1.2.5在并列运行的发电机间合理分配无功功率 多台发电机在母线上并列运行时，他们输出的有功决定于输入的机械功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关，控制并联运行的发电机之间无功分配是励磁控制系统的一项重要功能。各并联发电机间承担的无功功率的大小取决于各发电机的调差特性，即发电机端电压和无功电流的关系。

当母线电压发生波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，与调差系数成反比。通常我们希望发电机间的无功电流应当按照机组容量的大小成比例的进行分配，即大容量机组担负的无功增量应大些，小容量机组担负的无功增量相应小写，这样就可使得各机组无功增量的标幺值相等。由于励磁调节器可对调差系数进行调节，所以就可以达到机组间无功负荷合理分配的目的。

1.3自动励磁调节器的组成及功能

1.3.1基本工作电路

基本工作电路是可控励磁装置向发电机提供励磁电流并完成自动调节任务必不可少的单元电路，它包括如下工作电路：电源变换与无功调差：将发电机输出电压变换成自动检测所需的电压信号，并复合无功电流的变化量，输出一个既可反映电压差变化又能反映无功电流变化量的信号源。自动检测比较：对电源变换与无功调差电路输出的信号进行检测，将发电机端电压的偏移和功率因数的变化量与给定值进行比较，输出一个直流电压偏差信号，经过放大后去控制可控硅的导通角。电压偏差和无功电流变量综合放大：由于自动检测比较电路的输出信号比较微弱，为了满足励磁系统静态与动态的自动调节精度，故必须加以放大。此外，由于除了自动检测的偏差信号之外，还有其他辅助控制信号（如过励限制、欠励限制等）的综合作用，共同作用于移相触发电路。移相触发电路：将综合并放大的控制信号转换为对应于各相可控硅的移相触发脉冲。励磁功率输出电路：一般由励磁电源和可控变流器件组成，可控变流器件由移相触发脉冲进行控制。改变移相触发脉冲的相位即可改变功率输出单元的输出电压，以实现调节励磁的目的。

1.3.2辅助工作电路

辅助工作电路是为了使发电机安全运行而设置的各种保护电路和便于运行操作的附加装置。主要有：

1.起励电路：启动发电机时，当发电机转子的剩磁无法建立电压时，

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要利用起励电路供给发电机初始励磁电流。 2.手动、自动控制方式切换电路：在发电机组进行试验，线路递升加压和继电保护试验时，必须由手动方式调节励磁。此外，手动调节励磁电路还可作为自动调节励磁电路故障时的备用。

3.欠励限制电路：为了防止励磁电流过分降低时，发电机定子电流和电压关系由滞后的功率因数角变为超前的功率因数角，导致发电机发生进相运行，使机组失去稳定或危及机组的安全运行，故设置欠励限制电路。

4.过励限制电路：当系统电压剧降时，自动励磁调节器将对发电机进行强励，为了保证发电机和可控整流桥的安全，故设置过励限制电路将转子励磁电流限制在安全范围内。

5.低压触发电路：在自并励型可控硅静止励磁系统中，当发电机端电压过度降低时，会导致励磁变压器副边电压过低，使励磁系统无法工作。这时装设低电压触发电路可使可控硅元件在瞬间完全导通，迅速提升励磁电流。

1.4同步发电机励磁控制方式研究现状

同步发电机励磁调节对提高电力系统稳定性起着重要的作用，随着快速励磁系统的广泛应用，励磁控制对电力系统稳定性的影响效果越来越明显，科技工作者对发电机励磁控制系统进行了长期而广泛的研究，取得了许多显著的成果。研究主要集中在两个方面:一是励磁方式的改进，二是励磁控制方式的改进。这两方面是相互联系的。随着控制理论的不断发展，励磁控制方式主要经历了三个发展阶段，即单变量控制阶段、线性多变量控制阶段和非线性多变量控制阶段。

1.4.1基于单变量控制方式

单变量控制阶段的控制规律是按发电机端电压偏差?Vt的比例进行调节或?Vt的比例一积分一微分进行调节(PID调节方式)。运用古典控制理论建立按?Vt的比例进行的励磁调节是由于无法对控制对象进行精确的数学模型描述而采取的一种简单实用的控制方法，但对增益K的调整却出现了矛盾。要使闭环系统成为稳定系统，必须将增益K的值限制在一定范围，而要提高系统的稳态精度就得使增益K大于某一值，有时这二者是无法满足的。随之，就诞生了PID调节方式，它在一定程度上缓和了对单反馈量的励磁调节系统，按系统稳定性与按稳态调压精度对调节器放大倍数要求之间的矛盾，它就相当于一台可自动改变增益的比例式调节器。

1.4.2基于现代控制理论的多变量控制方式

为了进一步改善与提高电力系统的动态品质与小干扰稳定性，多变量

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反馈的励磁控制方式便逐步发展起来。具有代表性的方法就是增加了PSS环节的PID励磁控制和LOEC线性最优励磁控制。所谓PSS的控制方式，实际上是采用双状态变量的反馈控制方式，就是在励磁调节器中除了用状态量?Vt作为反馈量外再引入一附加镇定参量。为了得到尽可能好的控制效果，所引的镇定参量不是直接进行反馈于另一反馈量?Vt相加，而是经过一定的校正环节后再与反馈量?Vt相加，目前所采用的附加镇定参量种类有转速?w，发电机端电压的频率?f，发电机电磁功率?pe。PSS环节的存在，在其参数设计和选取得比较合适的条件下，可使原有的PID控制系统主导特征值左移，起到改善电力系统阻尼特性和小干扰稳定性的作用。

