第32卷
电力自动化设备
结合体，它通过NN实现FC的功能，增强了FC的自学习和自适应能力，改善了NN学习速度慢、易陷入局部极值等问题，增强了控制系统的实时性。此法已用于励磁控制［28］，该系统的跟踪性能好，稳态误差很小，控制性能良好。
此法优点：两者结合优势互补，兼有两者之长，既有结构式知识表达能力，又有参数调整优化能力；可同时处理确知和非确知信息，扩大了信息处理能力；模糊计算简便快捷，模糊化规则增强了系统的容错性；NN计算增强了非线性映射能力、适应能力与学习能力。此法缺点：模糊规则的选取无通用办法，依赖于专家经验，而专家经验往往不完备和非最优；模糊化层和模糊推理层节点个数的选取、模糊合成和推理算法的选取以及反模糊化的计算方法等无理论指导；NN的学习算法可能存在着收敛缓慢和无法达到全局最优等问题，通过GA等优化算法可得到改进；采用何种NN模型、产生何种形式的规则和隶属函数形式才能使系统达到最佳的结合，这些都无成熟的理论指导。
综上所述，几乎所有控制方法都被引入到励磁控制的研究中。任何一种新近提出的控制算法，都在某一（些）方面取得了进展和突破，为实际系统励磁控制水平的提高积累了较多资料，也为稳定控制研究的继续深入提供了理论准备。由于励磁控制目标的多重性、励磁调节回路间的耦合性以及电力系统的高维性、非线性等复杂特性，虽然学术界已经取得了一定成果，但是实际电力系统中传统的PID+PSS控制仍被大量采用，二次型（非）线性最优控制也有少量采用。由于非线性或智能励磁控制方式还存在理论不成熟、算法复杂等问题，目前大多还停滞在理论仿真研究阶段。
2励磁控制存在的问题及发展趋势
现代电力系统已发展成为一个巨维数的动态大系统，它具有强非线性、时变性，且参数不确切可知，并含有大量未建模动态部分。目前电力系统中励磁控制还有一些问题没有得到很好的解决［29］。
a.系统非线性问题。它包括可微非线性和不可微非线性（如限幅、饱和、切换）以及各种实际约束（如机端电压约束）条件下的控制系统综合和分析问题。现有的大多数非线性励磁控制所针对的只是常规非线性（或称为光滑可逆非线性）问题，而不适用于工程实际中广泛存在的强非线性问题。
b.多种控制方式综合问题。经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论虽然在理论体系和实现机理上相差较大，但从整个控制理论的发展上来看它们是一脉相承、相互补充的。前面各种励磁控制方式都有各自的优点和不足，每种控制方式在解决某一方面的问题时有着良好的效果，但是往往在设计或控制过程中都有难以解决的问题，很难凭借单独一种控制规律来解决实际励磁控制系统中的众多难点问题和实现综合性的设计目标，实际上往往是多种方法彼此结合、综合应用以取得更好的控制效果。因此，如果将这些控制方法结合起来，最大限度地发挥这些控制方法的优点，并尽量避免它们的不足，将会把励磁控制推到一个全新的阶段。
c.大系统协调控制问题。现代电力系统是一个统一的，各动态元件、子系统间相互耦合的复杂大系统，且越来越多的动态调控装置投入到电力系统中，传统的励磁控制实质上是在单机或准单机无穷大系统模型下设计的“孤立控制器”，只对改善局部控制性能有一定作用，对系统其他部分的动态行为难有确定性的改善，反而存在由于缺乏协调而导致整体性能恶化的危险。对于存在强耦合作用的多机电力系统，传统孤立控制无法给出满足全局性要求的控制规律。因此就要求系统中控制器的设计采用分散协调控制理论，在设计每个控制元件的控制规律时进行全盘考虑、综合设计，使得各局部控制器能够协调一致地工作，使全系统性能指标达到最优。这种协调控制包括多台同步发电机的励磁控制之间、励磁控制与汽轮或水轮机的速度控制之间、励磁控制与动态补偿装置之间以及励磁控制与交直流输电之间等多方面协调控制。
例如，目前电力系统常加入一些柔性交流输电系统FACTS（Flexible AC Transmission Systems）作为动态补偿装置。这些FACTS设备的加入能在一定范围内快速、连续地改变输电线路阻抗，可经济有效地提高远程输电传输能力，提供动态电压和无功补偿支持，提高系统暂、静态稳定和阻尼系统功率振荡等作用。一般而言，地理上分离的发电机励磁控制器与FACTS控制器的设计是相互独立的，并未考虑到相互间的连接与交互影响，但这种不协调的控制策略可能产生负面的相互作用，甚至会破坏系统的动态稳定性。为了提高电力系统的整体性能，将FACTS控制与励磁控制结合起来协调控制［30］已成为一件非常有理论价值和工程意义的工作。它们之间具有的协调控制方法与前述励磁控制中各种方法的特点类似，此处不再重复。
d.动态适应问题。目前的控制设计大多仅停留在离线规划水平，较少考虑励磁控制系统不同运行点，运行方式、网络拓扑变化，扰动模式产生的不确定性时变对控制策略的要求，单一励磁控制器内部自适应以及多机系统的控制器之间的在线动态协调问题应进一步研究。
e.实际大规模电力系统设计模型的构造问题。由于实际系统维数极高，无法采用完整精确模型。为简化控制器设计，一般采用常规降阶等值简化模型优化控制器参数，但放入实际系统后，不一定能够保持其最优性甚至稳定性。因此，必须选择适当的多机降阶等值模型，否则理论研究意义就仅是纸上谈
程启明，等：同步发电机励磁控制方法的发展与展望
第5期
兵，难以实际应用。
总之，从控制方法来看，非线性控制理论是解决电力系统暂态稳定控制问题的必需工具，多种理论的结合应用是解决许多问题的关键。从控制对象来看，对象的孤立控制正朝着综合协调控制的方向发展，此外，全局控制的思想可以协调解决一些相互矛盾的控制目标，这些理论与技术的应用都将为大规模电力系统的暂态稳定控制提供必要的帮助和便利。
3结语
同步发电机励磁控制是非常重要的问题。本文在回顾以往研究的基础上，对各种励磁控制的新方法做一些分析和评价。尽管励磁控制研究已经取得了很大的成绩，但还有一些问题没有得到满意的解决，本文指出了存在的主要问题及今后的发展方向，对励磁控制方法的研究与选择有一定参考指导价值。
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406.第32卷
电力自动化设备
Development and prospects of excitation control methods
for synchronous generator
CHENG Qiming ，CHENG Yinman ，XUE Yang ，HU Xiaoqing （College of Electric Power and Automation ，Shanghai University of
Electric Power ，Shanghai 200090，China ）
Abstract ：The development stages of excitation control are linear single -variable control ，linear multivariable control ，nonlinear multivariable control and intelligent control.The linear multi -variable excitation control are forced control ，PID+PSS control and linear optimal control ；the nonlinear multivariable excitation control are robust control ，variable structure control ，adaptive control ，internal model control ，predict control ，gray control ，ADRC control ，Lyapunov control ，back -stepping control ，passive control ，Hamilton control and feedback linearization control ；the intelligent excitation control are fuzzy control ，neural network control ，support vector machine control ，expert control ，learning control ，genetic control and fuzzy neural control.The history and current situation of excitation control development are summarized ，these control methods are classified according to the development of control theory ，their principles ，advantages and disadvantages are analyzed ，the coordination between excitation control and other controls are explained ，and the main problems and its development trend are pointed out.
