（电气工程专业论文）大型同步发电机组nrpss在白山发电厂的应用与研究.pdf

华北电力人学t 程硕i ：专业学位论文 士f z ：z明明 i i i ii i ii i ii iri i i ii ii if 17 9 6 6 3 8 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文大型同步发电机组 n r p s s 在白山发电厂的应用与研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学 位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中 特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名： 锋 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名： 日期： 丛剁 华北i 乜力人学t 程硕i ：专业学位论文 摘要 本文基于东北电网白山发电厂3 0 0 m w 机组的n r p s s ( 非线性鲁棒电力系统稳定 器) 现场试验研究，提出并制定一套基于频域测试的n r - p s s 参数整定方法，满足 相应的行业标准要求。进一步基于所提出的频域整定方法完成了n r - p s s 的动态模 拟实验研究以及与古典p s s 的比较分析实验。同时为了考察n r - p s s 在系统发生大 扰动的情况下的性能，在东北电科院的r t d s ( 实时数字仿真系统) 数字动态模拟实 验上进行了一系列大扰动实验，实验结果表明，n r p s s 对于p i d 、p s s 2 a 具有质的 优越性。 关键词：非线性鲁棒控制，频域测试，实时数字仿真系统 a b s t r a c t b a s e do n3 0 0m wu n i t so fb a is h a nh y d r op o w e rp l a n to fn o r t h e a s tc h i n ap o w e r g r i d ，f i e l dt e s ts t u d yo fn r - p s sh a db e e nf i n i s h e d at u n i n gm e t h o do fn r - p s s c o n t r o l l e r sb a s e do nt e s to ff r e q u e n c yd o m a i nh a sb e e np r o v i d e d t h i sm e t h o ds a t i s f i e d p r e c i s i o nr e q u e s ti ni n d u s t r ys t a n d a r d f u r t h e r m o r e ，b a s e do nt h et u n i n gm e t h o do f f r e q u e n c yd o m a i n ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nd y n a m i cs i m u l a t i o no fn r - p s sa n d c o m p a r e dw i t hc l a s s i c a lp s sh a v e b e e nf i n i s h e d a l s o ，i no r d e rt or e s e a r c ht h e p r o p e r t i e so fn r - p s si nt h ec a s eo ft h es y s t e ma r es u f f e r e ds o m el a r g e - d i s t u r b a n c e a s e r i e so fl a r g e d i s t u r b a n c ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e di nr t d sd i g i t a ld y n a m i ca n a l o g e x p e r i m e n to fn o r t h e a s te l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v e s h o w nt h a tn r p s sh a sg r e a ta d v a n t a g eo v e rp i da n dc l a s s i c a lp s s ( i e e ep s s 2 a ) l iz h e n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f j i a n gt o n ga n dl i us h o ur u k e y w o r d s ： n o n l i n e a rr o b u s tp o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ，t e s to ff r e q u e n c yd o m a i n ，r t d s 华北i 乜力人学t 程硕i ：专业学位论文 摘要 目录 第一章绪论 1 1 引。