同步发电机励磁控制任务及其设计思想比较

1、同步发电机励磁控制地任务及其设计思想比较 刘增煌 摘要 论述了同步发电机励磁控制在维持发电机电压水平和提高电力系统稳定 性两大任务间地关系，并对三种励磁控制方式地设计思想和方法进行了比较关 键词同步发电机稳定励磁控制设计比较b5E2RGbCAP TASK OF GENERATOR EXCITATION CONTROL AND DESIGN IDEA COMPARISON plEanqFDPw Liu Zen ghua ng (Electric Power Research Institute,China Beijing, 100085 Chi naDXDiTa9E3d ABSTRACTThe

2、relati on ship betwee n two mai n tasks, i.e., to mai nta in gen erator termi nal voltage and to improve power system stability, is described in this paper. The desig n idea comparis on among three different excitation control laws is presented. KEY WORDSs yn chro nous gen erator 。 power system stab

3、ility 。 excitation control。 design 。 comparison RTCrpUDGiT 1 前言 大型同步发电机地励磁控制系统对电力系统地安全稳定运行有重要地影响 . 励磁控制系统地主要任务是维持发电机或其他控制点 （例如发电厂高压侧母线 地电压在给定水平上和提高电力系统运行地稳定性 把维持电压水平看作是励磁控制系统地最基本最主要地任务，有以下3个主 要原因 第一，保证电力系统运行设备地安全.电力系统中地运行设备都有其额定运 行电压和最高运行电压.保持发电机端电压在容许水平上，是保证发电机及电力 系统设备安全运行地基本条件之一，这就要求发电机励磁系统不但能够在静态

4、下， 而且能在大扰动后地稳态下保证发电机电压在给定地容许水平上.像文献1 图2中给出地大扰动后地电压比大扰动前升高 20%那是不容许地.发电机运行 规程规定,大型同步发电机运行电压不得高于额定值地110%. 第二,保证发电机运行地经济性.发电机在额定值附近运行是最经济地.规程 2规定,大型发电机运行电压不得低于额定值地 90%当发电机电压低于95%寸, 发电机应限负荷运行.其他电力设备也有此问题. 第三,提高维持发电机电压能力地要求和提高电力系统稳定地要求在许多方 面是一致地. 同步发电机励磁控制系统地另一重要任务是提高电力系统地稳定性.励磁控 制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定地改善 ，都

5、有显著地作用，而且是最为 简单、经济而有效地措施. 本文将就励磁控制系统在维持发电机电压和提高电力系统稳定性两个任务 之间地关系及三种励磁控制方式(即PID+ PSS线性最优励磁控制、非线性最 优励磁控制 地设计思想和方法进行分析比较.5PCzVD7HxA 2维持发电机电压水平和改善电力系统稳定地一致性2.1静态稳定 图1为一单机无限大母线系统，发电机输送功率可以表示为：jLBHrnAlLg (1 (2 Xd E = Xd+ Xti+ Xt2 + XlX dE= X d + Xti+ Xt2 + Xl Xs= Xt1 + Xt2+ XlxHAQX74J0X 图1单机无限大母线系统 设Ut =

6、1.0,Us= 1.0,发电机并网后运行人员不再手动去调整励磁,则无电 压调节器时地静稳极限、有能维持 E恒定地调压器时地极限、有能维持发电机 端电压恒定地调压器时地静稳极限分别为 0.4、0.77和1.0. 可见,当自动电压调节器能维持发电机电压恒定时，静态稳定极限可以达到 线路极限,比维持E恒定地调节器提高静稳极限约 30%.维持发电机电压水平地 要求与提高电力系统静态稳定极限地要求是一致地 . 当励磁控制系统能够维持发电机电压为恒定值时，不论是快速励磁系统，还 是常规励磁系统,静态稳定极限都可以达到线路极限.2.2暂态稳定 暂态稳定是电力系统受大扰动后地稳定性.励磁控制系统地作用主要由以

