发电机励磁控制与稳定性

1、1励磁控制系统与电力系统稳定清华大学电机系孙元章 教授2003年2一、发电机励磁控制的作用一、发电机励磁控制的作用1.从发电厂角度研究励磁n调节发电机电压n调节发电机无功功率n多台发电机无功功率分配（成组调节AQC）n安全可靠运行32.从电力系统角度研究励磁n提高系统的静态稳定性n提高系统的暂态稳定性n改善系统的电压稳定性n二次电压控制n安全可靠运行4二、励磁系统分类二、励磁系统分类1.三机励磁系统组成：副励磁机小功率可控整流桥主励磁机大功率二极管整流柜自动电压调节器(AVR)转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：它励，励磁电源不受系统电源的影响缺点：调节速度慢，轴系长度长，易引发轴系振荡AVRI

2、fIffUZ1UZ2UffUfVg Pg , Qg52.三机励磁系统改进型组成：副励磁机小功率二极管整流桥主励磁机大功率可控硅整流柜自动电压调节器(AVR)转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：励磁电源不受系统电源的影响，调节速度快缺点：需大功率整流柜，增加主励绕组的灭磁与过电压保护AVRIfIffUZ1UZ2UffUfVg Pg , Qg63.开关式三机励磁系统组成：副励磁机小功率二极管整流桥IGBT+续流二极管主励磁机大功率二极管整流柜自动电压调节器(AVR)转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：它励，模拟式励磁简单缺点：增加了硬件复杂性，可靠性降低，不能逆变灭磁AVRIfIffUZ1UZ2Uff

3、UfVg Pg , Qg74.二机励磁系统组成：励磁变压器小功率二极管整流桥主励磁机大功率二极管整流柜自动电压调节器(AVR)转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：取消副励磁机，轴系长度缩短缺点：调节速度慢AVRIfIffUZ2UffUfVg Pg , Qg85.带自励恒压的二机励磁系统组成：励磁变压器小功率可控硅整流桥自励恒压调节器主励磁机大功率二极管整流桥转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：响应速度快缺点：结构复杂AVRIfIffUZ2UffUfVg Pg , Qg自励恒压调节器96.带开关管的二机励磁系统组成：励磁变压器小功率可控硅整流桥IGBT+续流二极管主励磁机大功率二极管整流桥自励电压调

4、节器转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：模拟式AVR可简化 (同步、脉冲移相可取消)缺点：增加结构复杂性，可靠性降低AVRIfUZ2UfVg Pg , QgIffUff107.自并励系统组成：励磁变压器大功率可控硅整流柜灭磁及过电压保护起励设备自动电压调节器优点：结构简单、响应速度快缺点：强励时复杂系统电压的影响AVRIfUZ2UfVg Pg , Qg118.直流励磁系统组成：直流副励磁机小功率可控硅整流桥直流主励磁机自动电压调节器转子绕组灭磁开关与过电压保护应用场所：小容量机组AVRIfUfVg Pg , Qg129.开关式直流励磁控制系统组成：直流副励磁机IGBT+续流二极管直流主励磁机自动

5、电压调节器转子绕组灭磁开关与过电压保护应用场所：中、小容量机组AVRIfUfVg Pg , Qg13三、励磁系统控制过程三、励磁系统控制过程1.三机励磁系统控制过程 数学关系永磁机的输出三相电压经过可控硅整流，整流器的输出平均电压为输出的直流电流为 tUUmasin32sintUUmb32sintUUmc26cos35.1)(6sin33mmdUtdtUURUIdd14考虑到交流回路电抗XK引起的电压损失，整流电路输出电压的平均值为设励磁机放大倍数为Kf ，三相电压再经过整流，得到发电机的励磁电压若发电机的放大倍数为KG，可以得到机端电压Vg与励磁电压Efd 的关系为dkmdIXUU3cos3

6、5. 1fkdffdIXUKE335. 1fdGgEKV 15tUUmasin232sin2tUUmb32sin2tUUmcdkabdIXUU3cos35. 1RUIdd2.三机励磁系统控制过程 波形关系 30ddIUaUbUcU16 60 9017012018018dfEUKUfkEfdIXUE335. 1ffdfREIEaUEbUEcUffdIE193.自并励励磁系统的控制过程 数学关系可控整流的输入为机端电压和电流经过可控硅整流，整流器的输出平均电压为若发电机的放大倍数为KG，机端电压Vg与励磁电压Efd 的关系为 tUUmgasin232sin2tUUmgb32sin2tUUmgcfk

