第13期 王剑等： 发电机励磁及调速综合控制可行性分析 75 关研究人员参考。 滞后，导致控制系统性能降低。实际上，由于轴系 1算法层面的综合控制中存在的问题 机械结构的复杂性、轴系通过发电机与电网形成弹 性联接，以及机组运行方式及负荷的变化，造成实 1.1励磁、调速控制系统的带宽比较 际的一阶扭振频率并不严格固定，尽管有一些关于 图1所示为汽轮发电机组并网后的高压调节汽 扭振问题的研究，目前还没有满意的扭振解决办法。 阀转速控制（实际是功频调节）系统，，、、@分 图2为水轮机调速系统，系统带宽主要受水流 别为给定频率、机组轴速度及电网频率。在图中给 惯性时间常数T限制，在图中给定参数下，系统的 定参数下，相位裕度-86°，闭环带宽f=0.4Hz。考 闭环带宽为0.0665Hz,相位裕度为30°。水轮机调 虑到此相位裕度较大，若用虚线框2替代虚线框1， 则轴速@经PD构成速度环路，只需简单地取 速器一般取发电机端电压角频率而非发电机组轴 速作为转速反馈，并网后动态过程中此信号与机组 PD>1/6,就可以提高系统闭环带宽及保证足够的相 位裕度，同时可以维持系统静态特性不变，如当取 轴速差别较大而更接近网频，因为发电机同步电抗 PD=100时，=62°，f=3.86Hz。显然，这个带宽 一般明显大于线路电抗，所以此调速系统对机组轴 将使得调速侧电力系统稳定器(GPSS)有能力阻尼 速的有效控制只体现在并网之前。由于并网后反馈 电力系统可能发生的整个低频范围(0.2~2Hz)的有 信号不再完全等于轴速，故此时水轮机调速器调速 功振荡，而且GPSS还具有多机解耦特性，这将会从 作用较小，主要起功频调节作用，轴速与网频的偏 根本上提高电力系统的稳定性。另外，如此高的调 差主要由功角的变化来自动消除。事实上，一旦并 速系统带宽过于接近轴系扭振频率，使EEE推荐的 网，由于网频几乎不随单台机组出力变化，故往住往 励磁侧加速度功率积分型P$$中的斜坡跟踪滤波器 还会有意减小暂态转差系数b,来提高系统带宽。 不能有效地滤除轴系扭振信号。但实际情况并非如 水锤效应直接限制了导叶的移动速度以及所表 此，因为调速系统带宽还受下面3个因素限制： 现出来的非最小相位特性而将系统带宽限制在很低 (1)机械功率测量因难，用电功率表示汽轮 的频带上，目前还没有解决这个问题的有效方法。 机功率只有在静态时才可认为是准确的，因此不能 图3所示为励磁控制系统，在图中给定参数下， 得到汽轮机功率的高频分量，使得功率环路的闭环 静止励磁系统的带宽为6.55Hz,励磁机励磁系统带 带宽受到很大的限制。假定图1所示功率反馈通道 宽为1.71Hz。与调速器不同，附加合适PSS(如电功 率或加速度功率积分型PSS)的励磁系统带宽不受 存在一惯性环节1/(2s+1),当PD=25,PID=2.5+ 轴系扭振频率的限制。 0.1/s+s/(0.005+1),其他参数不变时，速度环p-47°， 比较图13可见：励磁控制系统具有比调速系 f1.49Hz,可见速度环带宽下降很多，且相位裕度 统宽得多的频带，而自并励静止励磁控制系统的带 明显减小。 宽比调速系统要高一个数量级以上。水轮发电机组 (2)调速系统带宽越宽越易引起机械疲劳和磨 损，过于频繁、快速的机械动作不利于设备安全12。 几乎都采用自并励静止励磁系统，汽轮发电机组越 (3)调速系统带宽一般应低于机组轴系一阶 来越广泛地采用自并励静止励磁系统。 扭振频率（通常在20Hz甚至10Hz以下13的1/5~ 存在一系列机械动作的调速控制系统与完全 1/10(取决于阻尼大小)，否则稳定裕度不易满足要 不存在机械动作的励磁控制系统带宽相差较大是 求。随着汽轮机单机容量的不断增大，轴系固有扭 很自然的事，若要求二者相同或相近，则既不合理 振频率也越来越低。采用滤波器将会引入大的相位 也难以做到。 负荷参考 l@- 精差 电液转换器 油动机 蔡汽容积 PD 当P1D=15+0.25/s+s0.005s+1),=0.04,T=0.02s,Tc=0.2s,TH=0.3s,T=10s时，相位裕度m-86°，速度环路-3db闭环带宽f-0.4Hz. 图1汽轮机调速系统 Fig.I Turbine governing system 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第 ! 期 王 剑等 ; 发 电机励 磁及调速综合控制可行性分析 关研究人员参考 。 , 算法层面 的综合控制 中存在 的问题 2 , 励磁 、 调 速控制系统的带宽比较 图 所示为汽轮发电机组 并网后 的高压调节汽 阀转速控制6实际是 功频调节>系统 , 琳 、 低 、 码分 别为给定频率 、 机组轴速度及 电网频率 。 在 图中给 定参数下 , 相位裕度介= 8 , 闭环带宽几δ8 2 ? χ Μ 。 考 虑到此相位裕度较大 , 若用虚线框
