励磁ESS和PSS稳定器

1、1第五节第五节 励磁系统稳定器励磁系统稳定器一、二阶控制系统动态性能评价一、二阶控制系统动态性能评价过调量（超调量）、上升时间、稳定时间过调量（超调量）、上升时间、稳定时间222)()(nnssKsRsC1临界阻尼临界阻尼1欠阻尼欠阻尼1过阻尼过阻尼2二、励磁控制系统传递函数二、励磁控制系统传递函数励磁系统励磁系统与与励磁控制系统励磁控制系统励磁机饱和曲线励磁机饱和曲线励磁励磁调节器调节器3励磁励磁调节器调节器励磁机励磁机综合放大及移相综合放大及移相发电机发电机测量比较测量比较测量比较：测量比较：测量变压器、整流滤波、测量变压器、整流滤波、测量比较。主要是测量比较。主要是整流滤波环节整流滤波环

2、节综合放大及移相：综合放大及移相：运放，时延很小，运放，时延很小，时间常数可忽略时间常数可忽略励磁机：励磁机：主要是考虑主要是考虑饱和饱和发电机：发电机：考虑空载，近似采用考虑空载，近似采用线性模型线性模型4典型参数：典型参数：1104. 069. 038. 80GEREdoAKKsTsTsTsT开环传函：开环传函：2545. 112. 02545. 112. 032. 4)()(sssKsssKKKsHsGRGA开环极点：开环极点：2545. 112. 0sss52545. 112. 0sss很明显：很明显： 励磁机的时间常数对应的极点太靠近励磁机的时间常数对应的极点太靠近原点，原点，动态性

3、能不理想动态性能不理想 闭环增益增大后，根轨迹转入右半平闭环增益增大后，根轨迹转入右半平面，面，系统不稳定系统不稳定。但较小的闭环增益，。但较小的闭环增益，不能很好保证闭环调节精度不能很好保证闭环调节精度闭环性能需要改善：闭环性能需要改善： 引入转子电压微分负反馈，改变开环零极点分布引入转子电压微分负反馈，改变开环零极点分布励磁系统稳定器（励磁系统稳定器（Excitation System Stabilizer, ESS）闭环根轨迹始于开环极点，止于开环零点闭环根轨迹始于开环极点，止于开环零点62545. 112. 0sss原系统：原系统：引入反馈后系统：引入反馈后系统：系统将有系统将有4个极

4、点，个极点，3个零点，选取：个零点，选取：无零点无零点25112. 0FT三、励磁系统稳定器三、励磁系统稳定器7励磁系统稳定器（励磁系统稳定器（ESS）通过引入三个零点将闭环根轨迹通过引入三个零点将闭环根轨迹引到左半平面，大大提高了稳定性以及闭环调节精度引到左半平面，大大提高了稳定性以及闭环调节精度目前带有励磁机的励磁调节器都安装有目前带有励磁机的励磁调节器都安装有ESSsTsKFF18第六节第六节 电力系统系统稳定器电力系统系统稳定器jjjjjj阻尼较弱阻尼较弱负阻尼负阻尼9电力系统的阻尼较弱或为负：电力系统的阻尼较弱或为负：u 在某种情况下高放大倍数、高起始响应的励磁调节器在某种情况下高放

5、大倍数、高起始响应的励磁调节器（快速励磁）（快速励磁）u 长距离输电线路长距离输电线路u 重载线路重载线路u 弱联电力系统弱联电力系统为了增强电力系统阻尼，引入电力系统稳定器为了增强电力系统阻尼，引入电力系统稳定器Power System Stabilizer (PSS)当电力系统的阻尼较弱或为负时，就会产生当电力系统的阻尼较弱或为负时，就会产生低频振荡低频振荡 0.22Hz，超低频振荡超低频振荡0.1Hz左右及以下，左右及以下，次同步振荡次同步振荡1040Hz10一、同步发电机模型一、同步发电机模型qEGU1LUU2LUdx1TxLxLx2Tx2211TLTeXXXX111、基本方程、基本方

6、程sincosUUUUdqqqeqGdddqedGqXIXIUUXIEXIUUsincosedqdeqqXXUEIXXUI00sincosqqGdddqGqIXUIXEU122、转子运动方程、转子运动方程eePM 近似：近似：qGqdGdeeIUIUPMqdGqGdGejIIjUUIUS21qeEKKM21qeeEMKMKsTMMJems0DMMdtdTemJ133、励磁绕组方程、励磁绕组方程合成磁链合成磁链fdfdFmdqxxE0产生磁链产生磁链fdIfdmdqIxE 定子侧等值电势定子侧等值电势fdUfdfdmddeUrxE2ddFmdxxxxdtdTIrUfddofdfdfddtdETE

