第6讲 同步发电机励磁控制系统及特性分析(4)

1、第六讲 同步发电机励磁控制系统(kn zh x tn)及特性分析（4）主讲人：李岩松华北电力大学电气(dinq)与电子工程学院共四十二页第四章 同步(tngb)发电机励磁控制系统及特性分析 本章运用自动控制理论(lln)来分析同步发电机自动励磁调节的动态特性及其对电力系统动态稳定的影响7/19/20222North China Electric Power University共四十二页第六节 励磁(l c)控制系统稳定性发电机是被控对象励磁机是执行环节(hunji)励磁调节器是控制器典型的反馈控制系统7/19/20223North China Electric Power Universit

2、y共四十二页对励磁(l c)控制系统的要求1、发电机在并网前，在空载运行条件下，励磁自动控制系统必须能够稳定运行2、发电机在并网后，在与其它机组并联运行条件下，励磁控制系统对电力系统稳定性产生(chnshng)有益的影响3、在运行过程中，对励磁自动控制系统的动态性能指标也有具体的要求1、上升时间2、超调量3、调整时间7/19/20224North China Electric Power University共四十二页我国大中型同步发电机励磁系统基本(jbn)技术条件1、同步发电机在空载(kn zi)额定电压情况下，当电压给定阶跃响应为10%时，发电机电压超调量应不大于阶跃量的50%，摆动次数

3、不超过3次，调节时间不超过10s2、当同步发电机突然零起升压时，自动电压调节器应保证其端电压超调量不得超过额定值的15%，调节时间不大于10s，电压摆动次数不大于3次。物理系统数学建模物理映射数学分析7/19/20225North China Electric Power University共四十二页 励磁(l c)控制系统的传递函数典型的励磁控制系统(kn zh x tn)的结构122347/19/20226North China Electric Power University共四十二页1 励磁机的数学模型直流励磁机励磁机励磁绕组的电阻励磁机励磁绕组的电流励磁机励磁绕组的输入电压励磁机

4、励磁绕组的磁链 目标是要建立 与 之间的传递函数，因此需要建立 和 与 或者(huzh) 之间的关系 7/19/20227North China Electric Power University共四十二页1 励磁机的数学模型直流励磁机 励磁(l c)电流 与励磁(l c)机电压 之间是非线性关系，因此需要采用饱和特性曲线来计及其饱和影响定义饱和函数(hnsh)来表示饱和特性气隙特性的斜率是励磁电流 与励磁机电压 之间关系式为：7/19/20228North China Electric Power University共四十二页1 励磁机的数学模型直流励磁机磁通 与磁链 之间存在(cnzi)

5、关系在恒定转速(zhun s)下， 与 之间成正比关系磁通在穿过气隙时存在漏磁通 ，两者存在比例关系7/19/20229North China Electric Power University共四十二页1 励磁机的数学模型直流励磁机7/19/202210North China Electric Power University共四十二页1 励磁机的数学模型直流励磁机7/19/202211North China Electric Power University共四十二页2 励磁调节器的传递函数测量比较(bjio)单元电压测量比较单元主要由测量变压器、整流滤波器、测量比较电路(dinl)所组成

6、。整流滤波器会有延时测量变压器、测量比较电路可以忽略延时测量比较单元的传递函数7/19/202212North China Electric Power University共四十二页2 励磁(l c)调节器的传递函数综合放大单元电子型励磁(l c)调节器的综合放大单元由运算放大器为基础构成电子型励磁调节器的综合放大单元由磁放大器为基础构成忽略延时7/19/202213North China Electric Power University共四十二页2 励磁(l c)调节器的传递函数功率放大单元电子型励磁调节器的功率放大单元(dnyun)是晶闸管整流器。晶闸管整流元件是断续工作，因此其输出与