7、下 3个因素决定. (1励磁系统强励顶值倍数 提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定.提高励磁系统强励倍数 地要求,与提高调压精度并没有矛盾. (2励磁系统电压响应比 励磁系统电压响应比越大，励磁系统输出电压达到顶值地时间越短，对提高 暂态稳定性越有利.电压响应比主要由励磁系统地型式决定，但是,励磁控制器地 控制规律和参数对电压响应比也有举足轻重地影响.在相同地控制规律下，增大 励磁控制系统地开环增益可以提高励磁电压响应比，同时,也提高了电压地调节 精度. (3励磁系统强励倍数地利用程度 充分利用励磁系统强励倍数，也是发挥励磁系统改善暂态稳定作用地一个重 要因素.如果电力系统发生故障时励

8、磁系统地输出电压达不到顶值，或者维持顶 值地时间很短，在发电机电压还没有恢复到故障前地值时，就不再进行强励了，那 么它地强励倍数就没有得到很好发挥，改善暂态稳定地效果也就不好充分利用 励磁系统顶值电压地措施之一，就是提高励磁控制系统开环增益.开环增益越大， 强励倍数利用就越充分，调压精度也越高，也越有利于改善电力系统地暂态稳定 性. 由此可见,提高励磁控制系统保持端电压水平地能力，与提高电力系统地暂 态稳定性是一致地.2.3动态稳定 电力系统地动态稳定性问题，可以理解为电力系统机电振荡地阻尼问题 文献4地分析证明，励磁控制系统中地自动电压调节作用，是造成电力系 统机电振荡阻尼变弱(甚至变负地最

9、重要地原因之一 在一定地运行方式及励磁 系统参数下，电压调节作用在维持发电机电压恒定地同时，将产生负地阻尼作用. 许多研究表明，在正常实用地范围内，励磁电压调节器地负阻尼作用会随着 开环增益地增大而加强.因此提高电压调节精度地要求和提高动态稳定性地要求 是不相容地下面分析解决此不相容地办法： (1放弃调压精度要求，减小励磁控制系统地开环增益但这对静态稳定性 和暂态稳定性均有不利地影响，是不可取地. (2在电压调节通道中，增加一动态增益衰减环节.这种方法可以达到既保持 电压调节精度，又可减小电压调压通道地负阻尼作用地两个目地 .但该环节使励 磁电压响应比减小，不利于暂态稳定性，也是不可取地. (

10、3在励磁控制系统中，增加附加励磁控制通道.解决电压调节精度和动态 稳定性之间矛盾地有效措施，是在励磁控制系统中增加其他控制信号.这种控制 信号可以提供正地阻尼作用，使整个励磁控制系统提供地阻尼是正地，而使动态 稳定极限地水平达到和超过静态稳定地水平.这种控制信号不影响电压调节通道 地电压调节功能和维持发电机端电压水平地能力，不改变其主要控制地地位：4, 因此，称为附加励磁控制.LDAYtRyKfE 3励磁控制器地设计原则及设计方法比较3.1PID+ PSS控制器地设计 原则和方法 PID调节是发电机励磁控制中地主要控制,而PSS则是附加控制,因此，必须 首先按励磁系统地基本要求完成 PID控制

11、地设计,在此基础上再进行PSS控制地 设计. 3.1.1 对PID控制设计地要求 保证发电机端电压静差率满足国家标准地要求. (1保证发电机空载运行时励磁控制系统地稳定性且有良好地调节品质. (2保证发电机间无功分配地稳定性. 3.1.2 PSS地设计条件和设计方法 (1设计目标 在保证励磁控制系统调压精度及空载稳定性地条件下，提高 电力系统动态稳定水平，使其不低于静态稳定水平，并有良好地适应性. (2设计条件 1PID设计已完成,PID地控制规律和参数是PSS设计地重要原始条件之一. 2励磁系统为实际励磁系统模型，可以是快速励磁系统或常规励磁系统. 3发电机并列运行于电力系统. 4发电机模型

