（电力系统及其自动化专业论文）大型发电机励磁系统建模与参数辨识.pdf

iii 东大学硕士学位论文 摘要 随着i 乜力系统的发展电嘲觇梭越米越人。j t f j 现了人l 趋i 乜l qf 联。大区联网 j i 起j t 驳系统稳定特性的明显，叟化刘系统稳定计算分析- t , t l 了亚离的要求。研 究这蝗稳定n 题，稳定计算的基础数拥需嘤采用发电机励磁系统、汽轮机调节系 统的l 尊细模j 伊屙i 参数，考虑其动态特扎的影响。 本文综述j ，人型发i l l 机组励磁系统建模和参数辨识的各种力法，深入分析了 国内外肘发电机励磁系统模型的研究成果，比较了各类发电机励做系统模型之间 的异| d 及j e 刈。成关系，定义了发电机励磁系统和其标幺值的艰本慨念。在对励磁 系统硬件结构及软件编程的洋细了解和仔细研究之后提出j f 总结了在现场进行 发电机励磁参数测试的具体步骤、经验、及根据测试参数摊导j “用于电力系统稳 定计算刷的数学模型和参数所遵循的原则。校型和参数的精度足发电机励磁系统 建模和参数辨识的关键，本文提出评判堆f 现场测试得出的数学模型和参数正确 性的方法。 我l 自电力系统。卜大多数现役的大型发i 包机励磁系统，都, r r l j 二知的励磁系统 数学模掣校拟。+ i i m 的励磁系统模型，中的参数不同，调诲品质也不尽相同。 现场辩识、测试的一个重要任务是确定模型中的参数。本文采用如下方法：对模 拟式肋磁调节器，将励磁凋节器分成尽可能简单的环节，逐个环诲地测量其传递 函数，然历组成整个系统的传递函数；对微机式励磁调节器采，甘时整个控制系统 的时域响应曲线进行拟合的方法。 ”1 使川的电力系统稳定计算程序l 二订的励磁系统模型小没有- 3 厉j s 磁系统原 始模型耵 。致的模型时，应将原始模型转换成汁算祝序已彳卡楚型t l ，最接近的一种 模型。完成辨识试验及分析出结果后，还需要校核计算校型和参数，对发电机励 磁系统的 = 3 | 型年参数，应进t t - l q j 扰调前特性和人1 二扰凋节特性的两种校核。本 文给f l l 了每种校核方法的步骤及评价标准。 最后，本文通过具体算例。给出了大型发电机组励磁系统建模和参数辨识 的现场测试法的测试方案，实验过程、数据处理及仿真i t 。算，验征了该方法的有 效性，辨识结果可j 日1 ：指导实际生产， i 展哩r 该项目的应用前景。 【关l i l ti _ i i l l 励磁系统建模 参数辨识 现场测试校核 第l 页 ili 东大学硕十学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h es c a l eo ft h en e t w o r k b e c o m e sc o n s i d e r a b l yl a r g e ，a n di n t e r c o n n e c t e dn e t w o r ka c r o s sa r e a se m e r g e s t h ei n t e r c o n n e c t e r e dn e t w o r kc a u s e so b v i o u sc h a n g e si nc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so f t h es t a b i l i t y a n df u n d e r m e n t a ld a t ao ft h ea c c u r a t em o d e la n dp a r a m e t e r so f e x c i t a t i o ns y s t e mo fg e n e r a t o r , s p e e d g o v e r n i n gs y s t e mo fs t e a mt u r b i n ea n dt h e e f f e c t so ft h ed y n a m i cf e a t u r e sa r en e e d e dt oc o n s i d e r e di nt h e s ew o r k s i nt h i st h e s i s t h em o d e l l i n ga n di d e n t i f i t i o nt y p e sa n dt e c h n i q u e so ft h el a r g e g e n e r a t o ru n i ta r es u m m a r i z e d ，t h e r e s e a r c ha c h i e v e m e n t so nt h em o d e l i n ga n d i d e n f i c a t i o no ft h eg e n e r a t o ra n di t sp a r a m e t e r s i nh o m ea n da b r o a da r e a n a l i z e di nd e t a i l ，t h ed i f f e r e n c ea n ds i m i l a r i t ya n dt h e i rr e l