替代虚线框 , 则轴 速 低 经 尸⊥ 构 成 速 度 环 路 , 只 需简 单 地 取 尸⊥ ε Ζ 疾 就可 以提高系统闭环带宽及保证足够的相 位裕度 , 同时 可 以维持系统静态特性 不变 , 如当取 Τ⊥ δ ) 时 , 介
8 , 儿δ !2 = χ Μ 。 显然 , 这个带宽 将使得调 速侧 电力系统稳定器6ΗΤ . .> 有 能力 阻尼 电力系统可 能发生 的整个低频范 围68 2
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χ Μ> 的有 功振荡 , 而且Η Τ..还具有多机解祸特性 , 这将会从 根本上提高电力系统的稳定性 。 另外 , 如此高的调 速系统带宽过于接近轴系扭振频率 , 使正/ / 推荐的 励磁侧加速度功率积分型Τ. . 中的斜坡跟踪滤波器 不 能有效地滤除轴系扭振信号 。 但实际情况并非如 此 , 因为调速系统带宽还受下面 ! 个 因素限制 ; 6 > 机械功率测量 困难 , 用 电功率表示 汽轮 机功率只有在静态时才可认 为是准确 的 , 因此不 能 得到汽轮机功率的高频分量 , 使得功率环路的闭环 带宽受到很大的限制 。 假定图 所示功 率反馈通道 存在 一 惯性环 节 16
(γ 1> , 当 尸刀δ
< , 尸石β δ
2 < γ 8 2 Ζ( γ (Ζ 68 2 8 <γ1 > , 其他参数不变时 , 速度环 介? ∀ “ , 介 2 ?β χΜ , 可见速度环带宽下 降很 多 , 且 相位裕度 明显 减小 。 6
> 调速系统带宽越宽越易 引起机械疲劳和 磨 损 , 过于频 繁 、 快速的机械动作不利 于设备安全⎯1
_ 。 6! > 调速系统 带宽一 般应低于机组轴系一 阶 扭振频率6通常在 Ν)χ Μ 甚至 一) χ Μ 以下 ⎯ ‘’_>的
< η 8 6取决于 阻尼 大小> , 否 则稳定裕度不 易满足要 求 。 随着汽轮机单机容量的不断增大 , 轴系固有扭 振频率也越来越低 。 采用滤波器将会引入大的相位 滞后 , 导致控制系统性能降低 。 实际上 , 由于轴系 机械结构的复杂性 、 轴系通过发 电机与 电网形成弹 性联接 , 以及机组运行方式及负荷的变化 , 造成 实 际 的一阶扭振频 率并不 严格固定 , 尽管有一些关于 扭振问题的研究 , 目前还没有满意的扭振解决办法 。 图
为水轮机调 速系统 , 系统带宽主要 受水流 惯性时 间常数≅Κ 限制 , 在图中给定参数下 , 系统的 闭环带宽为 82 8 < χ Μ , 相位裕度为 ! 8 。 水轮机调 速器一 般取发 电机端 电压 角频率而 非发 电机组轴 速作为转速反馈 , 并 网后动态过程 中此信号与机组 轴速差别 较大而 更接近网频 , 因为发电机同步电抗 一般 明显 大于线路电抗 , 所 以此调速系统对机组 轴 速的有效控制只体现在并网之前 。 由于并网后反馈 信号不 再完全等于轴速 , 故此时水轮机调速器调速 作用 较小 , 主要起功频 调节作用 , 轴速与网频的偏 差主要 由功角的变化来 自动消除 。 事实上 , 一 旦并 网 , 由于 网频几乎不 随单台机组 出力变化 , 故往往 还 会有意减小暂态转差系数饥来提高系统带宽 。 水锤效应直接限制 了导叶的移动速度以及 所表 现出来的非最小相位特性而将系统带宽限制在很低 的频带上 , 目前还没有解决这个问题的有效方法 。 图 ! 所示为励磁控制系统 , 在图中给定参数下 , 静止励磁系统 的带宽为 2 < χ Μ , 励磁机励磁系统带 宽为 2 ∀1 χ Μ 。 与调速器不 同 , 附加合适Τ. .6 如 电功 率或加速度功 率积分型Τ. .> 的励磁系统 带宽不受 轴系扭振频率的限制 。 比较图 φ! 可 见 ; 励磁控制系统具有比调 速系 统宽得多的频带 , 而 自并励静止励 磁控制系统 的带 宽比调速系统要 高一个数量级 以上 。 水 轮发 电机组 几乎都采用 自并励静止励磁系统 , 汽轮发电机组越 来越广泛地采用 自并励静止励磁系统 。 存在一 系列机械动 作的调 速控制系统 与完全 不 存在机械动作 的励磁 控制 系统带宽相差较 大是 很 自然的事 , 若要 求二者相同或相近 , 则 既不合理 也难 以做到 。 负 荷 参 考 几 ι 玄 频 差 放 大 ϕ几 ’ γ1 ϕ 电 液 转 换 器 几 4 十 油 动 机 ϕ几 ( γ 蒸 汽 容积 稗 负荷 扰 洲 动 宣 转 动 惯 量 δ一占 团 当尸了。 δ < γ 8
<Ζ (γ ( Ζ 68 2 8 < <γ 1> , 拼8 2 8? , 兀拼 。 , 8
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