7、abfdIXUE3cos35. 1fdGgEKV204.自并励励磁系统控制过程 波形关系 30tUUmgasin232sin2tUUmgb32sin2tUUmgcfkabfdIXUE3cos35. 1ffdfREIgcgbgaUUU21四、励磁控制在系统稳态运行时的基本功能四、励磁控制在系统稳态运行时的基本功能1.保证发电机机端电压调节精度保证发电机机端电压调节精度 静态误差静态误差定义：稳态运行条件下发电机端电压的要 求值与实际值之差静差分类：n当系统仅仅受到输入信号的作用而没有任何扰动时的静差输入信号引起的静差n输入信号为0而有扰动作用于系统时引起的静差扰动引起的静差22系统误差的定义x(

8、t)=Vrefe(t)G(s)F(s)AVRy=Vg(t)b(t)Vref ：机端电压参考输入Vg ：发电机端电压实际值G(s)：励磁机发电机传函F(s)：AVR的传函 23误差： )()()(tbVteVVterefgref静态误差： )()(limtetetss静态误差系数： 从输入信号x(t)到误差信号的传递函数为 )(11)()(11)()(0sGsFsGsxse式中 是系统的开环传递函数)()()(0sFsGsG24由Laplace变换终值定理有 )(1)()()(000limlimlimsGssxsseteesstss若输入信号为单位阶跃，即 )(111)(00limsGessxs

9、ss定义误差系数 )(00limsGKsp则有 pssKe1125通常励磁机和发电机和励磁控制器的开环传函可表示为0型系统,即 ) 1() 1)(1() 1() 1)(1()(21210sTsTsTssssKsGnvm因此 KeKsGKsssp11)(00limK为系统的开环放大倍数 若K 1, 则有 Kess1发电机励磁系统的静态误差的大小与开环放大倍数成反比。 262. 2. 保证并联运行发电机组间无功负荷合理分配保证并联运行发电机组间无功负荷合理分配调差系数调差系数调差系数的定义 %10021feUUUU1 ：发电机空载电压U2 ：额定无功电流时发电机端电压Ufe ：发电机额定电压 UI

10、QefU1feU2=UIQ27调差系数与无功负荷的关系 UfIQ00 正调差，即发电机输出无功增大时，端电压下降。=0 0调差0 负调差，即发电机输出无功增加时，端电压上升。 28调差系数的整定: 发电机直接与系统母线电压相联 应整定为正调差系数发电机经变压器与系统母线电压相联 UUfr.对Uf 应整定为负调差但对UT仍然为正调差 注意：发电机调差系数的大小严重影响电力系统中无功分布和网损，注意：发电机调差系数的大小严重影响电力系统中无功分布和网损， 因此从理论上应由调度局从全系统出发给出最合理的调差系数值。因此从理论上应由调度局从全系统出发给出最合理的调差系数值。 29五五 励磁调节对电力系

11、统小干扰稳定性的影响励磁调节对电力系统小干扰稳定性的影响定义： 电力系统在遭受小干扰后，维持同步运行的能力。小干扰：系统的响应分析可以由线性化系统确定电力系统不稳定结果表示为两个方面： 由于缺少同步转矩，发电机功由于缺少同步转矩，发电机功角逐步增大直至失稳角逐步增大直至失稳 t由于缺少同步转矩，发电机功由于缺少同步转矩，发电机功角逐步增大直至失稳角逐步增大直至失稳t30n发电机励磁控制系统小干扰分析的基础)(1)(10fdddqdqemuIxxETEPPHP0sinXUEPqG输出电磁功率的线性化31cosddqdxVxEI用切线代替曲线可得：fvdEdEtevdEvvEvvdvEvdEvEv

12、dvEteERTRTRVPSTSRSSSRTSSHDHSTSRSSTSSVP00000CXYBUAXX无功电流的线性化0IdBAsICsUsYsGT1)()()()(32 考虑同步发电机励磁绕组动态的单机无穷大系统考虑同步发电机励磁绕组动态的单机无穷大系统)EI )XX(E(T1E)1(KTT(H21) 1(fddddqdoqrDemrr0考虑励磁动态的发电机微分方程组 其中 是励磁绕组的输入电压fddsqddsqeeEXcosVEIsinXVEPT 33fddodo4q3doqrDq21mrr0ET1TKEKT1EH2KEH2KH2KTH21上式的线性化方程： 0sddd4dd30ds20d

