勵(lì)磁培訓(xùn)4勵(lì)磁與系統(tǒng)穩(wěn)定

1勵(lì)磁控制與電力系統(tǒng)穩(wěn)定2目錄1發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的作用勵(lì)磁系統(tǒng)分類勵(lì)磁系統(tǒng)控制過程勵(lì)磁控制在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的基本功能

勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)小干擾穩(wěn)定性的影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）設(shè)計(jì)3線性最優(yōu)勵(lì)磁控制LOEC智能勵(lì)磁控制器勵(lì)磁對(duì)大干擾穩(wěn)定性的影響勵(lì)磁對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響保護(hù)與限制對(duì)穩(wěn)定性的影響勵(lì)磁與系統(tǒng)穩(wěn)定目錄24一、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的作用從發(fā)電廠角度研究勵(lì)磁調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無功功率多臺(tái)發(fā)電機(jī)無功功率分配 （成組調(diào)節(jié)AQC）安全可靠運(yùn)行5從電力系統(tǒng)角度研究勵(lì)磁提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性改善系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性二次電壓控制安全可靠運(yùn)行6二、勵(lì)磁系統(tǒng)分類三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)組成：副勵(lì)磁機(jī)小功率可控整流橋主勵(lì)磁機(jī)大功率二極管整流柜自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)轉(zhuǎn)子繞組滅磁開關(guān)與過電壓保護(hù)優(yōu)點(diǎn)：它勵(lì)，勵(lì)磁電源不受系統(tǒng)電源的影響缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)速度慢，軸系長度長，易引發(fā)軸系振蕩AVRIfIffUZ1UZ2UffUfVgPg,Qg7三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改進(jìn)型組成：副勵(lì)磁機(jī)小功率二極管整流橋主勵(lì)磁機(jī)大功率可控硅整流柜自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)轉(zhuǎn)子繞組滅磁開關(guān)與過電壓保護(hù)優(yōu)點(diǎn)：勵(lì)磁電源不受系統(tǒng)電源的影響，調(diào)節(jié)速度快缺點(diǎn)：需大功率整流柜，增加主勵(lì)繞組的滅磁與過電壓保護(hù)AVRIfIffUZ1UZ2UffUfVgPg,Qg8開關(guān)式三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)組成：副勵(lì)磁機(jī)小功率二極管整流橋IGBT+續(xù)流二極管主勵(lì)磁機(jī)大功率二極管整流柜自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)轉(zhuǎn)子繞組滅磁開關(guān)與過電壓保護(hù)優(yōu)點(diǎn)：它勵(lì)，模擬式勵(lì)磁簡單缺點(diǎn)：增加了硬件復(fù)雜性，可靠性降低，不能逆變滅磁AVRIfIffUZ1UZ2UffUfVgPg,Qg9二機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)組成：勵(lì)磁變壓器小功率二極管整流橋主勵(lì)磁機(jī)大功率二極管整流柜自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)轉(zhuǎn)子繞組滅磁開關(guān)與過電壓保護(hù)優(yōu)點(diǎn)：取消副勵(lì)磁機(jī)，軸系長度縮短缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)速度慢AVRIfIffUZ2UffUfVgPg,Qg10帶自勵(lì)恒壓的二機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)組成：勵(lì)磁變壓器小功率可控硅整流橋自勵(lì)恒壓調(diào)節(jié)器主勵(lì)磁機(jī)大功率二極管整流橋轉(zhuǎn)子繞組滅磁開關(guān)與過電壓保護(hù)優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜AVRIfIffUZ2UffUfVgPg,Qg自勵(lì)恒壓調(diào)節(jié)器11帶開關(guān)管的二機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)組成：勵(lì)磁變壓器小功率可控硅整流橋IGBT+續(xù)流二極管主勵(lì)磁機(jī)大功率二極管整流橋自勵(lì)電壓調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)子繞組滅磁開關(guān)與過電壓保護(hù)優(yōu)點(diǎn)：模擬式AVR可簡化(同步、脈沖移相可取消)缺點(diǎn)：增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，可靠性降低AVRIfUZ2UfVgPg,QgIffUff12自并勵(lì)系統(tǒng)組成：勵(lì)磁變壓器大功率可控硅整流柜滅磁及過電壓保護(hù)起勵(lì)設(shè)備自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快缺點(diǎn)：強(qiáng)勵(lì)時(shí)復(fù)雜系統(tǒng)電壓的影響AVRIfUZ2UfVgPg,Qg13直流勵(lì)磁系統(tǒng)組成：直流副勵(lì)磁機(jī)小功率可控硅整流橋直流主勵(lì)磁機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)子繞組滅磁開關(guān)與過電壓保護(hù)應(yīng)用場所：小容量機(jī)組AVRIfUfVgPg,Qg14開關(guān)式直流勵(lì)磁控制系統(tǒng)組成：直流副勵(lì)磁機(jī)IGBT+續(xù)流二極管直流主勵(lì)磁機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)子繞組滅磁開關(guān)與過電壓保護(hù)應(yīng)用場所：中、小容量機(jī)組AVRIfUfVgPg,Qg15三、勵(lì)磁系統(tǒng)控制過程三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)控制過程數(shù)學(xué)關(guān)系永磁機(jī)的輸出三相電壓經(jīng)過可控硅整流，整流器的輸出平均電壓為輸出的直流電流為

