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1、电力系统稳定计算用励磁系统模型的完善李文锋 刘增煌 朱方 陶向宇 候俊贤 濮钧 晁晖 赵红光( 中国电力科学研究院系统所，北京 100192)Modification of Excitation System Models for Power System StabilityCalculationLI WenFeng Liu ZengHuang Zhu Fang Tao XiangyuHou Junxian PuJun ChaoHui ZhaoHongguang(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192,China)ABST
2、RACT:ComputerModels suitable forrepresentation of newer digital-based excitation systems in stability programs are prensent in this paper. After considering the different types of excitation systems now in service, the modified Excitation System Models are an addendum for stabillity calculation mode
3、ls issued in 1994 in China. Parall PID Models and nonwindup limits are added, Thyristor bridges models and UEL (Under-excitation limiter) Models are modified in the new Excitation System Models.KEY WORDS: Excitation system Models；Power System ; Stability Calculation; Model Identification摘要：在已有的电力系统稳
4、定计算用励磁系统 模型库的基础上，结合励磁系统的调研和参数测定 工作，对1994年提出的励磁系统模型进行了4 个方 面的改进与完善;增加了并联PID控制；增加了 PID 控制的限幅环节；对原有可控硅整流器模型进行了 补充修订；对低励限制环节(UEL)的限制曲线设 置进行了修改。关键词：励磁系统；电力系统；稳定计算；参数测 试0 引言1968 年, IEEE提出了用直流励磁机模 型进行模拟的交流励磁机数学模型1。为准 确模拟交流励磁机带电感负荷时响应，1981 年、1992年IEEE更新了提出的交流励磁机 数学模型，并对整流器换向作用进行了模拟 。1990年代以后改进励磁控制的数模工 作一直在进
5、行4。我们国家在 20 世纪 80 年 代以前的电力系统分析计算中，发电机的模 拟基本采用Eq恒定的模型,没有励磁系统 模型。 80 年代初，中国电力科学研究院开发 了两种励磁模型,不但能模拟一般的直流励 磁机励磁系统,也可模拟自并励和它励可控 硅励磁系统10。中国电机工程学会大电机专 委会励磁分委员会,在 1989 年成立了励磁 系统数学模型专家小组,对当时我国现役的 大型发电机励磁系统的数学模型进行了深 入、广泛的研究,在 1991 年发表了适用于 我国电力系统稳定计算的励磁系统数学模 型6。此后 ,中国电力科学研究院结合励磁 系统的调研和参数测定工作,于1994 年提 出了一组更为通用的
6、新型励磁系统模型7, 共10种。新型励磁模型吸取了 IEEE模型的 精华,在模型表达上采用高阶的传递函数配 合可变的类型选择变量,使同一个模型可以 模拟更多的励磁系统,并增加了过励限制、 过励保护和低励磁限制功能,以适应中长过 程计算的需要。IEEE在1996年也新增了部 分数字式励磁系统的数学模型5 , 我国改 进励磁模型的工作一直在进行8 9 11。1 现有励磁控制系统模型在使用中发现的问题在实际工作中发现， 1994 年提出的励 磁模型，仍有需要改进的方面。1994 年提出 的励磁系统模型在使用中发现的主要问题 包括：(1) 原励磁系统模型的主控制环节， 都采用串联PID控制。现场部分设
7、备采用并 联PID控制，在将并联的传递函数转换为转 换串联方式时，无法考虑支路限幅等小环 节，也存在部分并联PID不能等效转化为串 联PID的问题。(2) 原励磁系统模型中，当超前滞后 环节表述为比例-积分环节时，应设置软限 幅；(3) 实际低励限制有多种不同实现形 式，并且有多种与AVR主环的配合方式，现 有的低励限制模型不能完全满足需要。为此，结合励磁系统的调研和参数测定 工作，对 1994 年的励磁系统模型进行了 4 个方面的改进与完善：(1) 增加了并联PID控制(2) 增加了 PID控制的限幅环节(3) 对原有可控硅整流器模型进行了 补充修订(4) 对低励限制环节的限制曲线设置 进行
