励磁ESS和PSS稳定器

jM D (d )
同步转矩系数 阻尼转矩系数
同步转矩 增量
阻尼转矩 增量
M D (d )
M e D
M s (d )
系统稳定，要求：
• 同步转矩>0 • 阻尼转矩>0
17
假定 Ede 恒定 Ede 0 无励磁控制
D
(s) Mm(s)
1 K3Td'os 0 TJ s2 0K1 1 K3Td'os K2K3K40
Eq
xd
xT 1
UG
U L1
xL
xT 2
xL UL2
U
10
1、基本方程
Uq Ud
U U
cos sin
UGq UGd
U U
cos sin
Id Xe IqXe
Eq' IqXq
Id
X
' d
I q I d
U cos0 XEq q'XUe sin 0
X
' d
Xe
U Gq
Eq'
X
' d
I
d
UGd X qIq
d 0
阻尼转矩增量
轻负荷情况下，K5>0 同步转矩增量↓
重负荷情况下，K5<0 同步转矩增量↑
阻尼转矩增量↑ 阻尼转矩增量↓
简单式励磁控制：
➢ 增加同步发电机同步转矩系数 ➢ 但同时引进了负阻尼
21
三、电力系统稳定器（PSS）
引进人为信号 → 增强阻尼
PSS的原理
转子运动方程：
TJ
d
dt
M m
'
滤波器
主要保证相位
d
补偿要求
25
5、PSS总体框图
复位环节
PSS
限幅环节
UG
带通
滤波器
sT 1 sT
K
PSS
1 1
sT1 sT2
k
U PSS
励磁 Ede
系统
U REF
电力系统稳定器自从提出后在世界各国电力系统得到全面推广，概念清晰，实 现简单方面，效果理想
但是也存在一些问题：
能抑制所设计的频率附近的低频振荡，对其它频率不能取作用，甚至取反 作用
s3
1 K3Td'o
s2
K3Td'o TJ
s
0
TJ K3Td'o
K1 K2K3K4
0
稳定运行条件：（Routh判据）a3>0；a1a2>0
K1 K2K3K4 0 K2K3K4 0
两个条件矛盾
Ede
Ede 0
18
M e
K1
K 2 Eq'
K1
K2K3K4
1
K
T'
3 do
s
K1
K2K3K4
长距离输电线路 重载线路 弱联电力系统
当电力系统的阻尼较弱或为负时，就会产生低频振荡 0.2～ 2Hz，超低频振荡0.1Hz左右及以下，次同步振荡10～40Hz
为了增强电力系统阻尼，引入电力系统稳定器 Power System Stabilizer (PSS)
9
Xe
XT1
1 2
XL
XT2
一、同步发电机模型
Eq'
1
K3 K 3Td'o s
Ede K4
UG K5 K6Eq'
M m M e
TJ s
0
s
14
Me K1 K2Eq'
Eq'
1
K3
K
T'
3 do
s
Ede K4
UG K5 K6Eq'
M m M e
TJ s
0
s
K1 K2 K4
K6
K5
0
K3 const 0
闭环性能需要改善：
引入转子电压微分负反馈，改变开环零极点分布
励磁系统稳定器（Excitation System Stabilizer, ESS）
5
三、励磁系统稳定器
原系统： s 0.12 s 1.45 s 25 无零点
引入反馈后系统：系统将有4个极点，3个零点，选取： 0.12 1 25
TF
6
励磁系统稳定器（ESS）通过引入三个零点将闭环根轨迹 引到左半平面，大大提高了稳定性以及闭环调节精度
目前带有励磁机的励磁调节器都安装有ESS
sK F
1 TF s
7
第六节 电力系统系统稳定器
j
j
j
阻尼较弱
j j
j
负阻尼
8
电力系统的阻尼较弱或为负：
在某种情况下高放大倍数、高起始响应的励磁调节器 （快速励磁）
否：设置下一个60o定时
28
三、控制规律
AVR＋PSS
UG
离散化AVR
U REF
u(t
)
K
P
e(t)
1 TI
t 0
e(t)dt