Key words ：excitation control ；synchronous generators ；electric power systems ；stability
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作者简介：
程启明（1965-），男，江苏盐城人，教授，研究方向为电力系统自动化、发电过程控制、先进控制及应用等（E -mail ：
chengqiming@https://www.wendangku.net/doc/0517245503.html, ）；
程尹曼（1990-），女，上海人，研究方向为电力系统自动化等（E -mail ：chengyinman@https://www.wendangku.net/doc/0517245503.html, ）；
薛阳（1976-），男，江苏无锡人，副教授，博士后，研究方向为智能控制及其在电力系统中的应用等（E -mail ：xueyang @https://www.wendangku.net/doc/0517245503.html, ）；
胡晓青（1986-），男，江苏如皋人，硕士研究生，研究方向为电力系统自动化、新能源发电控制等（E -mail ：happysnow 2004@https://www.wendangku.net/doc/0517245503.html, ）。
程启明，等：同步发电机励磁控制方法的发展与展望
第5期
同步发电机励磁系统实验研究
摘要 同步发电机励磁系统对电力系统的可靠性和稳定性起着重要作用，在我国，励磁系统的可靠性和技术性能指标还不能令人满意。除了制作水平的提高外，利用特殊的动态测试设备在设计、生产、运行、维护等各个阶段对励磁系统进行设计验证和动态性能测试，是提高励磁系统可靠性和技术性能指标的重要手段。随着计算机技术的发展，数字仿真测试技术在电力系统研究领域正起着越来越重要的作用。因此研究采用数字仿真测试技术对同步发电机励磁系统进行动态性能测试，对提高励磁系统的可靠性和技术指标有着重要意义。 关键词：同步发电机，励磁系统 Abstract The excitation system of synchronous generator plays an important role in reliability and stability of power system. However, the reliability of current excitation system in China is not very satisfactory. To improve the reliability and performance of excitation system, in addition to enhancing the fabrication technology, it is critical to conduct design verifying and dynamic performance testing at the stages of design, manufacture, run and maintenance with special dynamic testing devices. With the rapid development of computer science and technology, digital simulation testing is becoming more and mo re important in Power System research field. Adopting digital simulation testing technology in the dynamic performance testing of synchronous generator excitation systems has a great significance in improving the reliability and performance of an excitation system. Keyword: Synchronous Generator, Excitation System
同步发电机励磁自动控制系统练习参考答案
一、名词解释 1．励磁系统 答：与同步发电机励磁回路电压建立、调整及在必要时使其电压消失的有关设备和电路。 2．发电机外特性 答：同步发电机的无功电流与端电压的关系特性。 3．励磁方式 答：供给同步发电机励磁电源的方式。 4．无刷励磁系统 答：励磁系统的整流器为旋转工作状态，取消了转子滑环后，无滑动接触元件的励磁系统。 5．励磁调节方式 答：调节同步发电机励磁电流的方式。 6．自并励励磁方式 答：励磁电源直接取自于发电机端电压的励磁方式。 7．励磁调节器的静态工作特性 答：励磁调节器输出的励磁电流（电压）与发电机端电压之间的关系特性。 8.发电机调节特性 答：发电机在不同电压值时，发电机励磁电流IE与无功负荷的关系特性。 9．调差系数 答：表示无功负荷电流从零变至额定值时，发电机端电压的相对变化。 10．正调差特性 答：发电机外特性下倾，当无功电流增大时，发电机的端电压随之降低的外特性。11．负调差特性 答：发电机外特性上翘，当无功电流增大时，发电机的端电压随之升高的外特性。12．无差特性 答：发电机外特性呈水平．当无功电流增大时，发电机的端电压不随之变化的外特性。
13．强励 答：电力系统短路故障母线电压降低时，为提高电力系统的稳定性，迅速将发电机励磁增加到最大值。 二、单项选择题 1．对单独运行的同步发电机，励磁调节的作用是( A ) A．保持机端电压恒定； B．调节发电机发出的无功功率； C．保持机端电压恒定和调节发电机发出的无功功率； D．调节发电机发出的有功电流。 2．对与系统并联运行的同步发电机，励磁调节的作用是( B ) A．保持机端电压恒定； B．调节发电机发出的无功功率； C．调节机端电压和发电机发出的无功功率； D．调节发电机发出的有功电流。 3．当同步发电机与无穷大系统并列运行时，若保持发电机输出的有功 PG = EGUG sinδ为常数，则调节励磁电流时，有( B )等于常数。 X d A．U G sinδ； B．E Gsinδ； C．1 X d ?sinδ； D．sinδ。 4．同步发电机励磁自动调节的作用不包括( C )。 A．电力系统正常运行时，维持发电机或系统的某点电压水平； B．合理分配机组间的无功负荷； C．合理分配机组间的有功负荷； D．提高系统的动态稳定。 5．并列运行的发电机装上自动励磁调节器后，能稳定分配机组间的( A )。A．无功负荷；