言 1 2 白山发电厂p s s 应用现状 1 3 本文的主要内容 第二章非线性鲁棒电力系统稳定器n r p s s 2 1 鲁棒p s s 的基本原理 2 1 1 非线性鲁棒励磁控制原理 2 2 鲁棒p s s 2 3 小结 第三章n r - p s s 工业装置的研制 3 1e x c 9 0 0 0 励磁系统简介 3 2n r - p s s 实现的硬件基础 3 2 1 调节通道 3 2 2 调节器硬件 3 3n r - p s s 功能的软件实现 3 4 小结 第四章n r - p s s 工业实验及r t d s 实验 4 1 实验技术性能评价标准 4 2 鲁棒p s s 接入方案的确定 4 3 现场试验系统简介 4 4 试验方案的确定及注意事项 4 5n r - p s s 参数整定试验 4 6 现场性能比较试验 4 6 1 负载2 电压给定值阶跃试验 4 6 2 单机稳定极限试验 4 6 3 两机并列运行稳定极限试验 4 6 4 切7 号机试验 4 6 5 无功反调试验 4 7 基于实时数字仿真系统( r t d s ) 的大扰动实验 4 7 1r t d s 实验目的 4 7 2r t d s 实验系统概述 4 7 3 硬件接口连接 4 7 4r t d s 实验内容 4 7 5 负载2 电上k 给定值阶跃实验 8 8 9 9 o 2 7 8 8 9 2 5 6 8 8 9 l 3 4 6 6 7 8 9 9 1 1 1 1 l 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 学t 程顾十专业学位论文 实验 第五章n r - p s s 的经济效益分析 第六章结论 致谢 在学期间发表的学术论文 4 1 4 4 4 4 4 6 4 7 5 1 5 2 参数测试进行2 台并列运行机组的稳定极限实验，从而找出合适的n r p s s 参数来 最大发挥白山发电厂在电网的稳定作用，这十分有意义，同时可以为n r p s s 起到 推广的作用，并为其它水电厂提供参考和借鉴。 目前，白山发电厂抑制低频振荡主要通过励磁调节系统所带功能p s s 2 a 、 n r - p s s 实现，在调度下达投入指令后，将机组的p s s 功能投入。现阶段投入n r p s s 的机组为白山站4 号发电机。n r p s s 装置于2 0 0 6 年1 1 月3 0 日投入系统运行至今 3 9 个月多，白山发电厂4 号发电机共开停机5 8 8 次，装置运行状况良好，达到了设 计要求。经过动模试验、现场n r p s s 与古典p s s 对比试验，试验结果符合国标 g b t 7 4 9 1 7 4 0 9 3 一1 9 9 7 同步发电机励磁系统及电力行业标准d l t 5 8 3 一1 9 9 5 大中型水轮发电机静止励磁系统及装置技术条件的要求。n r p s s 能显著地改 善系统的阻尼特性，提高系统的稳定性。 华北电力人学- t 程颁十专业学位论文 1 3 本文的主要内容 本文主要通过对n r p s s 的安装、调试确定了n r p s s 与a v r 的接入方案，制 定出一套满足我国行业标准的n r p s s 参数整定方法，并容易被现场工程技术人员 接受。通过该方法制定实验方案，完成了n r p s s 的动态实验研究以及与古典p s s 的比较分析实验。根据实验结果，提出白山发电厂未来电力系统稳定器的发展趋势。 本文共分四部分，分别为：n r p s s 理论介绍( 本文第二章) 、n r p s s 工业装 置平台介绍、实验、经济效益分析等四部分。其中n r p s s 理论介绍部分主要是文 献 4 卜 7 、 9 、 1 2 卜 1 5 提出的工作，不是本文的研究成果。 华北i 乜力人学t 程硕l ：专业学位论文 第二章非线性鲁棒电力系统稳定器n r - p s s 2 1 鲁棒p s s 的基本原理 目前我国大多数发电机组采用的仍然是p i d + p s s 的励磁控制方式以及线性最 优励磁控制( l o e c ) 方式。 p i d 控制器是基于古典控制理论的控制方式，其目标是维持机端电压并保证其 稳态精度，它是单输入、单输出、控制单一目标的线性控制器。然而，以电压为单 一反馈的设计会产生负阻尼，进而对电力系统稳定性产生负作用。因此人们设计了 p s s 来改善系统的阻尼特性，并增强系统的小干扰稳定性。