7、EqdoqdedddqqIxxEEdddqdodeIxxEsTE14331KEsTKKEdedoq043sinUxxxxKxxxxKedddeded144、机端电压方程、机端电压方程222GqGdGUUUGqqGqGdGGdGUUUUUUU000065qGEKKU5、综合、综合21qeEKKM4331KEsTKKEdedoq65qGEKKUsTMMJems01521qeEKKM4331KEsTKKEdedoq65qGEKKUsTMMJems0421KKKP6KP5KP003 constKdeEREFUPSSD16u 假定假定qE恒定恒定0qEdeEREFU1020)()(KsTsMsJmJTK

8、js100D0D1020)()(KDssTsMsJmJJTKTDDs24102分析：系统稳定分析：系统稳定（1）K10，否则含有正实根，否则含有正实根（2）D0，否则含有一对实部，否则含有一对实部为正的共轭复根为正的共轭复根合成磁链不变合成磁链不变二、励磁对静态稳定影响二、励磁对静态稳定影响0102JJTKsTDs0222nnssJnnTK1nJTD2无阻尼自然无阻尼自然振荡频率振荡频率阻尼比阻尼比D17系统稳定，要求：系统稳定，要求：同步转矩同步转矩0阻尼转矩阻尼转矩0)()(0101dDdsdMjMjDKsDK同步转矩同步转矩增量增量阻尼转矩阻尼转矩增量增量同步转矩系数同步转矩系数阻尼转矩

9、系数阻尼转矩系数)(dsM)(dDMDMeDMMdtdTemJDKDEKKDMqe12118u 假定假定deE恒定恒定0deE无励磁控制无励磁控制deED043231020311)()(KKKsTKKsTsTKsMsdoJdom014321303233KKKKTKTsTTKsTKsdoJJdodo稳定运行条件稳定运行条件：（：（Routh判据）判据）a30；a1a2004321KKKK0432KKK两个条件矛盾两个条件矛盾0deE19sTKKKKKEKKMdoqe3432121122 23423222 23432134321111ddododddoddoTKTKKKjTKKKKKjTKKKKK

10、无励磁控制等效同步转矩系数：无励磁控制等效同步转矩系数：无励磁控制等效阻尼转矩系数：无励磁控制等效阻尼转矩系数：qE恒定与无励磁控制相比恒定与无励磁控制相比励磁控制使静稳定极限提高了，励磁控制使静稳定极限提高了，但引入了一定的负阻尼但引入了一定的负阻尼22 2343211ddoTKKKKK22 23042321/ddododTKTKKKD20u 比例式励磁调节比例式励磁调节为简单起见，简化励磁系统：为简单起见，简化励磁系统：设其传函：设其传函：)(1)()()(sUsTKsUsGsEGeeGede快速励磁：快速励磁：Te0)()(sUKsEGedeeeJemKKKGKKKGKsTKKGsMs5

11、40326301263011)()(sTKKGdo3331闭环特征方程：闭环特征方程：015242316100123363eedoJJdoeKKKKKKKKKKTTsTKsTKKKKs考虑考虑Ke很大：很大：05261001263KKKKTTKsTKsTKKsdoJeJdoeRouth判据：判据：00525261KKKKKK也是矛盾的也是矛盾的21sDsTKKKKKKKKKKDEKKsMdoeeqe036345321211)(令：令：djs2266521/1/dedoSKKTKKKKM060226652/1/dedodedoDKKTKKTKKKDM同步转矩增量同步转矩增量阻尼转矩增量阻尼转矩增

12、量轻负荷情况下，轻负荷情况下，K50重负荷情况下，重负荷情况下，K50同步转矩增量同步转矩增量 阻尼转矩增量阻尼转矩增量同步转矩增量同步转矩增量 阻尼转矩增量阻尼转矩增量简单式励磁控制：简单式励磁控制： 增加同步发电机同步转矩系数增加同步发电机同步转矩系数 但同时引进了负阻尼但同时引进了负阻尼22三、电力系统稳定器（三、电力系统稳定器（PSS）引进人为信号引进人为信号 增强阻尼增强阻尼u PSS的原理的原理转子运动方程：转子运动方程：DMMdtdTemJ为了增强阻尼，为了增强阻尼，引进的阻尼必须与引进的阻尼必须与的方向一致的方向一致eeeDMMDDMMdtdTeemJ等效的阻尼系数：等效的阻尼

13、系数：DDDe从而从而PSS可大幅度提高了同步发电机的阻尼可大幅度提高了同步发电机的阻尼23u PSS的设计的设计关键在于：关键在于：如何保证引入的信号产生的转矩与如何保证引入的信号产生的转矩与方向一致方向一致deEREFUPSSDdMPSS241、设计超前环节、设计超前环节eedoedEKKKsTsKTKKKssMsG3233211)()()(因为要求同相：因为要求同相：0)()(sGsGPSSE对所有振荡频率对所有振荡频率在实际设计中在实际设计中由于由于0)(sGE所以所以0)(sGPSS即即PSS为为超前环节超前环节（1）取）取s为实际系统已经存在的低频振荡频率为实际系统已经存在的低频振