浅谈同步发电机的励磁系统
浅谈同步发电机的励磁系统 技术分类:电机与运动控制作者：赵宇发表时间：2006-11-10 1 概述 向同步发电机的转子励磁绕组供给励磁电流的整套装置叫做励磁系统。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它的可靠性对于发电机的安全运行和电网的稳定有很大影响。发电机事故统计表明发电机事故中约1/3为励磁系统事故，这不但影响发电机组的正常运行而且也影响了电力系统的稳定，因此必须要提高励磁系统的可靠性，而根据实际情况选择正确的励磁方式是保证励磁系统可靠性的前提和关键。我国电力系统同步发电机的励磁系统主要有两大类，一类是直流励磁机励磁系统，另一类是半导体励磁系统。 2 直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。其中直流发电机称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流，形成有碳刷励磁。直流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式。自励与他励的区别是对主励磁机的励磁方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了励磁机的电压增长速度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。 图1 自励直流励磁机励磁系统原理接线图 上图中 LH——电流互感器 YH——电压互感器 F ——同步发电机 FLQ——同步发电机的励磁线圈 L——直流励磁机 LLQ——直流励磁机的励磁线圈 Rc——可调电阻
采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的主要励磁系统。目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统。长期的运行经验证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便，设备投资及运行费用也比较少。缺点是：运行时整流子与电刷之间火花严重，事故多，性能差，运行维护困难，换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时必须停主机，很不方便。近年来，随着电力生产的发展，同步发电机的容量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题或电机的结构上都受到限制。因此，直流励磁机励磁系统愈来愈不能满足要求。目前，在100MW及以上发电机上很少采用。 3 半导体励磁系统 半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后，作为供给同步发电机励磁电流的直流电源。半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种。 3.1 静止式半导体励磁系统 静止式半导体励磁系统又分为自励式和它励式两种。 3.1.1自励式半导体励磁系统 自励式半导体励磁系统中发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过控制整流后，送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，以维持发电机端电压恒定的励磁系统，是无励磁机的发电机自励系统。最简单的发电机自励系统是直接使用发电机的端电压作励磁电流的电源，由自动励磁调节器控制励磁电流的大小，称为自并励可控硅励磁系统，简称自并励系统。自并励系统中，除去转子本体极其滑环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触类元件，所以又称为全静止式励磁系统。下图为无励磁机发电机自并励系统框图，其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器ZB提供，经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流，可控硅元件SCR由自动励磁调节器控制。系统起励时需要另加一个起励电源。 图2 无励磁机发电机自并励系统原理接线图
发电机励磁原理
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：（如图一所示）一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分（或称励磁功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分（或称励磁控制单元或励磁调节器）。在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。在电力系统正常运行的情况下，维持发电机或系统的电压水平；合理分配发电机间的无功负荷；提高电力系统的静态稳定性和动态稳定性，所以对励磁系统必须满足以下要求： 图一 1、常运行时，能按负荷电流和电压的变化调节（自 动或手动）励磁电流，以维持电压在稳定值水平，并能稳定地分配机组间的无功负荷。 2、应有足够的功率输出，在电力系统发生故障，电压降低时，能迅速地将发电机地励磁电流加大至最大值（即顶值），以实现发动机安全、稳定运行。 3、励磁装置本身应无失灵区，以利于提高系统静态稳定，并且动作应迅速，工作要可靠，调节过程要稳定。我热电分厂现共有三期工程，5台同步发电机采用了3种励磁方式: 1、图二为一期两台QFG-6-2型发电机的励磁系统方框图。 图二 2、图三为二期两台QF2-12-2型发电机的励磁系统方框图。
图三 3、图四为三期一台QF2-12-2型发电机的励磁系统方框图 图四 一、三种发电机励磁系统的组成 一期是交流励磁机旋转整流器的励磁系统，即无刷励磁系统。如图二所示，它的副励磁机是永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正好相反，其电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一轴上旋转，不需任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。二期是自励直流励磁机励磁系统。如图三所示，发电机转子绕组由专用的直流励磁机DE供电，调整励磁机磁场电阻Rc可改变励磁机励磁电流中的IRC从而达到调整发电机转子电流的目的。三期采用的是静止励磁系统。这类励磁系统不用励磁机，由机端励磁变压器供给整流器电源，经三相全控整流桥控制发电机的励磁电流。 二、励磁电流的产生及输出 一期励磁系统原理图如图五所示。其中主励磁机的励磁