13、sqo1sinVXXXKXXKsinXVKcosXVEK其中 34其小信号框图为 图中 d3do3TKTT由 q21eEKKTe1qTKE 恒定若qe2ETK恒定若35同相位，称其为同步转矩分量与 因为转矩分量1K当励磁不调节，即 ，由框图可导出 0Efdd432eTS1KKKT引起的由qE因为 fdffdadqLLE注：注： 当振荡频率非常低时，即 0js调节引起的电磁矩阵由qE432eKKKT是一个负的同步转矩 36定义同步转矩系数K3，若 0KKKKK0KKKKK0KKKKK432134321343213系统稳定系统临界稳定系统单调失稳 时，当振荡频率dT1js调节引起的电磁矩阵则由qE

14、jTKKKTjKKKTd432d432e为阻尼转矩。调节产生的电磁转矩称同相位，因此由与qrE37 产生正阻尼或负阻尼取决于系数K4。 若精确计算，考虑输电线的电阻，则 cosrsin)XX()XX)(XX(RV)XX(K0e0eqedeq2eSdd4（若Re=0时，上述系数与前面导出的K4是相同的） 38励磁控制的作用励磁控制的作用 它的线性化方程 )EV(TKET1EtrefRAfdRfd 实际中，励磁控制对改善电力系统稳定性是非常重要的。 为分析方便起见，通常采用以下的简化控制： 39函数，故和可表示为因为相端电压qtEEq65tEKKE其中 )XX)(XX(R1ARAXEE)XX(XA

15、1 EEEEKsinRcos)XX(EAEXVsin)XX(cosREAEXVEKedeq2eeqtotdoeqdtotqoqt60e0edtotdoqs0eq0etotqodst540若采用可控硅快速励磁 AexK) s (G化变化引起的电磁转矩变由图可以导出由qEA433R3R2A5R432eKKK1)TT(STTSKK)ST1 (KKKT41某单机无穷大系统的参数有 0 .0K,0 .3H02.0T,91.1T,3 .0K,12.0K8 .1K,333.0K,5 .1K,591.1KDR3654321 稳定的同步转矩系数 时，当0js引起的同步转矩系数由qEAAeK1 .019 .0K0

16、6.0T即 AA)E(SK1 .019 .0K06.0Kq 总的同步转矩系数 AA)E(S1SK1 .019 .0K06.0591.1KKKq420KKK15K)E(S1SAq即时当提供正的同步转矩时当1)E(S1SAKKKK15Kq提供负的同步转矩时当1)E(S1SAKKKK15Kq提供负的同步转矩由负变正的时候当AVRK543 在振荡时的阻尼和同步转矩分析 A2A5EeK1 . 01S93. 1S0382. 0)S012. 0KK333. 06 . 0(5 . 1Tq，时，即当Hz6 . 1210f10jjs3 .19jK1 . 082. 218. 0 jKK5 . 09 . 0TAA5E

17、eq200K12. 0KA5，设)E(D)E(SEeqqqKK)j (3255. 02804. 03 .19j18.1718. 0 j1 .11T44阻尼转矩分量 )j (3255. 0K)E(Dqrr0)E(D00r10f23255. 03255. 0K/j/sq故由27.12KD总的同步转矩系数为 8714. 12804. 0591. 1KKK)E(S1Sq 阻尼转矩系数45对于不同的K5和KA值有如下表 46基本结论基本结论 当发电机与系统的外接电抗较小，并且发电机的输 出功率较低时，系数K5为正，这时AVR的作用是引 入了一个负的同步转矩和一个正的阻尼转矩 当发电机与系统的外接电抗较大

18、，并且发电机的输 出功率较高时，系数K5为负，这时AVR的作用是引 入了一个正的同步转矩和一个负的阻尼转矩 解决这一问题的方法是附加控制，即电力系统稳定 器，线性最优励磁控制器，各种智能控制器。47六六 电力系统稳定器（电力系统稳定器（PSSPSS）设计设计 PSS基本功能是通过引入附加信号控制励磁，以提供正的阻尼矩阵，抑制电力系统的振荡。 其框图如下图所示 48 引入PSS环节后，PSS信号引起的暂态电势变化 可以表示为 qE)(1633sqAqvEKSTKKE上式可以变为 16333AAsqKKKSTKKvE49对于某一台发电机的典型参数 200)(3 . 012. 091. 10 . 3