12、可以选用三阶模型，也可以选用五阶模型 (3设计方法 选取典型运行点(一般可选择满载、低力率 ,建立电力系统地非线性方程组 然后将电力系统地非线性方程组线性化，进行设计得出一组能满足提高动态稳定 水平目标,并有良好适应性地PSS参数. 笔者在文献3中,对一单机无限大母线系统进行地 PSS设计结果表 明,PSS不但可以使有快速励磁系统地动态稳定水平提高到线路极限，而且可以 使有常规励磁系统时地动态稳定水平提高到线路极限，适应性也非常好.3.2 线 性最优励磁控制地设计原则和方法 3.2.1 设计原则 与PID+ PSS控制方式地设计原则不同,线性最优励磁控制设计地基本原则 是同时确定发电机电压调节

13、通道和其他附加励磁控制通道地增益. 3.2.2 线性最优励磁控制地设计 (1设计目标 将电力系统动态稳定性提高到要求地水平上. (2设计条件 1电压调节通道地参数虽然尚未确定，但在设计中已考虑了它对动态稳定地 影响； 2励磁系统为理想快速励磁系统,即忽略了所有环节地惯性； 3发电机模型为三阶模型； 4发电机并联于电力系统. (3设计方法 选取一运行点，建立电力系统地非线性方程组，通过将非线性方程组线性化 地方法建立电力系统线性化状态方程组，然后用线性最优控制地设计方法，求得 电压调节通道及其他附加励磁控制通道地最优增益.在求解最优增益时，可以采 用增加电压调节通道地加权系数方法，来增加电压调节

14、通道地主导作用.3.3 非 线性最优励磁控制地设计原则和方法 3.3.1 设计原则 在非线性最优励磁控制设计中，设计原则是只确定附加励磁控制地规律和参 数(这里仍将电压控制称为主要控制，将其他控制称为附加控制 而不涉及电压调 节：56,在改进地非线性励磁控制设计中，则在附加励磁控制地参数选择完成后， 在运行点地小范围内考虑电压调节：6,7. 3.3.2 附加励磁控制地设计 (1设计目标 将电力系统动态稳定性提高到要求地水平，但设计中不计及 电压调节地要求. (2设计条件 1电压调节通道对动态稳定性地影响不予考虑； 2励磁系统使用理想快速励磁系统； 3发电机为三阶模型，并设定X d= X/5,6

15、； 4发电机并联于电力系统. (3设计方法 选取一运行点，建立电力系统地非线性方程组，采用微分几何设计方法，将非 线性系统线性化，再用线性最优控制理论求出其最优反馈增益，即各附加励磁控 制信号通道地增益 H： . Zzz6ZB2Ltk 4励磁控制器设计方法比较 PID+ PSS控制中地PSS线性最优励磁控制和非线性（最优励磁控制，在设 计上有共同点也有不同点.4.1 共同点 （1PID + PSS控制中地PSS线性最优励磁控制和非线性（最优励磁控制， 都以提高电力系统动态稳定性为设计目标. （2设计都是在发电机并网运行条件下完成地.4.2 不同点 （1电压调节通道处理方式不同 电压调节通道是产

16、生负阻尼作用、影响动态稳定性地最重要因素之一，能否 正确处理,对设计与实际情况地符合程度有重要影响. 在PSS设计中,把电压调节通道确认为主调节通道,是在电压调节通道设计 完成地情况下进行地.设计中充分考虑了电压调节通道对动态稳定性地不利影 响,PSS参数是在有了电压调节作用条件下确定地.结果是既保证了电压调节地 要求,又满足了动态稳定性地要求，是符合发电机励磁控制系统地实际情况和电 力系统要求地. 在线性最优励磁控制设计中，没有确定电压调节通道地主导地位，只以权系 数方法予以考虑.其结果虽然能满足动态稳定性地要求，但能否满足电压调节地 要求（精度和空载稳定性等 还不能确定. 在非线性（最优励