16考慮到交流回路電抗XK引起的電壓損失，整流電路輸出電壓的平均值為設(shè)勵(lì)磁機(jī)放大倍數(shù)為Kf，三相電壓再經(jīng)過整流，得到發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓若發(fā)電機(jī)的放大倍數(shù)為KG，可以得到機(jī)端電壓Vg與勵(lì)磁電壓Efd的關(guān)系為17三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)控制過程波形關(guān)系18192021自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制過程數(shù)學(xué)關(guān)系可控整流的輸入為機(jī)端電壓和電流經(jīng)過可控硅整流，整流器的輸出平均電壓為若發(fā)電機(jī)的放大倍數(shù)為KG，機(jī)端電壓Vg與勵(lì)磁電壓Efd的關(guān)系為

22自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)控制過程波形關(guān)系23四、勵(lì)磁控制在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本功能保證發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓調(diào)節(jié)精度

—靜態(tài)誤差定義：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下發(fā)電機(jī)端電壓的要求值與實(shí)際值之差靜差分類：當(dāng)系統(tǒng)僅僅受到輸入信號(hào)的作用而沒有任何擾動(dòng)時(shí)的靜差—輸入信號(hào)引起的靜差輸入信號(hào)為0而有擾動(dòng)作用于系統(tǒng)時(shí)引起的靜差—擾動(dòng)引起的靜差24系統(tǒng)誤差的定義Vref

：機(jī)端電壓參考輸入Vg：發(fā)電機(jī)端電壓實(shí)際值G(s)：勵(lì)磁機(jī)發(fā)電機(jī)傳函F(s)：AVR的傳函

25誤差：

靜態(tài)誤差：

靜態(tài)誤差系數(shù)：從輸入信號(hào)x(t)到誤差信號(hào)的傳遞函數(shù)為

式中是系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)26由Laplace變換終值定理有

若輸入信號(hào)為單位階躍，即

定義誤差系數(shù)

則有

27通常勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁控制器的開環(huán)傳函可表示為0型系統(tǒng),即

因此

K為系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)

若K>>1,則有

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的靜態(tài)誤差的大小與開環(huán)放大倍數(shù)成反比。

282.保證并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組間無功負(fù)荷合理分配－調(diào)差系數(shù)調(diào)差系數(shù)的定義

U1：發(fā)電機(jī)空載電壓U2：額定無功電流時(shí)發(fā)電機(jī)端電壓Ufe：發(fā)電機(jī)額定電壓

29調(diào)差系數(shù)與無功負(fù)荷的關(guān)系

δ>0正調(diào)差，即發(fā)電機(jī)輸出無功增大時(shí)，端電壓下降。δ=00調(diào)差δ<0負(fù)調(diào)差，即發(fā)電機(jī)輸出無功增加時(shí)，端電壓上升。

30調(diào)差系數(shù)的整定:

發(fā)電機(jī)直接與系統(tǒng)母線電壓相聯(lián)

應(yīng)整定為正調(diào)差系數(shù)發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓器與系統(tǒng)母線電壓相聯(lián)

對(duì)Uf應(yīng)整定為負(fù)調(diào)差但對(duì)UT仍然為正調(diào)差

注意：發(fā)電機(jī)調(diào)差系數(shù)的大小嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)中無功分布和網(wǎng)損，因此從理論上應(yīng)由調(diào)度局從全系統(tǒng)出發(fā)給出最合理的調(diào)差系數(shù)值。

31五勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響定義：電力系統(tǒng)在遭受小干擾后，維持同步運(yùn)行的能力。小干擾：系統(tǒng)的響應(yīng)分析可以由線性化系統(tǒng)確定電力系統(tǒng)不穩(wěn)定結(jié)果表示為兩個(gè)方面：

