励磁系统参数整定研究

VRmin
FEX FEX=F(IN) KCIFD • IN= VE • IFD
Π ○
SK F 1+ STF
S E+KE + •○ Σ VFE + KD
图 ２ IEEE AC1 型励磁系统标准模型 Fig.2 Standard model of IEEE AC1 excitation system
UT IT UT +IT XCsin ϕ UC KA 1+STR _ Σ ○ Verr + Uref
（2） ITAE 准则： 时间 t 与系统误差函数 e( t ) 绝 对值的乘积对于时间 t 的积分达到最小，系统的调 节性能最佳。即目标函数为 min J =
∫
T 0
t | e(t ) | dt
(2)
邵 伟，徐 政
（浙江大学电机系，浙江 杭州 310027）
STUDY ON PARAMETER SETTING OF EXCITATION SYSTEMS
SHAO Wei，XU Zheng (Department of Electrical Engneering，Zhejiang University，Hangzhou310027，China)
ABSTRACT: In this paper, a new method of parameter setting for excitation systems is proposed. Firstly, the large signal performance simulation test of the excitation system is conducted and the objective response of the excitation system is described with its large signal performance index, and then the parameters of the excitation system are identified. Secondly, the small signal performance simulation test of the excitation system is done and the parameters of the excitation system are optimized by the Integral of time multiplied by the absolute value of error ( ITAE) criterion in order to enhance the small signal regulation performance. IEEE AC1, AC2, and ST1 excitation systems are selected as examples, and their parameters are identified and optimized. The simulation results show that the approach of parameter setting by identification and optimization for excitation systems is feasible, valid and effective. KEY WORDS: and excitation system; parameter setting; identification simulation 摘要：提出一种励磁系统参数整定方法：首先进行励磁系统 大信号特性仿真试验， 用大信号特性技术指标描述励磁系统 目标响应，对选定的辨识参数进行辨识；然后进行励磁系统 小信号特性仿真试验，按照时间乘绝对误差的积分（ITAE） 准则对选定的优化参数进行优化， 以提高励磁系统小信号调 节特性。以 IEEE AC1、AC2 和 ST1 型标准励磁系统为例， 用辨识与优化的方法对励磁系统参数进行整定并给出整定 参数，以供电力系统仿真计算使用。仿真结果表明，用辨识 与优化的方法设置励磁系统参数是有效、可行的。
第 22 卷 第 10 期 2002 年 10 月 文章编号：0258-8013 (2002) 10-0012-06
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.22 No.10 Oct. 2002 ©2002 Chin.Soc.for Elec.Eng.
励磁系统参数整定研究
关键词：励磁系统；参数整定；辨识与优化；动态特性；仿 真 中图分类号： TM712 文献标识码：A
1
引言
optimization;
dynamic
performance;
发电机励磁系统的性能对电力系统稳定性有很 大的影响，而励磁系统性能的好坏取决于其参数的 设置：适当的参数设置能够提高系统稳定性，增加 系统阻尼；不适当的参数设置可能会起到相反的作 用。在 GB/T 7409.3-1997《大、中型同步发电机励 磁系统技术要求》中，对于标志励磁系统动态性能 的技术指标（主要包括大信号特性和小信号特性） 有明确的要求。在电力系统仿真计算中，励磁系统 的参数整定主要存在以下几个问题： （1）在电力系统规划、设计阶段，待建机组励 磁系统的模型与参数均未知，需要设计出性能符合 国家标准的励磁系统模型及参数。 （2）在电力系统日常运行计算中，有时难以得 到实际励磁系统的模型与参数，需要采用其性能符 合国家标准的励磁系统模型与参数。 （3）不同的电力系统分析计算软件，采用的励 磁系统模型和参数很不一致，需要对其参数进行优 化调整，使其动态性能符合国家标准。 文献 [1]对实际励磁系统的数学模型与参数进 行了测定与试验。文献[2]对励磁系统参数进行了优 化，但其方法仅仅是在几组参数中选取效果较好的 一组参数，并不是一种严格意义上的优化方法。实 际上，在电力系统仿真计算中，励磁系统采用的数 学模型多种多样，而目前还没有一种能对各种励磁 系统仿真计算模型（特别是 IEEE 和 IEC 标准励磁 系统模型）进行参数整定的通用方法。
Verr+ _ Vs 1+ST C 1+ST B
VAmax
KA + Σ 1+ STA VH_
Σ +○
VF
○
LV GATE
KB
+
VRmax
Σ ○
0 •
VAmin
VL
KH
VRmin VR Σ ○ +
KL
1 ST E
VE •
FEX
Π ○
EFD
_
FEX=F(I N)
VLR VFE
• Σ
SE+K E
•
SKF 1+ST F
基金项目：国家重点基础研究专项经费项目 （G1998020311） ； 国 家自然科学基金项目（59707005）。 Project Supported by Special Fund of the National Priority Basic Research of China(G1998020311);Project Supported by National Natural Science Foundation of China ( 59707005).
