励磁控制与电力系统的小干扰稳定性-中国励磁专业网

励磁控制与电力系统的小干扰稳定性中国电力科学研究院朱方2006年7月1. 励磁控制系统的任务励磁控制系统最基本和最重要的任务是维持发电机端（或指定控制点）电压为给定值。

我国国家标准规定，自动电压调节器应保证同步发电机端电压静差率小于1%。

这就要求励磁控制系统的开环增益（稳态增益）不小于100p.u（对水轮发电机），或200p.u（对汽轮发电机）。

主要原因有3个：第一，保证电力系统运行设备的安全。

发电机运行规程规定大型同步发电机运行电压正常变化范围为 5%，最高电压不得高于额定值的110%。

第二，保证发电机运行的经济性。

规程规定，大型发电机运行电压不能低于额定值的90%，当发电机电压低于95%时，发电机应限负荷运行，其他电力设备也有这个问题。

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。

励磁控制系统的重要任务1）励磁控制系统的重要任务是提高电力系统的稳定性。

2）电力系统稳定可分为功角（机电）稳定、电压稳定和频率稳定等。

3）功角稳定包括静态稳定、动态稳定和暂态稳定。

4）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，而且也是改善电力系统稳定的措施中，最为简单、经济而有效的措施。

同步发电机励磁控制系统对提高静稳定的作用设Ut =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、1.0和1.43。

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，是兼容的。

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。

以某省电网外送断面为例，计算励磁控制对静态稳定的影响。

该省发电机原采用Eq ’恒定模型计算，后进行了励磁模型的参数实测，对励磁性能不达标的机组进行整改，全面提高了励磁控制的技术性能。

该省电网外送电力的主要通道共三回500kV 线路。

发电机采用Eq ’恒定和Eq ”、Ed ”变化（使用实测励磁模型参数）两种模型，外送断面的静稳极限如下。

恒定的静稳极限增加418 MW ，提高了12.1％ 。

同步发电机励磁控制系统对提高暂态稳定的作用1、提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定。

Eqd sq X U E Pe δsin ∑⋅=''sin 'Ed sX U E Pe δ∑⋅=tUs t X UU Pe δsin ∑⋅=⎪⎩⎪⎨⎧++=+++=+++=∑∑L T T eL T T d d LT T d d XX X X X X X X X X X X X X 2121''212、励磁系统顶值电压响应比越大，励磁系统输出电压达到顶值的时间越短，对提高暂态稳定越有利。

3、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。

励磁对暂态稳定性的影响仍用某省外送断面的暂稳极限说明。

计算故障为三回外送线路中的一回，送端三相短路、0.1秒切除故障线。

1、全网发电机采用Eq’恒定模型；2、全网发电机采用Eq” 、Ed”变化模型和实测励磁参数。

全网采用实测的励磁参数, 某省外送断面的暂稳极限比全网发电机采用Eq’恒定的暂稳极限高447 MW，暂稳极限提高20％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的要求是不兼容的。

解决这个不兼容性的办法有：1、放弃调压精度要求，减少励磁控制系统的开环增益。

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、电压调节通道中，增加一个动态增益衰减环节。

这种方法可以达到既保持电压调节精度，又可减少电压调压通道的负阻尼作用的两个目的。

但是，这个环节使励磁电压响应比减少，不利于暂态稳定，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，即电力系统稳定器PSS。

电力系统稳定器即PSS是使用最广、最简单而有效的附加励磁控制。

2 励磁系统的分类按结构分类1. 直流励磁机励磁系统2. 交流励磁机励磁系统交流励磁机不可控整流励磁系统交流励磁机可控整流励磁系统3. 静止励磁系统按励磁电压响应速度分类常规励磁快速励磁高起始励磁2.1 直流励磁机励磁系统1-发电机定子 2-发电机励磁绕组 3-灭磁开关 4-灭磁电阻5-直流励磁机 6-直流励磁机励磁绕组 7-手动调节电阻 8-强励开关 9-自动励磁调节器直流励磁机励磁系统原理图2.2 交流励磁机不可控整流器励磁系统交流励磁机不可控整流器励磁系统原理图1-副励磁机2-调节器功率单元3-主励磁机励磁绕组4-主励磁机5-静止整流器6-发电机磁场绕组7-发电机8-电压互感器9-电流互感器K-灭磁开关R-灭磁电阻2.3 交流励磁机可控整流器励磁系统交流励磁机可控正流器励磁系统原理图ZLH—交流主励磁机自励恒压系统KZ--可控整流桥FLQ--发电机转子F--发电机定子YH--电压互感器LH-电流互感器在我国使用的交流励磁机可控整流器励磁系统，绝大部分是随发电机一起从俄罗斯和捷克等国家进口的。

发电机容量从200MW～1000MW不等。

国内基本没有正式生产这种励磁系统。

2.4 自并励励磁系统自并励静止励磁系统KZ-可控整流桥FLQ-发电机转子F-发电机定子YH-电压互感器LH-电流互感器LB-励磁变压器自并励静止励磁系统的主要优点是：1. 无旋转部件，结构简单，轴系短，稳定性好；2. 励磁变压器的二次电压和容量可以根据电力系统稳定的要求而单独设计。

