（电力系统及其自动化专业论文）暂态稳定分析中励磁系统研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n t e r c o n n e c t i o no fw i d e a r e ap o w e rs y s t e m si no u rc o u n t r yh a se m e r g e di ni t s e m b r y o n i cf o r m w e ，h o w e v e r , h a v ee n c o u n t e r e dal o to fp r o b l e m si nt h ep r o c e s so f g u a r a n t e e i n gt h es o u n da n de c o n o m i c a lf u n c t i o n i n go fi t ，a m o n gw h i c hh o wt og e t i n f o r m e do ft h ec i r c u l a t i o no ft h ep o w e rs y s t e ms p e e d i l ya n dt r u l ya n dg i v ec r i t i c a la n d v a l i dg u i d a n c ea c c o r d i n g l ya r et h em o s ti m p o r t a n ta n du r g e n to n e a sar e s u l t , t h e d e v e l o p m e n to fr e a l t i m es i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rl a r g es c a l ep o w e rs y s t e mb e c o m e s i n c r e a s i n g l yp r e s s i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o w e rs y s t e ms u g g e s tt h a tac o r r e c t m o d e lt os i m u l a t et h ec i r c u l a t i o no ft h ep o w e rs y s t e mi sn e e d e d i nt h er e g u l a t i o n sf o rp o w e rs y s t e m ss t a b i l i t ya n ds e c u r i t ye s t a b l i s h e db yt h e s t a t eg r i dc o r p o r a t i o ni n2 0 0 6 ，t h es t a n d a r dm o d e l so fe x c i t a t i o ns y s t e m , w h i c hw e r e u s e dt oa n a l y z es y s t e md y n a m i c s t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o ni sh o wt o r e a l i z et h o s em o d e l si nt r a n s i e n ts t a b i l i t ya n a l y s i s t h i sp a p e rf i r s t l ys u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to fe x c i t a t i o ns y s t e m , w o r k i n g p r i n c i p l ea n df u n c t i o n i nt h eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m t h e nt h ef u n c t i o na n d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fe a c hu n i to ft h ee x c i t a t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a l t e r n a t i v ee v a l u a t i o nm e t h o da n ds i m u l t a n e o u ss o l u t i o nm e t h o d , w h i c ha r et h et w o m a i nm e t h o d st os o l v es i m u l t a n e o u se q u a t i o n si nn u m e r i c a li n t e g r a la l g o r i t h mf o r t r a n s i e n ta n a l y s i s ，w