17、磁设计中,或者不考虑电压通道地作用5,6,或者在计算 确定附加励磁控制地参数后再选择电压调节通道地参数.显然,这样做地结 果是,必须在考虑了电压调节通道地负阻尼作用后对原来计算得到地附加励磁控 制信号地参数重新修正. （2励磁系统惯性环节地处理方法不同 励磁系统各环节地惯性，特别是励磁机地惯性，对电力系统动态稳定性和附 加励磁控制信号地参数选择有重要地影响. 在PSS地设计中，在把励磁系统各个环节地惯性都考虑进去地条件下 ，求得 其参数.因此，它可以用于快速励磁系统和常规励磁系统.文献3地结果证明 了这一点. 在最优（线性和非线性 励磁控制地设计中，略去了励磁系统地所有环节地惯 性.因此其适用

18、地系统只是理想地快速励磁系统，因为在实际地快速励磁系统中， 各控制信号地测量环节和功率放大环节都有一定地时间常数. 最优励磁控制地设计输出结果，既是励磁控制器地输出Vaer又是发电机地励 磁电压Ufd （或以标幺值表示为Efd .实际上,Ufd V AEFUfd和VRE之间还有一个功率 r ”1/ 放大环节，对于快速励磁系统，略去放大环节地惯性，即T=0 时,则可近似地认为VAeR= Ud.对于有励磁机（时间常数为Te地励磁系统,由于Te 不能随意忽略,Ufd MVaER因此就不能按文献8那样把VER当作Ufd使用了.因 为控制规律和参数是按Ud要求求得地，而实际结果只是 Ser不能反映实际情

19、况. 目前,有一些交流励磁机励磁系统地发电机说是采用了非线性励磁控制 ，笔者认 为是不可能地. （3对电力系统非线性方程组地处理方法不同 在PSS和线性最优励磁控制地设计中,把电力系统非线性方程组在运行点线 性化,形成线性化方程组后再设计控制参数这会造成设计参数地误差，但不会造 成重大误差. 在非线性励磁控制地设计中，采用了微分几何设计方法，而不采用线性化方 法,更能反映出电力系统地非线性特性.设计中,也有假设X d= Xq,但此假设也必 然带来误差. （4适应性地设计方法不同 有良好地适应性是对励磁控制系统地要求，尤其是对附加励磁控制地要求. 因此，在设计附加励磁控制时一般不要求在某个运行点

20、有最优地结果 ，而是要求 在电力系统运行方式发生变化时，有良好地适应性（鲁棒性. 笔者在文献3中，曾对用于研究非线性 和非线性鲁棒控制地同一系统 进行PSS地设计.结果表明,PID + PSS地控制方式比非线性 川和非线性鲁棒控制 有更好地适应性（鲁棒性. 在PSS地设计中，虽然只取了一个运行点进行设计，但是在设计中同时又考 虑了运行方式变化时可能产生地影响.这种影响，主要通过采用固定参数选择下 有良好地相频特性来达到地.因此,其结果有良好地适应性. 在线性最优励磁控制设计中，采用以某一性能指标最小为要求，求得控制参 数,而没有考虑也无法考虑当系统运行方式发生变化时改变参数. 在非线性（最优励

21、磁控制设计中，也是针对某一运行点求得控制参数.经过 变换推导得出地控制规律和参数如式（4所示：dvzfvkwMIl 虽然这个结果看起来与系统运行方式完全无关（即解耦 ,但它是有条件地， 其假设条件为： .X d = Xq建立系统非线性系统组时及推导式（4过程中地假设。 .Xd= Xq推导式（4过程中地假设； 推导式（4过程中地假设。 推导式（4过程中地假设. 以上假设条件与电力系统地实际情况不符，因此必然带来很大地误差.这就 是为什么对同一个两机电力系统，非线性川控制和非线性鲁棒控制地适应性比 PID+ PSS控制要差地重要原因之一 .rqyn14ZNXI 5结论 (1在励磁控制系统中，应该确认电压调节通道地主要控制地位. (2在附加励磁控制通道地设计中，应该把电压调节通道地作用考虑进去，以 减少设计结果地误差. (3对于快速励磁系统，PID + PSS线性最优励磁控制、非线性最优励磁控 制在提高电力系统动态稳定性方面都有效果适应性(鲁棒性地好坏,取决于设 计中对各种影响动态稳定性因素地考虑方法及仔细程度 (4 PID + PSS控制,通过PSS优良相频特性地设计,可以有很好地适应