同步发电机励磁控制实验
同步发电机励磁控制实验 一、实验目的 1．加深理解同步发电机励磁调节原理和励磁控制系统的基本任务； 2．了解自并励励磁方式和它励励磁方式的特点； 3．熟悉三相全控桥整流、逆变的工作波形；观察触发脉冲及其相位移动； 4．了解微机励磁调节器的基本控制方式； 5．了解电力系统稳定器的作用；观察强励现象及其对稳定的影响； 6．了解几种常用励磁限制器的作用； 7．掌握励磁调节器的基本使用方法。 二、原理与说明 同步发电机的励磁系统由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成，它们和同步发电机结合在一起就构成一个闭环反馈控制系统，称为励磁控制系统。励磁控制系统的三大基本任务是：稳定电压，合理分配无功功率和提高电力系统稳定性。 实验用的励磁控制系统示意图如图1所示。可供选择的励磁方式有两种：自并励和它励。当三相全控桥的交流励磁电源取自发电机机端时，构成自并励励磁系统。而当交流励磁电源取自380V 市电时，构成它励励磁系统。两种励磁方式的可控整流桥均是由微机自动励磁调节器控制的，触发脉冲为双脉冲，具有最大最小α角限制。 微机励磁调节器的控制方式有四种：恒U F （保持机端电压稳定）、恒I L （保持励磁电流稳定）、恒Q （保持发电机输出无功功率稳定）和恒α（保持控制角稳定）。其中，恒α方式是一种开环控制方式，只限于它励方式下使用。 同步发电机并入电力系统之前，励磁调节装置能维持机端电压在给定水平。当操作励磁调节器的增减磁按钮，可以升高或降低发电机电压；当发电机并网运行时，操作励磁调节器的增减磁按钮，可以增加或减少发电机的无功输出，其机端电压按调差特性曲线变化。 图1 励磁控制系统示意图
同步发电机怎么励磁
无刷励磁发电机的轴端头是一台交流发电机，其转子是发电绕组，发出的电流通过固定在发电机轴上的导线引导固定在轴上的硅整流管，整流后的直流直接进入转子绕组，其中没有整流刷这个东西，所以成为无刷励磁。 无刷励磁发电机的轴端头是一台交流发电机，其转子是发电绕组，发出的电流通过固定在发电机轴上的导线引导固定在轴上的硅整流管，整流后的直流直接进入转子绕组，其中没有整流刷这个东西，所以成为无刷励磁。曾经风靡过一段时间，但是由于整流管坏了就得停机，所以现在已经用的很少了，基本都采用自复励系统。 同步发电机励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现说明如下： 1.直流励磁机励磁 直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。 2.静止励磁器励磁 同一轴上有3台发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励（有时采用永磁发电机）。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。 3.旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到了数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。用于这种励磁系统取消了集电环和集电装置，故又称为无刷励磁系统。
发电机励磁原理及构造
发电机原理及构造——发电机的励磁系统 众所周知，同步发电机要用直流电流励磁。在以往的他励式同步发电机中，其直流电流是有附设的直流励磁机供给。直流励磁机是一种带机械换向器的旋转电枢式交流发电机。其多相闭合电枢绕组切割定子磁场产生了多相交流电，由于机械换向器和电刷组成的整流系统的整流作用，在电刷上获得了直流电，再通过另一套电刷，滑块系统将获得的直流输送到同步发电机的转子，励磁绕组去励磁，因此直流励磁机的换向器原则上是一个整流器，显然可以用一组硅二节管取代，而功率半导体器件的发展提供了这个条件。将半导体元件与发电机的轴固结在一起转动，则可取消换向器、滑块等滑动接触部分、利用二极管换成直流电流。直流送给转子励磁、绕组励磁。这就是无刷系统。 下面我们以典型的几种不同发电机励磁系统，介绍它的工作原理。 一、相复励励磁原理 左图为常用的电抗移相相复励励磁系统线路图。由线形电抗器DK把电枢绕组抽头电压移相约90°、和电流互感器LH提供的电压几何叠加，经过桥式整流器ZL整流，供给发电机励磁绕组。负载时由电流互感器LH供给所需的复励电流，进行电流补偿，由线形电抗器DK 移相进行相位补偿。 二、三次谐波原理 左图为三次谐波原理图，对一般发电机来源，我们需要的是工频正弦波，称为基波，比基波高的正弦波都称为谐波、其中三次谐波的含量最大，在谐波发电机定子槽中，安放有主绕组和谐波励磁绕组（s1、s2），而这个绕组之间没有电的联系。谐波绕组将绕组中150HZ谐波感应出来，经过ZL桥式整流器整流，送到主发电机转子绕组LE中进行励磁。 三、可控硅直接励磁原理 由左图可以看出，可控硅直接励磁是采用可控硅整流器直接将发电机输出的任一相一部分能量，经整流后送入励磁绕组去的励磁方式，它是由自动电压调节器（A VR），控制可控硅的导通角来调节励磁电流大小而维持发电机端电压的稳定。 四、无刷励磁原理 无刷励磁主要用于西门子、斯坦福、利莱等无刷发电机。它是利用交流励磁机，其定子上的剩磁或永久磁铁（带永磁机）建立电压，该交流电压经旋转整流起整流后，送入主发电机的励磁绕组，使发电机建压。自动电压调节器（A VR）能根据输出电压的微小偏差迅速地减小或增加励磁电流，维持发电机的所设定电压近似不变。 中小型三相同步发电机的技术发展概况 一．概述 中小型同步发电机是中小型电机的主要产品之一，广泛应用于小型水电站、船舶电站、移动电站、固定电站、应急备用电站、正弦波试验电源、变频电源、计算机电源及新能源――风力发电、地热发电、潮汐发电、余热发电等。它对边（疆）老（区）贫（穷）地区实现电气化，提高该地区经济发展水平和人民的生活水平有着重要的作用，中小型发电机在船舶、现代电气化火车内燃机车等运输设备中也是一个关键设备。移动电站对国防设施、工程建设、海上石油平台、陆上电驱动石油钻机、野外勘探等也是不可缺少的关键装备之一。应急备用电站在突发事件中的防灾、救护保障人民的生命和财产的安全有着不可替代的作用。开发绿色能源、可再生能源、减少大气二氧化碳的含量，小水电、风力发电、地热发电和余热发电是重要的组成部分。 我国小型同步发电机的第一代产品是1956年电工局在上海组织的统一设计并于1957年完成的TSN、TSWN系列农用水轮发电机。第二代产品是在进行了大量试验研究和调查研究的基础上于1965年开始的T2系列小型三相同步发电机统一设计，该水平达到六十年代国际先进水平，为B级绝缘的有刷三相同步发电机。在这段时间还开发了ST系列有刷单相同