但是，p s s 还有其不足： 1 ) 工作频带窄；2 ) 即便在小扰动情况下，在理论上得出的最佳控制效果也是难以 实现的。 线性最优( l o e c ) 控制器根据系统在特定潮流下，以近似线性化为模型，即： 以非线性函数在一点处的全微分代替其增量的近似线性化方法。该方法存在如下弊 端：在系统的实际运行状态与事先定义好的平衡状态存在一定的偏差时，由于系统 具有较强的非线性，这种采用近似方法所得出的线性方程与实际系统相比，会产生 很大的偏差，这将使l o e c 难以发挥应有的作用，某些情况下甚至还可起到反作用。 为了解决上述控制规律存在的缺陷，卢强院士将非线性系统控制理论应用于复 杂电力系统，并推导出电力系统分散非线性最优励磁控制规律。通过仿真测试和工 业试验证明：非线性励磁控制规律克服了基于线性设计方法的励磁控制规律的缺 陷，将小扰动与大扰动情况综合以适用于不同的工况；明显的提高了系统的功率传 输极限，对机组装机容量的利用达到了最大化；s d m ( 状态动态量测) 混合反馈 线性化技术的应用，使得多机系统的分散协调最优控制得以实现；该控制规律表达 式不含系统电网络参数，因此对系统结构的变化有自动适应的能力。 在非线性最优励磁设计的基础上，卢强院士又结合非线性鲁棒控制理论，推导 出非线性鲁棒控制律。因此，采用鲁棒控制律设计的励磁控制器具有较强的鲁棒性。 对于外部干扰等不确定性因素的抑制能力得到了保证，更具有工程实用的意义。 牛北电力人学工程硕i ：专业学位论文 鲁棒励磁控制原理 电力系统是典型的非线性系统，在其运行过程中，总是或多或少地受到各种不 确定性因素或者外部扰动的影响。因此，在研究其控制器时，必须考虑不确定性对 于系统性能的影响。 非线性微分几何控制方法是建立在被控对象精确数学模型的基础上的，它虽然 为非线性控制设计提供了解析的设计手段，然而由于在模型建立时就忽略了模型的 不确定性，从而设计的控制器存在着天生的不足，在不确定性扰动的情况下，难以 达到预期的性能指标。为弥补这一不足，现代控制理论产生了鲁棒控制这一分支， 在系统模型建立和控制器设计中，考虑不确定性对于系统性能的影响，将实际控制 系统看成是一个系统族，在此基础上利用解析方法设计控制器，尽可能使得受控对 象在模型摄动的情况下也能够满足期望的性能指标。 对于一个受外部不确定性扰动的非线性系统来说，它的非线性日。控制规律可 以通过求解一个h j i 不等式来获得，然而h j i 不等式是一个一阶偏微分不等式，数 学上还不能得到它的一般解析解。幸运的是，对于线性的情况，该不等式可以简化 为一个黎卡得不等式，而求解这一代数不等式在数学上并不困难。因此，可以采用 反馈线性化方法将原来的非线性系统精确线性化，然后对于线性化以后的模型设计 其线性日。控制律，最后将这一控制律回代到精确线性化过程中设定的非线性反馈 律中，从而得到原系统的非线性鲁棒控制律。 2 1 1 1 数学模型 考虑一个多机电力系统，并作如下假定： ( 1 ) 同步发电机采用静止可控硅快速励磁方式，即励磁机时间常数z = 0 ( 2 ) 发电机机械功率在暂念过程中保持不变，即只，= 恒定值。 ( 3 ) 在模型中考虑发电机转子上的机械功率扰动w ，；和励磁回路中的电气扰 动w ，；，这些扰动信号满足扩展，空1 8 j 的假设。 采用三阶发电机模型描述为 万= 缈j 一国。 吨2 瓦( 0 0 厶一等c q 一，一考艺+ w ， 。，) 岛= 一警+ 必t d o i 窆j = l 匕c o s ( 即去协饥 i = l ，2 ，刀 华北电力人学t 程硕i ：专业学位论文 其中 己= g “e ，2 + e ，匕2s i n ( 8 # 一嘞) i l 耐 公式各项的物理意义与前面所述一致。该模型可以写为紧凑的形式为 x = f ( x ) + g l ( x ) + 9 2 ( x ) 缈 ( 2 ) 2 1 1 2 多机分散鲁棒励磁控制律的设计 采用与不考虑外部干扰时的标称系统相同的坐标变换和反馈律，则系统可以变为 再令 则原系统转化为 z l = z 。+ l z 。= z 2 。 z 月+ l 2 z 2 月+ i + w 1 i 2 2 。= z 3 。+ w 1 。 z z 剃邓+ 筹 瓦叫+ 等 ；一i v ：里堕塑 8 x z = a z + b l v + b 2 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 对这一线性系统，应用线性日。控制的结论可得到在给定干扰抑制比厂 0 下的次最 优控制规律及最坏干扰分别为 v = 一r b ：p z 旷= 专妒z 拍 华北电力人学丁程硕士专业学位论文 其中，p 是以下黎卡得方程的正定解 a 1p + p a + p b 2 b ：p p b i r - i b ：p + q = o ( 1 ) 对应的性能指标( 即闭环系统l 2 增益小于正数y ) 为 j c o ( zr 9 _ z + v r rv ) d t 7 2 f i | 旷1 1 2d t ( 8 ) 实际上，干扰抑制比y 决定了闭环系统的干扰抑制能力。