自并励静止整流励磁系统的励磁调节器是从半导体分立元件向集成化固体组件、从模拟式向数字式方向发展的。国产装置可以划分为半导体模拟式励磁调节器、微机(含可编程控制器)数字式励磁调节器和混合式微机(含可编程控制器)模拟式励磁调节器等三大类。国产半导体励磁调节器于70年代初就有出口的记录。微机励磁调节器研制工作始于70年代末。
仪器介绍
自并励静止整流励磁系统的励磁调节器是从半导体分立元件向集成化固体组件、从 模拟式向数字式方向发展的。国产装置可以划分为半导体模拟式励磁调节器、微机(含 可编程控制器)数字式励磁调节器和混合式微机(含可编程控制器)模拟式励磁调节器 等三大类。国产半导体励磁调节器于70年代初就有出口的记录。微机励磁调节器研制 工作始于70年代末，1985年南瑞电气公司生产的WLT-1型励磁调节器首次在
池潭水电站50MW机组上投入运行。
组成及其框图
励磁调节器可以分为半导体模拟式励磁调节器、微机(含 可编程控制器)数字式励磁调节器和混合式微机(含可编程控制器)模拟式励磁调节器等三大类。各类的框图如图1。
半导体励磁调节器由基本单元和辅助单元两大部分组成，其方框图见图2。
微机(含可编程控制器)数字式励磁调节器由硬件和软件两大部分组成。
(1)硬件包括主机和外围设备(接口电路，模拟量、数字量和开关量的输入输出通 道和电源等)。如果是双微机、双通道，则还包括双机检测切换及其通信连线。
(2)软件包括系统软件和应用软件两部分。系统软件主要实现对程序的编写、调 试、修改和运行监控等功能。它包括操作系统、编译程序、调试程序和监控程序等。编 程，过去采用汇编，现在多用C语言; 可编程控制器励磁调节器则采用梯形图编程。 系统软件由微机生产厂配套提供。应用软件可分为主程序和调节控制程序。
混合式励磁调节器包括微机—模拟型和可编程控制器—模拟型两种，价格比较便宜，适用于老厂技术改造。
各单元功能
(1)测量比较单元。测量发电机电压信号，将其按比例变换成直流电压信号，与给 定直流电压进行比较，送出发电机电压偏差信号。为使并列运行的各机组合理稳定地分 担无功功率，应设置调差单元。
(2)综合放大单元。由综合放大环节、比例积分环节和适应器环节组成。综合放大 环节将各种基本测量输出的、反馈和辅助限制生成的、以及稳定和补偿反应的各种直流 信号加以综合放大，输出给比例积分环节。比例积分环节按预定的调节规律进行加工后 输出。适应器环节将信号电压经放大加工成为移相控制信号电压以控制励磁电压。
(3)移相触发单元。接受综合放大单元的输出信号电压的大小，改变晶闸管触发控 制角的大小，以控制励磁电压。
(4)稳压电源。把输入的交、直流电源变换成励磁调节器所需的、电压稳定的电 源。对输入的交、直流电源要能适时自动切换。
(5)其他各种辅助功能单元：
1)最大励磁电流限制器。将晶闸管整流桥输出的总电流值限制在给定的励磁顶值 电流以下。
2)励磁过电流限制器。在强励或励磁过电流达到允许时间时，将励磁电流减小到 长期允许最大值。
3)欠励磁限制器。根据发电机和
电力系统稳定计算的需要，将晶闸管整流桥输出 最小电流限制在有功功率对应的给定值上。
4) 电压/频率限制器。主要用于发电机与电网断开
空载运行期间，防止因调速器故 障而使机组低于工频运行，出现误强励，产生过励磁故障。
(6)手动单元。早期手动调节励磁，采用开环方式，后来采用以励磁电流为信号源 的闭环调节方式。
(7)跟踪单元。在调节器以“自动方式”按发电机端电压为信号闭环调节的每一时 刻，跟踪单元将手动单元的励磁电流信号“自动紧紧跟踪对应前述电压信号”，以保证 在“自动”切换到 “手动”方式时，不出现励磁的大幅度波动。当调节器 “自动”调节 方式有一主一备双通道时，则需要保证备用通道自动跟踪主通道的信号。
(8)失衡(脉冲消失)保护。监测主通道，在主通道脉冲消失或失常时，自动切换 到备用通道。
(9)
电压互感器断线保护。当励磁测量信号所用的电压互感器电压因故障消失时， 将励磁调节器从“自动”切到“手动”运行。
(1)模拟量输入输出通道。输入采样的量为发电机端电压、定子电流、有功功率、 无功功率、转子电流和系统电压等电量。采样可以是交流也可以是直流。交流采样每周12点即可。
(2)开关量输入输出通道。为了安全和防止干扰，开关量输入输出通道均需经过光 电隔离。它主要用于现场操作、参数给定、机组状态、保护等信号的输入，以及调节器 对现场其他励磁设备的操作指令和调节器各种故障信号的输出。
(3)数字式移相触发器。其功能和结构与模拟式移相触发器类似，由同步整形、移 相计算、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。
微机数字式励磁调节器的特点就是将模拟励磁调节器的各项由硬件实现的功能，如信号比较、限制、综合等功能用软件代替。
调节规律
我国发电机组励磁系统调节规律的发展简况如下。