14、荡频率0)()(dPSSdEjGjG（2）取）取s为系统无阻尼自然振荡频率为系统无阻尼自然振荡频率21212111)(TTksTsTKsGkPSSPSS，或oPSSdsGHzTTT34)(1102 . 02120)()(nPSSnEjGjGdMPSS252、设计放大倍数，保证合理的阻尼比、设计放大倍数，保证合理的阻尼比取合理的阻尼比取合理的阻尼比0.10.30222nnssJnnTK1nJTD2)()(2dEdPSSnJPSSjGjGTD可计算出放大倍数可计算出放大倍数PSSK3、设计复位环节，不影响正常电压性能、设计复位环节，不影响正常电压性能sTsTsGr1)(42T可消除直流分量，但对振

15、荡有：可消除直流分量，但对振荡有：11)(TjTjjGdddr4、设计带通滤波器，只抑制设计频率附近的频率分量、设计带通滤波器，只抑制设计频率附近的频率分量滤波器滤波器d主要保证相位主要保证相位补偿要求补偿要求265、PSS总体框图总体框图带通带通滤波器滤波器sTsT1kPSSsTsTK2111复位环节复位环节PSS限幅环节限幅环节励磁励磁系统系统REFUGUPSSUdeE 电力系统稳定器自从提出后在世界各国电力系统得到全面推广，概念清晰，实电力系统稳定器自从提出后在世界各国电力系统得到全面推广，概念清晰，实现简单方面，效果理想现简单方面，效果理想 但是也存在一些问题：但是也存在一些问题：l

16、能抑制所设计的频率附近的低频振荡，对其它频率不能取作用，甚至取反能抑制所设计的频率附近的低频振荡，对其它频率不能取作用，甚至取反作用作用l 对超低频振荡（接近直流）有时难以进行参数设计对超低频振荡（接近直流）有时难以进行参数设计l 在多机电力系统中参数设计困难，即在多机电力系统中参数设计困难，即PSS之间的参数协调和安装地点选择，之间的参数协调和安装地点选择，并不是所有机组安装最好并不是所有机组安装最好l 大电网联网后会出现多种频率的振荡，大电网联网后会出现多种频率的振荡，PSS参数难以设计参数难以设计电力系统还需不断探索新的励磁控制规律电力系统还需不断探索新的励磁控制规律27第七节第七节 微

17、机励磁控制器简介微机励磁控制器简介（补充）（补充）微机励磁控制器已经广泛应用于实际电力系统微机励磁控制器已经广泛应用于实际电力系统一、测量系统一、测量系统有功、无功有功、无功变换器变换器ABCUABCIABCUABCIEFI隔离隔离变换器变换器EFUSYSUABCUABCIA/D采样采样多路转换多路转换开关开关CPU根据根据富氏算法富氏算法计算电压电流幅值和相位计算电压电流幅值和相位根据电压电流幅值和相位根据电压电流幅值和相位计算有功无功计算有功无功直流采样直流采样交流采样交流采样28二、触发脉冲形成系统二、触发脉冲形成系统ABCU三相同步信号三相同步信号中断源：中断源：u 同步信号上升沿同步

18、信号上升沿u 导通角定时时间到导通角定时时间到u 60o定时时间到定时时间到u 脉冲宽度定时时间到脉冲宽度定时时间到o60同步同步信号信号时序：时序：u 同步信号上升沿同步信号上升沿 设置导通角定时设置导通角定时u 导通角定时时间到导通角定时时间到 发出脉冲发出脉冲 设置脉冲宽度定时设置脉冲宽度定时 设置设置60o定时定时u 脉冲宽度定时时间到脉冲宽度定时时间到 清除脉冲清除脉冲u 60o定时时间到定时时间到 发出脉冲发出脉冲 设置脉冲宽度定时设置脉冲宽度定时 检查检查6个脉冲发完成？个脉冲发完成？ 是：退出是：退出 否：设置下一个否：设置下一个60o定时定时29三、控制规律三、控制规律n AVRPSSdttdeTdtteTteKtuDtIP)()(1)()(0带通带通滤波器滤波器sTsT1kPSSsTsTK2111复位环节复位环节PSS限幅环节限幅环节励磁励磁系统系统REFUGUPSSUdeE离散化离散化PSS离散化离散化AVR连续状态方程离散化：连续状态方程离散化：BuAXX)()(2)() 1(2)() 1(kBukAXhkBukAXhkXkX隐式梯形积分