由于缺少同步轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)功角逐步增大直至失穩(wěn)

由于缺少同步轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)功角逐步增大直至失穩(wěn)32發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)小干擾分析的基礎(chǔ)輸出電磁功率的線性化33用切線代替曲線可得：無功電流的線性化0Id34

考慮同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組動(dòng)態(tài)的單機(jī)無窮大系統(tǒng)考慮勵(lì)磁動(dòng)態(tài)的發(fā)電機(jī)微分方程組

其中

35上式的線性化方程：

其中

36其小信號(hào)框圖為

圖中

由

37同相位，稱其為同步轉(zhuǎn)矩分量與因?yàn)檗D(zhuǎn)矩分量dDdD1K當(dāng)勵(lì)磁不調(diào)節(jié)，即，由框圖可導(dǎo)出

因?yàn)?/p>

注：

①當(dāng)振蕩頻率非常低時(shí)，即

是一個(gè)負(fù)的同步轉(zhuǎn)矩

38定義同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)K3，若

系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)臨界穩(wěn)定系統(tǒng)單調(diào)失穩(wěn)②39③產(chǎn)生正阻尼或負(fù)阻尼取決于系數(shù)K4。

若精確計(jì)算，考慮輸電線的電阻，則

（若Re=0時(shí)，上述系數(shù)與前面導(dǎo)出的K4是相同的）

40勵(lì)磁控制的作用

它的線性化方程

實(shí)際中，勵(lì)磁控制對(duì)改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是非常重要的。為分析方便起見，通常采用以下的簡化控制：

41'q65tEKKED+D=Dd其中

42若采用可控硅快速勵(lì)磁

43某單機(jī)無窮大系統(tǒng)的參數(shù)有

①穩(wěn)定的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)

即

總的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)

4445②在振蕩時(shí)的阻尼和同步轉(zhuǎn)矩分析

46阻尼轉(zhuǎn)矩分量

總的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)為

阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)47對(duì)于不同的K5和KA值有如下表

48基本結(jié)論當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的外接電抗較小，并且發(fā)電機(jī)的輸出功率較低時(shí)，系數(shù)K5為正，這時(shí)AVR的作用是引入了一個(gè)負(fù)的同步轉(zhuǎn)矩和一個(gè)正的阻尼轉(zhuǎn)矩當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的外接電抗較大，并且發(fā)電機(jī)的輸出功率較高時(shí)，系數(shù)K5為負(fù)，這時(shí)AVR的作用是引入了一個(gè)正的同步轉(zhuǎn)矩和一個(gè)負(fù)的阻尼轉(zhuǎn)矩解決這一問題的方法是附加控制，即電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器，各種智能控制器。49六電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）設(shè)計(jì)PSS基本功能是通過引入附加信號(hào)控制勵(lì)磁，以提供正的阻尼矩陣，抑制電力系統(tǒng)的振蕩。

其框圖如下圖所示

50引入PSS環(huán)節(jié)后，PSS信號(hào)引起的暫態(tài)電勢變化可以表示為

上式可以變?yōu)?/p>

51對(duì)于某一臺(tái)發(fā)電機(jī)的典型參數(shù)

若發(fā)電機(jī)的振蕩為，則PSS產(chǎn)生阻尼轉(zhuǎn)矩所需的相位補(bǔ)償

52其中

幅值為PSS的增益相角為PSS需補(bǔ)償?shù)慕嵌?/p>

設(shè)計(jì)相位超前環(huán)節(jié)和增益，如圖

53

首先知道系統(tǒng)的振蕩頻率計(jì)算PSS需補(bǔ)償?shù)南辔缓驮鲆嬖O(shè)計(jì)相位超前環(huán)節(jié)仿真與實(shí)驗(yàn)注意：

對(duì)于不同的振蕩頻率，需要有不同的相位補(bǔ)償和增益。

54七線性最優(yōu)勵(lì)磁控制

對(duì)于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的線性化模型希望設(shè)計(jì)勵(lì)磁控制uf‘使得

以上目標(biāo)函數(shù)的物理解析是，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，希望設(shè)計(jì)最優(yōu)勵(lì)磁控制uf，使得以下的振蕩盡可能快的穩(wěn)定。