同步发电机励磁系统的建模及仿真
同步发电机励磁系统的建模及仿真 发电机的三分之一故障来自于同步发电机的励磁系统，所以研究同步发电机励磁系统对于电力系统有举足轻重的作用。所谓同步发电机励磁系统就是向励磁绕组供给励磁电流的整套装置。按照励磁功率产生的方式不同，同步发电机的励磁方式可以分为自励式和他励式两种。自励式是将发电机发出的交流电经过整流后输送到同步发电机的励磁侧，而他励式是同步发电机的励磁侧单独采用直流励磁机或交流励磁机作为电源供电。 以单机―无穷大系统为模型进行研究。单机―无穷大系统模型是简单电力系统分析中最简单最常用的研究对象，其示意图如图1所示，该仿真系统由同步励磁发电机、变压器、双回路输电线和无穷大系统构成。其中，同步励磁发电机参数为200MVA、13800V、112.5r/min、50Hz,变压器参数为Y―Y型210MVA。 图１单机―无穷大系统示意图 建模及其仿真步骤如下。 1.选择模块 首先建立一个Simulink 模型窗口，然后根据系统的描述选择合适的模块添加至模型窗口中，建立模型所需的模块如下：
1）选择Machines 模块库下的Synchronous Machine pu Standard 模块作为同步励磁发电机、Excitation System 模块作为励磁控制器。 2)选择Elements 模块库下的Three-Phase Transformer (Two Windings) 模块作为三相升压变压器、Three-Phase Series RLC Load 模块作为三相并联RLC 负载接地、Three-Phase Fault 模块作为任意相之间或者任意相与地之间的短路、Ground 模块作为接地。 3）选择Electrical Source 模块库下的Three-Phase Source 模块作为无穷大系统。 4)选择Measurements 模块库下的Voltage Measurement 模块作为电压测量。 5）选择Math Operation 模块库下的Gain 模块。 6）选择Sources 模块库下的Constant 模块。 7）选择Signal Routing 模块库下的Bus Selector 模块作为输出信号选择器。 8）选择Sinks 模块库下的Scope 模块。 2. 搭建模块 将模块放在合适的位置，将模块从输入端至输出端进行连接，搭建完的Simulink 励磁系统模型如图2 所示。 图2 Simulink 励磁系统模型
同步发电机的励磁建模
2．1同步电机模型 同步电机是电力系统的主要元件，电磁暂态和机电互动现象十分丰富，模型的建立和求解往往决定着仿真的精度和能够反映实际系统动态过程的程度，因此，很多专家在同步发电机建模方面展开研究并取得多项成果。 同步电机是励磁控制系统的控制对象，又和励磁控制系统密切相关系。研究励磁系统的动态特性，离不开对同步电机动态特性的分析。同步电机的过渡过程比较复杂，通过以d,q 坐标系统推导出来的派克(Park)方程作为同步电机的基本方程，求出完整的动态模型；在某些特定的条件下，可由完整的动态模型得到简化模型。在小干扰情况下，可以将非线性的完整模型在工作点附近线性化，得出线性化模型：同样，在某些特定的条件下，还可以求得简化的线性模型。 同步电机dqO 坐标下的暂态方程称为派克方程，它是一组非线性的微分方 程组。由于dqO 三轴之间的解耦以及aqO 坐标下的电感参数是常数，因此派克变换及同步电机的派克方程在实用分析中得到广泛的使用。 同步电机具有三个定子绕组、一个转子绕组、两个阻尼绕组。六个绕组间 都有磁的耦合，加上转子位置不断变化，绕组间的耦合又必然是转子的位置函 数。要正确反映上述情况就需要七个非线性微分方程。 2．1．1同步电机基本方程 由同步电机在d,q 轴的park 微分方程组出发，电压和磁链方程(以标幺值形式)如(2．1)-(2．10)所示： 电压方程： 定子绕组：d q d d ri p U --=ωψψ （2.1） q d q q ri p U --=ωψψ （2.2） 励磁绕组： f f f f p r i U ψ-= （2.3） 阻尼绕组： d d d p i r 1110ψ-= （2.4） q q q p i r 1110ψ-= （2.5） 磁链方程： 定子绕组：d ad f ad d d d i X i X i X 1++-=ψ （2.6） q aq q q q i X i X 1+-=ψ （2.7） 励磁绕组：d ad f f d ad f i X i X i X 1++-=ψ （2.8） 阻尼绕组：d d f ad d ad d i X i X i X 111++-=ψ （2.9） q q q aq q i X i X 111+-=ψ （2.10） 其中，dt d p θθω==。式中各物理量的定义为：d i -负载电流d 轴分量；q i -负载电流q 轴分量；f i -励磁电流；d U -机端电压d 轴分量；q U —机端电压q 轴分量；f U -
柴油发电机组控制系统工作原理
柴油发电机组控系统工作原理 LIXISE 作者： 作者：LIXISE 柴油发电机组控制系统工作原理和算法是相当的复杂，每个电路的设计都有其特定的算法来予以实现。柴油发电机组的控制器系统犹如发电机组的心脏，智能控制系统的使用大大提高了柴油发电机组的运行，保障了柴油发电机组的稳定工作，那么控制系统是通过何种原理和算法来实现呢？柴油发电机组的控制部分，数字式励磁控制器较传统的模拟电路励磁控制器具有精度高，反应快，控制算法适应性强，对于不同特性的电机只要通过调整程序参数就能适应，甚至可以实现更高端的自适应智能控制算法等优点。 一、数字励磁控制器软件实现与算法研究 主要是对数字式励磁控制器的软件和所采用的控制算法进行论述。首先对数字励磁控制器的主程序进行设计，然后对电量参数采集算法和智能励磁控制算法进行研究，并在ＣＰＵ上进行实现。为了实现精确的数字励磁控制，需要得到实时、精确的电量数据，而要获得实时、精确的电量数据，则需要采用交
