电力系统稳定计算研究用励磁系统数学模型库.pdf

J 第 l 8卷 第 3期 1 9 9 4年 5月 电网技术 P o we r S y s t e m Te c h n o l o g y V0 1 8 No 3 M a y 1 99 4 电 力系统稳定计算研究用励磁系统数学模型库 刘 增 煌 吴 中 习 周 泽 昕 7 7 7 ( 电 丽学研究 院， 1 0 0 0 8 5 北京)( 电力 科学 研究 院 1 0 0 0 8 5 北京 A 内 喜 提 要 本 文 介 绍 了 利 用 电 力 系 统 分 析 综 合 程 序 用 户 自 定 义 建 摸 功 能 建 立 的 电 力 系 统 稳 定 计算 用励磁 系统 数学 摸 蛩库 ， 该 库包 括 1 6种励磁 系统数 学 模型 。文 中 阻 8机 电力 系统 为倒 给 出了励磁系统携型和参数对电 系统稳定影响的计算结果。 关 I 调 苎 兰 型， ， 骂 1 前言 励磁 系统 的数学模 型是对同步发 电机励磁 系统物理过程 的数学描述 ，作为 电力系统 机 电暂态 过程数学模型 的重要组 成部分 ，它主要应用于 电力系统 稳定 的分析计 算。 我 国电力 系统 稳定 计算分析 ，长期 以来一 直采 用发电机 暂态电势 ( E )恒 定的模型 ，但该模 型不能精确反映各 种励磁系统的物理过程 。为了提高我 国电力系统稳定分 析计算 的准确 度和 可信 度 ，中国电机工程学会励磁分专业委员 会于 1 9 8 9年成立了 “ 励 磁系统数学模型专 家小组 ” “ 专家 小组”于 1 9 9 1 年 5月提 出 了工 作报 告 计算 电力 系统稳定用励磁 系统数学模 型 ， 这是 我国 自行 研 究建立的第一套励磁 系统 数学模型 。为 了使 专家小组 提 出的模 型能 更 地在 生产 实际 中得 到 应用 ，我们利用 电力系统分析综合程序 的用户 自定义 建模功能 建立 了电力系统 稳定计算 用励磁 系统数 学模型库 。该库 的模型可 以有 效地 模拟 我国电力 系统 中 已有 的绝 大部分励磁 系统 ， 可 满足 目前我国 电力系统 稳定计 算的需要 。 2 励磁系统模型库 同步 发 电机励磁 系统按 励磁 电源 可分 为直流励磁机励磁系统 、 交流励磁机励磁系 统 和静 止励磁系统 。 电力系统稳定计算用励 磁 控 制 系统 的通 用功 能 方 块 图 如 图 l所 示 。励 磁 系 统 的 主要 组 成 部件 有 自动 电 压调 节器( AvRAu t o ma t i c Vo l t a g e Re g u l a t o r ) 、 励磁机 、 功率整流器 、 电力系统 稳 定器 ( P s s P 0 we r S y s t e m S t a b i l i z e r ) 和限幅器等。 励磁系统的数学模型分别由这 些部 件的数学模型 _ 】 组成 。 “ 专家小组 提 出的励磁 系统模型有直 流励 磁机 励磁系统 、 交流励磁机励磁 系统和 图 1 励硅 控制 系统通用 功能方 块圈 ( F u n e fi x a l H0 c k a 蛳o f e 批i md 肿o o a t r o l l s y s t e m) 静止 励磁 系统三大类共十 种模 型。以此为基础 ，并考虑了励磁调节器 电源的特点之后 ，我 们共建 车文 于 1 9 9 3年 8月 0日收 到 。 刘增煌正研轻高级 工程师 1 9 5 7至 1 9 6 1 年就读于哈尔滨工业大学电机工程系 ， 1 9 6 3 年毕业于北京 电力学院并分配到电力 科学研究院系统所 从事发电机励磁控制、电力系统分析和 穗定控制方面工作。 维普资讯 第 l 8 卷 第3 期 电网技术 7 立 了 1 6种励磁系统数学模型 。 2 1 直 流励磁 机励 磁系统 ：共建立 了 6种模型 以模拟不 同的励磁调节 器。 ( 1 )0 4型 ：见 图 2 AVR u 胁 的功率 电源 为发 电机 电流和机 端 电压 ， 两者在直流侧相 加 ， 采 用 以发 电机磁场 电压 为信号的 并 联校正 ，主要用来模拟具有 复式励磁 电压校正器 的直流励 磁 机 励 磁 系 统 ， ( 2 ) 0 5 型 ： 见 图3 ， AVR 的 功率 电源为发 电机 电流和端 电 压 ，两者在交流侧相加 具有 发 电机功 率因数补偿作用( 相 补偿作用 ) 具有以发电机磁 场 电压 为信号 的并 联校 正环节 ， 主要用来模拟具有快速相复 励 调节的直流励磁机励磁 系统 。 ( 3 )0 6 型 ：见 图4 ，功率放 大器 由电力 电子元件组成 ，功 率 电源取 自恒定 电压源 具有 PI D调节和发 电机磁场 电压硬 反馈 ，主要用 来模拟带半 导体 电子 型励磁调节 器并采 用恒定 电源供 电的直流励磁机励磁 系 统 。 ( 4 ) 3 6 型 ； 见 图5 ， AVR 功 率 电源取 自发 电机 机端 电压 ， 其 他 同0 6 型 ，主要 用 来 模 拟 AVR 功率 电源 由机 端变 压器 供 电的直流励磁 机励磁系统 。 ( 5 j 0 7 型 ： 见 图 6 ， AVR功 率 电源 为恒 定电压源 ，有 以磁 场 电压 为信号的并联校正 ，也 是主要用于模拟 带半导体 电子 型励磁调节 器的直流励磁 机励 磁 系统 。 图 2 0 4型励磁 系统 数学 模型 ( M a t h e m a t i c mo d e s o f e x c i t a t i o n s y s t e m t y p e 0 4 ) 图 3 0 5型 励磁 系统数 学 模查 ( M a t h e ma t i c m o d e s o f e xc i t a t i o n s y s t e m t y p e 0 5) =匠互巫 h = 二 f ： u 蛭 “ 。 + H 图4 O 6 查励磁 系统 数学 模型 ( M a t h e m a t i c mo d e s o f e x c i t a t i o n s y s t e m t y p e 0 6 ) 兰兰兰兰 , 堡 f- T 、 卜 图5 3 6 查励磁 系统 数学模 型 ( M a t h e ma t i c mo d e s o f e x c i t a t i o n s y s t e m t y p e 3 6 ) ( 6 )3 7 型 ：见 图7 ，AVR功率 电源取 自发 电机机端 电压 ，其他 同O 7 型 ，主要 用来模拟 由机端 变压器供电的 电子型励磁调节器 的直流励磁机励磁系统 。 维普资讯 8 Po we r S y s t e m Te c h n o l o g y VoI 1 8 No 3 皇 卜 l 口_ 一 图 6 0 7 型 础磁 系 统数 学模型 ( M a t h e ma t i c mo d e s o f e x c i t a t i o n s y s t e m t y p e 0 7 ) 图 7 3 7 型励 磁 系统数 学模 型 ( M a t h e m a t i c mo d e s o f e x c t a t io n s y s t e m t y p e 3 7 ) 2 2 交流励磁机励磁 系统 ：共建 立了7 种模型 ，其 中6 种用于模拟 不可控整流器 系统 ，考虑 了交流 励磁机 的电枢反 应和整流器 的换相 压降 ；第7 种用于模拟可控整 流器 系统 。 ( 1 )0 8 型 ：见 图8，AVR 功 率 电源 取 自同轴 副 励 磁 机 还具有 以磁场 电压为信 号的励 磷机 时间常数的补偿 反馈和并联 校正 环节 ，主 要 用于模拟具 有不 可控 整流 器 的交流 励磁机励磁 系统 。 ( 2 ) 0 9 型 ： 见 图9 ， AVR 的功率 电源取 自副励磁 机 ， L = = = 兰当 l+ l I = ， 图8 0 8 型励 磁 系统 数学 模型 ( M a t h e m a t i c mod e s o f e x c i t a tio n s y s t e m t y p e 0 8 ) 励磁调 节器 采用串联 校正 ( P I D调节 ) ， 具 有以发 电机磁 场 电压为信号的时间常数补偿环节 ，主要 用于模拟带 串联 校正的交流莉磁机静止整流器励磁系统 。 ， # + d 一 除 j 三 西 J 圈9 3 8 型 劢磁 系统 数学 模璺 ( M a t h e m a t i c m o d e s o f Ex c i t a t i o n S y s t e m t y p e 3 8) ( 3 )1 0 型：见图1 O ，同0 8 型一样 ，用于模 拟 由副励磁机 向调节器供 电的不可控整流 的交流励 图 1 0 0 9 型 劢磁 系缝 数学 模 型 ( M a t h e m a t i c m o d e s of e x c i t a t i o n s y s t e m t y p e 0 9 ) 维普资讯 第 1 8 卷 第 3 期 电网技术 9 磁机 系统 。 不 同的是 ， 并联 校正及时 间常数补偿信号均 取 自调节 器的输出电流 ( 即交流励磁机的励 磁 电流 ) ，主要应用于无刷励磁 系统 。 ( 4 )3 8 型 ：见 图 1 1 。 ( 5 ) 3 9 型 ：见 图1 2。 图 l l 3 9 型 励磁 系统 数学 模型 ( M a t h e ma ti c mo d e s o f e x c i t a t i o n s y s t e m t y p e 3 9) ( 6 )4 0 型 ：见 图1 3。 七巫巫 1 一 图1 2 l 0 型 励磁 系统 数学 模型 ( M a t h e ma t i c mo d e s o f e x c i t a t i o n s y s t e m t y p e 1 0 ) 噩亚ln UrU l L 匝 l+ 1 + i r， i 十 图1 3 4 0 型 励磁 系统 数学 模型 ( M a t h e ma ti c mo d e s o f e x c t a t o n s y s t e m t y p e 40 ) 3 8 、3 9 、4 0 型分别与O 8 、0 9 、1 O 型相对应 ，只是 AVR的功率 电源取 自发 电机机端 。 ( 7 )1 1 型 ：见 图l 4 ，没有副励磁机 交流励磁机采用 自励恒压 系统 输 出电压保持不变 励 磁调节是 通过 由交流励磁机供 电的可控整流器的导通角的控制而实现的 ，叉称为交流励 磁机可控 整流器励 磁系统( 他励可控整流器励磁系统 ) 。 +l I 【 u血mr f - ) 图 1 4 1 1 型励 磁 系统 数学 模 型 ( Ma t h e ma t ic mo d e s o f e x c i t a t i o n s y s t e m t y p e 1 1) 维普资讯 1 O Po we r Sy s t e m Te c hn o l o gy Vo 1 1 8 No 3 2 3 静止励磁 系统 ：共 建立了3 种模型 。 ( 1 )1 2 型 ：见 图1 5 ，可控硅 整流器 电源由机端 的整流变压器提供 ，没有旋转部件 ，主要用于 模拟 采用 串联校正 的电压源 可控 整流励磁系统( 自并励系统) 。 斗l u m c U x l ， ， 1 凰固奈埋 僵 图1 5 1 2 型励 磁 系统 数学 模型 ( M a t h e ma t i c mo d e s o f e x c i t a tio n s y s t e m t y p e 1 2 ) ( 2 )1 3 型 ：见图1 6 ，用于模拟复励源可控 整流器励磁系统 ，由机端 电压分量和定子 电流 分量 在交 流侧相加后给 整流器供电 。 以 I( ( 十Kr ， r 置 叩 ) 婶 图 1 6 1 3 型励 磁 系统 数学 模型 ( M a t h e ma tic m o d e s o f e x c i t a t i o n s t e m t y p e 1 3 ) ( 3 )1 4 型 ：见 图1 7 ，同1 3 型 ，但它 更好地模拟 了可控整 流器的特性 。 图l 7 1 4 型 蛐磁 系统 数学 模 型 ( M a t h e ma t i c m o d e s o f e xc i t a t i o n s y s t e m t y p e 1 4) 3 算例 以8 机3 6 节点 系统 为例 ( 见 电力系统分析综合程序例题) ，应 用 电力 系统分析综合程序 自 定义模型版对各种励磁系统模型及其参数对电力系统暂态稳定的影响进行了计算研究。计算中 所采用的故障形式完全相 同，均为1 号机 高压出线三相 短路 ，0 秒故障 ，0 1 秒 切除故障线路 ，比较 1 号机应 用不 同模 型和 参数对计算结果的影响。 表1 给 出了不 同励磁型、 不 同参 数下 的暂态稳定极 限 从表 1 可以看出 ， 励磁系统模型和参数对 暂态稳定有 明显 的影 响 ，最大 差别达6 表2 给出了在1 号机有功负荷为8 0 P u 的条件下， 发电机允许的最小无功负荷。 采用 E 恒定 模型时 ，发 电机不允许进相 ，最小无功负荷为1 1 2 1 P u 。采用1 2 型励磁系统 模型时 ，最小无功负 一 维普资讯 第 l 8 卷 第3 期 电网技术 荷可为一1 3 6 6 p u ， 即允许进相1 3 6 6 p u ； 与或 恒定模型相 比， 可提高无功调节能力2 4 8 7 P u 。 表 1 l 号 机 采 用不同励 磁 系统 模型 及参 数时的 暂 态稳 定极 限 ( l r h e e 仃e n 0 f t h e c l i f f e r e l 1 m o d e l s a nd p a r a m卸 t e r 暑0 f t h e e x e l l a t i o l a$ s t e l ln 岫t b e t r a n s t 蚰 t s t a M l “y l i m i t ) 功率桠限 模型 励 磁 系 统 参 数 百丹比 ( 标 幺值 ) 一 0 7 K一 3 0 T 一 1 0 7 E； 1 0 SE 一 0 3 1 3f 。 ， D 0 4 型 8 3 3 5 l O 0 K ，一 0 0 Z 7 = 0 2 1 1 ， = 1 2 I 一 1 r 一 0 8 l 一 0 1 7 A一 1 O 6 型 8 5 1 O 1 0 2 ，E 1 0 一 5 一 5 0 K ； 1 K c , 一 0 0 2 7 一 Tc一 0 03 T = 0 02 一 1 5 7 F一 1 2 ，一 0 06 0 8 型 K ， 一 l 0 K 一5 0 KG =0 0 2 KD = 1 7 Kt 0 l 8 7 0 9 l 0 4 5 U = 2 l f ， = 4 0 l J 一 5 T 1 - 一 1 c O 8 K = 5 0 K y一 1 8 6 8 6 1 0 4 2 】 2 型 一 5 5 En 一 4 一 l 5 一 一0 0 1 其 余同上 8 8 6 4 1 0 6 表 2 l 号机 采用 不 同励磁 系统 模型 时 的进相 能 力 ( The e f f ec t of t he di f f e r ent m l e l s an d r me t e r s