e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h e nt h eb i d i r e c t i o n a li t e r a t i o n a l g o r i t h mw h i c hi n t e g r a t e sa d v a n t a g e so ft h ep r e v i o u st w oa p p r o a c h e si s i n t r o d u c e d h e r e a f t e r h o wt oo b t a i nt h ed i f f e r e n c ee q u a t i o na n di n i t i a lv a l u eo fs t a t ev a r i a b l e si s a ni m p o r t a n ts t e pi nt h et r a n s i e n ta n a l y s i s d i r e c tc u r r e n te x c i t a t i o ns y s t e m , a l t e r n a t i n gc u r r e n te x c i t a t i o ns y s t e ma n ds t a t i c e x c i t a t i o n s y s t e ma r ed e d u c e da s e x a m p l e st oe x p l a i nt h ei m p o r t a n c e o ft h i s v e r ys t e p a tl a s t ，t h er e a l i z a t i o no f e v a l u a t i o ns y s t e mi ss t u d i e di nt h ei e e e4 - m a c h i n e11 一b u st e s ts y s t e m t h es i m u l a t i o n r e s u l t sc a nw e l la p p r o x i m a t et ot h a to fb p a t h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e da p p r o a c hi s v e r i f i e d k e yw o r d s ：t r a n s i e n ts t a b i l i t y , e x c i t a t i o ns y s t e m , d i f f e r e n c ee q u a t i o n ， m a t h e m a t i c a lm o d e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得鑫洼盘堂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： 互务隽 签字日期： 解占月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 互兔多 签字日期：矽叮年月5 日 导师虢高 签字日期：伊召 f 毛膨 年昨日 y 第一章概述 1 1 引言 第一章概述 电力系统安全稳定运行对国民经济和社会文明至关重要，随着电力系统规模 的不断扩大，单机容量的提高，电力系统正朝着大型联合电力系统的方向发展， 这是世界电力系统发展的大趋势，也是我国电力工业发展的趋势。目前我国已经 形成东北一华北一山东一华中一川渝交流互联电网、华中一华东直流互联电网、 华中一西北背靠背直流互联电网以及华中一南方直流互联电网。此外，电力系统 市场化的推广和实施，联络线的作用从紧急支援延伸到经济换电而接近稳定极限。 然而，电网规模日渐庞大带来的巨大经济利益的同时，也给系统的安全、稳 定运行提出了新的要求，一旦发生故障，很可能引起大规模的电网瓦解，会导致 巨大的经济损失，更严重的会危及公共安全和社会秩序。近年来类似的严重事件 频频发生，2 0 0 3 年8 月1 4 日，美国中西、东北电网以及加拿大东部联合电网发生 震惊全球的大停电，影响了5 0 0 0 万人的生活，美国方面直接及间接损失达到4 1 0 亿美元，在加拿大，当月的国民生产总值下降了0 7 。随后，英国、澳大利亚、 马来西亚、芬兰、丹麦、瑞典和意大利等国又相继发生了较大面积的停电事故。 2 0 0 5 年9 月2 6 日，我国海南电网因台风自然灾害引发连锁故障跳闸，海南主网崩 溃，发生大面积停电事故【l j 。 鉴于大电网的大停电事故造成巨大的经济损失以及负面的社会影响，保证系 统安全稳定运行已经被各国视为国家战略安全最重要的一部分。而在保证系统安 全稳定运行的体系中，对电网动态响应的分析和计算是一个十分重要的环节。 1 2 电力系统数字仿真 电力系统原型是一个由各种电气设备和控制装置构成的整体，其数学模型包 括描述设备动态特征的微分方程和描述设备之间电气联系的代数方程；设备电气 联接关系在运行中可能改变，如机组的启停、线路开断等，并带有连续和离散的 时变参数；扰动场景可能非常复杂，不但网络拓扑和参量可能相继突变，而且存 在分层分散的人工干预和自动控制；一般可将电力系统数学模型用高维非线性、 非自治的分时段微分一代数方程组来描述。 