8、了修改2 现有励磁控制系统模型的改进与完2.1增加并联PID控制为了使发电机端电压静差可能小，要求调 压器采用较大的放大倍数，而这种情况下， 仍能保证系统稳定的一个较简便的方法，就 是在电压调节器中设置动态校正器。动态校 正的作用主要是使结构不稳定的系统变为 结构稳定的系统；使结构稳定的系统在保证 稳定性的条件下，得到较高的允许最大放大 倍数以提高电压调节的准确度；以及在保证 稳定性的条件下获得较好的动态品质。动态 校正器可分为串联校正器及并联校正器。在 发电机电压调节器中，领先滞后校正(又 称暂态增益降低)、比例积分校正(可称静 态增益放大)的使用很广泛。在一定条件下， 并联校正器可转化为串
9、联校正器，但不满足 条件时则无法转换，例如：种并联校正的表达式为：K + K ssD串联校正的表达式为：1 + T s 1 + T sK x + X 3-K +Ts 1 + T sV 2 4(1)(2)并联校正环节与串联校正环节的转 化：当满足条件K 2 - 4K K 0时，公P D I式(1)可等效地转化为公式(2)，此时取 KV=0 T=04当不满足 K 2-4K K 0时，公式 P D I(1) 不可等效地转化为公式(2)。因此，需要 增加并联PID校正模型。2.2增加PID控制的限幅环节原励磁系统模型的 PID 控制部分，当 Kv=0 时，(1+Tis)/ (Kv+T2s)变成比例-积
10、分 环节，为了防止比例-积分环节的积分饱和 现象，励磁控制系统的比例-积分环节中一 般采用抗积分饱和法。该方法是在计算U(K) 时,首先判断上一时刻的控制量U(k-1)是否 已经超出限制范围，若U(K-1) Rmax则只 累加负偏差；若 U(K-1)-Rmax 则只累加正 偏差。这种算法可以防止控制量长时间停留 在饱和区。在励磁系统模型中，用软限幅环 节进行描述。丄Umax1差指令的变化Rmin图 1 软限幅与硬限幅的特性Fig.1 windup and Nonwindup limters图2串联PID模型的增加软限幅Fig.2 Add Nonwindup limter to Series P
11、ID2.3 对原有可控硅整流器模型进行补在自并励励磁系统和它励可控硅励磁系 统中，当发电机励磁电流小于等于0 时，可 控硅整流器不能输出为负电压。因此，对上 述两个模型的可控硅整流器模型进行了补 充修正。2.4 对低励限制环节的限制曲线设置 的修改低励限制曲线与发电机定子电压有关， 定子电压变化时，限制曲线随之偏移，偏移 的深度与定子电压标幺值的平方成正比，公 式为：Qlim Ut X Qlim_ setQl :低励限制实际动作值；limQl :低励限制预先设置值；lim_setUt:目前常用的低励限制型式主要有三种:（1）直线型直线型Q = K - P + C - V圆周型P2 + Vt2
12、Q2)=( - V（ 3）折线型 此为新增加的折线型低励限制。低励限 制曲线用五个无功功率值对应五个有功功 率值来设定。低励限制整定曲线见表1。Q影屯QJPQK一般给定 和 C。=K P + C=tg aK 和 C 或二点法确定图 3 直线型低励限制Fig.2 Straight line type UEL (Under-excitationlimiter)2）K Q QPP12C = Q Qi Q2 P2 PP 212圆周型圆心在Q轴上，方程式为,P2 + (Q Q)2 二 r2o Q 二 Q 2 P20Q0,或Ql)、 (P2, Q2)求一般给定r、 用两点（Pl,Q.yp(P?Q)b,Q)
13、图 4 圆周型低励限制Fig.4 Circumference type UEL (Under-excitationlimiter)Q0=2 Q Q1 + Q2P 2 P 2i 厂+ Qi12 r2 = P2 +（Q Q1 0 1orr2 = P 2 +（Q Q）22 0 2由于不同电压水平下容许进相能力是 不同的（相同有功）,所以应根据电压水平P P P34Q = K x P + Clim_ setK Q QK3PP3C QQ _ Q PC = Q 一 43 P3PP 343IfP P P45Q - K x P + C lim_ setK Q QK =54PP54C = Q Q-P4图5 折线
14、型低励限制Fig.5 Broken line tpye UEL (Under-excitation limiter)IfP5P54 PP P 454P(p.u.)P1P2P3P4P5Q set(p.u.)Q1Q2Q3Q4Q5表 1 折线型低励限制整定曲线( 机端电压额 定)Tab.1 Parameters of Broken line tpyeUEL( Terminal voltage is rated )注：低励限制整定值采用标幺值，功率基值为发电机视在功率。Q Ql i ms _e t图中P和Q分别为发电机的有功功率和 无功功率。当发电机的无功出力小于由给定 的P-Q曲线确定的最小容许无功时，低励限 制器输出一个增励信号，增加发电机的励 磁，以增加发电机的无功。3.模型完善的详细说明各分段函数描述如下：If P P1Q = Q lim_ set 1IfPPP12Q = K x P + C lim_ setQ Q2 1P P21以自并励励磁系统为例，对励磁系统的 改进进行说明。改进后的自并励励磁系统如 图 6 、图 7 所示：这是励磁变压器由发电机机端取得励 磁电源的励磁