y 越大，抑制能力越 弱，而7 越小，抑制能力越强。但是由于必须要取得黎卡得方程的正定解，过小的y 有可能使得该方程无解。因此，一般来说7 有其最小值，也即最佳干扰抑制比。但 是通常来说，要求解这一最优问题比较麻烦，同时也没有必要，因此一般是选定一 个相对合适的y ，然后求解得到其次最优解。 根据上面的分析，将线性日。控制律代回到非线性反馈律中，可以得到非线性 鲁棒励磁控制律 = 一手q i 噱+ ( 一螈乙+ u 】+ 簪( 向胪+ 心；缈一b 鲁i 必) ( 9 ) o 耐 1 可见，非线性鲁棒控制器与2 1 节中介绍的非线性最优控制器具有完全相同的 表达形式，它们的差别在于反馈系数的计算不同，非线性鲁棒控制器在设计反馈系 数的时候考虑了对于外部干扰的抑制，因此设计出的控制器对于外部干扰具有确定 的抑制作用，可以保证控制器的鲁棒性。而非线性最优控制器在设计反馈系数的时 候，并不考虑控制器对外部干扰的抑制，因此不能确保控制器具有预期的鲁棒性能。 事实上，容易看出，非线性最优控制器正是非线性鲁棒控制器器在干扰抑制比，趋 向无穷大时的一个特殊情况。 2 2 鲁棒p s s 前面在叙述的时候，均采用了非线性励磁控制器的说法，但实际上在控制器的 设计过程中并没有考虑对电压的控制。因此前面设计的简单来说只是一个非线性的 p s s ，它单独投入并不能满足电力系统运行的要求，必须再加入电压闭环的反馈控 制才能构成完整的励磁控制器。在后面的论述中，我们把前面提到的不考虑电压调 控的非线性励磁控制器称之为非线性p s s ，对应于最优控制和鲁棒控制分别称之为 非线性最优p s s 和非线性鲁棒p s s 。而在考虑系统电压调控时，借鉴常规的 华北i 乜力人学t 程顾 ：专业学位论文 a v r + p s s 的结构，在非线性动态p s s 运行时加入a v r 闭环，这样非线性动态p s s 与a v r 共同作用构成完整的励磁控制器。 2 3 小结 本章介绍了非线性最优励磁控制及非线性鲁棒励磁控制的数学模型，在此基础 上对多机分散鲁棒励磁控制规律设计进行了介绍。 华北电力人学t 程硕：l ：专业学位论文 第三章n r - p s s 工业装置的研制 要将n r p s s 转化为现实生产力，不仅仅需要先进的控制理论和设计方法的指 导，同时还需要领先的硬件装置和软件平台，才能最大限度地发挥其技术优势。 n r p s s 控制规律的解析表达式相对其它励磁控制方式更为复杂，需要计算较多的反 馈量、状态量以及导数运算，需要保证计算的快速性和精度性以及硬件设备的充分 可靠性，这对励磁调节器的软硬件设计提出了更高的要求。而近二十年来，随着现 代计算机信息处理技术和电力自动化设备的高速发展，也使得n r - p s s 推广应用具 备了可行性。 硬件资源方面，除了要保证能获取n r p s s 所需的模拟量，还要保证采样和计 算的快速性和精度；另外，n r p s s 的工业化实现需进行大量验证及功能性试验，还 要预留试验接口。而对软件的要求，不仅要有开放的结构及良好的编程语言环境， 利于n r p s s 程序的编制和移植，同时又要保证移植程序的j 下确性、可靠性以及扩 展性，并要求有一套方便修改、监测n r p s s 相关参数的合适的调试软件等。 3 1e x c 9 0 0 0 励磁系统简介 e x c 9 0 0 0 型全数字式静态励磁系统是广州电器科学研究院开发的第四代微机励 磁系统，其主要特点是功能软件化、系统数字化。其中系统的数字化不仅体现在调 节器，也体现在功率柜和灭磁柜。励磁系统的各个部分均能实现智能检测、智能显 示、智能控制、信息智能传输和智能测试，极大地提高了装置的可靠性和工艺水平。 e x c 9 0 0 0 励磁系统吸收了目前数字控制领域先进的研究成果和工艺，增添了新 的解决方案和手段，如d s p 数字信号处理技术、可控硅整流桥动态均流技术、高频 脉冲列触发技术、低残压快速起励技术、完善的通讯功能和智能化的调试手段等。 此外，现场总线技术也被用于励磁系统的各个部分进行控制和信息交换，使励磁装 置成为一个有机的、完整的整体。 e x c 9 0 0 0 型励磁调节器具有独立的数字数字模拟三通道、两种不同的调节组 态。每个调节通道配有一套独立的智能化故障检测系统，调节器采用多c p u 模式协 同工作，分工合理、运算速度快、功耗低，可以在全封闭环境罩工作，无需散热风 扇，采用标准的欧洲卡结构和尺寸及高密度的针一孔连接器，抗冲击、抗振动能力 强。调节器人机界面采用智能触摸屏，具有多层三维汉化画面，不仅可以直观地显 示励磁系统的运行工况，也可用作现场调试工具，实现智能化调试。调节器对外接 华北i l 王力人学下程硕一i ：专业学位论文 口方式灵活多样，通讯规约简单实用，可满足不同监控系统接口的需要。