a t i o na r ec o m p a r e d ，t h e b a s i cd e f i n i t i o no f t h ee x c i t a t i o ns y s t e ma n dt h e i rv a l u e si np e ru n i ta r eg i v e n o nt h e f u n d m e n to f d e t a i l e ds t u d yo f t h eh a r d w a r ec o m p o n e n t sa n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n go f e x c i t a t i o ns y s t e m ，d e t a i l e dm e t h o d ，e x p e r i e n c e ，a n dp r i n c i p l e so fm o d e l sf o rp o w e r s y s t e ms t a b i l i t ys t u d i e sa c c o r d i n g t h ed a t ao f f i e l d t e s t i n g a r e g i v e ni n t h e p a p e r t h em o d e la n dp a r a m e t e ra c c u r a c ya r ee s s e n t i a lf o re x c i t a t i o ns y s t e m m o d e l l i n ga n dp a r a m e t e ri d e n f i c a t i o n ，a n dt h ec r i t e r i ao ft e s t i n gt h ev a d l i t yi sg i v e n t o o m o s te x c i t a t i o ns y s t e mo fg e n e r a t o r sn o wi nu s ei no u rp o w e rs y s t e mc a nb e s i m u l a t e dw i t ht h ee x s i s t e dm a t h m a t i c a lm o d e l s t h ee x c i t a t i o ns y s t e m , w i t ht h es a m em o d e l s ，w i l lh a v ed i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n dt h e i ra d j u s t i n gq u a n t i t yv a r y i nd i f f e r e n tw a y o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a s k so ff i e l d t e s t i n gi st od e t e r m i n et h e p a r a m e t e r so ft h ee x c i t a t i o ns y s t e mm o d e l i nt h i sp a p e r ，t h e m e t h o dt od e t e r m i n e t h ee x c i t a t i o n s y s t e mp a r a m e t e r si sd e v i s e d ：t os i m u l a t e d a v r ( a u t o m a t i cv o l t a g e r e g u l a t o r ) ，b e g i n n i n g w i t hc o n s i d e r a t i o no fa n a p p o r i a t e p e r u n i t s y s t e m 。t h e nd e s c r i b e m o d e l sf o rt h ev a r i o u s c o m p o n e n t s ，a n df i n a l l y p r e s e n tc o m p l e t em o d e l sf ors e l e c t e d t y p e s o fe x c i t a t i o n s y s t e m s ，t oa v r 第2 口1 iii 东大学硕士学位论文 b a s e do nc o m p u t e r ， u s i n g t h em e t h o d o fc h i v e f i t t i n go ft h et i m e - d o m a i n r e s p o n s eo f t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m w h e nt h e r ea r en ot h ee x a c ts a m em o d e li nt h ep r o g r a mo fp