TDde(t) dt
离散化PSS
带通 滤波器
复位环节
sT 1 sT
PSS
k
K
PSS
1 1
sT1 sT2
限幅环节
U PSS
励磁 Ede
系统
连续状态方程离散化： X AX Bu 隐式梯形积分法，h仿真计算步长
11
2、转子运动方程
TJ
d
dt Se
M UG
m
I
Me UGd
D
jU Gq
近似：M e Pe Id jI q
M e Pe UGd Id UGq Iq
Me K1 K2Eq'
K1
M
e
K2
M e Eq'
M m M e
TJ s
0
s
12
3、励磁绕组方程
合成磁链 fd
第五节 励磁系统稳定器
一、二阶控制系统动态性能评价
过调量（超调量）、上升时间、稳定时间
C(s)
K
R(s) s2 2 ns n2
1 1 1
临界阻尼 欠阻尼 过数
励磁系统与励磁控制系统
励磁 调节器
励磁机饱和曲线
2
测量比较：测量变压器、整流滤波、
测量比较。主要是整流滤波环节
闭环特征方程：
G3
1
K3
K
T'
3 do
s
s3
1
K6Ke K3Td'o
K3
s2
K10
TJ
s
0
TJ Td'o
K1K6Ke
K1 K3
K2K4
K2K5Ke
0
考虑Ke很大：
s3
K6Ke Td'o
s2
K10
TJ
s
0 K e
TJ Td'o
K1K6 K2K5
0
Routh判据： K1K6 K2K5 0 K2K5 0
P
P
P
D
Ede
UREF
PSS
15
二、励磁对静态稳定影响
假定 Eq' 恒定 Eq' 0 合成磁链不变
Ede
U REF
D0
(s)
M m (s)
TJ
s2
0 0K1
sj
0 K1
TJ
D0
(s)
0
M m (s) TJ s2 Ds 0K1
D s
s2 D s 0K1 0
TJ
TJ
s2 2 ns n2 0
也是矛盾的
20
Me (s)
K1
K2Eq'
D
K1
1
K2K K3
3 KeK5 KeK6
K4 K3Td'o
s
D
0
s
令： s jd
M S
K1
1
K2K5 / K6
Td'o
/ KeK6
2 2 d
同步转矩增量
M D
D
1
K2K5 / K6
Td'o
/ KeK6
2 2 d
Td'o0
KeK6
五、人机接口
与上位计算机通讯 参数修改、发电机运行状态显示、励磁控制器运行状
态显示 事件记录、故障录波、诊断信息
31
第二章 课堂练习
中断源：
同步信号上升沿 导通角定时时间到 60o定时时间到 脉冲宽度定时时间到
同步
信号
60o
时序：
同步信号上升沿 设置导通角定时
导通角定时时间到 发出脉冲
设置脉冲宽度定时
设置60o定时 脉冲宽度定时时间到
清除脉冲
60o定时时间到 发出脉冲
设置脉冲宽度定时
检查6个脉冲发完成？ 是：退出
励磁控制使静稳定极限提高了， 但引入了一定的负阻尼
19
比例式励磁调节
为简单起见，简化励磁系统：
设其传函：
Ede
(s)
Ge
( s)U G
(s)
1
Ke Te
s
U G
(s)
快速励磁：Te＝0
Ede (s) KeUG (s)
(s)
M m (s)
TJ s2 K10
0 1 G3KeK6 1 G3KeK6 K2G30 K4 K5Ke
综合放大及移相：运放，时延很小，
时间常数可忽略
励磁机：主要是考虑饱和 发电机：考虑空载，近似采用线性模型
综合放大及移相
励磁 调节器
励磁机
发电机
测量比较
3
典型参数：
TA 0s Td'o 8.38s TE 0.69s TR 0.04s KE 1 KG 1
开环传函：
G(s)H
(s)
s
4.32 K AKG KR
D2 4TJ0K1
2TJ
D
n
n K1
TJ
无阻尼自然
振荡频率
D 2TJ n
阻尼比
分析：系统稳定
（1）K1>0，否则含有正实根 （2）D>0，否则含有一对实部
为正的共轭复根
16
TJ
d