7、输入的控制信号之间存在着时滞。控制极到晶闸管导通的时间可以忽略。由于电路状态是按照一定的导通规律进行的，控制极的触发只是其工作的必要条件而非充分条件，故有可能造成整流电路输出的平均电压值滞后于触发电路的控制信号一段时间。滞后时间与整流电路有关。最大滞后时间单相半波电路为180度三相半控电路为120度三相全控电路为60度7/19/202214North China Electric Power University共四十二页2 励磁(l c)调节器的传递函数功率放大单元整流电路输出电压(diny)方程拉普拉斯变换传递函数泰勒展开忽略高次项，得到简化模型7/19/202215North China

8、 Electric Power University共四十二页3 发电机的传递函数主要研究发电机空载时的励磁控制系统的性能，可以对发电机模型进行简化。可以认为，发电机端电压的稳态幅值与其转子励磁电压成正比。主要因为：在运行区域(qy)内，发电机端电压变化不大，可以不考虑其饱和特性。发电机的动态响应可以用一阶惯性环节来描述7/19/202216North China Electric Power University共四十二页4 励磁(l c)控制系统的传递函数7/19/202217North China Electric Power University共四十二页电力(dinl)系统分析用励磁

9、传递函数IEEE AC1AIEEE AC1A 无刷交流(jioli)励磁机系统7/19/202218North China Electric Power University共四十二页电力(dinl)系统分析用励磁传递函数IEEE AC2AIEEE AC2A 高起始响应(xingyng)交流励磁机系统7/19/202219North China Electric Power University共四十二页电力(dinl)系统分析用励磁传递函数IEEE AC3AIEEE AC3A 自励(z l)式交流励磁机系统7/19/202220North China Electric Power Unive

10、rsity共四十二页电力(dinl)系统分析用励磁传递函数IEEE AC4AIEEE AC4A 他励晶闸管交流(jioli)励磁机系统7/19/202221North China Electric Power University共四十二页电力(dinl)系统分析用励磁传递函数IEEE AC5AIEEE AC5A 具有副励磁机或自励式交流(jioli)励磁机系统7/19/202222North China Electric Power University共四十二页电力(dinl)系统分析用励磁传递函数IEEE AC6AIEEE AC6A 自并励式交流(jioli)励磁机系统7/19/2022

11、23North China Electric Power University共四十二页电力(dinl)系统分析用励磁传递函数IEEE AC7BIEEE AC7B 自励(z l)式交流励磁机系统+微机式调节器7/19/202224North China Electric Power University共四十二页电力(dinl)系统分析用励磁传递函数IEEE AC8BIEEE AC8B 具有副励磁机或自励(z l)式交流励磁机系统+微机式调节器7/19/202225North China Electric Power University共四十二页5 自动控制理论(lln)之根轨迹法 根轨迹是

12、当开环系统某一参数（如根轨迹增益(zngy)）从零变化至无穷大时，闭环特性方程的根在s平面上移动的轨迹。系统的闭环特性方程为幅值条件相角条件7/19/202226North China Electric Power University共四十二页绘制根轨迹(guj)之法则（1）法则一：根轨迹的起点和终点：根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点。如果(rgu)开环零点个数m少于开环极点个数n，则有（n+m）条根轨迹终止于无穷远处法则二：根轨迹的分支数、连续性和对称性：根轨迹的分支数与开环零点m、开环极点n中大者相等，根轨迹连续并对称于实轴。法则三：实轴上的根轨迹：实轴上的某一区域，若其右边开环实数

13、极、零点个数之和为奇数，则该区域为根轨迹。法则四：根轨迹的渐近线：当系统开环极点个数n大于开环零点个数m时，有n-m条根轨迹分支沿着与实轴夹角为 、交点为 的一组渐近线趋向于无穷远处7/19/202227North China Electric Power University共四十二页绘制(huzh)根轨迹之法则（2）法则五：根轨迹的分离点：两条或两条以上的根轨迹分支在s平面上相遇又分离的点，成为根轨迹分离点。分离点的坐标d是以下(yxi)方程的解。法则六：根轨迹与虚轴的交点：若根轨迹与虚轴相交，意味着闭环特性方程出现纯虚根，故可以在闭环特性方程中令s=jw，然后分别令方程的实部与虚部分别为