调节器在 电路设计、工艺结构等方面采取了多种抗干扰措施，充分发挥了屏蔽、接地、滤波、 布线设计的作用，显著降低了调节器的故障率，并通过了国家级试验室的电磁兼容 性检验。 基于e x c 9 0 0 0 型励磁调节器研制的n r - p s s 工业装置如图3 - 1 所示。 图3 - 1 n r p s s 工业装置 3 2n r - p s s 实现的硬件基础 3 2 1 调节通道 e x c 9 0 0 0 励磁调节器为双微机三通道调节器，其中a 、b 通道为微机通道，其核 心控制器件是3 2 位总线工控机，c 通道为模拟通道。其中h 通道为主通道，测量信 号通过机端第一套电压互感器b v l 和电流互感器b a l 取得；b 通道为第一备用通道， 测量信号通过机端第二套电压互感器b v 2 和电流互感器b a 2 取得；从励磁变压器副 边采集的三相同步电压信号供三个通道公用，从整流变副边电流互感器取得的励磁 电流信号也供三个通道公用。 三通道调节器采删微机微机模拟三通道双模冗余结构，由两个自动电压调节 华北电力人学工程硕i ：专业学位论文 一个手动调节通道( c ) 组成，这三个通道从测量回路到脉冲输出 三通道以主从方式工作，正常方式为a 通道工作，b 通道及c 通道 自动跟踪a 通道。可选择b 通道或c 通道作为备用通道。当a 通道出现故障时，自 动切换到备用通道运行。c 通道总是自动跟踪当前运行通道；同样，当b 通道投入 运行后出现故障，自动切换到c 通道运行。三通道之间的结构关系如图3 - 2 所示： 3 2 2 调节器硬件 图3 2 调节通道配置图 e x c 9 0 0 0 调节器硬件方框图如图3 3 所示，主要由a 、b 、c 三个调节通道、模 拟量总线板、开关量总线板、人机界面、接口电路等组成。其硬件包括： ( 1 ) 两个微机调节通道，其中每个调节通道包括：一块c p u 板、一块d s p 测量板 和一块i o 板； ( 2 ) 一块模拟量总线接口板( 含独立的手动控制通道) ； ( 3 ) 一块开关量总线接口板； ( 4 ) 一块单片机系统板； ( 5 ) 一块智能i 0 板： ( 6 ) 一套人机界面。 华北电力人学t 程硕l ：专业学位论文 图3 3 调节器硬件方框图 e x c 9 0 0 0 调节器的a b 通道为数字式励磁调节器，采用多c p u 模式的硬件结构， 几个c p u 协同工作，各有分工。 主c p u 采用i n t e l 系列c p u ，是一块高集成化的的单板计算机，具有所有工业 计算机的功能，核心器件为4 8 6 d x 5 - 1 3 3 ，适合于嵌入式应用。利用其通用处理能力 强、对外接口资源较多和周边支撑软硬件多的特点，作为核心处理器，完成励磁调 节控制。其主要功能包括调节功能：调节功能( 给定值预置，a v r 调节器( p i d + p s s ) 、 f c r 调节器、调差、恒无功功率因数附加调节、软起励、通道跟踪、系统电压跟踪 等) ：限制功能( v f 限制、过励限制、欠励限制、强励限制) 以及其它功能( 参数 在线修改、录波、防误操作等) 。 d s p 板是一块专用智能d s pa d 采集板，实现3 4 路模拟量输入的同步采集和高 速转换，以及1 6 位数字量输出。该板采用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 3 3 1 2 0 芯片作为智 能元件，有实时处理大量数据的能力，适用于数据采样及处理。主要用于实现3 4 路模拟量输入的同步采集和高速转换，以及1 6 位数字量输出。主c p u 可以通过1 6 位双口r a m 芯片随时读取采集或运算结果。d s p 板采用数字地与模拟地一点短接以 获取最高的转换精度。其主要功能有( 1 ) 数据采集：机端p t 、c t 、系统p t 、励磁 副边c t 、p s s 试验信号；( 2 ) 数据计算：机端电压、机端电流、系统电压、励磁电 流、电压频率、有功功率、无功功率；( 3 ) 数据传递：将上述数据存储在双口r a m 存储器，供主c p u 采集调用。 多功能的i 0 板符合a t 9 6 总线规范。它提供4 路模拟量输出，3 2 路开关量输 入( 其中包括2 4 路光隔输入+ 8 路t t l 电平输入) 、2 4 路开关量输出( 其中包括8 路光隔输出+ 1 6 路t t l 电平输出) 通道和c a n 总线通讯接口。其主要功能为：( 1 ) 接收对调节器的控制指令，增减磁、起励、逆变、并网、p s s 投入等；( 2 ) 实现调 节器与现场总线的通讯，将调节器与c a n 现场总线连接，实现调节器与l o u 、智能 1 0 及人机界面的数据交换；( 3 ) 调节器的故障信号输出，包括p t 故障、同步故障、 乜力人学- t 程硕i ：专业学位论文 号的输出，输出数字式脉冲信号到开关量总线板， 另外，每个通道用单片机实现独立的故障检测，避免调节器本身故障时不能自 检的情况，提高了运行的安全性。 