为了进一步改善电力系统小干扰稳定性及动态品质，科学工作者提出了线性最优励磁控制方式，简称LOEC。该控制方式由于考虑了电力系统多个控制目标的综合，并采用最优化设计，因而具有更好的动态性能，在鲁棒性和适应性上也有很大的改善。弥补了PSS控制方式的不足之处。最优控制理论的主要特点是:不是建立在传递函数的基础上，而是建立在空间状态方程的基础上，是基于系统稳定性的方法;适用于多控制量的系统;可以根据被控对象的实际要求，用解析的方法得出最优控制规律，以保证要求的性能指标达到极值;不局限于常系数线性系统，而亦适用于时变的线性系统、非线性系统及离散系统等。描述发电机系统的运动方程是一系列非线性方程，线性最优控制将这些非线性方程在时域内逐点线性化，计算出最优控制规律。控制效果与PSS相比，可提高发电机的静稳20%，提高暂稳30%。其局限性之一是线性化的结果与实际的非线性方程有一定的偏离；其二是当电力系统的接线方式发生变化，其描述系统的状态方程将和实际的系统出现偏差而导致控制性能出现微小的下降。但这种控制规律比起PID+PSS仍然具有明显的优势。它是基于电力系统状态变量的线性组合，这种控制方式具有以下优点:第一，可直接根据解析结果整定控制器的最优参数。第二，系统在偏离设计的最优运行状态下的动态响应与设计的最优运行状态下的动态响应之间相差甚微。第三，最优励磁控制规律是全部状态量的最优线性组合。这种组合能够保证系统在过渡过程中各状态量对其稳态值的平方误差的积分最小，故其控制效果不受振荡频率的影响。第四，可使系统获得高的微动态稳定极限。

但是，LOEC励磁控制方式也存在一些不足，首先由于设计是基于平衡点处的近似线性化模型，因而当系统远离所设计的平衡点时或在系统受大干扰引起的暂态过程中，不能够保证具有很好的控制特性，即对系统的运行点变化的鲁棒性得不到保证。

其次所设计的控制器和网络结构相关，对系统网络结构变化的适应能力也无法得到保证。再次在多机系统线性最优分散协调励磁控制中，由于只能获取有限的状态变量，因此只能获得相对次最优的控制效果。最后，

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与AVR/PSS式励磁控制器相比，往往缺少足够高的电压反馈增益。 1.4.3非线性多变量励磁控制方式

由于电力系统是一个强非线性和结构多变的系统，大多数实际工程控制系统也都是非线性系统，非线性系统的问题最后要用非线性的控制理论来解决。随着非线性控制理论的发展，如微分几何法、直接反馈线性化法，李雅普诺夫函数法，变结构控制、逆系统法等等，各种非线性励磁控制方式也迅速发展起来。

a)李雅普诺夫方法

李雅普诺夫(LyaPunov)稳定性定理是关于运动稳定性问题的一般理论和方法，提出一个多世纪以来，大量学者围绕其应用作了系统的研究。该方法以李雅普诺夫第二稳定性理论为基础，通过构造能反映机组运行规律的李雅普诺夫函数并以其为最小目标进行设计。它的特点是直接考虑系统的非线性特性从而进行控制。将李雅普诺夫函数法运用到单机无穷大系统励磁控制器的设计，并取得了较为满意的结果。另外，该方法具有原理简单易于掌握等优点，但缺点是LyaPunov函数不容易找到。且在多机系统的设计中难以实现分散控制。文献将李雅普诺夫第二稳定性理论应用到电力系统控制中，通过构造反映机组运行规律的李雅普诺夫函数并以其为最小目标进行设计。这些方法直接考虑系统的非线性特性，原理简单，易于掌握。其中推导了以同步发电机机端电压、功角(转子运行角)和转速等作为变量的非线性状态方程，构造出一个能反映机组运行规律的LyaPunov函数，并根据LyaPunov渐进稳定原理设计发电机组的励磁控制规律。用大范围线性化方法将非线性系统转化为线性系统，然后利用线性系统的Lyapunov方法进行设计。但是使用这种方法有一个较大的局限就是李雅普诺夫函数不容易得到，尤其是对于复杂系统，当系统数学模型超过三阶时，寻找李雅普诺夫函数非常困难。

b)基于微分几何数学方法

基于微分几何方法属于反馈线性化方法的一种，它通过合理的坐标变换找到非线性反馈规律，引入虚拟控制量将非线性系统映射为一个线性系统，使非线性系统在一定范围内实现精确线性化，线性控制理论所有的方法都可以直接加以利用，从而把非线性系统的分析与设计转化为线性系统的分析与设计问题。

近年来，许多学者将微分几何方法引入到发电机非线性励磁控制规律的设计中，取得了较为满意的控制效果。该方法的缺点是数学过程复杂、不直观，不易为工程技术人员所掌握。

直接反馈线性化方法是另一种使非线性系统实现线性化的方法，与微分几何法相比，这种方法数学过程非常简单，不需要进行复杂的坐标变换和数学推导，直接便可得到线性化的结果。通过变化系统的状态方程，使

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