第一章概述 电力系统安全运行对于社会文明和国民经济至关重要。为了保证电力系统的 安全、经济运行，在规划、设计、运行时要对其静态和动态特性进行充分研究。 由于经济性、安全性等因素，在实际系统上进行试验和研究常常会遇到很多 困难，甚至是不可能的。因此，利用模型系统进行试验和研究是一种有效的途径。 最初，人们把实际电力系统的各个部分，如发电机、变压器、输电线路、负荷等 按照相似理论设计成物理模型，并组成一个电力系统模型，来代替实际电力系统 进行各种正常和故障状态的试验和研究，即电力系统动态模拟。 随着电力系统的发展，系统规模和复杂程度发生了很大变化，动态模拟在应 用中受到很大限制，如规模难以做得很大，一些破坏性试验也不可以做等。2 0 世 纪5 0 年代以来，数字计算机和数值计算技术突飞猛进，随之出现了用数学模型代 替物理模型的新型模拟系统。根据研究问题不同，在一定简化假设基础上抽象出 电力系统的数学模型，通过软件在计算机上复现电力系统的内在特性，即电力系 统数字仿真。 电力系统动态过程十分复杂，其不同时间窗体下动态过程的表现形式有显著 的差别。对于不同的动态，需要建立不同的模型和算法，而短期动态和长期动态 过程往往又存在刚性问题。电力系统动态全过程可划分为以下几个阶段：电磁暂 态、机电暂态稳定和中长期动态。 电磁暂态过程仿真：使用数值计算方法对电力系统中从数微秒到数秒之间的 电磁暂态过程进行仿真模拟。电磁暂态仿真的数学模型建立在系统各元件的代数 或微分、偏微分方程基础上，其数学模型中的状态变量对应的是系统动态过程中 的电压电流的时域值。目前普遍采用的电磁暂态过程仿真软件有电磁暂态程序 e m t p 2 1 。 机电暂态过程仿真：主要研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受n d , 扰 动后的静态稳定性能。其中暂态稳定分析是研究电力系统受到诸如短路故障、切 除线路、发电机、负荷，发电机失去励磁或冲击性负荷等大扰动作用下，电力系 统动态行为和保持同步运行的能力。 电力系统机电暂态的数学模型可以表述为微分，代数方程组联立的形式，模 型中系统电压电流的状态量对应的是每一时刻的基频正序量。目前，国际上常用 暂态仿真软件有美国p t i 公司的p s s e 3 1 ，美国e p 刚的e t m s p 【4 j ，以及国际电气产 业公司开发的程序如：a b b 的s y m p o w 程序。国内常用的机电暂态仿真程序是电 力系统综合程序( p s a s p ) 【5 】和中国版b p a 。 中长期动态仿真：电力系统受到扰动后较长过程动态仿真。一般要计入在机 电暂态仿真中不考虑的电力系统长过程和慢速的动态特性，包括发电厂热力系统 第一章概述 和水利系统以及核反应系统的动态特性，以及继电保护系统、自动控制系统的动 态行为等。长过程动态稳定计算的时间范围可从几十秒到几十分钟，甚至数小时， 主要用来分析电力系统较长时间的动态特性。长期动态仿真也是通过联立求解描 述系统动态的微分代数方程组，其电气量通常也采用基频正序模型，与暂态模型 的主要差别在于关注的模型动态时间不同，动态时间跨度大，刚性问题突出。目 前国际上主要的长过程动态稳定计算程序有：法国电力公司开发的e u r o s t a g 6 】 程序、美国电力科学研究院的l t s p t7 1 、美国通用电气公司开发的e x t a b 8 1 ，另外， 美国p t i 公司的p s s e 和捷克电力公司的m o d e s 也具有长过程动态稳定计算功能。 动态全过程仿真的意义在于，按照传统的动态划分在做中长期动态仿真时暂 态仿真的一部分动态被忽略或者处理为代数方程，而暂态仿真忽略电磁暂态过程 中非基频的那一部分动态。而现在电力系统规模越来越大，各种新型复杂控制器 的不断投入使用，使得系统的动态越来越复杂，往往短时间动态会对长时间动态 产生一定的影响。因此研究电力系统动态过程，动态全过程仿真成为一个重要的 研究方向。 1 3 课题的研究背景和意义 我国全国范围内的大区域电网互联电力系统已经逐步形成，我国全国联网系 统拥有近万条母线以及近千台发电机，同时各区域之间的联络线既有直流又有交 流，是一个非常复杂的超大规模电力系统。如何保证大规模互联电力系统的安全 稳定和经济运行是一项有重大意义的研究课题。如何快速、准确地把握电力系统 的运行情况，并提供有效的指导信息，是保证全国联网经济运行的首要问题。因 此，超大规模电力系统的实时及超实时仿真软件的开发日益迫切。 2 0 0 5 年2 月美国电力系统工程研究中心( p s e r c ) 发布的一项关于在线暂态 稳定评估报告“o nl i n et r a n s i e n ts t a b i l i t y a s s e s s m e n ts c o p i n gs t u d y ”表明，当前国际 上已有6 个电力系统在线软件生产厂家( 中国不包括在内) ，可以提供不同程度的 在线暂态稳定评估软件，这些厂家包括：a r e v at & dc o r p o r a t i o n ，b i g w o o ds y s t e m s ， p o w e r t e c hl a b si n c ，s i e m e n se m t s ，u n i v e r s i t yo fl i e g e ，v & re n e r g y s y s t e m r e s e a r c hi n c 等。