o w e rs y s t e m s t a b i l i t yc o m p u t i n ga st h eo r i e n t a le x c i t a t i o ns y s t e mm o d e l ，t h eo r i e n t a lm o d e ls h o u l d b et r a n s f e r r e di n t ot h em o s tn e a ro n et ot h ec o m p u t i n gp r o g r a m h a v i n gi d e n t i f i c a t e d t h em o d e la n dd e t e r m i n e dt h ep a r a m e t e r s ，t h ec o r f e e t i n gw o r ks h o u l db ed o n e t ot h e m o d e la n dp a r a m e t e ro ft h e g e n e r a t o r e x c i t a t i o n s y s t e m ，l i t t l e d i s t u r b a n c e v e r i f i c a t i o na n dl a r g e - d i s t u r b a n c ev e r i f i c a t i o ns h o u l db ec a r r i e do n t h em c t h o da n d s t e p so f e a c hv e r i f i c a t i o na r eg i v e ni nt h et h e s i s f i n a l l y , t h ep a p e ri n d i c a t et h ef i e l d - t e s t i n gm e t h o dt om o d e la n di d e n t i f i c a t e t h ep a r a m e t e r so ft h e l a r g e - s c a l es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r i sc o n e e t b y p r o v i d i n g a n p r a c t i c a le x a m p l ef r o mt e s t i n gs c h e m e ，d a t ad e a l i n gt os i m u l a t i n g a t t h es a m et i m e ，t h e r ea r em a n yw o r kt o p e f e c t t h em e t h o da n d t h eu s ew i l lb eb r o a d 1 k e y w o r d l e x c i t a t i o n s y s t e m , m o d e l l i n g ，p a r a m e t e r i d e n f i c a t i o n ， f i e l d t e s t i n g v e r i f i c a t i o n 第3 页 i 【i 东大学硕士学位论文 1 引言 f 乜力系统元竹的数学模型是电力系统觇划、设计、运行霸i 控制的基础但是 在计锌中，很多模犁的参数没有提供。即使有也常采用由厂家提供的常规典型 参数，山j ：磁饱和，：舻线性等因素的影响，这些参数与实际机组运行的参数有一 定的出入。研究表明，选择的模型和参数不同将会在系统运行和控制中得出不同 的结论( i - 7 ) 。 1 1 问题的提出 1 1 1 大区联网对运行方式及发电机励磁凋速系统模型参数的要求( 8 、9 、1 2 ) 发电机足构成电力系统的重要元件之一。发电机励磁系统和汽轮机调节系统 不仅对电能质量( 频率、电压) 的调整起着重要作用，其动态特性对电力系统在 电磁暂态和机电暂态过程中的动态行为包括功角、电压、频率、潮流等的变化更 足至火亘婴。f 乜力系统计算分析中的四人参数( 发电机参数、励磁系统参数、调 速系统参数、负衙模型参数) 就有三大参数在发电机和汽轮机( 或水轮机) 部分。 火区联网引起互联系统稳定特性的明显变化，对系统稳定计算分析提出了更 高的篮求。；f 算表明，大区联网后系统动态稳定问题变得突出，表现为：系统的 阻尼特性变羞，甚至会出现低频振荡或多摆振荡失步问题。研究这些稳定问题， 其基础计算数据涉及发电机励磁系统、汽轮机调节系统的详细模型和参数，并考 虑其动态特性的影响。 国家电力调度通信中心下发的“关于电网年度运行方式和稳定计算分析报告 编制要求”规定：暂态稳定计算分析中，计算时问应不小于发电机功角摇摆的两 个周期，当汁鲐时问超过5 秒时，发电机应采用详细模型进行描述；动态稳定计 算分析中，计算时间不小于6 个动态摇摆过程，发电机必须使用详细模型进行描 述：当计并时问大丁：2 0 秒时，应考虑发l 乜机调速器及原动机作月j ，判稳标准上， 动态擂栏过弱! 心仃 娃的收敛趋势，如无法削断摇摆过程的收敛性，应适当延长 计算时间。 