电力系统自动装置原理-第4章同步发电机励磁自动控制系统的动态特性ppt课件

1、第4章 同步发电机励磁自动控制系统的动态特性 小节导航 1 2 3 4 小结第1节 概述一、同步发电机励磁自动控制系统动态特性应满足的根本要求二、同步发电机励磁自动控制系统的动态特性目的转第2节小节导航 1 2 3 4 小结动态特性应满足的根本要求 控制系统应能稳定运转本身空载和带载情况下稳定运转、对电力系统的稳定运转具有积极作用或负面影响较弱不致影响电力系统的稳定运转；动态特性要良好。 前往动态特性目的 励磁电压呼应比：励磁电压在最初0.5秒内上升的平均速率。由励磁电压呼应曲线定义的目的：发电机空载、额定转速条件下，忽然参与励磁使发电机端电压从零升至额定值时的时间呼应曲线的上升时间tr、超调

2、量p和调整时间ts可以作为动态特性目的 。上升时间tr：由稳态值的10%上升到90%或5%至95%或0%至100%的时间 。通常，对欠阻尼二阶系统，取0%至100%；对过阻尼二阶系统， 取10%至90% 。超调量p：uG的最大瞬时值与稳态值之差对稳态值比的百分数。 调整时间ts：uG与其稳态值之差到达且不再超越某一允许值常取稳态值的5%或 2%时的时间 。前往第2节 励磁控制系统的传送函数 一、励磁机的传送函数直流励磁机的传送函数它励自励交流励磁机的传送函数 二、励磁调理器各单元的传送函数 电压丈量比较单元的传送函数综合放大单元的传送函数可控整流电路的传送函数三、同步发电机的传送函数 四、励磁

3、控制系统的传送函数 转第3节小节导航 1 2 3 4 小结它励直流励磁机的传送函数 GE(s) = UE(s)/UEE(s) 前往GDEiEEuEEEREuExad/rfSE+UEEEdeUETEs+KE1参见推导过程传送函数推导过程 A. 直流励磁机励磁绕组的根本微分方程uEE = dE / dt + RE iEE = NdE/dt + RE iEE (1) N为直流励磁机励磁绕组的匝数B. iEE与uE的关系 前往uEiEEoiB iAuA uBABC1G 实践的uE iEE曲线如图示，在大励磁电流下存在饱和非线性。假设采用线性的方法经适当修正来逼近饱和非线性，那么可使处置得到简化。详细方

4、法如下： 设对非线性曲线上的C点，其励磁电流为iA，实践电压为uB；该点的线性直接逼近电压值为uA。另设实践电压为uB时线性逼近直线上的点为B，其励磁电流为iB。于是 下页推导过程续1 uA = iA/G = (iB/G)(iA/iB) = uB(iA/iB) = uB(1+iA/iB1) = uB(1+SE)其中，1/G为直线的斜率，SE= iA/iB1定义为饱和函数。利用上述关系可得iEE与实践电压uE其线性逼近值为uE的关系如下：iEE = GuE = GuE(1+SE) (2)C. E与uE的关系 E包括气隙磁通a和漏磁通l，E与a满足关系：E = a为分散系数1.11.2。另外，在恒

5、定转速下，uE与a成正比例关系，即uL = ka ，从而：E = (/k) uE (3)下页上页前往推导过程续2 D.传送函数的求取 将2和3代入1得：uEE = N(/k)duE/dt+REG(1+SE)uE (4) 对式4进展拉氏变换可得： GE(s) = UE(s)/UEE(s) =1/TEs+KE+SE (5)其中，TE = N(/k)，KE = REG，SE = KESE。传送函数框图中还思索了UE与发电机励磁电势Ede的关系。假设将其规格化为1，那么框图中可以去掉xad/rf部分。 参见传送函数框图上页自励直流励磁机的传送函数* GE(s) = UE(s)/IAVR(s) 前往参见