3. 响应速度快，调节性能好，有利于提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性。

自并励静止励磁系统的主要缺点是：它的电压调节通道容易产生负阻尼作用，导致电力系统低频振荡的发生，降低了电力系统的动态稳定性。

通过引入附加励磁控制（即采用电力系统稳定器--PSS）, 完全可以克服这一缺点。

电力系统稳定器的正阻尼作用完全可以超过电压调节通道的负阻尼作用，从而提高电力系统的动态稳定性。

这点，已经为国内外电力系统的实践所证明。

计算用励磁模型（1）计算用励磁模型（2）计算用励磁模型（4）计算用励磁模型（6）4、电力系统低频振荡机理分析上世纪６０年代，北美学者Concadia 和DeMello 采用考虑发电机暂态电势E’q 变化的飞利普斯－海佛容（Phillips-Heffrom ）模型（单机——无限大母线系统）,揭示了发生电力系统低频振荡的物理本质。

在一定的电力系统运行条件下（例如远距离、重负荷等），自动电压调节器产生的阻尼力矩分量与转速变化反方向，因而是负阻尼力矩分量；当自动电压调节器的负阻尼分量超过发电机的固有正阻尼分量时，就会发生低频振荡，电压调节器的负阻尼作用是产生低频振荡的根本原因。

一机无限大系统小信号模型ΔeE d eK K K s T s T K K K K K s GEC 6303352)1)(1()(++'+=励磁控制系统传递函数由于GEC(s)的迟后作用，当K5为负时，电压调节产生负阻尼如图 3-2 (a)所示，由电压调节器产生的电磁转矩ΔTE 在Δω轴上的投影为负。

AVR 及PSS 产生的阻尼转矩(a) AVR 产生负阻尼; (b) PSS 产生正阻尼K ∆6δ ∆ δ ∆(a) (b)5、 PSS 原理及框图计算程序中的PSS 模型PSS 的数学模型通用表达式加速功率信号PSS 的原理用标幺值表示，在速度变化不大时，可用功率代替转矩，则关系式变为移项后有写成偏差形式，d/dt 用S 代替，得信号变换 隔直 超前-迟后放大 限幅 输出匹配 (a)(a) 通用框图;(b) 输入信号为 (c) 输入信号为 e P ∆ω∆+∆e Ps因中含有各种噪音，上式右端乘G(S)滤波加速功率为：等式两边同乘 1/MSe mP MS P ∆+∆=∆0ωω)()(0S G P MS P e m ∆+∆=∆ωωee a P S G P s M P ∆-∆+∆=∆)()(0ωω以转速作信号的加速功率型PSS与以EQ频率为输入信号的加速功率型PSS，对2006华中华北联网方式下万龙线故障后，三峡机组的有功振荡效果完全相同。

这说明频率与转速是可以近似等效的.发电机内功角在稳态时是恒定的，在故障后是变化的，稳态时发电机转速与机端电压频率相同，动态过程中，发电机转速与机端电压频率并不相同。

采用机端电压频率代替发电机转速合成得到加速功率时将产生误差，在某些运行方式下，这个误差会影响加速功率型PSS的阻尼效果。

单机无限大系统发电机功角与端电压相位在动态过程中的变化在某些情况下，以机端电压频率为输入信号的加速功率型PSS会产生负阻尼以机端电压频率为输入信号的加速功率型PSS可以等效成W与P 通道构成正常的PSS和f-w 通道构成的附加PSS的叠加，当f≠w 时，有一个附加的控制信号，它对系统产生不可预见的阻尼作用，甚至产生负阻尼等效的PSS(图中p:电功率f: 机端电压频率:发电机转速)算例（1）华中孤网运行时，三峡左厂14台机都采用机端电压频率为输入信号时，系统阻尼稍有恶化，但影响不大。

（2）华北华中联网运行，三峡左厂14台机都采用机端电压频率为输入信号时，在某些运行方式下（例如潮流404方式）电网与机组的功率振荡不能平息。

加速功率型PSS不宜采用以机端电压频率代替转速作为输入信号，应采用转速或EQ频率作为PSS的输入信号。

如果采用频率信号的加速功率型PSS其输入变量中没有发电机参数Xd,则可以怀疑是采用的机端电压频率信号，而不是EQ频率信号。

交流互联电网的小干扰稳定性电力系统的稳定性分功角稳定、频率稳定、电压稳定。

功角稳定分为静态稳定、暂态稳定、和动态稳定。

动态稳定包括小干扰动态稳定和大干扰后的动态稳定性。

研究小干扰稳定性可用频域法求解系统状态方程的特征根，也可用时域法求解系统变量的时间响应。

6、交流互联电网的小干扰稳定性6.1、我国电力系统动态稳定性问题回顾20世纪80年代以前，省级电网和省级电网间互联的大区电网，暂态稳定问题是最主要的问题。

主要原因是，当时的发电机励磁系统以常规励磁系统为主，自动励磁调节器的反应速度慢、增益低。

20世纪80年代以后，在我国省级电力系统或省级互联电力系统中出现了动态不稳定现象。

单机容量增大、快速励磁、高增益自动电压调节器的应用。

国内低频振荡事例1983年，湖南凤常线、湖北葛凤线；1984年，广东—香港互联系统联络线；1994年，南网天广线；1998年，川渝电网二滩送出系统；2003年，南网罗马线、天广、广东至香港联络均发生过低频振荡。