调节器的人机界面采用彩色液晶触摸屏，是实现调节器和运行操作人员人机交 流的主要工具，具有以下功能：( 1 ) 具备机组运行参数显示、运行状况显示功能， 并有故障报警指示；( 2 ) 通过人机界面的触摸按键，可以实现机组参数设定、起励、 残压起励功能投退、通道跟踪、系统电压跟踪、调差率设定等操作；( 3 ) 当励磁系 统出现故障时，可以提供报警画面。( 4 ) 故障追忆：对于励磁系统故障或者异常工 况的产生和复位时间有详细的时间记录，可以追查已发生的超过1 5 0 个以上的故障 或异常工况信息。( 5 ) 试验：通过触摸按键，可以完成空载阶跃、负载阶跃以及p s s 的相关试验操作。 e x c 9 0 0 0 的电源系统采用交、直流并列供电。其自用变压器的原边电源取自功 率整流柜交流输入端。一般情况下，当发电机机端电压大于6 0 额定电压以上时， 自用变压器电源即可正常工作。当发电机正常运行时，任一路电源消失均不会影响 励磁装置正常工作。 励磁调节器工控机的工作电源为1 2 v 和+ 5 v ，同样由上述自用变压器及直流 操作电源并列供电，经过两台开关电源后分别送往a b 调节器通道，每个通道对应 独立的1 台开关电源，设有独立的电源控制开关，1 台开关电源断电后，不会影响 另一个调节器的正常运行。 e x c 9 0 0 0 励磁调节器由于其具有丰富的硬件资源，不必做大的改动即可满足 n r p s s 的硬件资源要求。为了更方便操作，在调节器面板上增加了古典p s s 和 n r p s s 的投切开关。 3 3n r - p s s 功能的软件实现 e x c 9 0 0 0 调节器软件使用c + + 语言编写，使用面向对象的编程方法，使软件本 身具备良好的可移植性和可维护性。其主c p u 程序与中断服务流程以及d s p 采样程 序及中断服务流程如下图3 4 和图3 5 所示。中断服务程序中的调节及附加控制即 包括机端电压p i d 控制以及常规p s s 和n r - p s s 的控制。 华北, t e j j 人学- t 程硕。t ：专业学位论文 甲甲 i 主程序开始ll 中断开始 l 陬南 j i 敦据采囊 1 禽 0 ii ，o 命令处理l i 运行方式控制i l 蹋踪删i 调节及附加j 空制 啊音 0 眄岛 l 限撇嚏1 0 i 调u 节o i 黜i , 卅, l n 吏。a b 图3 - 4 主c p u 程序与中断服务程序流程 图3 - 5 d s p 采样程序与中断服务程序流程 在常规e x c 9 0 0 0 励磁系统中，调节控制环节使用的基本模块都已经完成设计并 通过验证，如超前滞后环节、滤波器、限幅、p i d 模块等。因此实现n r - p s s 时只要 根据n r - p s s 控制规律工程实用化的算法流程( 图3 6 所示) ，调用原有的各个函数 模块计算流程图的各个中间步骤，即可实现n r p s s 功能。 图3 6 n r p s s 工程实用化计算流程 在e x c 9 0 0 0 励磁调节器中，古典p s s 与n r p s s 分别封装成程序功能块置于调 节器主程序中。二者的投退可由位于调节器面板上综合投切开关开关控制。二者与 自动电压调节器( a v r ) 的接入如图3 - 7 所示。 图3 7 古典p s s 和n r p s s 与a v r 接l 其中：p s s u k 为p s s 2 a 输出加入点，n r p s s u k 为n r - p s s 的输出加入点，u c 为控 制通道的总输出。 n r p s s 的各个参数的设置如下表所示： 华北电力人学t 程硕j ：专业学位论文 表3 1 ：n r p s s 参数表 编号名称简要说明单位最大最小典型值 5 3 p p s s i n p s s 投入功率标幺 0 90 5 4 p p s s o u t p s s 退出功率标幺o 9o 1 1 0 1 = i 发电机惯性时间常数秒3 0 00 5机组常数 l l lt d o 定子开路励磁时间常数秒3 00机组常数 n r p s s 转子角偏差反馈 1 1 2k l 标幺 3 0 0o 系数 1 1 3k 2 n r p s s 中转速偏著反馈系数标幺 3 0 0o 1 1 4豳 n r p s s 中功率偏差反馈系数标幺 3 0 0 o 1 1 5l l n r p s s 转子角偏差反馈系数标幺 3 0 0 0 1 1 6l 2 n r p s s 中转速偏差反馈系数标幺 3 0 0o 1 1 7 l 3n r p s s 中功率偏差反馈系数标幺3 0 00 1 1 8x d 发电机d 轴电抗标幺 3 0 0机组常数 1 1 9 x q发电机q 轴电抗 标幺 3 0o 机组常数 1 2 0x