6、推导过程xad/rfSE+IAVREdeUERCURTEs+KE1GuEiEEiAVRi RCERE传送函数推导过程 uE= dE/dt + RE iEE + RC iRC = NdE/dt + RE iEE + RC (iEE iAVR) = NdE/dt + (RE + RC) iEE RC iAVR 与它励类似，将关系E = (/k) uE和iEE = GuE(1+SE)代入上式得：RC iAVR= N(/k)duE/dt + G(RE + RC)(1 + SE) uE uE = TEduE/dt + KE uE+ SE uE GE(s) = UE(s)/IAVR(s) = RC/TEs

7、+KE+SE其中，TE = N(/k)，KE = (RE + RC)G1，SE = (KE+1)SE。 该传送函数框图与它励具有类似的方式。 前往参见传送函数框图交流励磁机的传送函数 沿用直流励磁机的传送函数 交流励磁机的端电压与励磁绕组电流间的关系在忽略次要要素时以为与直流励磁机类似。 ACI型1981年，IEEE建议 参见P99图4-8自学。该模型的饱和系数、电枢反响系数和换弧压降系数分别思索，因此它更准确些，但本书后面再无运用篇幅。 前往电压丈量比较单元的传送函数 该单元的整流滤波电路略有延时，其他电路的延时可忽略。因此，该电路可等效为一阶惯性环节：GR(s) = Ude(s)/UG(s

8、) = KR / (1+sTR) 通常，TR约0.02 0.06s。 前往综合放大单元的传送函数 GA(s) = USM(s)/Ude(s) = KA / (1+sTA) 对运放型，TA0；对磁放大器型，TA0。 另外，输出具有一定的幅值限制：USMmin USM USMmax 前往可控整流电路的传送函数 由于晶闸管元件在导通后，控制极即失去作用，只需等其承受反向电压时它才关断。这一特性呵斥了整流电路输出电压平均值Ud滞后控制电压USM。滞后的最大能够时间为 ： TZ = 1/(mf) 对单相半波、三相半控桥式整流电路TZ = 1/(2mf) 对单相全波、三相全控桥式整流电路 其中，m为整流电

9、路控制的相数，f为电源频率 。因此，可得整流电路输出电压方程为 ：Ud = KZ USM (t-TZ) KZ为Ud和USM间的放大系数 对上式作拉氏变换得传送函数： GS(s) = Ud(s)/USM(s) = KZeTzs KZ / (1+sTZ) 前往同步发电机的传送函数 在只研讨励磁控制系统的有关特性时，可将同步发电机等效为一阶惯性环节： GG(s) = UG(s)/Ede(s) = KG / (1+sTG) 其中，时间常数TG与发电机的运转方式或负荷有关。发电机空载时，时间常数为Td0；机端短路时，时间常数为Td。 前往励磁控制系统的传送函数 在将励磁机的传送函数规格化，并将可控整流电

10、路的传送函数与其它环节归并后可得励磁控制系统的传送函数框图如下： 前往SE+U SMEdeUGTEs+KE11+TGsKG1+TAsKA+UREF1+TRsKR综合放大单元 饱和限制励磁机发电机电压丈量比较单元UG(s)/UREF(s)=KAKG(1+TRs)/(1+TAs)(TEs+KE)(1+TGs)(1+TRs)+KAKGKR 第3节 励磁自动控制系统的稳定性 一、概念回想 二、励磁控制系统空载稳定性分析 三、励磁控制系统空载稳定性的改善 转第4节小节导航 1 2 3 4 小结1根本概念 控制实际分类 古典控制论的分析方法 根轨迹的定义 根轨迹的求取方法 2根轨迹的直接作法设以开环放大倍

11、数K为参变量 作图规那么包括：根轨迹的起点和终点 根轨迹的分支数共有n条对称性由共轭根性质可知根轨迹关于s平面的实轴对称 实轴上的根轨迹 实轴上根轨迹的分别点和集合点分别角和集合角 根轨迹的渐近线根轨迹与虚轴的交点 概念回想*前往控制实际分类 前往 古典控制实际：以传送函数为根底研讨单输入、单输出一类的自动控制系统。 现代控制实际：以形状空间为根底研讨多输入、多输出、变参数、非线性的自动控制系统。 古典控制论的分析方法 频率特性法：借助于环节或系统的频率特性分析系统的稳定性。 根轨迹法：借助于闭环特征根的轨迹分析系统的稳定性根轨迹在左半平面为稳定。 数值仿真法：借助于微分方程，经过数值求解的方