2
励磁系统动态性能指标
机转子结构与三机系统不同，取消了发电机转子滑 环。无刷励磁系统也分为常规响应和 HIR 两种。大 型水轮发电机组和装在坑口电站的大型汽轮发电机 组一般采用电压源静止励磁控制系统；三机系统一 般被大型汽轮发电机组选用，水轮发电机组一般不 选用；容量大于 600 MW 的汽轮发电机组、核电机 组和燃气轮发电机组几乎全部选用无刷励磁系统。 参考 GB/T 7409.2−1997《同步电机励磁系统研究用 模型》 ， 根据 IEEE 同步发电机励磁系统定义标准[6]， 3 种励磁系统的数学模型为：静止励磁系统选用 IEEE ST1 型， 常规响应三机系统选用 IEEE AC1 型， HIR 三机系统选用 IEEE AC2 型。其数学模型见图 1~3。3 种励磁系统的大信号特性指标见表 1。一般 说来，对于电力系统规划计算和
+○ VImin VF
图 １ IEEE ST1 型励磁系统标准模型 Fig.1 Standard model of IEEE ST1 excitation system
Vs Verr + ○ Σ + VF 1+ST C 1+STB VRmax KA VR+ Σ 1+STA ○ _ 1 STE 0 VE • EFD
２．１ 大信号特性 所谓大信号特性[3]是指信号响应足够大，使得 系统的非线性不容忽略。大信号特性用来衡量励磁 系统对系统暂态稳定性的影响，要求在发电机额定 负载运行的条件下进行测试。大信号特性主要的技 术指标分为 2 种： ① 对于常规响应励磁系统， 技术 指标为顶值电压倍数和励磁电压响应比； ② 对于高 起始响应励磁系统，技术指标为顶值电压倍数和励 磁电压响应时间。 ２．２ 小信号特性 所谓小信号特性[3]是指信号响应足够小，使得 系统的非线性可以忽略不计。小信号特性用来衡量 励磁系统对系统增量（如负荷增量、电压增量等） 的调节性能，要求在发电机空载运行的条件下进行 测试。小信号特性主要的技术指标为：上升时间、 调整时间、超调量和振荡次数。其国家标准指标 为[4]：超调量≤50%，调整时间≤10s，振荡次数≤3 次。 ２．３ 我国的励磁系统概况 目前，国内发电机励磁调节器主要有 3 种类型 [5] ：电压源静止励磁控制系统、它励静止二极管整 流器励磁系统（简称三机系统）和无刷励磁系统。 至于直流励磁系统，目前基本无机组使用。静止励 磁系统励磁电压响应时间快，但发电机出口短路时 强励能力显著下降。三机励磁系统分为常规响应和 高起始响应（HIR）三机励磁系统。常规响应三机 系统电压响应时间较慢，约为 0.2~0.5 s；HIR 三机 系统电压响应时间较快，一般不大于 0.1 s。无刷励 磁系统本质还是三机励磁系统，只是励磁机和发电
○ +
KCI FD IN = VE
Fra Baidu bibliotek
KD
•
I FD
图 ３ IEEE AC2 型励磁系统标准模型 Fig.3 Standard model of IEEE AC2 excitation system
14
中
国
电
机
工
程
学
报
第 22 卷
仿真研究，采用上述 3 种励磁系统模型即可满足要 求。 在图 1~3 中，电压误差信号Verr 是由励磁系统 的电压量测环节和无功补偿环节（调差环节）输出 的，其数学模型如下[4]：
第 10 期
邵
伟等：
励磁系统参数整定研究
13
为解决上述问题，本文提出一种励磁系统参数 整定方法：首先以大信号特性技术指标为目标，用 Gause-Newton 法对励磁系统参数进行辨识，确定符 合标准的励磁系统参数；接着按照时间乘绝对误差 的积分（ITAE）准则，用 Gause-Newton 法对励磁 系统参数进行优化，以提高励磁系统的小信号调节 性能。针对我国励磁系统概况，本文以 IEEE AC1、 AC2 和 ST1 型标准励磁系统为例， 对励磁系统参数 进行了辨识与优化，并对每种励磁系统模型给出了 一套动态性能符合国家标准的参数，以供仿真计算 或研究使用。仿真结果表明，本文提出的励磁系统 参数整定的方法是有效、可行的。
图 ４ 励磁系统电压量测环节和无功补偿环节模型 Fig.4 Model of voltage measurement block and reactive power compensation block
式中 U T 和 I T 为机端电压和电流； X C 为补偿电 抗； T R 为延迟时间。 在研究励磁系统动态性能时，可将 X C 设为常 数。
表 １ 励磁系统动态性能标准 Tab. 1 Dynamic performance standard of excitation system
静止励磁系统 常规响应三机系统 HIR 三机系统 Verr + Vs VImax 1+ STC 1+ STB SK F 1+ STF KA 1+ST A • 顶值倍数/pu ≥2.0 ≥2.0 ≥2.0 响应时间/s ≤0.08 — ≤0.1 响应比/（pu ⋅s -1） — ≥2 — VTVRmax −Kc IFD EFD VTVRmin−Kc IFD