d -发电机d 轴暂态电抗标幺3 00机组常数 1 2 lr 发电机定子电阻标幺 3 0 0机组常数 1 2 2 i q m i n发电机q 轴电流最小限幅值 标幺 3 000 1 1 2 3m i n l i m i t n r p s s 限幅下限标幺 111 1 2 4m a x l i m i tn r - p s s 限幅上限标幺111 1 2 5t cn r p s s 输出滤波时间常数秒3 00o 0 3 1 2 6 k n l p s s n r p s s 总输出增益标幺 3 00 4 1 2 7 t _ e qq 轴电势隔直时间常数 秒 3 001 6 1 2 8 t _ o m e g a 转速隔直时间常数 秒l o o01 6 1 2 9td e l t a转子角隔直时间常数秒1 0 001 6 1 3 0 t _ p o w e r 有功功率隔直时间常数秒1 0 001 6 1 4 5 c 2 n r p s s 系数标幺 2 00 1 4 9 c l n r p s s 系数标幺2 00 e x c 9 0 0 0 励磁调节器的调试软件d e b u g 利用调节器提供的通讯接口，为用户提供一 个与调节器进行交互的可视化接口，方便用户对调节器进行参数整定和对调节器、 励磁系统进行试验，具有以下功能和特征： 华北电力大学工程硕卜争业学位论文 的示波器功能。可以同时显示1 l 路模拟信号，每一路信号可以独 颜色设置、缩放、平移等操作；每个模拟通道具备6 5 0 0 点的存 储深度和l o m s 点的分辨率；丰富的波形转储功能，可以将波形存储为数据文件、 单色波形和彩色波形的b m p 文件。 ( 2 ) 参数操纵功能。可以上载、下载e x c 9 0 0 0 励磁调节器的参数表；参数表具备版 本控制功能，可以自动验证参数的有效性；每个参数都具备一组约束条件，可以有 效防止错误参数的输入；参数表分组功能，方便用户从数量众多的参数表中寻找特 定的参数：参数对比功能，可以将当前参数表中的参数与默认值或者存储在文件中 的参数表进行对比；参数转储功能，可以将参数转存为数据文件或者文本文件。 ( 3 ) 命令接口。使用d e b u g 软件，用户可以方便地控制e x c 9 0 0 0 励磁调节器执行各 种操作。包括执行各种模式切换、阶跃试验、设置e x c 9 0 0 0 励磁调节器事件记录和 录波功能的触发条件等。 ( 4 ) 更新程序功能。通过与e x c 9 0 0 0 励磁调节器配合，可以下载各种文件到励磁调 节器，执行调节器软件的更新操作。 ( 5 ) 采用c + + 语言编写，使用面向对象的设计方法，提高了程序的可读性和可维护性。 调试软件的画而如图3 - 8 所示。 曼l 锺i 丑棒 rb 1 o 劬o 一5t 柚 麓 ?“i2 臻 ：= ： ；器 莓 sk 2 m8 eho _ ，h n0 m 离 目i t a $0 一 目h ii o a 1 0h oi le口札0o l gt m00 0 0 # l 量0 o 2 l * t 已o q 糟* 圯囊0 啪 啦姑0i 2 4 吣0 m m 脚io h 旺o t 整1 咖哪 m1 - 1 jn o m *noi o o ns m ! 已：竺盛 矗蠡【；“j “t 嚣 州 晡 口- 期峨r m n o 脚p 啪戤 rnr _ o 椭 m mr i 它 。绷 一 o # z l a 鳓a 扫雌 习o m 删 h m io 相瞄行 目墨龋。胴 。n o - 曩 j i ：! i ，。- j ! j 图3 - 8 调试软件界面 华北i 乜力人学t 程硕卜号业学位论文 3 4 小结 本章介绍了e x c 9 0 0 0 励磁调节器的硬件设备和软件平台基础，结合该调节器各 方面的性能具体分析了以其为基础作为n r p s s 工业平台的可行性；进一步阐述了 n r - p s s 在其软件平台的调试与实现，以及人机交互操作。 华北电力大学t 程硕一l j 专业学位论文 章n r - p s s 工业实验及r t d s 实验 如前所述，鲁棒p s s 设计的适用对象主要是采用自并励静止励磁系统的大中型水轮 发电机，其性能有待实验验证。 对于在3 0 0 m w 机组上的工业试验，为了保证实验的安全性、可靠性、公正性，实 验前分别编制了技术措施与安全措施，与实验方案一同汇编成实验大纲。专门设立实验 组织机构，负责措施、工况的协调及保障。 本次实验目的为：确定n r p s s 与a v r 的配合方式，使其能够在满足国标( g b t 7 4 0 9 3 1 9 9 7 ) 关于大中型同步发电机励磁系统技术要求以及电力行业标准( d l t 6 5 0 1 9 9 8 ) 关于大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件的前提下，在电力系统正 常工况或者故障条件下，大范围显著改善电力系统的小干扰稳定性和暂态稳定性，并且 保证较好的电压水平；制定一套适合现场技术人员掌握的n r p s s 参数整定方法；比较 n r p s s 与古典p s s 抑制震荡技术指标的优越性；用r t d s 建立一套与现场工业试验参 数一致的数字仿真系统，验证r t d s 系统模型的精确性，进一步在r t d s 上进行大扰动 实验。 