流采样方法，并推导出交流采样下各个电量的计算公式，最终编写计算出电量数据的算法程序。交流采样是按一定的规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按照一定的数学算法求出被测电量参数的测量方法。下面给出交流电压，交流电流，有功功率，无功功率，功率因素的各种算法中的离散公式。 二、数字式励磁控制器总体设计方案 工作电源：由于微处理器的工作电源要求，我们需要一个５Ｖ的稳定直流电源，信号调理电路的运算电路的供电需要一组±１２Ｖ的直流电源，另外，开关量输出需要驱动继电器，所以需要一个＋２４Ｖ的直流电源，为此我们需要设计一个电源转化模块得到系统正常工作所需的三组ＤＣ电源。 三、交流采样锁相环电路 要进行交流采样，通常需要进行同步采样，目前交流采样方式主要有硬件同步采样、软件同步采样和异步采样三种。硬件同步由硬件同步电路向ＣＰＵ提出中断实现同步。硬件同步电路有多种形式，常见的如锁相环同步电路等。硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。它能克服软件同步采样法存在截断误差等缺点，测量精度高。利用锁相频率跟踪原理实
三相同步发电机实验解读
1．同步发电机运行实验指导书2．发电机励磁调节装置实验指导书3．静态稳定实验(提纲，供参考) 4．发电机保护实验提示 5． 广西大学电气工程学院
同步发电机运行实验指导书 目录 一、实验目的 二、实验装置及接线 三、实验内容 实验一发电机组的起动和同步电抗Xd测定 实验二发电机同期并网实验 实验三发电机的正常运行 实验四发电机的特殊运行方式 实验五发电机的起励实验 四、实验报告 五、参考资料 六、附录 1．不饱和Xd的求法 2．用简化矢量图求Eq和δ 3．同期表及同期电压矢量分析
一、实验目的 同步发电机是电力系统最重要又最复杂的电气设备，在电力系统运行中起着十分重要的作用。通过实验，使学生掌握和巩固同步发电机及其运行的基本概念和基本原理，培养学生的实践能力、分析能力和创新能力，加强工程实线训练，提高学生的综合素质。 二、实验装置及接线 实验在电力系统监控实验室进行，每套实验装置以4KW直流电动机与同轴的1.5KW同步发电机为被控对象，配置常规仪表测量控制屏（常规控制）和自动控制屏（微机监控）。可实现对发电机组的测量、控制、信号、保护、调节、并列等功能，本次同步发电机运行实验，仅采用常规控制方式。 直流电动机-同步发电机组的参数如下： 直流电动机： 型号Z2-42，凸极机 额定功率4KW 额定电压DC220V 额定电流22A 额定转速1500r/min 额定励磁电压DC220V 额定励磁电流0.81A 同步发电机 型号STC-1.5 额定功率 1.5KW 额定电压AC400V(星接) 额定电流 2.7A 额定功率因数0.8 空载励磁电流1A 额定励磁电流2A 同步发电机接线如图电-01所示。发电机通过接触器1KM、转换开关1QS、
浅谈同步发电机的励磁系统
浅谈同步发电机的励磁系统 1 概述 向同步发电机的转子励磁绕组供给励磁电流的整套装置叫做励磁系统。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它的可靠性对于发电机的安全运行和电网的稳定有很大影响。发电机事故统计表明发电机事故中约1/3为励磁系统事故，这不但影响发电机组的正常运行而且也影响了电力系统的稳定，因此必须要提高励磁系统的可靠性，而根据实际情况选择正确的励磁方式是保证励磁系统可靠性的前提和关键。我国电力系统同步发电机的励磁系统主要有两大类，一类是直流励磁机励磁系统，另一类是半导体励磁系统。 2 直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。其中直流发电机称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流，形成有碳刷励磁。直流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式。自励与他励的区别是对主励磁机的励磁方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了励磁机的电压增长速度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。
图1 自励直流励磁机励磁系统原理接线图 上图中LH——电流互感器 YH——电压互感器 F ——同步发电机 FLQ——同步发电机的励磁线圈 L——直流励磁机 LLQ——直流励磁机的励磁线圈 Rc——可调电阻 采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的主要励磁系统。目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统。长期的运行经验证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便，设备投资及运行费用也比较少。缺点是：运行时整流子与电刷之间火花严重，事故多，性能差，运行维护困难，换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时必须停主机，很不方便。近年来，随着电力生产的发展，同步发电机的容量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在
同步发电机准同期并列实验步骤
同步发电机准同期并列实验 一、实验目的 1．加深理解同步发电机准同期并列原理，掌握准同期并列条件； 2．掌握微机准同期控制器及模拟式综合整步表的使用方法； 3．熟悉同步发电机准同期并列过程； 4．观察相关参数。 二、实验项目和方法 （一）机组启动与建压 1．检查调速器上“模拟调节”电位器指针是否指在0位置，如不在则应调到0位置； 2．合上操作电源开关，检查实验台上各开关状态：各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄。调速器面板上数码管显示发电机频率，调速器上“微机正常”灯和“电源正常”灯亮； 3．按调速器上的“微机方式自动/手动”按钮使“微机自动”灯亮； 4．励磁调节器选择它励、恒UF运行方式，合上励磁开关； 5．把实验台上“同期方式”开关置“断开”位置； 6．合上系统电压开关和线路开关QF1，QF3，检查系统电压接近额定值380V； 7．合上原动机开关，按“停机/开机”按钮使“开机”灯亮，调速器将自动启动电动机到额定转速； 8．当机组转速升到95%以上时，微机励磁调节器自动将发电机电压建压到与系统电压相等。 （二）手动准同期 将“同期方式”转换开关置“手动”位置。