根据上述要求，动态稳定的计算时间应不小于6 个动态摇摆过程，这样计算 时问至少耍达到4 0 秒左右。在这么长的时日j 里，不考虑励磁、调速系统的动态 特性是不合理的，计算分析的结果有可能与实际情况产生较大偏差。华北电网采 用e q 恒定模型已不足以分析扰动后系统摇摆的稳定情况，在一蝗故障校核中已 第4 页 山东大学硕士学位论文 出现明显失真的结果，难以适应稳定分析的要求。因此使用饯电机的详细模型进 行稳定分析更加迫切和必要 1 1 2 加强和深化电网稳定分析必须采用发电机的详细模型【9 一l l 】 随着电网的发展，各大电网外受电的比重不断增大( 京津唐电网外受电比重 已增大到l 3 ，北京电网外受电比重达到2 3 ) ，研究受端系统动态电压稳定问题 需要采用发电机的详细模型。此外，研究系统严重故障下的频率动态过程以及电 网事故仿真等，也需要考虑采用发电机的详细模型。 1 1 3 电力系统安全稳定导则相关规定 2 0 0 1 年7 月开始执行重新修订的电力系统安全稳定导则，对系统稳定计 算的模型和参数提出了新的要求： a ：应计及、实测和建立电网计算中的各种元件、装置及负荷的参数和详细 模型，在系统设计和生产运行计算中，应保证模型和参数的一致性，并考虑更详 细的模型和参数。 b ：暂态稳定计算中，发电机模型在可能的条件下，应考虑采用暂态电势变 化，甚至次暂态电势变化的详细模型。 c ：动态稳定计算中，应采用考虑次暂态电势变化的详细模型，考虑同步电 机的励磁调节系统和调速系统。 1 2 发电机励磁系统参数辨识方法( 1 5 ) 励磁系统的辨识建模属于二灰箱建模：即励磁系统的模型结构、阶数、待测模 型参数等足已匀i 的。根掘辨汲理论，辨识方法通常分为经典辨识法和现代辨识法 两类，随着辨识技术的发展，又涌现出了一些其它的辨识法。 1 2 1 经典辨识法( 1 6 2 1 ) 经典辨识法通过建立系统的时域脉冲响应、频域响应，进一步用动态拟合的 方法，求得励磁系统的传递函数，是一种间接辨识法。常见的方法有：卷积辨识 法、相关辨识法、频域f f t 法等。文献( 2 3 ) 提出一种基于e e ( 方程误差) 模 型的p l p f ( 分段线性多项式函数) 法，该方法的优点在于根据输入输出采样数据 直接在时域上进行辨识，方法快捷、便利，较好地解决了由传递函数多项式系数 转化为传递函数框图环节参数的实际需求。但该方法对存在某些无法求解的情 况，需要增加测量点。( 2 3 2 4 ) 则提出p l p f 法和f f t l s e ( 频响拟合) 法，f f t l s e 第5 页 1 1 _ 1 东大学硕士学位论文 疗法属f 输 l 误差方法，通过极小化模型输出与量测量输 b 的误差来辨识参数。 该办法适p d , 扰动频域辨识，与古典控制理沦较容易联系，可扩展应用于优化调 试。若能结合加权最小二乘准则，可进一步优化该方法。文献( 2 5 ) 通过测试励 磁特性曲线计算励磁控制系统稳态和暂态增益，以及电力系统稳定器对阻尼低 频振荡的影响。 1 2 2 现代辨识法 现代辨识法求得的数学模型足状态空间方程或差分方程，因可一步求得参 数，又称为直接辨识法。常见的辨识方法有：最小二乘法、极大似然法、卡尔曼 滤波法等。文献( 1 5 ) 详细介绍了最小二乘法和p l p f 法在励磁系统参数辨识中 的应用。现代辨识法可以多参壁一次辨识，且可避免非线性系统最小二二乘估计中 产生的多值性和收敛性等问题。文献( 2 6 ) 提出了一种基于加权最小二二乘的相关 辨识法，用加权最小二乘法减小噪声对辨识精度的影响。 1 2 3 小波变换法 小波变换能够旧时刻划信号的时域和频域特性，因而足种时域分析。此 外，小波变换还具有i 叮调n + j u , ：t 域分辨率特性( 又称为“变焦距”特性) ，即在较 高尺度下具自较高的频域分辨率和较低的时域分辨率，而在较低尺度下具有较低 的频域分辨率和较高的时域分辨卒，非常适用于非平稳信号的特征提取( 2 7 】。 文献( 2 8 】运用离散小波变换方法在不同的操作条件下对机组的励磁系统参数进 行了辨以，取得相当满意的结果。但这种方法用于实际的电力系统还有一定距离。 1 2 4 轨迹灵敏度法 轨迹灵敏度法需要测量模型的输入、输出信号的时间序州，汁劳模型参数的 轨迹灵敏度。在线性模型中，可得到轨迹灵敏度的确定表达式，对非线性模型则 需进行拟线性化以得到近似轨迹灵敏度表达式【2 9 ) 。该方法的一个优点是所选 择的模型参数部包含在灵敏度矩阵中，文献( 3 0 ) 提出利月j 屡f 奇异值或奇异矢 鞋的疋敏度矩阵，可直接对非线性模雪! 进行辨识，在辨识过程中，诊断函数会及 时提1 j 操作荇足否取得适当的结果。该方法计算简单，般只需几次迭代即可完 成。但现场的噪声将在一定程度上影响辨识结果。 1 3 实测法建模的试验内容 本文选择了实测法在山东电网进行发电机和励磁系统参数辨识及模型确认 第6 页 山东大学硕士学位论文 试验，试验的内容包括：1 ) 发电机励磁机的空载试验：2 ) 发电机、励磁机时间 常数测试；3 ) 发电机空载时励磁系统阶跃响应试验；4 ) 发电机负载时动态扰动 试验等。现场试验结束后，根据测试结果。对测试数据进行整理和计算，针对制 造厂提供的a v r 等模型参数，采用一定的仿真程序或其他手段，验证原始模型 参数的正确性，在此基础上转换为符合要求的数学模型。 