功能主要是在e m s 高级应用的基础上，实现采用实时数据的全 时域仿真并配合扩展等面积法或暂态能量函数法的暂态稳定评估。同时进行的对 1 0 家电力公司、i s o 等电力调度运行部门和科研机构的调研表明，电网运行部门 强烈希望这些软件早日能达到实用的要求，但当前只有2 家公司在试用和调试， 并未达到大规模实际应用的程度。 第一章概述 在线安全监测与分析系统能够实现的最基本前提之一就是实时和超实时仿 真。仿真分析是动态安全分析的基础，其仿真的结果为分析提供了最原始的系统 信息。通过对电网进行分析，找出保证电网安全稳定运行的措施，从而指导电网 的运行。为此要求用来计算的模型应具有很高的准确性，要求计算出来的结果应 与实际相符，这样才能保证计算出来的结果有实际意义。 对整个电网来说发电机是及其关键的组成部分，不仅仅是因为发电机起到了 为系统提供电力能源的作用，更重要的是，在外部电力系统出现扰动或故障的时 候，发电机可以进行适当的调节来保持电压及频率的稳定不变。这时发电机的励 磁系统就起到了重要的作用，在正常时候向发电机提供可调节的励磁电流以建立 磁场，在系统发生故障时可在一定的范围内进行无功调节，保持系统的稳定运行， 所以在这方面的研究也十分活跃。 2 0 世纪6 0 年代之前，由于计算手段的限制，发电机是用暂态电抗后的恒定电 势来表示的。进入6 0 年代，随着计算机技术的快速发展，在电力系统计算程序中 开始考虑发电机的控制系统的作用，例如快速调速和励磁系统。人们可以用更符 合实际、更精确的发电机模型而不必再假定一个暂态电抗后的恒定电势了。在此 基础上，美国电气电子工程师学会( i e e e ) 电力生产委员会励磁系统分委会，进 行了大量工作，提出了用于模拟当时广泛使用的各种不同励磁控制系统的计算机 模型和通用的专业术语。 i e e e 于1 9 6 8 年提出的励磁系统模型适应了当时电力系统研究的需要，并使励 磁系统用户和制造厂家对需要的产品性能指标有了更好的认识和沟通。6 0 年代以 后对励磁模型研究有了更大的发展。随着计算机技术的发展和现代控制理论的进 步，出现了许多新型的励磁调节器，它们采用各种新的控制策略，已有的模型不 能满足要求，新的模型被不断提出。而电力系统规模的不断扩大也使电力系统的 动态稳定问题突出起来，励磁调节的附加控制，即电力系统稳定器( p s s ) 也应运 而生。人们逐渐认识到，励磁控制对电力系统的稳定性产生着重大的影响，使得 传统的电力系统稳定性理论逐步成为现代电力系统稳定性及控制理论。反映在电 力系统稳定性计算中就要求精确模拟同步发电机的行为特性，要做到这一点，就 必须对发电机的励磁系统进行足够详细的模拟。励磁系统模型必须能反映实际运 行设备在大的严重干扰下的运行特性和小干扰下的运行特性。i e e e 于1 9 8 1 年推出 了新一版的励磁系统数学模型，和1 9 6 8 年版模型相比，1 9 8 1 年版模型有了很大的 进步，并用来模拟当时广泛应用于北美电力系统大型发电机的励磁控制设备。 美国电气电子工程师学会( i e e e ) 在1 9 6 8 年、1 9 8 1 年和1 9 9 1 年提出励磁系 统数学模型；1 9 9 1 年中国电力科学研究院发表了适用于我国电力系统稳定计算的 第一章概述 励磁系统数学模型p ，lo 】。 中国电力科学研究院在总结以往的标准和励磁系统的发展的基础上，提出了 一组通用型励磁系统模型，这些励磁模型吸取了i e e e 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，形成了自己的独特风格，并增加了过励限制、过励保护和低励限制功能， 以适应中长过程计算的需要。这些励磁模型在b p a 电力系统暂态稳定程序和 p s a s p 电力系统综合分析程序中得到了实现。可以作为我国电力系统稳定计算的 标准励磁模型。本文就是在国家电网公司对稳定计算要求的励磁模型的基础上展 开的，主要针对励磁系统在在线暂态稳定仿真中的实现进行了深入细致的研究。 第二章励磁系统及电力系统稳定器概述 第二章励磁系统及电力系统稳定器概述 2 1 励磁系统的概述和发展 在现代化的电力系统中，提高和维护同步发电机运行的稳定性，是保证电力 系统安全、经济运行的基本条件之一【l l 】。在众多改善同步发电机稳定运行的措施 中，提高励磁系统控制性能是公认的经济而又有效的手段之一。励磁系统的基本 功能是给同步电机磁场绕组提供直流电源。此外，励磁系统通过控制磁场电压以 控制励磁电流完成控制功能，这对电力系统的性能至关重要。 历史上，早期的励磁系统是通过手动控制来调节励磁绕组的电压以维持所需 的发电机机端电压和相应的无功出力。2 0 世纪2 0 年代，人们认识到连续、快速地 控制励磁电流对提高电力系统稳定性的积极作用。自此，各种励磁方式和自动励 磁调节器先后被提出和采用。2 0 世纪6 0 年代，电力系统稳定器的提出和应用进一 步扩展了励磁控制系统对提高电力系统稳定性的作用。随着自动控制理论和计算 机的控制技术的发展，不断地有新的励磁调节器被提出。