同步发电机励磁控制的任务及其设计思想比较

同步发电机励磁控制的任务及其设计思想比较刘增煌中国电力科学研究院,100085北京清河TASK OF GENERAT OR EXC ITAT I ON CONTROL AND D ESIGN I D EA COM PAR IS ONL iu ZenghuangE lectric Pow er R esearch In stitu te,Ch inaB eijing,100085Ch inaABSTRACT　T he relati on sh i p betw een tw o m ain task s,i.e.,to m ain tain generato r term inal vo ltage and to i m p rove pow er system stab ility,is described in th is paper.T he design idea comparison among th ree differen t excitati on con tro l law s is p resen ted.KEY WOR D S　synch ronou s generato r;pow er system stab ility;excitati on con tro l;design;comparison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的关系,并对三种励磁控制方式的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1　前言大型同步发电机的励磁控制系统对电力系统的安全稳定运行有重要的影响。

励磁控制系统的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)的电压在给定水平上和提高电力系统运行的稳定性。

把维持电压水平看作是励磁控制系统的最基本最主要的任务,有以下3个主要原因。

第一,保证电力系统运行设备的安全。

电力系统中的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的基本条件之一,这就要求发电机励磁系统不但能够在静态下,而且能在大扰动后的稳态下保证发电机电压在给定的容许水平上。

像文献[1]图2中给出的大扰动后的电压比大扰动前升高20%,那是不容许的。

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的110%[2]。

第二,保证发电机运行的经济性。

发电机在额定值附近运行是最经济的。

规程[2]规定,大型发电机运行电压不得低于额定值的90%;当发电机电压低于95%时,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的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。

同步发电机励磁控制系统的另一重要任务是提高电力系统的稳定性。

励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善,都有显著的作用,而且是最为简单、经济而有效的措施。

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的关系及三种励磁控制方式(即P I D+PSS、线性最优励磁控制、非线性最优励磁控制)的设计思想和方法进行分析比较。

2　维持发电机电压水平和改善电力系统稳定的一致性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:P e=E q・U sX d2sin∆Eq(1)P e=E′・U sX d′2sin∆E′(2)P e=U t・U sX2sin∆Ut(3)X d2=X d+X T1+X T2+X LX′d2=X′d+X T1+X T2+X LX2=X T1+X T2+X L′dqdX,X,X LXU sT2XX T1tU～X d=X q=1.5,X′d=0.3,X T1=X T2=0.1,X L=0.8图1　单机无限大母线系统第23卷第8期1999年8月 电　网　技　术Pow er System T echno logyV o l.23N o.8A ug.　1999设U t=1.0,U s=1.0,发电机并网后运行人员不再手动去调整励磁,则无电压调节器时的静稳极限、有能维持E′恒定的调压器时的极限、有能维持发电机端电压恒定的调压器时的静稳极限分别为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′恒定的调节器提高静稳极限约30%。

维持发电机电压水平的要求与提高电力系统静态稳定极限的要求是一致的。

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[3]。

2.2　暂态稳定暂态稳定是电力系统受大扰动后的稳定性。

励磁控制系统的作用主要由以下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的要求,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的时间越短,对提高暂态稳定性越有利。

电压响应比主要由励磁系统的型式决定,但是,励磁控制器的控制规律和参数对电压响应比也有举足轻重的影响。

在相同的控制规律下,增大励磁控制系统的开环增益可以提高励磁电压响应比,同时,也提高了电压的调节精度。

(3)励磁系统强励倍数的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的一个重要因素。

如果电力系统发生故障时励磁系统的输出电压达不到顶值,或者维持顶值的时间很短,在发电机电压还没有恢复到故障前的值时,就不再进行强励了,那么它的强励倍数就没有得到很好发挥,改善暂态稳定的效果也就不好。

充分利用励磁系统顶值电压的措施之一,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的暂态稳定性。

由此可见,提高励磁控制系统保持端电压水平的能力,与提高电力系统的暂态稳定性是一致的。

2.3　动态稳定电力系统的动态稳定性问题,可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。

文献[4]的分析证明,励磁控制系统中的自动电压调节作用,是造成电力系统机电振荡阻尼变弱(甚至变负)的最重要的原因之一。

在一定的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的同时,将产生负的阻尼作用。

许多研究表明,在正常实用的范围内,励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。

因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定性的要求是不相容的。

下面分析解决此不相容的办法:(1)放弃调压精度要求,减小励磁控制系统的开环增益。

但这对静态稳定性和暂态稳定性均有不利的影响,是不可取的。

(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的负阻尼作用的两个目的。

但该环节使励磁电压响应比减小,不利于暂态稳定性,也是不可取的。

(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的有效措施,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的阻尼作用,使整个励磁控制系统提供的阻尼是正的,而使动态稳定极限的水平达到和超过静态稳定的水平。

这种控制信号不影响电压调节通道的电压调节功能和维持发电机端电压水平的能力,不改变其主要控制的地位[4],因此,称为附加励磁控制。

3　励磁控制器的设计原则及设计方法比较3.1　P I D+PSS控制器的设计原则和方法P I D调节是发电机励磁控制中的主要控制,而PSS则是附加控制,因此,必须首先按励磁系统的基本要求完成P I D控制的设计,在此基础上再进行PSS控制的设计。

3.1.1　对P I D控制设计的要求保证发电机端电压静差率满足国家标准的要求。

(1)保证发电机空载运行时励磁控制系统的稳定性且有良好的调节品质。

(2)保证发电机间无功分配的稳定性。

3.1.2　PSS的设计条件和设计方法()7第23卷第8期电　网　技　术及空载稳定性的条件下,提高电力系统动态稳定水平,使其不低于静态稳定水平,并有良好的适应性。

(2)设计条件1)P I D设计已完成,P I D的控制规律和参数是PSS设计的重要原始条件之一。

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),建立电力系统的非线性方程组,然后将电力系统的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,并有良好适应性的PSS参数。

笔者在文献[3]中,对一单机无限大母线系统进行的PSS设计结果表明,PSS不但可以使有快速励磁系统的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的动态稳定水平提高到线路极限,适应性也非常好。

3.2　线性最优励磁控制的设计原则和方法3.2.1　设计原则与P I D+PSS控制方式的设计原则不同,线性最优励磁控制设计的基本原则是同时确定发电机电压调节通道和其他附加励磁控制通道的增益。

3.2.2　线性最优励磁控制的设计(1)设计目标　将电力系统动态稳定性提高到要求的水平上。

(2)设计条件1)电压调节通道的参数虽然尚未确定,但在设计中已考虑了它对动态稳定的影响;2)励磁系统为理想快速励磁系统,即忽略了所有环节的惯性;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,建立电力系统的非线性方程组,通过将非线性方程组线性化的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的设计方法,求得电压调节通道及其他附加励磁控制通道的最优增益。

在求解最优增益时,可以采用增加电压调节通道的加权系数方法,来增加电压调节通道的主导作用。

3.3　非线性最优励磁控制的设计原则和方法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的规律和参数(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[5,6],在改进的非线性励磁控制设计中,则在附加励磁控制的参数选择完成后,在运行点的小范围内考虑电压调节[6,7]。

3.3.2　附加励磁控制的设计(1)设计目标　将电力系统动态稳定性提高到要求的水平,但设计中不计及电压调节的要求。

(2)设计条件1)电压调节通道对动态稳定性的影响不予考虑;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 q[5,6];4)发电机并联于电力系统。

(3)设计方法选取一运行点,建立电力系统的非线性方程组,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的增益[5～7]。

4　励磁控制器设计方法比较P I D+PSS控制中的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。