1 4 本文所作工作及意义 ( 1 ) 根据发电机励磁系统现场交接试验的一般习惯和行业标准规定的 试验内容，本文选择了实测法，并首次在山东电网进行发电机和励磁系统参 数辨识及模型确认试验。使用本方法的优点在于可充分利用现有设备，在常 规性试验中获取参数且物理概念清晰明了容易掌握，具有普遍的实用性。 ( 2 ) 在参与多台发电机组的参数实地测试的基础上，总结了在现场进行 发电机励磁参数测试的分析结果，并根据测试参数推导出用于电力系统稳 定计算用的数学模型和参数所遵循的原则。该课题具有一定的科学性，所得 结论可用于指导山东电网大型发电机励磁系统建模和参数辨识的工作。 ( 3 ) 提出评判基于现场测试得出的数学模型和参数j e 确性的实用方法。 通过具体算例，给出了大型发电机组励磁系统建模和参数辨识的现场测试 法的测试方案、实验过程、数据处理及仿真计算等详细步骤，验证了该方法 的有效性，辨识结果可用于山东电网调度部门实际生产中的稳定分析与计算， 在省内尚属首次，具有较高的可研究性和使用价值，对其他省、区电网类似 工作的开展有着一定的借鉴和指导意义。 第7 页 l 【j 东大学硕士学位论文 2 国内外对发电机励磁系统模型的研究成果及励磁系统标幺 值的定义2 ，1 4 i 励磁控制射电力系统输送能力和电力系统稳定性有重要的影响。人们对励磁 控制系统在提高电力系统稳定性作用的认识，是随着生产力的发展，电力系统不 断扩大、科学技术、控制理论等不断的进步而逐步加深的。 同步发电机的励磁调节系统主要由主励磁系统及调节系统两个基本部分组 成。主励磁系统可分为直流励磁系统及半导体整流励磁系统两大类，而每一类又 可分为多种接线形式。励磁调节系统包括常规的励磁调节器( a v r ) 以及目前系 统中广泛使用的电力系统稳定器( p s s ) 等。图1 i 为发电机励磁系统的调节 原理框图。( 1 5 、2 2 ) 图2 1 发电机励磁系统的调节原理椎图 2 1 1 e e e 励磁系统数学模型 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的一个 工作组，进行了大量e 作，提出了用于模拟当时存在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，并于1 9 6 8 年在i e e e 的学术f 4 物上发表。i e e e6 8 年的励磁模，弘适应了系统研究的要求，并使用户和制造厂对需要的产品性能指标 有了更好的沟通。i e e e6 8 年的励磁模型得到了广泛的应川。直至今日。在进行 系统稳定计算时部分机组上仍使用这些模型。 7 0 年代以后对励磁模型研究有了更大的发展。因为l ； l 着时代的进步出现了 篱8 面 i j j 东大学硕士学位论文 许多新型的励磁调节器，采用新的控制策略。原有的模型不能满足要求，新的模 型不断被开发出来。电网规模的不断扩大使电力系统的动态稳定性问题突出起 来，励磁调节的附加控制一一电力系统稳定器( p s s ) 也应运而生。i e e e 励磁 系统计算机模型工作组于1 9 8 1 年推出了新一版的励磁系统数学模型。8 1 年版模 型新推出了交流励磁机模型，并对三种不同类型的励磁机模型进行了更详细的模 拟。直流励磁机励磁包括d c l d c 3 三种模型，交流励磁机励磁模型包括 a c l a c 4 四种模型。机端电源励磁包括s t l s t 3 三种模型。在励磁调节器的 模型上，采用了既有一级串联校正( p i d 调节) 又有并联校正的调节规律。除 这l o 种电压调节上通道的( 励磁) 模型外，还提出了( 另一种) 附加励磁控制 即电力系统稳定器( 即p s s ) 的数学模型。这些模型可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。 1 9 9 2 年i e e e 的标准委员会，批准了电力工程协会提出的适用于电力系统 稳定研究的励磁系统模型准则。这个标准对8 1 年的模型进行了更新，提出了附 加控制特性的模型，并用标准推荐的准则将这些模型规格化。9 2 年版模型包括 3 种直流励磁机模型d c l a d c 3 氏6 种交流励磁机模型a c i a a c 6 a ，3 种静止 励磁模型s t i a - s t 3 气2 种p s s 模型p s s i a - p s s 2 a 和3 种阳加的断续励磁控制 模型d e c i a - d e c 3 a 。9 2 版模型不但包括了更多的励磁模型、对模型的表达有 了规格化的标准，而且还增加了过励磁限制和欠( 低) 励磁功能。 2 2 p s a s p 励磁系统数学模型【3 1 3 2 】 我国在8 0 年代以前的电力系统分析计算中，发电机的模型基本采用e 恒 定的模型。8 0 年代初，中国电力科学研究院首先在电力系统综合程序包( p s a s p p o w e rs y s t e ma n a l y s i ss o f t w a r e p a c k a g e ) 里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，也可以模拟自并励和它励可控硅励磁系统。