4 1 实验技术性能评价标准 基于国标( g b t7 4 0 9 3 1 9 9 7 ) 和电力行业标准( d l t6 5 0 1 9 9 8 ) ，实验大纲 编制了与非线性动态p s s 实用化设计和仿真测试相关的一些技术要求，以便于非线 性动态p s s 设计以及a v r 配合的参数调整和性能评价。具体评价标准如下： 1 励磁系统电压响应时间应不大于0 1 s 2 励磁系统应保证发电机电压静差率1 3 励磁系统稳态增益应保证发电机电压静差率达到要求；励磁系统动态增益 应保证发电机电压突降1 5 2 0 时可控桥开放至允许最大值 4 励磁控制系统给定的电压阶跃响应应满足以下要求： a ) 发电机空载阶跃响应：阶跃量为发电机额定电压的5 ，超调量不大于 阶跃量的3 0 ，振荡次数不大于3 次，上升时间不大于0 6 s ，调节时间 不大于5 s b ) 发电机额定负载时阶跃响应：阶跃量为发电机额定电压的2 4 ，有 功功率振荡次数不大于5 次，阻尼比大于0 1 ，调节时问不大于1 0 s 华北电力人学t 程硕卜争业学位论文 5 发电机零起升压时，自动电压调节器应保证发电机电压最大值不大于额定 值的1 1 0 ，振荡次数不大于3 次，调节时间不大于l o s 6 励磁控制系统应保证在发电机甩额定无功功率时发电机电压最大值不大于 额定值的1 1 5 7 自动电压调节器应保证能在发电机空载额定电压的7 0 一1 1o 范围内进行 稳定、平滑调节。电压分辨率应不大于额定电压值的0 2 8 在发电机空载运行情况下，频率每变化额定值的l ，发电机电压的变化不大 于额定值的0 2 5 9 励磁系统在发电机近端发生对称或不对称短路时应保证正确动作 4 2 鲁棒p s s 接入方案的确定 古典p s s 对a v r 的接入方式一般有两种，即：串联与并联。 串联方式：p s s 的输出信号直接与a v r 的输入信号相迭加，通过a v r 输出至励 磁机，其目的是对励磁输出做相位补偿，为系统提供正阻尼。同时为了避免p s s 对 a v r 产生过大的干扰，必须对p s s 的输出进行幅值限制，并且为了防止其对系统稳 态电压造成影响，还应该在p s s 的输入端加上隔直环节。该结构示意图如图4 一l 。 图4 - 1 古典p s s 与a v r 的串联接入方式 并联方式：p s s 的输出与a v r 的输出在励磁机前直接相迭加。为了防止其对系 统稳态电压造成影响，仍需要在p s s 的输入端加上隔直环节。此种组合方式下，可 以适当放宽p s s 的输出限幅。该结构示意图如下 华北电力大学t 程硕上专业学位论文 图4 - 2 古典p s s 与a v r 的并联接入方式 动和小扰动下均要发挥其调节能力，过于严重的限制其幅 值输出将严重影响其调节效果。另外，鲁棒p s s 没有按照一般线性系统和经典控制 理论的幅频响应特性思路进行设计，若采用串联方式与a v r 接入，鲁棒p s s 的输出 对于系统的作用将是不可预测的，这样就偏离了原设计的根本出发点；而采用并联 的接入方式，其信号在励磁输入前完成叠加，这样其物理意义与数学模型及设计目 标能较好地对应。因此，对于采用鲁棒p s s 控制器的系统，应当采用与a v r 并联接 入的接入方式。 在并联接入方式下，对于非线性p s s 与a v r 的配合有两种方案，分别称为电压 内环反馈方案和电压外环反馈方案。 4 2 1 电压内环反馈方案 电压内环反馈方案指的是将机端电压偏差通过比例反馈，线性叠加到精确反馈 线性化后系统的虚拟控制输入上( 如图4 3 ) ，这样实际得到的励磁电压控制规律中 将比原来不考虑a v r 时的控制规律多出一项关于电压偏差的反馈项ka k ， 为端电压偏差的非线性函数。基于内环反馈方案的非线性p s s 与外部系统的接口关 系如图3 - 3 所示 蚪i 飞：) 圉 4 2 2 电压外环反馈方案 图4 3 电压内环反馈方案 电压外环反馈方案是将鲁棒p s s 的输出与设计好的a v r 的输出进行线性叠加， 然后将叠加后的信号作为励磁回路的控制输入。这样做的思路来源于常规a v r + p s s 华北电力人学t 程硕l ：专业学位论文 的设计。常规的p s s 输出信号是作为辅助信号叠加到a v r 的输入端，通过调整p s s 的参数来补偿a v r 所产生的相移，从而实现对系统的阻尼。同样，鲁棒p s s 也应该 作为是整个励磁系统设计的辅助信号，其目标就是加强系统在某一频段的阻尼，以 及改善系统的稳定性能。但是从鲁