在这种情况下，要满足并列条件，需要手动调节发电机电压、频率，直至电压差、频差在允许范围内，相角差在零度前某一合适位置时，手动操作合闸按钮进行合闸。 观察微机准同期控制器上显示的发电机电压和系统电压，相应操作微机励磁调节器上的增磁或减磁按钮进行调压，直至“压差闭锁”灯熄灭。 观察微机准同期控制器上显示的发电机频率和系统频率，相应操作微机调速器上的增速或减速按钮进行调速，直至“频差闭锁”灯熄灭。 此时表示压差、频差均满足条件，观察整步表上旋转灯位置，当旋转至0o位置前某一合适时刻时，即可合闸。观察并记录合闸时的冲击电流。 具体实验步骤如下： （1）检查调速器上“模拟调节”电位器指针是否指在0位置，如不在则应调到0位置； （2）合上操作电源开关，检查实验台上各开关状态：各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄。调速器面板上数码管显示发电机频率，调速器上“微机正常”灯和“电源正常”灯亮； （3）按调速器上的“模拟方式”按钮按下，使“模拟方式”灯亮。合上原动机开关，按下“停机/开机”按钮，开机指示灯亮；
同步电动机励磁系统常见故障分析
同步电动机励磁系统常见故障分析 作者：陆业志 本文结合KGLF11型励磁装置，对其在运行中的常见故障进行分析。 1 常见故障分析 (1)开机时调节6W，励磁电流电压无输出。 原因分析：励磁电流电压无输出，肯定是晶闸管无触发脉冲信号，而六组脉冲电路同时无触发脉冲很可能是移相插件接触不良，或者同步电源变压器4T损坏，造成没有移相给定电压加到六组脉冲电路的1V1基极回路上，从而六组脉冲电路无脉冲输出导致晶闸管不导通。 (2)励磁电压高而励磁电流偏低。 原因分析：这是个别触发脉冲消失或是个别晶闸管损坏的缘故。个别触发脉冲消失可能是脉冲插件接触不良。另外图1中三极管1V1、单极晶体管2VU及小晶闸管9VT损坏，或者是电容2C严重漏电或开路。如果主回路中晶闸管1VT～6VT中有某一个开路或是触发极失灵，同样会导致输出励磁电流偏低的现象。 (3)合励磁电路主开关时，励磁电流即有输出。 原因分析：这是由于图1所示脉冲电路中的三极管1V1集电极-发射极之间漏电，即使移相电路还未送来正确的控制电压，也会导致1C充电到2VU导通的程度。2VU即输出触发使小晶闸管9VT导通，2C经9VT放电而发出脉冲令1VT、3VT、6VT之一触发导通，使转子励磁电路中流过直流电流。 (4)同步电动机起动时，励磁不能自行投入。 原因分析：励磁不能自行投入。肯定是自动投励通道电路中断或工作不正常，因此可能是投励插件与插座间接触不良，或是图2所示投励电路中的三极管3V1、单结晶体管4VU工作不正常，电容5C漏电、电位器W′损坏。另外是移相插件同样有接触不良现象，或者是图3所示移相电路的小晶闸管10VT损坏等等。 (5)运行过程中励磁电流电压上下波动。 原因分析：引起励磁电流电压输出不稳的原因很多，主要有1)脉冲插件可能存在接触不良，造成个别触发脉冲时有时无。2)图1所示脉冲电路的电位器4W松动，使三极管1V1电流负反馈发生变化，造成放大器工作点不稳定，从而影响晶闸管主回路输出的稳定性。另外，如果电容2C漏电或单结晶体管2VU及三极管1V1性能不良，也会引起触发脉冲相位移动。3)图3所示移相电路的电位器6W松动或接触不良，将会使移相控制电压Ed间歇性消失，引起励磁电流电压输出大幅度波动。另外，如果稳压管7VS、8VS损坏，都会使Ey随电网电压波动而波动，使Ed输出波动，造成晶闸管主回路直流输出不稳。 (6)励磁装置输出电压调不到零位。
同步发电机励磁系统
四川大学 电力系统自动装置 题目同步发电机励磁系统 学院电气信息学院 专业电气工程及其自动化
同步发电机励磁系统及励磁调节器工作原理 一励磁系统的结构 励磁系统,一般来讲，就是与同步发电机励磁回路电压建立，调整以及必要时使其电压消失的有关元件和设备的总称。 同步发电机的自动励磁调节通常分为两部分： 第一部分是励磁功率单元，用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，已建立直流磁场。 第二部分是励磁调节器，用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流或自动灭磁等以满足运行的需要。 二自动励磁调节系统的作用： 1。电力系统正常运行时，维持发电机或系统某点电压水平。当发电机无功负荷变化时，一般情况下机端电压要发生相应的变化，此时自动励磁调节装置应能供给要求的励磁功率，满足不同负荷情况下励磁
电流的自动调节，维持机端或系统某点电压水平。 负荷波动—功率变化—电压变化 负荷增大—电压降低—励磁电流增大 同步发电机的励磁系统就是通过不断调节励磁电流来维持给定的电压。 2。合理分配发电机间的无功功率。发电机的无功负荷与励磁电流有着密切的关系，励磁电流的自动调节，要影响发电机间无功负荷的分配，所以对励磁系统的调节特征有一定的要求。
励磁电流的变化只是改变了机组的无功功率和功率角的大小。 与无限大母线并列运行的机组，调节励磁电流可以改变发电机无功功率的数值即控制无功分配。 3。提高电力系统稳定性 电力系统在运行中随时可能受到各种干扰，受到干扰后，电力系统稳定性的要求能够恢复到原来的状态或者过渡到一个新的运行状态。其主要标志是暂态过程结束后，同步发电机能维持或恢复同步运行。励磁调节系统对静态稳定和暂态稳定的影响 （1）对改善静态稳定的影响
发电机的励磁控制原理-精品资料
发电机的励磁系统 同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场，而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。 一、发电机获得励磁电流的方式： 1、直流发电机供电的励磁方式：这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW 以上的机组中很少采用。 2、交流励磁机供电的励磁方式，现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100——200HZ 的中频发电机，而交流副励磁机则采用400——500HZ的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠、结构简单、维护方便等优点。 3、无励磁机的励磁方式：在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少
同步发电机励磁控制实验..