由于 i e e e 的校型并不完全适用我国的情况，为此，中国电机工程学会大电机专委会 励磁分委会，在1 9 8 9 年成立了励磁系统数学模型专家d , g t t ，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，并于1 9 9 1 年发表了 适用于我囤电力系统稳定计算的励磁系统数学模型。该模型包括4 个直流励磁机 励磁系统模型，4 个交流励磁机励磁系统模型，2 个静止励磁系统模型。用我国 的励磁模型可以模拟当时国内绝大多数现役的大型发电机励磁系统。这些模型已 第9 页 山东大学硕士学位论文 被编进电力系统分析综合程序包p s a s p 中。在中国版b p a 暂态分析程序中有与 i e e e1 9 6 8 年版模型相对应的9 种励磁系统模型( e a e c e j ，e k ) ，与i e e e1 9 8 1 年版模型舶i 时应的1 1 种励磁系统模型( f a f h f j f l ) 。电力系统分析综合程 序包p s a s p 和中围版b p a 暂态分析程序中的励磁系统校型，酃没有过励磁限制 和欠( 低) 励磁功能。 2 3 i e e e 模型和p s a s p 模型间的关系 i e e e 的9 2 版的励磁系统数学模型和中国电机工程学会大电机号委会励磁分 委会1 9 9 1 年发表的励磁系统数学模型，都对直流励磁机励磁系统和交流励磁机 励磁系统分别建立模型。其中，i e e e 的9 2 版的励磁系统数学模型中，有3 个直 流励磁机励磁系统模型( d c l a - d c 3 a ) ，而中国电机工程学会大电机专委会励 磁分委会1 9 9 1 年发表的励磁系统数学模型中，有6 个直流励磁机励磁系统模型 ( p s a s p 中，定义为0 4 ，0 5 ，0 6 ，3 6 ，0 7 和3 7 型) 。在仔细研究交流励磁机和 直流励磁机模型的差别后发现，可以用交流励磁机模型来模拟直流励磁机。只要 ( 1 ) 将反映不可控整流器换相压降的系数k c = 0 ：( 2 ) 将反映交流励磁机电枢反 应瓜降的系数k d 按卣流励磁机的宅载特性和负载特性来求得。直流励磁机的空 载特性年负载特性重合时k d = o ；空载特性高于负载特性时，k d 0 ；空载特性低 于负载特性时，k d t 2 ( 或l ) ，一个为滞后环节，有t 3 ( 或t 1 ) t 4 ( 或t 2 ) 。 3 4 5 4 并联校正单元模型和参数 并联校正单元又称为励磁系统稳定器( e s s ) ，其模型如图3 1 2 所示。其输入信 号可以足发电机的励磁电压( 仅用于有刷励磁系统) e m 或交流励磁机的励磁电流l f e ( 有刷或无刷系统均有使用) 。输出信号的嵌入点可囚调节器的不同而不同。 u - 萨 图3 1 2 并联单元模型 并联校正单元模型参数有两个，k f 和t f 。都应通过测量或辨识取得。 3 4 5 5 时问常数补偿单元模型及参数 时问常数补偿单元是一个发电机的励磁电压( 仪用于有刷励磁系统) e f d 或励磁 一机的励磁电流i f e ( 有刷系统或无刷系统均有使用) 比例负反馈荤元。因为信号测量 环节的时问常数一般都非常小，可以忽略。其模型如图3 1 3 所示。输出信号的嵌入 点般在电压调_ 节器的功率放大单元前一级放大器。 第2 2 页 图3 1 3 励磁机时问常数补偿单元模型 l 东大学硕士学位论文 时间常数补偿单元模型参数为k 一个，应通过测量或辨识取得。 3 4 5 6 功率放大单元模型和参数 自动电压调符器的功率放大单元大多数为三相可控硅整流桥。 功率放大单元模型如图3 1 4 所示。 u r 。、u r l i l i 。分别为自动电压调节器的功率放大单元最大输出电压、最小输出电压， k 为其增益，t 为其等效时间常数。输入为校正单元或综合放大器的输出。 u r f u u r m 图3 1 4 自动电压调节器的功率放大单元模型 功率放大单元模型参数有u r 。、u r i i l i 。、k 和t 四个。 当自动电压调节器的功率放大单元由同轴副励磁机提供时，u r i i l a 。、u r = i 。由式( 3 1 2 ) 求得 u r 。= 1 3 5 u pc o s 口一 u r i i l i n 2 1 3 5 u pc o s 口一 ( 3 1 2 ) u p 、口，口一分别为副励磁机电压( 取强励时的输h j 电压) 、最小控制角 和最大控制角。 当自动电压调节器的功率放大单元由励磁变压器从发电机端取得时，u 、 u r l i i i l l 由式( 3 - - 1 3 ) 求得 u r m “2u l u r m 删 u r m i l = u u r i i i i n u r m 刑= 1 3 5 u sc o s 口m m ( 3 - 1 3 ) u r m m n = 1 3 s u nc o s 口m x t k = a u r a 矾 u 鼬。州、u l 嘶l l n 分别为发电机电压为额定值o c j ：h * - 放大单元的最大输出电压和 最小输出电压。 等效时间常数t 由调节器特性决定。