19、0333. 05 . 1591. 1653321AexDKsGKKTHKKKK，2191. 166.6616333sKKKSTKKvEAAsq若发电机的振荡为 ，则 PSS产生阻尼转矩所需的相位补偿 )6 . 1210(10HzfjjS3 .42522. 32191. 166.665 . 1)2191. 166.66(2ssKvTsPSS50其中 幅值为PSS的增益 相角为PSS需补偿的角度 设计相位超前环节和增益，如图 513 .426 . 1前振荡频率下达到相位超信号在使Hzfvs 首先知道系统的振荡频率 计算PSS需补偿的相位和增益 设计相位超前环节 仿真与实验注意：注意： 对于不同的振

20、荡频率，需要有不同的相位补偿和增益。对于不同的振荡频率，需要有不同的相位补偿和增益。 52七七 线性最优励磁控制线性最优励磁控制 对于发电机励磁系统的线性化模型fBuAxx希望设计励磁控制uf 使得 0)(21mindtRuuQxxJTTu 以上目标函数的物理解析是，当电力系统发生振荡时，希望设计最优励磁控制uf，使得以下的振荡尽可能快的稳定。 t),()(geqrVPEtx53由线性最优控制理论可以找到发电机的最优励磁控制，如图 STV11gVVKpKePSTP11STSTee1rSTr11STST1KfurefV54八八 智能励磁控制器智能励磁控制器 对于PSS，由于超前相位补偿环节的设计

21、参数与发电机的 振荡频率有关，因此，希望引入智能设计方法自动识别系 统的振荡频率，在线确定PSS的各参数。 对于线性最优励磁控制，由于Kv，Kp和K与加权矩阵选 择有关，因此希望引入智能设计方法找到最佳的权矩阵, 使系统的振荡得到最大的改善。 直接从发电机的振荡特性中提取特征参数，实现智能励 磁控制，如模糊控制，神经网络励磁控制等。 55九九 励磁调节对电力系统大干扰稳定性的影响励磁调节对电力系统大干扰稳定性的影响暂态稳定性的定义和概念暂态稳定性的定义和概念 定义： 在电力系统遭受大扰动时，如 输电设备上的故障、发电机跳闸或失掉 大的负荷等，电力系统保持同步的能力。 特点： 在电力系统遭受大扰

22、动时，由于系统的电压、 电流、有功、无功、发电机转子角等的摆动幅 度较大，因此不能用线性化方法来研究它。 概念： 面积定则 5657n在电力系统中，应用发电机励磁改善电力系统的暂态稳定性有两条途径：n增加发电机的强励能力，可以减少发电机的加速面积和增加发电机的减速面积n基于发电机的非线性动态方程设计发电机的非线性励磁控制)cos)(1)sin(10fddqddqdqqmuxVxExxETEXUEPH5801),()()(dtuxLJuxgxfxniii非线性励磁系统控制问题：P0vxxxuxTZ)(1)()()(理论上，在发电机的任何运行点和任意振荡频率下，可以得到以下的坐标变换和励磁非线性控

23、制，将非线性励磁控制系统变为线性系统163332AAsPSSKKKSTKKKvTBvAzz590)(21dtRVVQZZJTTPZBRVT1*由LQR理论可知最优控制律为：)()(1)()(1xPTBRxxxuT最后可得非线性最优控制律为:对于该系统,若建立以下二次型性能指标:60 发电机非线性励磁控制规律发电机非线性励磁控制规律 61十十 励磁调节对电力系统电压稳定性的影响励磁调节对电力系统电压稳定性的影响 定义：定义： 电压稳定性是一个电力系统在正常条件下受扰动后， 维持系统中所有母线电压在可接受水平的能力。 (a) 暂态电压稳定性： 当系统发生短路、失去大负荷或机组 电源扰动下，系统维持

24、电压的能力。 (b) 静态电压稳定性： 当系统发生小扰动后，系统维持电压的能力。 分类：分类： 电压稳定性分析的目的：电压稳定性分析的目的： (a) 电压不稳定的接近程度：系统离电压不稳定有多近？(b) 电压不稳定的机理： 怎么及为何发生不稳定？ 引发不稳定的关键因素是什么？ 哪里是电压薄弱环节? 什么措施对改善电压稳定最有效？62发电机无功功率调节特性发电机无功功率调节特性 发电机的无功电压特性 电枢电流极限（定子绕组发热） 由发电机的额定容量 )sinj(cosIEIEjQPStttt 在讨论电压稳定性时，必须清楚发电机无功功率调节特性，即无功与电压的VQ关系。 63可知 电枢电流极限在PQ平面上是以额定MVA为半径的圆 64 励磁电流极限（转子绕组发热） 由发电机的功率方程 d2tif