14、零，从中求得交点的坐标值及其相应的k值。此外，根轨迹与虚轴相交表明系统在相应的k值下处于临界稳定状状态。可以用劳斯稳定判据求出交点的坐标值及其相应的k值，此时k值为临界根轨迹增益。7/19/202228North China Electric Power University共四十二页绘制(huzh)根轨迹之法则（3）法则七：根轨迹的起始角和终止角：根轨迹离开开环复数极点处的切线与正实轴的夹角，称为起始角，以 表示。根轨迹进入开环复数零点处的切线与正实轴的夹角，称为终止角，以 表示。起始角和终止角可以直接利用相角条件求出。法则八：根之和：当系统开环传递函数G(s)H(s)的分子、分母阶次差（n

15、-m）大于等于2时，系统闭环极点之和等于系统开环极点之和。7/19/202229North China Electric Power University共四十二页6 典型励磁控制系统稳定(wndng)计算系统(xtng)开环传递函数该励磁控制系统的参数某励磁控制系统传递函数要求应用自动控制理论的根轨迹法分析该系统的稳定性7/19/202230North China Electric Power University共四十二页根轨迹(guj)绘制（1）系统(xtng)开环传递函数开环极点为：-0.12，-1.45，-25；他们是根轨迹的起始点。系统有三条根轨迹的分支趋于无穷远处。绘制步骤如下：

16、（1）实轴上的根轨迹：（2）渐近线：7/19/202231North China Electric Power University共四十二页根轨迹(guj)绘制（2）（3）分离点：显然(xinrn)，分离点应该位于实轴上， 之间，取 （4）与虚轴的交点：系统闭环特征方程令带入上式，并令实部和虚部分别为零解得即根轨迹与虚轴的交点为 和7/19/202232North China Electric Power University共四十二页根轨迹(guj)绘制（3） 发电机与励磁机的时间常数所对应的极点都很靠近坐标原点，系统动态性能不够理想，并且随着闭环回路(hul)增益的提高，其轨迹变化会趋向

17、于转入右半平面，使系统失去稳定。 为了保证控制系统的稳定性，必然要求限制放大倍数，这与励磁调节特性相违背的。 在发电机励磁控制系统中，必需增加校正环节，才能适应稳定运行的要求。通常用“电压速率反馈”环节来提高系统的稳定性，即将励磁系统输出的励磁电压微分后再反馈到综合放大器中，这种反馈网络称为“励磁系统稳定器”7/19/202233North China Electric Power University共四十二页三 励磁控制系统(kn zh x tn)空载稳定性的改善 从自动控制理论可知，要想改善励磁系统的稳定性，必须改变发电机极点与励磁机极点之间的出射角，也就是改变根轨迹的渐近线，使之只处于

18、虚轴的左半平面，为此(wi c)需要增加开环传递函数的零点。 在实际处理上，可以在发电机转子电压处增加一条电压速率负反馈回路。7/19/202234North China Electric Power University共四十二页增加(zngji)环节（1）7/19/202235North China Electric Power University共四十二页根轨迹(guj)计算（1）等值前向传递函数反馈(fnku)传递函数7/19/202236North China Electric Power University共四十二页根轨迹(guj)计算（2）励磁控制系统的参数(cnsh)数据如

19、下：由此得到的系统的开环传递函数为：增加了反馈环节后系统具有了四个极点和三个零点。7/19/202237North China Electric Power University共四十二页根轨迹(guj)计算（3）从自动控制理论可知，增加开环零点，可以使系统的根轨迹(guj)向左偏移，从而提高系统的稳定性，有利于改善系统的动态特性。7/19/202238North China Electric Power University共四十二页增加环节(hunji)前后之性能比较 与未增加电压速率反馈环节相比，励磁控制系统(kn zh x tn)的性能有了较大的改善。 在发电机系统励磁控制系统中，一般都附加了“励磁系统稳定器”作为改善发电机空载运行稳定性的重要部件。7/19/202239North China Electric Power University共四十二页四 励磁(l c)系统稳定器的电路 励磁系统稳定器是由一级微分放大器组成的。励磁机磁场电流经过分流器、