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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 1 一、发电机励磁控制的作用 n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 2 n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 3 二、励磁系统分类 n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
2、振荡 AVR If Iff UZ1 UZ2 Uff Uf Vg Pg , Qg 4 n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 AVR If Iff UZ1 UZ2 Uff Uf Vg Pg , Qg 5 n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
3、单 缺点：增加了硬件复杂性，可靠性降低，不能逆变灭磁 AVR If Iff UZ1 UZ2 Uff Uf Vg Pg , Qg 6 n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 AVR If Iff UZ2 Uff Uf Vg Pg , Qg 7 n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 AVR If Iff UZ
4、2 Uff Uf Vg Pg , Qg 自励恒压 调节器 8 n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 AVR If UZ2 Uf Vg Pg , Qg Iff Uff 9 n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 AVR If UZ2 Uf Vg Pg , Qg 10 n直
5、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 AVR If Uf Vg Pg , Qg 11 n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 AVR If Uf Vg Pg , Qg 12 三、励磁系统控制过程 n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 13 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
6、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 14 n三机励磁系统控制过程 波形关系 15 16 17 18 n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 19 n自并励励磁系统控制过程 波形关系 20 四、励磁控制在系统稳态运行时的基本功能 n保证发电机机端电压调节精度 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
7、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 21 系统误差的定 义 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 22 误差： 静态误差： 静态误差系数： 从输入信号x(t)到误差信号的传递函数为 式中 是系统的开环传递函数 23 由Laplace变换终值定理有 若输入信号为单位阶跃，即 定义误差系数 则有 24 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 因此 K为系统的开环放大倍数 若K 1, 则有 发电机励磁系统的静态误差的大小与开环放大倍
8、数成反比 。 25 2. 保证并联运行发电机组间无功负荷合理分配 调差系数 调差系数的定义 U1 ：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 26 调差系数与无功负荷的关系 0 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。 27 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 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， 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
9、。 28 五 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 角逐步增大直至失稳 由于缺少同步转矩，发电机功 角逐步增大直至失稳 29 n发电机励磁控制系统小干扰分析的基础 输出电磁功率的线性化 30 用切线代替曲线可得： 无功电流的线性化 0 Id 31 考虑同步发电机励磁绕组动态的单机无穷大系统 考虑励磁动态的发电机微分方程组 其中 32 上式的线性化方程： 其中 33 其小信号框图为 图中 由 34 同相位，称其为同步转矩分量与 因为转
10、矩分量 dDdD 1 K 当励磁不调节，即 ，由框图可导出 因为 注 ： 当振荡频率非常低时，即 是一个负的同步转矩 35 定义同步转矩系数K3，若 系统稳定 系统临界稳定 系统单调失稳 36 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 （若Re=0时，上述系数与前面导出的K4是相同的） 37 励磁控制的作用 它的线性化方程 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： 38 q65t EKKED+D=Dd 其中 39 若采用可控硅快速励磁 40 某单机无穷大系统的参数有 稳定的同步转矩系数 即 总的同步转矩系数 41
11、42 在振荡时的阻尼和同步转矩分析 43 阻尼转矩分量 总的同步转矩系数为 阻尼转矩系数 44 对于不同的K5和KA值有如下表 45 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，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。 46 六 电力系统稳定器（PSS）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
12、尼矩阵，抑制电力系统的振荡。 其框图如下图所示 47 引入PSS环节后，PSS信号引起的暂态电势变化 可以表示为 上式可以变为 48 对于某一台发电机的典型参数 若发电机的振荡为 ， 则 PSS产生阻尼转矩所需的相位补偿 49 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 50 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： 对于不同的振荡频率，需要有不同的相位补偿和增益。 51 七 线性最优励磁控制 对于发电机励磁系统的线性化模型 希望设计励磁控制uf 使得 以上目标函数的物理解析是，当电力系统发生振荡时，希望
13、设计最优励磁控制uf，使得以下的振荡尽可能快的稳定。 52 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 53 八 智能励磁控制器 对于PSS，由于超前相位补偿环节的设计参数与发电机的 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。 54 九 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 定义： 在电力
14、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 55 56 n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 57 非线性励磁系统控制问题： 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制，将非线性励磁控制系统
15、变为线性系统 58 由LQR理论可知最优控制律为： 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: 59 发电机非线性励磁控制规律 60 十 励磁调节对电力系统电压稳定性的影响 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 。 分类类 ： 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
16、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 ？ 61 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 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。 62 可知 电枢电流极限在PQ平面上是以额定MVA为半径的圆 63 励磁电流极限（转子绕组发热） 由发电机的功率方程 因为 故 64 对于给定的 ，有功与无 功之间的关系是一个圆。 。 半径为 处， d fdt d ad iE X X 圆心在 2 t X E - 电枢电流极限与磁场电流极限两圆的交点A，即为发电机的 额定MVA。 65 下图是一个实际发电机的无功容量极限曲线 PSIG为氢压单位 66 发电机励磁电流限制器的影响 励磁电流限制器的调节框 67 对于高比例的电动机负荷，考虑电枢电流限制器后，PV曲线为