dt
Mm
Me
D
Me D K1 K2Eq' D K1 D
K1
s D
0
K1
jD
d 0
M s (d )
一、测量系统 直流采样
交流采样
U ABC
U ABC
I ABC
U ABC I ABC
有功、无功 变换器
I ABC
根据富氏算法计算电压电流幅值和相位 根据电压电流幅值和相位计算有功无功
I EF U EF
隔离 变换器
多路转换 开关
CPU A/D采样
U SYS
27
二、触发脉冲形成系统
U ABC
三相同步信号
k 1或2，T1 T2
T2 0.2" T1 10T2 d 1Hz GPSS (s) 34o
在实际设计中
（1）取s为实际系统已经存在的低频振荡频率 GE ( jd ) GPSS ( jd ) 0
（2）取s为系统无阻尼自然振荡频率
GE ( jn ) GPSS ( jn ) 0
24
2、设计放大倍数，保证合理的阻尼比 取合理的阻尼比0.1～0.3
DPSS 2TJn GPSS ( jd ) GE ( jd ) 可计算出放大倍数 KPSS 3、设计复位环节，不影响正常电压性能
s2 2 ns n2 0
n
n K1
TJ
D 2TJ n
Gr
(
s)
1
sT sT
T 2"~ 4"
可消除直流分量，但对振荡有：
Gr
(
jd
)
1
jdT jd
T
1
4、设计带通滤波器，只抑制设计频率附近的频率分量
xm2 d xF
xd
xd'
Eq'
1
K3
K
T'
3 do
s
Ede K4
K3
xd' xd
xe xe
K4
xd xd'
xd' xe
U
sin 0
13
4、机端电压方程
UG2 UG2d UG2q
UG
U Gd 0 UG0
UGd
UGq0 Uq0
UGq
UG K5 K6Eq'
5、综合
Me K1 K2Eq'
Eq'
xmd xF
0
fd
I fd 产生磁链
Eq xmd I fd
U fd 定子侧等值电势
Ede
xmd rfd
U
fd
U fd
rfd I fd
Td'o
d fd dt
Ede
Eq
Td'o
dEq' dt
Eq Eq' xd xd' Id
Ede 1Td'os Eq' xd xd' Id
X (k 1) X (k) h AX(k 1) Bu(k) h AX(k) Bu(k)
2
2
X (k 1) I A1I AX (k) I A12Bu(k)
X (k 1) Ad X (k) Bdu(k)
h/2
29
连续惯性环节离散化： y 1 u 隐式梯形积分法，h仿真计算步长 1 sT
0.12s 1.45s
25
s
0.12
s
K
1.45s
25
开环极点：
s 0.12 s 1.45 s 25
4
闭环根轨迹始于开环极点，止于开环零点
s 0.12 s 1.45 s 25
很明显：
➢ 励磁机的时间常数对应的极点太靠近 原点，动态性能不理想
➢ 闭环增益增大后，根轨迹转入右半平 面，系统不稳定。但较小的闭环增益， 不能很好保证闭环调节精度
1 K3Td'o jd
K1
1
K2K3K4
K32Td'o2
2 d
j
d
K
2
K
2 3
K
4Td'o
1
K32Td'o2
2 d
无励磁控制等效同步转矩系数：
K1
1
K2K3K4
K
T2 '2
3 do
2 d
无励磁控制等效阻尼转矩系数：
D
d
K2K32K4Td'o /
1
K32Td'o2
2 d
0
Eq' 恒定与无励磁控制相比
对超低频振荡（接近直流）有时难以进行参数设计 在多机电力系统中参数设计困难，即PSS之间的参数协调和安装地点选择，
并不是所有机组安装最好 大电网联网后会出现多种频率的振荡，PSS参数难以设计
电力系统还需不断探索新的励磁控制规律
26
第七节 微机励磁控制器简介（补充）
微机励磁控制器已经广泛应用于实际电力系统
1、设计超前环节
PSS
GE (s)
Md (s)
(s)