调节功能从单一的发电 机机端电压控制发展到多功能的励磁控制；控制器的控制信号从单一的机端电压 偏差发展到以电压偏差为主，附加发电机电磁功率、发电机电角速度、系统频率、 发电机定子电流、励磁电流或者励磁电压的偏差以及它们的组合；控制策略从简 单的比例反馈调节发展到比例一积分一微分调节，从简单的励磁调节发展到自校 正励磁调节、自适应励磁控制、模糊励磁控制等非线性励磁调节；在实现手段上， 从早期的机电式或电磁式发展到晶体管式或集成电路式等模拟调节器，直到近代 的基于微处理器或微型计算机的数字式励磁控制器。应用现代控制理论的设计思 想【1 2 】、由微型计算机实现的数字式励磁控制系统【l3 是以后的主要研究发展方向。 2 2 励磁系统的分类 同步发电机是电力系统的主要设备，它是将旋转形式的机械功率转换成电磁 功率的设备，为完成这一转换，它本身需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流 电流称为同步发电机的励磁电流。专门为同步电机供应励磁电流的有关设备，即 励磁电压的建立、调整和使其电压消失的有关设备，统称为励磁系统。 根据励磁功率源的不同，励磁系统又分为三大类：( 1 ) 直流励磁系统，它通 第二章励磁系统及电力系统稳定器概述 过直流励磁机供给发电机励磁功率；( 2 ) 交流励磁机系统，它通过交流励磁机及 半导体可控或不可控整流供给发电机励磁功率；( 3 ) 静止励磁系统，它从机端或 者电网经变压器取得功率，经可控整流供给发电机励磁功率，其形式通常为自并 励或者自复励的。 直流励磁系统由于受直流励磁机的整流子限制，功率不宜过大，可靠性差。 直流励磁机的时间常数较大，相应速度较慢，价格较高，一般只适用于中、小型 发电机励磁。直流励磁机和主机同轴，电网故障时仍能可靠工作。交流励磁系统 采用交流励磁机，相对于直流励磁机时间常数较小，相应速度较快，且不含整流 子，可靠性高，可适用于大容量机组，且价格较低，故在大、中型火电机组中广 泛应用，特别是可控静止整流器交流励磁系统，时间常数只有几十毫秒，极有利 于改善电力系统的稳定性。交流励磁机和主机同轴，电网故障时能可靠工作，但 用于水轮发电机励磁时，若发电机甩负荷，易发生超速引起的过电压，应予以注 意。自并励或者自复励的半导体励磁系统由于相应速度快( 可达几十毫秒) 、无旋 转元件、制造简单、易维修、可靠性高，可适用于大容量机组，且对于水轮发电 机而言布置方便，并有利于环节水轮机甩负荷时的超速引起的过电压问题，故目 前在大中型水电机组中得到推广应用，并正进一步用于火电机组。其主要问题是 要注意防止机端故障或者电网故障时可能引起的失磁问题，以及对强励和后备保 护可靠动作的影响问题。 2 3 励磁系统的工作原理 同步发电机的运行特性与它的空载电动势e 值密切相关，而e 又是发电机励 磁电流的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性。因 此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机运行施加控制的重要内容之一 1 4 1 。 电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和 并列运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致 电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电 流，以维持电网的电压水平以提高稳定性。可见，同步发电机励磁的自动控制在 保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性等方面都起着 十分重要的作用 1 5 1 1 6 1 。 同步发电机的励磁系统一般由两部分组成。一部分用于向发电机的磁场绕组 提供直流电流，即励磁电流，以建立直流磁场，通常称为励磁功率输出部分或称 为功率单元。另一部分用于在正常运行或发生事故时根据输入信号和给定的调节 第二章励磁系统及电力系统稳定器概述 准则控制励磁功率单元的输出即调节励磁电流以满足运行的需要，这一部分包括 励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等，一般称为励磁控制部分( 或称 控制单元或统称为励磁调节器) 。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功 率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。 励磁调节器一般主要由基本调节和辅助调节两部分组成。基本调节由调差、 测量比较、综合放大和移相触发单元组成，实现电压调节和无功功率分配等最基 本的控制功能。而辅助调节是为满足电机不同工况，改善电力系统稳定性，改善 励磁系统动态性能而设置的单元，包括：励磁系统稳定器、电力系统稳定器和励 磁限制器等，励磁限制器包括欠励限制器、伏赫限制器、反时限延时过励限制器、 最大励磁电流瞬时限制器和定时限过励限制器。辅助调节部分通常根据电力系统 和发电机组的具体情况及运行要求有选择地装谢1 。7 1 。 下面主要介绍励磁调节器各个主要部分的工作原理，如图2 1 所示： ( 1 ) 测量比较及调差单元 测量比较及调差单元有四个基本单元组成，即机端信号输入器、无功电流补 偿器、a c 电压整定器及电压偏差监测器四部分。 