比例调节P、比例积分调节PI和比例积分微分调节PID三种调节的变量只有发电 机的机端电压Ut，或者是Ut与给定电压值之差ΔUt，故称为单变量调节。其传递函数分别为：
(1) 比例调节P为U(s)=KpΔ Ut(s)
(2) 比例积分微分调节PID为
式中 U——调节器输出电压值，V；
UREF——给定电压值，V；
Ut——与发电机机端电压相对应的三相电压有效值的平均值，V；
s——Laplace算子。
实践证明，PID调节的应用，明显地提高了
同步发电机在系统振荡时的阻尼作用和励磁调节器的性能品质，但仍然不能满足远距离、重负荷输电的要求。有资料说明，这种调节方式可将系统极限角δm从无调节时的90°提高到100°左右；但若采用高增益调节器，也可能提高到105°或110°。
(1)强力式励磁调节器。早在50年代中期，前苏联提出了强力式励磁调节器，除 了采用发电机端电压偏差ΔUt外，还采用发电机频率偏差Δf及其一次微分和发电机定 子电流及其一次微分等辅助反馈变量。在设计上采用“双变量D域划分法”。这种调节 器具有在保证调节精度下稳定励磁、提高发电机动态与暂态运行稳定性、抑制系统事故 后的振荡等功能，在前苏联得到推广应用。但由于设计方法不方便，共同稳定域很小， 参数整定困难等原因，在国际上和我国均未普遍应用。
(2)
电力系统稳定器PSS。它是在
PID调节器的基础上，附加发电机的转速偏差 Δω、功率偏差ΔPe、频率偏差Δf中的一种或两种信号的二阶超前校正环节作为附加控 制。其作用是，增加对电力系统机电振荡的阻尼，以增强电力系统的动态稳定性。有资 料说明，采用PSS可将系统极 限运行角提高到110°～120°。 以Δf(Δω) 为附加信号的 PSS控制器传递函数结构图如图3所示。
我国引进设备所采用的 PSS的传递函数结构图见图4。采用了WASH—OUT 滤波器，保证在任何情况下，直流分量附加到调节器控制回路中。两个放大因子KSS1和KSS2“加权”用计算机程序 计算。设定值取决于机组参数、机组运行点及网络阻抗，从而决定其相位超前和滞后以 及稳定信号的幅度，以求所有运行点都达到好的阻尼效应。
(3)线性最优励磁控制LOEC。为了进一步改善电力系统小干扰稳定及动态品质， 70年代初，国际上一些学者提出了线性最优控制方式LOEC。80年代
清华大学对此进 行了研究，研制成功工业样机，经由天津电气传动研究所、武汉洪山电工研究所制造生产的产品，已在碧口、刘家峡、白山、红石等水电站的机组上投入运行。有资料说明， 结合实际计算，这种励磁调节方式，可将系统动态稳定极限角δm提高到127°。但是， 它是基于系统全状态量的最优线性反馈的，要求状态量能实际测量，从而给实际应用带来了困难。而且将其应用于多机电力系统励磁控制设计时，不能得到分散的最优控制规 律，只能得到次优的控制方案，这不能不是一种缺陷，在非线性系统中，一旦偏离了设计工况，最优控制就不存在了。
(4)零动态多变量励磁控制ZDEOC。ZDEOC的设计原则是仅仅保证输出状态量的 动态品质在任何时刻都是最优的，即系统输出状态量的动态偏差Y (t)在任何时候都 趋于零，即，当t≥0时，Y (t) =0。而对其发电机的其他状态，即内部状态，无须 苛求，只求稳定即可。这种调节规律系由清华大学提出，在电力自动化研究院电气控制 技术所生产SJ800微机励磁调节器上配置，已在动模上作了单机无穷大系统试验，证明 能有效改善远距离输电系统稳定性，现已在岩滩水电站300MW机组上投入运行。
NEC在设计中，对于小干扰和大干扰，都采用电力系统精确的
非线性模型。应用微 分几何方法对电力模型(可表示为一个标准的仿射非线性系统)进行精确线性化，寻找适 当的坐标变换及非线性状态反馈，使系统转化为一个完全可控的线性系统，由此求出线性 最优控制，从而求得非线性控制。经变量代换，最终得出非线性最优控制规律NOEC。
清华大学用这种NEC的理论和方法设计并研究成功GEC-1型微机非线性励磁控 制器，它一举解决了电力系统小干扰与大干扰控制的统一性、控制对电网参数的鲁棒 性、分散最优控制等三个关键问题，有利于提高输电系统的安全稳定水平。
GEC-1型微机非线性励磁控制器，从1994年11月起已经在丰满水电站一台容量为 85MW的
水轮发电机组和10台容量为100～200MW的
汽轮发电机上成功地运行。西北电网的稳定仿真计算表明，依靠这种控制器不仅抑制了西电东送所出现的弱阻尼振荡，而且还 提高了东电西送动态稳定极限。对三峡工程机组励磁方式的研究表明，采用NEC方式，在 各种运行方式下，都能提供很强的人工阻尼，在提高系统暂态和静态稳定方面，均优于目前 的所有PSS和LOEC。以单机对无穷大系统的为例，静态稳定极限比采用PID方式提高 35.7%，比采用PSS方式提高7.1%，比采用LOEC方式提高15.7%;暂态稳定极限比采用 PID方式提高38%，比采用PSS方式提高4.7%，比采用LOEC方式提高14.2%。