勵(lì)磁ESS和PSS穩(wěn)定器

1、1第五節(jié)第五節(jié) 勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器一、二階控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)一、二階控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)過(guò)調(diào)量（超調(diào)量）、上升時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間過(guò)調(diào)量（超調(diào)量）、上升時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間222)()(nnssKsRsC1臨界阻尼臨界阻尼1欠阻尼欠阻尼1過(guò)阻尼過(guò)阻尼2二、勵(lì)磁控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)二、勵(lì)磁控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)與與勵(lì)磁控制系統(tǒng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)飽和曲線勵(lì)磁機(jī)飽和曲線勵(lì)磁勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器3勵(lì)磁勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁機(jī)綜合放大及移相綜合放大及移相發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)測(cè)量比較測(cè)量比較測(cè)量比較：測(cè)量比較：測(cè)量變壓器、整流濾波、測(cè)量變壓器、整流濾波、測(cè)量比較。主要是測(cè)量比較。主要是整流濾波環(huán)節(jié)整流濾波環(huán)

2、節(jié)綜合放大及移相：綜合放大及移相：運(yùn)放，時(shí)延很小，運(yùn)放，時(shí)延很小，時(shí)間常數(shù)可忽略時(shí)間常數(shù)可忽略勵(lì)磁機(jī)：勵(lì)磁機(jī)：主要是考慮主要是考慮飽和飽和發(fā)電機(jī)：發(fā)電機(jī)：考慮空載，近似采用考慮空載，近似采用線性模型線性模型4典型參數(shù)：典型參數(shù)：1104. 069. 038. 80GEREdoAKKsTsTsTsT開(kāi)環(huán)傳函：開(kāi)環(huán)傳函：2545. 112. 02545. 112. 032. 4)()(sssKsssKKKsHsGRGA開(kāi)環(huán)極點(diǎn)：開(kāi)環(huán)極點(diǎn)：2545. 112. 0sss52545. 112. 0sss很明顯：很明顯： 勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)太靠近勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)太靠近原點(diǎn)，原點(diǎn)，動(dòng)態(tài)性

3、能不理想動(dòng)態(tài)性能不理想 閉環(huán)增益增大后，根軌跡轉(zhuǎn)入右半平閉環(huán)增益增大后，根軌跡轉(zhuǎn)入右半平面，面，系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定。但較小的閉環(huán)增益，。但較小的閉環(huán)增益，不能很好保證閉環(huán)調(diào)節(jié)精度不能很好保證閉環(huán)調(diào)節(jié)精度閉環(huán)性能需要改善：閉環(huán)性能需要改善： 引入轉(zhuǎn)子電壓微分負(fù)反饋，改變開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)分布引入轉(zhuǎn)子電壓微分負(fù)反饋，改變開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)分布勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器（勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器（Excitation System Stabilizer, ESS）閉環(huán)根軌跡始于開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，止于開(kāi)環(huán)零點(diǎn)閉環(huán)根軌跡始于開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，止于開(kāi)環(huán)零點(diǎn)62545. 112. 0sss原系統(tǒng)：原系統(tǒng)：引入反饋后系統(tǒng)：引入反饋后系統(tǒng)：系統(tǒng)將有系統(tǒng)將有4個(gè)極

4、點(diǎn)，個(gè)極點(diǎn)，3個(gè)零點(diǎn)，選?。簜€(gè)零點(diǎn)，選取：無(wú)零點(diǎn)無(wú)零點(diǎn)25112. 0FT三、勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器三、勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器7勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器（勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器（ESS）通過(guò)引入三個(gè)零點(diǎn)將閉環(huán)根軌跡通過(guò)引入三個(gè)零點(diǎn)將閉環(huán)根軌跡引到左半平面，大大提高了穩(wěn)定性以及閉環(huán)調(diào)節(jié)精度引到左半平面，大大提高了穩(wěn)定性以及閉環(huán)調(diào)節(jié)精度目前帶有勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器都安裝有目前帶有勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器都安裝有ESSsTsKFF18第六節(jié)第六節(jié) 電力系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定器電力系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定器jjjjjj阻尼較弱阻尼較弱負(fù)阻尼負(fù)阻尼9電力系統(tǒng)的阻尼較弱或?yàn)樨?fù)：電力系統(tǒng)的阻尼較弱或?yàn)樨?fù)：u 在某種情況下高放大倍數(shù)、高起始響應(yīng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在某種情況下高放

5、大倍數(shù)、高起始響應(yīng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（快速勵(lì)磁）（快速勵(lì)磁）u 長(zhǎng)距離輸電線路長(zhǎng)距離輸電線路u 重載線路重載線路u 弱聯(lián)電力系統(tǒng)弱聯(lián)電力系統(tǒng)為了增強(qiáng)電力系統(tǒng)阻尼，引入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器為了增強(qiáng)電力系統(tǒng)阻尼，引入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器Power System Stabilizer (PSS)當(dāng)電力系統(tǒng)的阻尼較弱或?yàn)樨?fù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生當(dāng)電力系統(tǒng)的阻尼較弱或?yàn)樨?fù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生低頻振蕩低頻振蕩 0.22Hz，超低頻振蕩超低頻振蕩0.1Hz左右及以下，左右及以下，次同步振蕩次同步振蕩1040Hz10一、同步發(fā)電機(jī)模型一、同步發(fā)電機(jī)模型qEGU1LUU2LUdx1TxLxLx2Tx2211TLTeXXXX111、基本方程、基本方