55由線性最優(yōu)控制理論可以找到發(fā)電機(jī)的最優(yōu)勵(lì)磁控制，如圖

56八智能勵(lì)磁控制器

對(duì)于PSS，由于超前相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)參數(shù)與發(fā)電機(jī)的振蕩頻率有關(guān)，因此，希望引入智能設(shè)計(jì)方法自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的振蕩頻率，在線確定PSS的各參數(shù)。對(duì)于線性最優(yōu)勵(lì)磁控制，由于Kv，Kp和Kω與加權(quán)矩陣選擇有關(guān)，因此希望引入智能設(shè)計(jì)方法找到最佳的權(quán)矩陣,使系統(tǒng)的振蕩得到最大的改善。直接從發(fā)電機(jī)的振蕩特性中提取特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能勵(lì)磁控制，如模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勵(lì)磁控制等。

57九勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)電力系統(tǒng)大干擾穩(wěn)定性的影響暫態(tài)穩(wěn)定性的定義和概念

定義：在電力系統(tǒng)遭受大擾動(dòng)時(shí)，如輸電設(shè)備上的故障、發(fā)電機(jī)跳閘或失掉大的負(fù)荷等，電力系統(tǒng)保持同步的能力。

特點(diǎn)：在電力系統(tǒng)遭受大擾動(dòng)時(shí)，由于系統(tǒng)的電壓、電流、有功、無功、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角等的擺動(dòng)幅度較大，因此不能用線性化方法來研究它。概念：面積定則

5859在電力系統(tǒng)中，應(yīng)用發(fā)電機(jī)勵(lì)磁改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有兩條途徑：增加發(fā)電機(jī)的強(qiáng)勵(lì)能力，可以減少發(fā)電機(jī)的加速面積和增加發(fā)電機(jī)的減速面積基于發(fā)電機(jī)的非線性動(dòng)態(tài)方程設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)的非線性勵(lì)磁控制60非線性勵(lì)磁系統(tǒng)控制問題：理論上，在發(fā)電機(jī)的任何運(yùn)行點(diǎn)和任意振蕩頻率下，可以得到以下的坐標(biāo)變換和勵(lì)磁非線性控制，將非線性勵(lì)磁控制系統(tǒng)變?yōu)榫€性系統(tǒng)61由LQR理論可知最優(yōu)控制律為：最后可得非線性最優(yōu)控制律為:對(duì)于該系統(tǒng),若建立以下二次型性能指標(biāo):62發(fā)電機(jī)非線性勵(lì)磁控制規(guī)律

63十勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響

定義：

電壓穩(wěn)定性是一個(gè)電力系統(tǒng)在正常條件下受擾動(dòng)后，維持系統(tǒng)中所有母線電壓在可接受水平的能力。

(a)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路、失去大負(fù)荷或機(jī)組電源擾動(dòng)下，系統(tǒng)維持電壓的能力。(b)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性：

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生小擾動(dòng)后，系統(tǒng)維持電壓的能力。

分類：

電壓穩(wěn)定性分析的目的：

(a)電壓不穩(wěn)定的接近程度：系統(tǒng)離電壓不穩(wěn)定有多近？(b)電壓不穩(wěn)定的機(jī)理：怎么及為何發(fā)生不穩(wěn)定？引發(fā)不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素是什么？哪里是電壓薄弱環(huán)節(jié)?什么措施對(duì)改善電壓穩(wěn)定最有效？64發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)特性

發(fā)電機(jī)的無功電壓特性

①電樞電流極限（定子繞組發(fā)熱）

由發(fā)電機(jī)的額定容量

在討論電壓穩(wěn)定性時(shí)，必須清楚發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)特性，即無功與電壓的V－Q關(guān)系。

65可知電樞電流極限在P－Q平面上是以額定MVA為半徑的圓

66②勵(lì)磁電流極限（轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱）

由發(fā)電機(jī)的功率方程

因?yàn)?/p>

故

67對(duì)于給定的，有功與無功之間的關(guān)系是一個(gè)圓。

。半徑為處，dfdtdadiEXX圓心在2tXE-電樞電流極限與磁場電流極限兩圓的交點(diǎn)A，即為發(fā)電機(jī)的額定MVA。

68下圖是一個(gè)實(shí)際發(fā)電機(jī)的無功容量極限曲線

PSIG為氫壓單位

69發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流限制器的影響

勵(lì)磁電流限制器的調(diào)節(jié)框

70對(duì)于高比例的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，考慮電樞電流限制器后，P－V曲線為

G=171對(duì)于高比例的電阻性負(fù)荷，考慮電樞電流限制器后，P－V曲線為(a:n=1.0;b:n=1.