测量比较及调差单元主要完成：从机端取得电压和电流信号，完成无功电流 的补偿，并满足并行运行机组间无功负荷的合理分配；检测出经补偿的机端三相 无功电流的平均值，并与a c 电压整定给定的电压进行比较，得到电压偏差信 号送至综合放大单元，以实现自动励磁调节、稳定发电机机端电压的目的。 ( 2 ) 综合放大单元 综合放大单元是沟通测量比较及调差单元与移相触发单元的一个中间环节。 来自测量比较及调差单元的电压偏差信号在综合放大单元与励磁限制、稳定控制 及反馈补偿等其它辅助调节信号，加以综合并放大，用来得到满足移相触发单元 相位控制所需要的控制电压。 ( 3 ) 移相触发单元 移相触发单元是励磁调节器的输出单元，它根据综合放大单元送来的综合控 制信号的变化，产生可以改变相位的脉冲，用于触发功率整流单元的可控硅，从 而改变可控硅整流硅的输出，达到调节发电机励磁的目的。移相触发单元主要由 同步变压器、同步移相器、脉冲发生器和脉冲给定基准组成。 第二章励磁系统及电力系统稳定器概述 墨寡吸收2 正t 银护 ( 二) 置量田量 妻f - 蒙- 甲- 4 - - y 1 r 一= 一 ! i ! 申；i 伊i 节 l 舅堑圪轻率元l一电力摹筑稳定嚣i i l 一广ii i 潮固： ill ：岖亟回： o _ _ - - 图2 1 典型励磁系统原理图 2 4 励磁系统及电力系统稳定器在电力系统中的作用 在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要作 用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且 还可以有效提高系统的技术指标。根据运行方面的要求，励磁控制系统应该承担 以下任务： ( 1 ) 控制无功功率的分配 在单机一无穷大系统中，调节机组的励磁电流就可以改变发电机无功功率。 在实际系统中，发电厂输出无功电流与其母线电压水平有关，改变其中一台发电 机的励磁电流不但影响发电机电压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组 的无功功率，其影响程度与系统情况有关。为了使分析简单，设同步发电机与无 限大母线并联运行，即发电机端电压不随负荷大小而改变，是一个恒定值，其向 量图如图2 2 所示。 由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁电流的大小无关。因此 无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率最均为常数，即 岛= u c i s c o s 伊= 常数 ( 2 1 ) 式中够一功率因数角。 当不考虑定子电阻和凸极效应时，发电机功率可以用下式表示 尼= 乞, i n s x , = 常数 ( 2 2 ) 第二章励磁系统及电力系统稳定器概述 式中万一发电机的功率角 以上两式分别说明当励磁电流改变时，l c o s 和es i n 万的值均保持恒定，即 厶c o s 9 = k i ，e 万= 。由图2 2 中的向量关系可以看到，这时感应电机电动o s i n k 2 势忘的端点只能沿着州虚线变化。因为发电机端电压以为定值，所以发电机励 磁电流的变化只是改变了机组的无功功率和功率角万值的大小。由此可见，与无 限大母线并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改变发电机的无功功率的数值。 k 图2 - 2 同步发电机与无穷大母线并联向量图 在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是无限大母线，即系统等值阻 抗并不是零，母线的电压将随着负荷波动而改变。电厂输出无功电流与它的母线 电压水平有关，改变其中一台发电机的励磁电流影响发电机电压和无功功率，而 且也将影响与之并联运行机组的无功功率，其影响程度与系统情况无关。因此同 步发电机的励磁自动控制系统还担负着并联运行机组间无功功率的分配任务。 ( 2 ) 提高并行运行的能力 电力系统可靠运行的基本要求时并入系统的所有发电机要保持同步运行。系 统运行中，随时会遭受到各种扰动。系统受到扰动后，可能恢复到它原来的运行 状态，或者由一种平衡状态过渡到另一种平衡状态，这种情景则成为系统是稳定 的。通常把电力系统稳定分为三类，即静态稳定、暂态稳定及动态稳定。励磁调 节装置对这三类稳定性的改善都有显著的作用，简述如下： 发电机输出的有功功率为： p o - - 乞us i i l 万乃 ( 2 - 3 ) 式中p 一发电机输出功率； 第二章励磁系统及电力系统稳定器概述 矿一无穷大母线电压 万一应和【7 之间的相角差； 髟= 艺+ 坼+ 置，系统计算总电抗，为发电机、变压器和线路电抗之和。 p p 1 p o 图2 - 3 发电机功率特性曲线 由式( 2 3 ) 得到的发电机功角特性曲线如图2 3 所示。在万 9 0 0 时，即在 功率特性曲线的下降段运行时( 如图中的b 点) ，则是不稳定的。从静态稳定来看， 功率角极限为万= 9 0 0 。如果励磁系统按电压偏差调节的励磁调节器，当由于万的 增加引发的发电机定子电流增加使发电机机端电压减小时，励磁调节装置将调节 励磁电流使e 增加，运行点将过渡到波幅较高的另一条功率特性曲线上去；反之 将过渡到波幅较低的另一条功率特性曲线上。