对模拟式调节器且从副励磁机取得电源时， 第2 3 页 山东大学硕士学位论文 可以忽略，功率单元由机端变供电时为o 0 0 3 0 0 2 秒，对数字式调节器，还受其采 样及汁算周期的影响，可有试验测定。口。 口一 u n 为发电机电压为额定值时励磁变压器的二次电压。 3 4 6 电力系统稳定器( p s s ) 数学模型和参数 电力系统稳定器作为一种附加励磁控制对电力系统稳定性的改善具有重要的作 用，在电力工业中得到广泛应用。国际大电网会议第3 8 组3 8 0 1 0 7 工作组对各种 阻尼振荡措施进行了研究，并按它们的效果进行了排序( 3 3 3 8 ，4 0 - 4 1 ) 。 实际运行的电力系统稳定器一般包括信号测量单元、隔直单元( 可以有l 3 个 参数和结构都相同的环节) 、相位补偿调节单元( 可以有1 3 个参数不同而结构相同 的环节) 和限幅等单元( 3 9 ) 。稳定计算程序中的电力系统稳定器的模型一般如图3 1 5 所示。电力系统稳定器的参数有：信号测量单元的时间常数t 。、隔直单元的时间常 数t 。、相位补偿调节单元的时间常数t 。t 6 、输出限幅值v 。、v 。和增益k s 。这 些参数可以通过测量或辨识得到。 u s u 咽掴咽捆 图3 1 5 电力系统稳定器模型 ， u 5 r t u t t 3 4 7 各种限制与保护数学模型和参数 励磁调符器中的限制和保护主要有过磁通( 伏赫) 限制和保护、低励磁限制和 保护，过励磁限制和保护，高起始励磁系统的励磁机磁场电流瞬时过流限制等。 与电力系统机电暂态稳定计算关系密切相关的足商起始励磁系统的励磁机励磁 电流瞬时过电流限制，其他的限制和保护在中长期稳定计算中也应考虑。 高起始励磁系统的励磁柙磁场电流瞬时过流限制的模型如图3 1 6 所示。1 w o 、i f f 、 u o u r i r v o 图3 1 6励磁机励磁电流瞬时过电流限制器模型 k 分别是瞬时过电流限制定值、励磁机励磁电流实际值、限制单元增益。其输出 第2 4 页 【ji 东大学硕士学位论文 一般嵌入剑综合放大器的输入端。在模型中一般为低通门的一个输入。瞬时过电流限 制器的参数有限制定值i f f o 和增益k 。可以通过测量或辨识得到。 3 5 励磁系统原始模型和参数的建立 励磁系统原始模型是指能完全表示励磁系统硬件结构及软件编程的数学表达式及 逻辑关系的功能框图。 3 5 1 励磁系统原始模型的建立 ( 1 ) 研究励磁机的型式，根据所用励磁机确定励磁机模型( 直流励磁机、交流励 磁机或静ij ：励磁机) 。 ( 2 ) 仔细研究励磁调节器的硬件结构及软件编程的数学表达式及其逻辑关系，画出 自动电压调节器的各个功能块的方框图及相互间的逻辑关系图，确定自动电压调节器 的原始模型。 ( 3 ) 仔细研究各种限制和保护的工作原理及其实现方法、与电压调节通道逻辑关系， 确定各种限制和原始的模型。 ( 4 ) 仔细研究励磁机、励磁调节器、及各种限制和保护的逻辑关系，建立励磁系统 模型。 ( 5 ) 测定各个部件的参数。 3 5 2 励磁系统原始模型参数的测量与辨识 3 5 2 1 励磁系统模型的标幺值系统基准值的选择 发电机励磁回路的基准值按如下方法选择： ( 1 ) 发电机励磁电流的基准值i f d b选取发电机空载特性曲线气隙线上与发电机 额定电压相对应的励磁电流为基准值。 ( 2 ) 发电机励磁回路电阻的基准值r e d b 选取发电机额定运行工况温度下的励磁绕 组的e 乜阻值为其基准值，或选取发电机铭牌上额定励磁电压与额定励磁电流之比为基 准值，r f d b - = u f d n i f d n 。 ( 3 ) 发电机励磁电压的基准值u f d b 选取u f d b = i f d b r f d b 。 3 5 2 1 2 交流励磁机基准值的选择 ( 1 ) 交流励磁机电枢电压、电流和视在功率的基准值选取励磁机的额定电压、额 定电流和额定视在功率为各自的基准值。 第2 5 页 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 交流励磁机输出电压、输出电流的基准值 发电机励磁电压的基准值、发电 机励磁电流的基准值同时也是交流励磁机输出电压、输出电流的基准值。 ( 3 ) 交流励磁机励磁电流的基准值i f e b选取交流励磁机空载特性气隙线上产生一 个标幺值发电机励磁电压u m b 所需要的励磁电流为基准值。 ( 4 ) 交流励磁机励磁电压的基准值u f e b选取与发电机额定运行工况相对应的励磁 机励磁绕组温度下，产生一个基准值的交流励磁机励磁电流所需的励磁机励磁电压为 其基准隹i ，或选取u f 阴= i f h b + r f e b ，r f e b = u f e n ，i f e n 。u r e n 、i f e n 分别为发电机额 定工况f 励磁机的励磁对应和励磁电流。 3 5 2 1 3 静止励磁机基准值的选择 ( 1 ) 静i = 励磁机输出电压、输出电流的基准值 发电机励磁电压、励磁电流的基准值即是静止励磁机输出电压、输出电流的基准值 ( 2 ) 静j 【：励磁机输入电压的基准值 电压调竹器控i b 0 阿路的基准值也就是励磁机输入电压的基准值 3 5 2 1 4 直流励磁机基准值的选择 ( 1 ) 发电机励磁电压的基准值、励磁电流的基准值同时也是直流励磁机输出电压、 输出电流的毖准值。 ( 2 ) 直流励磁机励磁电流的基准值i f e b 选取亢流励磁机空载特性曲线气隙线上产生一个标幺值发电机励磁电压所需要的励 磁电流为肛准值u f d b 。 ( 3 ) 直流励磁机励磁电压的基准值u f e b 选取与发电机额定运行工况相对应的励磁机励磁绕组温度下，产生一个基准值的励磁 电流所需i 的励磁机励磁电压为其基准值，或选取u f e b = i f e b + r f e b ，r 哪 = u f e 以f e n u f e n 、i f e n 分别为发电机额定工况下励磁机的励磁电压和励磁电流。 3 5 2 1 5 电压调节器功率放大器基准值的选择 ( 1 ) 功；红放大器输出电压、输出电流的基准值 励磁机的励磁电压、励磁电流的基准值就是功率放大器输出电压、输出电流的基 准值。 ( 2 ) 功率放大器输入电压的基准值 电压调节器控制回路的基准值也就是功率放大器输入电压的基准值。 第2 6 页 i j j 东大学硕士学位论文 3 5 2 1 6 电压调节器控制回路基准值的选择 电压调1 ，器控制回路的基准值理论上可以是任意选定。但是，为了和大多数已有的 稳定计算程序一致，一般选择发电机电压为额定值时电压测鞋单元的输出电压( 或输 出电流、或数字调节器的码) 作为其基准值。这样，电压测量单元的增益为1 0 p u 。 3 5 2 1 7 电力系统稳定器回路基准值的选择 ( 1 ) 电力系统稳定器输出电压( 输出电流) 的基准值 电压调节器测量单元的输出电压、( 或数字调节器的码) 的基准值即是电力系统 稳定器输出电压基准值。 ( 2 ) 电力系统稳定器输入信号的基准值 电力系统稳定器输入信号为发电机功率、加速功率时，选取发电机的额定功率为 其基准值；输入信号为发电机组的转速时，选机组的额定转速为其基准值；输入信号 为发电机机端电压的频率时，选额定频率为其基准值。 3 5 2 2 励磁系统原始模型参数的确定 l f i j ) 磁系统原始模型参数的确定可以按以下步骤进行并采用标幺值。标幺值等于有 名值除以拉准值。 3 5 2 2 1 确定发电机励磁回路的基准值i f d br f o b 和u v d a 确定电力系统稳定器输入信号的基准值。 3 5 2 2 2 对交流励磁机或直流励磁机励磁系统 ( 1 ) 确定励磁机的基准值i f e b 、u e e a ( 2 ) 测定励磁机空载时问常数t e ( t “) ( 3 ) 根掘励磁机空载特性计算确定励磁机最大输出电压 ( 4 ) 计算励磁机的饱和系数s e ( 三个工作点，即最大输出电压、o 7 5 最大输出电压 和额定电压) ，按式( 3 2 ) 计算。 ( 5 ) 测定复励式励磁机的自励系数k e ，它励式励磁机k e = 1 0 ( 6 ) 计算三帽功率整流桥的换弧压降系数k c ，按式( 3 3 ) 计算 ( 7 ) 计算励磁机负载电流i f d 去磁作用系数k d 交流励磁机按式( 3 4 ) 计算，直流励磁机按式( 3 3 ) 计算 ( 8 ) 计算确定自动电压调节器的功率放大器的最大和最小输出电压，按式( 3 一1 2 ) 、 ( 3 1 3 ) 计算 第2 7 页 【ji 东大学硕士学位论文 ( 9 ) 确定自动电压调节器控制回路的基准值u d b ( 1 0 ) 通过测量或辨识确定自动电压调节器控制回路各个环节的参数( 包括限幅器参 数) ( 1 1 ) 通过测鼋= 或辨识确定各个限制和保护环节的参数 ( 1 2 ) 通过测量或辨识确定电力系统稳定器各个环节的参数 3 5 2 2 3 对静止励磁机励磁系统 ( 1 )计锌确定静止励磁机的最大输出电压和最小输出电压( 式( 3 9 ) ) ( 2 ) 计算三相功率整流桥的换弧压降系数k c ( 式( 3 一l o ) ) ( 3 ) 确定自动电压调节器控制回路的基准值u o b ( 4 ) 通过测屋= 或辨识确定自动电压调节器控制回路各个环节的参数 ( 5 ) 通过测量或辨识确定各个限制和保护环节的参数 ( 6 ) 通过测量或辨识确定电力系统稳定器各个环节的参数 第2 8 页 ii j 东大学硕士学位论文 4 励磁系统原始模型和参数向稳定计算程序用励磁模型和参数 的转换阳。2 1 当使j h 的电力系统稳定计算程序已有的励磁系统模型中没有与励磁系统原 始模型年i j 一致的模型时，应将原始模型转换成计算程序已有模型巾最接近的一种 模型。转换后的模型的响应( 小扰动，人扰动) 应与原始谈型的响应致。转换 可按f 述方法进行。 4 1 选择稳定计算用励磁系统模型 在使用的电力系统稳定计算程序已有的模型中选择一种与励磁系统原始模 型最为接近的模型。一般情况下，所选用的模型应该与原始模型有相同励磁机模 型( 两个模型的励磁方式一致) ，而只是调节器的控制环节( 包括电力系统稳定 器) 有差别。 4 2 模型的转换与模型参数的等值 仔细比较、研究选用的模型与原始模型的差别点，提出模型及模型参数的等 值方案。般有如下几种情况： a ) 选用模型中调节器多余的控制环节的处理 当选用模型中调节器的控制环节多于原始模型时，对串联环节。用选取参数的 方法将多余环节变为传递系数为1 或接近于l 的环节