实验报告 课程名称： 电力系统分析综合实验 指导老师： 成绩：__________________ 实验名称： 同步发电机励磁控制实验 实验类型：________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的 1.加深理解同步发电机励磁调节原理和励磁控制系统的基本任务； 2.了解自并励励磁方式和它励励磁方式的特点； 3.熟悉三相全控桥整流、逆变的工作波形；观察触发脉冲及其相位移动； 4.了解微机励磁调节器的基本控制方式； 5.掌握励磁调节器的基本使用方法； 6.了解电力系统稳定器的作用；观察强励现象及其对稳定的影响。 二、原理与说明 同步发电机的励磁系统由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成，它们和同步发电机结合在一起就构成一个闭环反馈控制系统，称为励磁控制系统。励磁控制系统的三大基本任务是：稳定电压，合理分配无功功率和提高电力系统稳定性。 图1 励磁控制系统示意图 实验用的励磁控制系统示意图如图l 所示。可供选择的励磁方式有两种：自并励和它励。当三相全控 专业： 电气工程及其自动化 姓名： 学号： 日期： 地点：教2-105
桥的交流励磁电源取自发电机机端时，构成自并励励磁系统。而当交流励磁电源取自380V市电时，构成它励励磁系统。两种励磁方式的可控整流桥均是由微机自动励磁调节器控制的，触发脉冲为双脉冲，具有最大最小α角限制。 微机励磁调节器的控制方式有四种：恒U F (保持机端电压稳定)、恒I L(保持励磁电流稳定)、恒Q(保持发电机输出无功功率稳定)和恒α(保持控制角稳定)。其中，恒α方式是一种开环控制方式，只限于它励方式下使用。 同步发电机并入电力系统之前，励磁调节装置能维持机端电压在给定水平。当操作励磁调节器的增减磁按钮，可以升高或降低发电机电压；当发电机并网运行时，操作励磁调节器的增减磁按钮，可以增加或减少发电机的无功输出，其机端电压按调差特性曲线变化。 发电机正常运行时，三相全控桥处于整流状态，控制角α小于90?；当正常停机或事故停机时，调节器使控制角α大于90?，实现逆变灭磁。 三、实验项目和方法 (一) 不同α角(控制角)对应的励磁电压波形观测 (1)合上操作电源开关，检查实验台上各开关状态：各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄； (2)励磁系统选择它励励磁方式：操作“励磁方式开关”切到“微机它励”方式，调节器 面板“它励”指示灯亮； (3)励磁调节器选择恒α运行方式：操作调节器面板上的“恒α”按钮选择为恒α方式，面 板上的“恒α”指示灯亮； (4)合上励磁开关，合上原动机开关； (5)在不启动机组的状态下，松开微机励磁调节器的灭磁按钮，操作增磁按钮或减磁按钮 即可逐渐减小或增加控制角α，从而改变三相全控桥的电压输出及其波形。 注意：微机自动励磁调节器上的增减磁按钮键只持续5秒内有效，过了5秒后如还需
发电机励磁原理
发电机励磁原理 励磁机的作用: 发电机原理为永磁极随转子旋转，产生交流电，交流电一部分作为AER的电源，一部分通过逆变器整流成直流为转子建立磁场。通过调节导通角可以改变发电机的端电压（空载时）进而实现并网，在并网时调节向电网的无功输出。 工作原理:众所周知，同步发电机要用直流电流励磁。在以往的他励式同步发电机中，其直流电流是有附设的直流励磁机供给。直流励磁机是一种带机械换向器的旋转电枢式交流发电机。其多相闭合电枢绕组切割定子磁场产生了多相交流电，由于机械换向器和电刷组成的整流系统的整流作用，在电刷上获得了直流电，再通过另一套电刷，滑块系统将获得的直流输送到同步发电机的转子，励磁绕组去励磁，因此直流励磁机的换向器原则上是一个整流器，显然可以用一组硅二极管取代，而功率半导体器件的发展提供了这个条件。将半导体元件与发电机的轴固结在一起转动，则可取消换向器、滑块等滑动接触部分、利用二极管换成直流电流。直流送给转子励磁、绕组励磁。这就是无刷系统。 下面我们以典型的几种不同发电机励磁系统，介绍它的工作原理。 一、相复励励磁原理 由线形电抗器DK把电枢绕组抽头电压移相约90°、和电流互感器LH提供的电压几何叠加，经过桥式整流器ZL整流，供给发电机励磁绕组。负载时由电流互感器LH供给所需的复励电流，进行电流补偿，由线形电抗器DK移相进行相位补偿。 二、三次谐波原理 对一般发电机来源，我们需要的是工频正弦波，称为基波，比基波高的正弦波都称为谐波、其中三次谐波的含量最大，在谐波发电机定子槽中，安放有主绕组和谐波励磁绕组（s1、s2），而这个绕组之间没有电的联系。谐波绕组将绕组中150HZ谐波感应出来，经过ZL桥式整流器整流，送到主发电机转子绕组LE 中进行励磁。 三、可控硅直接励磁原理 可控硅直接励磁是采用可控硅整流器直接将发电机输出的任一相一部分能量，经整流后送入励磁绕组去的励磁方式，它是由自动电压调节器（AVR），控制
发电机无刷励磁的结构特点、工作方式、工作原理
2．无刷励磁的结构特点、工作方式、工作原理。 2．1结构：由主磁机、永磁副励磁机、旋转整流盘、空气冷却器、硅整流器、A VR等组成。 主励：三相、200Hz、2760KV A、417V、2820A、cos∮0. 9、 8极 副励：三相、400Hz、90KV A、250V、208A、cos∮0.95、 16极 f=pn/60 旋转整流装置：全波不可控硅整流有熔断器及过电压保护， 直流输出：2450KW 500V 4900N 副励磁机为旋转磁极式，发出的电流送到主励磁机的定子作为主励磁机的励磁电流，由于主励磁机为旋转电枢 式，电枢发出的电流通过转轴中孔送到旋转整流盘，经整 流后送至转子线圈从而达到对发电机励磁。 2．2 发电机励磁电流的调节过程 △由副励磁机——可控硅——A VR调节器——作为主励磁机定子励磁电流——来调节主励旋转电枢的输出电流— —送至旋转整流盘——转子绕组 △静止的永励副励磁机的电枢送出400Hz的电源，通过励磁电压调节器中的三相全控桥式可控硅整流器形成可调的
直流电源到交流励磁机的磁场绕组。 通过控制全控桥整流器的导通角来调节交流励磁机的磁场电流，从而达到调节发电机励磁电流的目的。 当DA VR故障时，由厂用电经工频手动励磁调节装置整流 后提供。发电机励磁。 工作原理 发电机的励磁电流由交流励磁机经旋转整流盘整流后提供，交流励磁机的励磁电流则由永磁机经调节装置中的 可控硅全控桥整流后提供，励磁电流的大小由自励磁调节 装置进行自动或手动调节，以满足发电机运行工况的要求。 2.3 无刷励磁系统特点 2.3.1 励磁机与发电机同轴，电源独立，不受电力系统干扰 2.3.2 没有滑环和电刷，根除了碳粉污染，噪音低，维护简单2.3.3 具备高起始、响应持久、能有效地提高电力系统稳定性2.3.4 选扎整流盘设计合理、电流和电压余量大，运行可靠 2.3.5 采用双重数字A VR、功能齐全、故障追忆功能强 无刷励磁系统原理框图 整流盘及电路 整流盘采用双盘结构，一个正极盘，另一个负极盘。 整流盘与转轴间绝缘可靠、固定合理，能承受各种短路力矩的冲击而不产生位移。 电路接线是：励磁机电枢八个Y支路中心点通过短路