如图中粗线所示，具有自动励磁调 节时，由波幅连续增高的一簇功率特性曲线上的各个运行点构成了一条新的功率 特性曲线。 在分析电力系统稳定性问题时，无论静态稳定还是暂态稳定，在数学模型的 表达式中总含有发电机空载电动势忘，而毫与励磁电流密切相关。可见，励磁系 统可以通过改变励磁电流从而改变毫，来改善系统稳定性。由此可见，性能优良 的励磁系统改善了实际运行的功率特性，提高了功率极限，而且可以扩大稳定区， 使同步发电机在万 9 0 0 的区间运行。 显然为了提高发电机的静态稳定性，希望励磁调节器具有较大的放大倍率。 然而高放大倍率的励磁调节器在某些情况下更容易产生负阻尼【1 8 】【1 9 1 ，使系统的动 态特性变坏，系统可能发生阻尼不足的振荡。 目前国内普遍采用两种方法来调节励磁装置的输出，以产生有效阻尼。抑制 第二章励磁系统及电力系统稳定器概述 低频振荡的产生，一种是相位补偿附加励磁控制方式，即向励磁调节系统引入一 种按某一振荡频率设计的附加控制信号，以增加正阻尼转矩，克服励磁调节器对 系统产生的不利作用，改善系统的动态特性。这样引入的新的附加控制信号的稳 定环节，成为电力系统稳定器。另一种方式是采用国内现代控制理论得出的线性 最优励磁控制方式，即利用系统的状态变量按最优控制规律组合起来，作为状态 反馈信号，设计成最优励磁控制器。 提高励磁系统的强励能力( 即提高电压强励倍数和电压上升速度) 被认为是 提高电力系统暂态稳定性的最经济、最有效的手段之一。随着机电保护和断路器 动作速度的提高，强励对暂态稳定的作用有所减少。但强励对远距离输电的发电 机仍是十分重要的。 ( 3 ) 控制发电机机端电压 在发电机正常运行情况下，随着负荷的波动，发电机端电压随之变化，需要 对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点的电压在给定的水平。 图2 - 4 发电机矢量图 y 由图2 4 发电机简化相量图可知， u o = 包一j i x a ( 2 4 ) 式中忘一发电机空载电势； 矽疗一发电机机端电压； j 一发电机定子电流； 髟一发电机同步电抗。 由式( 2 - 4 ) 可知，当发电机空载电势忘恒定时，发电机机端电压d g 随发电 机定子电流( 负荷电流) 增加而降低；随发电机定子电流( 负荷电流) 降低而增 第二章励磁系统及电力系统稳定器概述 加。要保证发电机机端电压矽g 恒定，必须随发电机负荷电流的增加( 或减小) 而 增加( 或减小) 发电机的空载电势忘。而忘是发电机励磁电流，甜的函数，忽略饱 和，则忘和j 掰成正比，所以当发电机负荷电流变化引起发电机机端电压改变时， 需要通过励磁装置的调节作用，自动增加或减少励磁电流，使机端电压维持在给 定水平【2 0 j 。 同步发电机励磁系统在电力系统中的作用概括起来就是通过励磁调节充分 发挥发电机作用来提高电力系统的稳定性。当然，在发挥发电机作用时不要越出 发电机和励磁系统的规定值，确保设备的安全，可以通过调节器的限制和保护来 实现。 第三章发电机励磁系统的数学模型 第三章发电机励磁系统的数学模型 励磁系统向发电机提供励磁电流，起着调节电压、保持发电机端电压或枢纽 点电压恒定的作用，并可控制并列运行发电机的无功功率分配。它对发电机的动 态行为有很大影响，特别是现代电力电子技术的发展，使快速响应、高放大倍数 的励磁系统得以实现，极大改善了电力系统的动态性能。 电力系统动态行为的精确分析离不开励磁系统的数学模型。对新型励磁控制 器的理论设计首先要根据其数学模型进行仿真计算以确认其相应的动态效果是否 理想。前一章已经讨论了励磁调节器的工作原理，本章主要介绍目前广泛应用的 励磁调节系统的数学模型。 参考值 图3 1 励磁系统的组成 网 一般的励磁系统的组成可以由图3 - 1 表示。主励磁系统为发电机的励磁绕组提 供励磁电流；励磁调节器用于对励磁电流进行调节或控制；发电机端电压测量与 负载补偿环节测量发电机的机端电压并对发电机负载电流进行补偿；辅助调节器 对励磁调节器输入辅助控制信号，最常用的辅助调节器为电力系统稳定器。保护 与限幅环节可以确保机组的各种运行参数不越过其限值。 3 1 主励磁系统的数学模型 励磁系统可按电流源的不同进行分类，主要有三大类：( 1 ) 直流励磁系统， 通过直流励磁机供给发电机励磁电流；( 2 ) 交流励磁系统，通过交流励磁机及半 第三章发电机励磁系统的数学模型 导体可控或不可控整流供给发电机励磁电流；( 3 ) 静止励磁系统，从机端或电网 取得电流，经可控整流供给发电机励磁电流，其形式为自并励或自复励。前两种 也称为旋转励磁系统。下面介绍这三类主励磁系统的数学模型。 3 1 1 直流励磁机的数学模型 直流励磁机由于运行维护成本过大，已不用于新建的大容量的发电机组。但 是某些电力系统中仍可能有未退役的直流励磁机，因此仍有必要介绍其数学模型， 作为一般的情况，同时讨论具有自励和他励的直流励磁机的数学模型。 图3 2 直流励磁机的传递函数图 其中，k ，为励磁机的自励系数； s ，为励磁机的饱和系数； 疋为励磁机的时间常数； 髟为励磁机的复励增益； 0 为励磁机的复励增益。 