12、法求其时域数值解。 前往根轨迹的定义 系统中某一可变参数在0 范围内变化时，在s平面上得到的一条闭环特征根的轨线称系统的根轨迹 。 前往根轨迹的求取方法 前往 方法1：参数变化时，求解闭环特征方程的根，然后将对应的点连成曲线即成。该方法要多次做方程求根运算，假设方程的次数较高，那么每次求根破费的时间较多。 方法2：直接利用相应的规那么作图。根轨迹的起点和终点 起点开环放大倍数为0时为开环传送函数的极点； 终点开环放大倍数为时为开环传送函数的零点； 因此，假设开环极点数n 开环零点数m，那么将有nm条根轨迹只需起点而没有终点或相当于终点在无穷远处。前往实轴上的根轨迹 假设实轴上的某一区间右侧的开

13、环实数零、极点的个数和为奇数，那么该区间必是实轴上的根轨迹 。前往 根轨迹分开或进入实轴的点称分别点或集合点。假设根轨迹位于实轴上两个相邻的开环极点之间，那么这两极点间必存在分别点；假设根轨迹位于实轴上两个相邻的开环零点之间其中一个零点可以位于无穷远处，那么这两零点间至少有一个集合点。 求法1： 。其中，zi和pj既不是向量，也 不是幅值，而是具有正、负的代数值，且只需思索实轴上的 零、极点。当zi和pj处于负实轴时，其值取负；反之，当zi和pj处于正实轴时，其值取正。同样，s0也是代数值。 求法2：由闭环特征方程写出变参数开环放大倍数关于s的函数表达式，由此式求变参数关于s的导数，并令该导数

14、为零即可求出分别点或集合点 实轴上根轨迹的分别点和集合点 前往110011mnijijszsp分别角和集合角 根轨迹分开分别点时，根轨迹的切线倾角称为分别角； 根轨迹进入集合点时，根轨迹的切线倾角称为集合角； 分别角和集合角恒等于90。 前往根轨迹的渐近线 假设开环有限极点数n 开环有限零点数m，那么将有nm条根轨迹分支沿着渐近线伸向无穷远处。渐近线与实轴的交点和交角分别为： 交点 交角 = (2k+1) /(nm) ( k = 0, 1, 2, nm1 ) 渐近线关于实轴对称由根轨迹关于实轴对称可以近似了解此结论 。 前往11()nmjijiapznm根轨迹与虚轴的交点 将s = j代入闭环

15、特征方程：1+G(j)H(j) = 0，令其实部和虚部分别为零可解出根轨迹与虚轴的交点坐标i及此时临界稳定的开环放大倍数Ki。 前往励磁控制系统空载稳定性分析 例题对照书P104-105自学 设某励磁控制系统的参数为：TA=0s，Td0=8.38s，TE=0.69s，TR=0.04s，KE=1，KG =1。试分析该系统的空载稳定性以开环放大倍数K为变参数。 分析结果 系统的动态性能不够理想，且随着K的不断添加，根轨迹将进入s的右半平面，使系统失去稳定。为改善系统的稳定性，须限制K，而这又会制约了调理的灵敏度。因此，在发电机励磁控制系统中需添加校正环节电压速率负反响励磁系统稳定器来提高同步发电机

16、励磁控制系统的稳定性。 前往励磁控制系统空载稳定性的改善 由控制实际知，只需当根轨迹均处于s左半平面时，系统的稳定性才干得到彻底保证。为此，最直接的想法就是在原来的根底上添加处于s左半平面的开环传送函数的零点，从而使根轨迹的终点落于s左半平面内，这样才有能够保证根轨迹的全部在s左半平面内。 基于上述思想，只需在发电机转子电压uE处添加一电压微分负反响励磁系统稳定器环节即可。将其换算到Ede处后其传送函数为：sKF/(1+TF s)。 结论：在发电机励磁控制系统中，普通都附有励磁系统稳定器，作为改善发电机空载运转稳定性的重要部件。 前往查看新的传送函数框图励磁控制系统的传送函数含励磁系统稳定器前