若无复励绕组，直流励磁机的传递函数就简化为下图， 图3 - 3不考虑复励绕组的直流励磁机的传递函数图 在b p a 稳定程序中，直流励磁机饱和系数& 用函数& = 肘木p 胪助拟合( 图中 吁在合适的基值系统下标么值相同岛。) ，两个参数m 和n 通过以下方式获得 第三章 发电机励磁系统的数学模型 兰二暑0 ， 是7 5 一= m 木e 脚7 铲一j 。 经过运算可得出两个参数的表达式如下： ：竺么五磐i 一 ( 3 2 ) m ：垂一 im = 兰粤 l s 3 f j 其中：e 耐一为励磁系统的最大励磁电压； s e 一为最大励磁电压时励磁机的饱和系数； & 一为7 5 最大励磁电压时励磁机的饱和系数。 3 1 2 交流励磁机的数学模型 交流励磁机为同步机。通常励磁机与发电机同轴旋转。励磁机定子的交流输 出经三相可控或不可控的桥式整流器整流后供给发电机的励磁绕组。整流器有静 止型和旋转型两类。根据不同的整流器安排方式及励磁机的励磁方式有各种组合。 下面先讨论励磁机的数学模型。 交流励磁机为同步电机，因此交流励磁机的数学模型与同步电机的数学模型 有相同之处。而且交流励磁机的负载就是发电机的励磁绕组，其运行工况相对于 发电机要简单，因此可以把同步机的数学模型简化后用于描述励磁机。 不计阻尼绕组时，同步电机定子绕组磁链方程为 仍2 巳一髟l ( 3 - 3 ) = 一j 同步电机的定子电压平衡方程式为 屹一一兄屯l ( 3 - 4 ) v q = 伤一r o qj ， 励磁机的负载为发电机的励磁绕组，故励磁机的定子电流几乎是纯感性电流， 据此，近似认为励磁机定子电流的交轴分量t 为零。在不计阻尼绕组的同步机数学 模型中，忽略定子绕组的电阻，即见= 0 ，根据式( 3 3 ) r 和式( 3 4 ) ，可得励磁 机的定子电压方程 屹v q z 屯 5 ， 2 白一五d 0j 第三章发电机励磁系统的数学模型 在上式中，进一步忽略励磁机定子电流对励磁机定子电压的影响，可得励磁 机的定子电压与其暂态电势相等。在不计阻尼绕组的转子电压平衡方程式中 一 =一eql)opeqe q 一( 髟一x a ) 毛+ e ，2 ， ( 3 一一6 一)2 一 一z d 一，幻+ 己，2 ， l ， 由于采用了“单位励磁电压单位定子电压”的基准值系统，e 掰与同步电机 的励磁绕组电压相等。由以上假设，记励磁机的励磁电压为1 ，r ，定子电压为唯， 定子电流为，然后套用同步机的转子电压平衡方程式，并用下标e 表示励磁机 相应的时间常数、同步电抗和暂态电抗，则可得不计饱和效应的励磁机的数学模 型： t e p v e 2 v r e q e 1 ( 3 - 7 ) 钲= v e + ( 叉么一爿么) f i 计及饱和效应后，有 ( k + 是) v e = 一( 彳0 一叉k ) ( 3 8 ) 交流励磁机的定子电压v ，、定子电流是经过整流后才接入发电机的励磁绕组的。 和，的关系放在整流器的数学模型中，此处先建, - t i t 和f ，的关系。 在励磁机经三相不控桥式整流器供给发电机励磁绕组的情况下，整流器的输 出电流即是发电机的励磁电流i ，它与整流器的输入电流即励磁机的定子电流 近似为正比关系。于是将式( 3 8 ) 中的( 如一疋) 换成k d i ：即可表示这种关系， 这样得到 t e p v e2v r 一钮 l ( 3 - 9 ) e q e = 皤e + s p e 七k d i f 据此，可用图3 4 所示的传递函数框图来表示用不控三相桥式整流的他励交流 励磁机的数学模型 图3 - 4 交流励磁机的传递函数框图 第三章发电机励磁系统的数学模型 用交流励磁机供给发电机励磁时，通常需要整流器为对励磁机定子的交流输 出进行整流然后供给发电机的励磁绕组。所以有必要在本小节对整流器的数学模 型进行介绍。通常所用的整流器为三相桥式可控或不控整流电路。下面先介绍不 控整流器的数学模型。 ( 1 ) 不控整流器的数学模型 整流器的输入为交流励磁机的定子电压v ，其输出电压和电流分别为同步发 电机的励磁电压1 ，和励磁电流i ，。准确模拟整流器的暂态过程非常复杂，工程中 一般采用准稳态数学模型。即虽然、，和f ，在暂态过程中应满足整流器的暂态 方程，但对于在数学解的过程中所确定的瞬时值来说，近似认为这些量之间服从 整流器的稳态过程，这相当于将整流器的暂态过程近似处理成了一系列连续的稳 态过程。 整流器按照换相角y 小于、等于和大于6 0 0 区分为三种运行模式。当换相角川、 于6 0 0 并忽略谐波影响时，有名制下整流器的稳态方程为 v r ：丝一堡，r ( 3 1 0 ) 式中：k 为交流励磁机的定子线电压的有效值；彳，为整流器的换相电抗，一般取 为励磁机的次暂态电抗或负序电抗。为了与发电机的数学模型相衔接，需将上式 化为标么制。为此，将上式两边同除以发电机的励磁绕组电压基准值，得到 = 木 ( 3 1 1 ) 式中： = 蔫 ( 3 - 1 2 ) = 1 0 5 8 i , , l n = k f i f ，v i 墨2 壶 ( 3 1 3 ) 可见是常数。必须指出，在式( 3 1 3 ) 中并不显含整流器的换相角y 。事 实上，当y 小于6 0 0 时，凡的取值范围为( o ，0 5 1 ) 。可以证明，当换相角y 等于 或大于6 0 0 时，仍可用式( 3 1 1 ) 作为整流器的数学模型，但其中的与，的关 第三章发电机励磁系统的数学模型 系发生变化。在整个厂的变化范围内，的表达式可统