17、往SE+U SMEdeUGTEs+KE11+TGsKG1+TAsKA+UREF1+TRsKR综合放大单元饱和限制励磁机发电机电压丈量比较单元1+TF ssKF励磁系统稳定器U1 U2Ue第4节 励磁自动控制系统对电力系统稳定的影响 一、同步发电机的动态方程式 二、励磁控制对电力系统静态稳定的影响三、抑制低频振荡的措施电力系统稳定器PSS 转本章小结小节导航 1 2 3 4 小结同步发电机的动态方程式1.同步发电机动态方程线性化的条件 2.线性化的普通方法 3.同步发电机动态方程线性化的处置 前往同步发电机动态方程线性化的条件 在某一运转点附近假设系统遭到小扰动可将动态方程线性化，并在此过程中可

18、以采用如下假设： 忽略阻尼效应、饱和效应和定子绕组的电阻。忽略定子回路的电磁暂态过程，相当于在定子电压方程中令dd/dt=0和dq /dt=0。定子电压方程中转速电势d和q中的可近似以为等于同步转速0。前往线性化的普通方法 前往设某系统表示为 ),(),(tYXGYtYXFX将其在某任务点( )的邻域内作线性化处置,其关系式如下： 000,tYXttGYYGXXGYttFYYFXXFXtYXtYXtYXtYXtYXtYX),(),(),(),(),(),(000000000000000000同步发电机动态方程线性化的处置 单机无穷大母线系统例 方程线性化 线性化方程框图 前往单机无穷大母线系统

19、例 U为常数且各量均以标幺值表示 设Eq是转子励磁电流IEF产生的总磁链G =Gd +jGq在定子侧的等值电势，Eq是Gd 在定子侧的等值电势，Ede是转子励磁电压UE在定子侧的等值电势。前往GUGUIGre+jxeUIGreIGjxeIGUGjxqIGEQUqGEqEqxdIdxdIdIdUdGIqUdUq方程线性化Eq的线性化方程 发电机转子运动的线性化方程发电机电磁转矩的线性化方程发电机端电压的线性化方程 前往334303011qdeddKK KEEK T sK T s0meJMMT ss12eqMKKE56GqUKKE虚线D处计及发电机转子阻尼作用，同时还画出了PSS；K3大于零，只与

20、发电机和线路阻抗有关，而与发电机运转形状无关，其他K系数与运转形状有关。K1、K2、K4、K6均大于零，而K5在负荷较重时伴随着功率角增大，其值由正变负。 线性化方程框图前往+PSS或P=PmPe1+K3Td0 sK3TJ s1s0K1K5K4励磁系统K6K2+MmMEqEdeUGUREFD不计励磁调理时，无此部分+励磁控制对电力系统静态稳定的影响前往同步发电机的固有特性不计励磁调理时的特性 不思索转子相位角所引起的祛磁效应即Eq =0 A. 在D=0时 B. 在D0时 思索转子相位角所引起的祛磁效应即Eq 0 计及励磁调理时的静态稳定分析 A.稳定条件 B.轻载时K5 0 C.重载时K5 0

21、 10JKsjT Eq =0和D0时同步发电机的固有特性前往(Mm K1 D)/(TJ s) (0/s) = (TJ s2+ Ds+K10) = Mm0 特征方程TJ s2+ Ds +K10 =0 稳定条件：同步转矩系数K1 0和阻尼转矩系数D0 21042JJDDKTsTEq 时同步发电机的固有特性前往由框图可以写出此时的闭环传送函数(s)/Mm(s)，从而列出它的特征方程。由特征方程可以得出稳定条件： 等效同步转矩系数 K1 K2K3K4 0 等效阻尼系数 D+K2K3K4 0 由上述条件可以看出，等效同步转矩系数下降了坚持同步的才干有所降低，但因K1 较大，故等效同步转矩系数普通仍能坚持大于零，等效阻尼系数上升了有利于抑制振荡，对坚持稳定运转有益处。 为简化分析，将励磁系统简化成一个等值的一阶惯性环节：Ede (s) /UG(s) = Ge(s) = Ke/(1+Tes) 进一步地，对快速励磁，可那么励磁系统简化成一放大倍数Ge(s) = Ke。将Ge(s) = Ke代入传送函数框图中，求其闭环传