6、程sincosUUUUdqqqeqGdddqedGqXIXIUUXIEXIUUsincosedqdeqqXXUEIXXUI00sincosqqGdddqGqIXUIXEU122、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程eePM 近似：近似：qGqdGdeeIUIUPMqdGqGdGejIIjUUIUS21qeEKKM21qeeEMKMKsTMMJems0DMMdtdTemJ133、勵(lì)磁繞組方程、勵(lì)磁繞組方程合成磁鏈合成磁鏈fdfdFmdqxxE0產(chǎn)生磁鏈產(chǎn)生磁鏈fdIfdmdqIxE 定子側(cè)等值電勢(shì)定子側(cè)等值電勢(shì)fdUfdfdmddeUrxE2ddFmdxxxxdtdTIrUfddofdfdfddtdETE

7、EqdoqdedddqqIxxEEdddqdodeIxxEsTE14331KEsTKKEdedoq043sinUxxxxKxxxxKedddeded144、機(jī)端電壓方程、機(jī)端電壓方程222GqGdGUUUGqqGqGdGGdGUUUUUUU000065qGEKKU5、綜合、綜合21qeEKKM4331KEsTKKEdedoq65qGEKKUsTMMJems01521qeEKKM4331KEsTKKEdedoq65qGEKKUsTMMJems0421KKKP6KP5KP003 constKdeEREFUPSSD16u 假定假定qE恒定恒定0qEdeEREFU1020)()(KsTsMsJmJTK

8、js100D0D1020)()(KDssTsMsJmJJTKTDDs24102分析：系統(tǒng)穩(wěn)定分析：系統(tǒng)穩(wěn)定（1）K10，否則含有正實(shí)根，否則含有正實(shí)根（2）D0，否則含有一對(duì)實(shí)部，否則含有一對(duì)實(shí)部為正的共軛復(fù)根為正的共軛復(fù)根合成磁鏈不變合成磁鏈不變二、勵(lì)磁對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定影響二、勵(lì)磁對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定影響0102JJTKsTDs0222nnssJnnTK1nJTD2無(wú)阻尼自然無(wú)阻尼自然振蕩頻率振蕩頻率阻尼比阻尼比D17系統(tǒng)穩(wěn)定，要求：系統(tǒng)穩(wěn)定，要求：同步轉(zhuǎn)矩同步轉(zhuǎn)矩0阻尼轉(zhuǎn)矩阻尼轉(zhuǎn)矩0)()(0101dDdsdMjMjDKsDK同步轉(zhuǎn)矩同步轉(zhuǎn)矩增量增量阻尼轉(zhuǎn)矩阻尼轉(zhuǎn)矩增量增量同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)阻尼轉(zhuǎn)矩

9、系數(shù)阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù))(dsM)(dDMDMeDMMdtdTemJDKDEKKDMqe12118u 假定假定deE恒定恒定0deE無(wú)勵(lì)磁控制無(wú)勵(lì)磁控制deED043231020311)()(KKKsTKKsTsTKsMsdoJdom014321303233KKKKTKTsTTKsTKsdoJJdodo穩(wěn)定運(yùn)行條件穩(wěn)定運(yùn)行條件：（：（Routh判據(jù)）判據(jù)）a30；a1a2004321KKKK0432KKK兩個(gè)條件矛盾兩個(gè)條件矛盾0deE19sTKKKKKEKKMdoqe3432121122 23423222 23432134321111ddododddoddoTKTKKKjTKKKKKjTKKKKK

10、無(wú)勵(lì)磁控制等效同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)：無(wú)勵(lì)磁控制等效同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)：無(wú)勵(lì)磁控制等效阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)：無(wú)勵(lì)磁控制等效阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)：qE恒定與無(wú)勵(lì)磁控制相比恒定與無(wú)勵(lì)磁控制相比勵(lì)磁控制使靜穩(wěn)定極限提高了，勵(lì)磁控制使靜穩(wěn)定極限提高了，但引入了一定的負(fù)阻尼但引入了一定的負(fù)阻尼22 2343211ddoTKKKKK22 23042321/ddododTKTKKKD20u 比例式勵(lì)磁調(diào)節(jié)比例式勵(lì)磁調(diào)節(jié)為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，簡(jiǎn)化勵(lì)磁系統(tǒng)：為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，簡(jiǎn)化勵(lì)磁系統(tǒng)：設(shè)其傳函：設(shè)其傳函：)(1)()()(sUsTKsUsGsEGeeGede快速勵(lì)磁：快速勵(lì)磁：Te0)()(sUKsEGedeeeJemKKKGKKKGKsTKKGsMs5

11、40326301263011)()(sTKKGdo3331閉環(huán)特征方程：閉環(huán)特征方程：015242316100123363eedoJJdoeKKKKKKKKKKTTsTKsTKKKKs考慮考慮Ke很大：很大：05261001263KKKKTTKsTKsTKKsdoJeJdoeRouth判據(jù)：判據(jù)：00525261KKKKKK也是矛盾的也是矛盾的21sDsTKKKKKKKKKKDEKKsMdoeeqe036345321211)(令：令：djs2266521/1/dedoSKKTKKKKM060226652/1/dedodedoDKKTKKTKKKDM同步轉(zhuǎn)矩增量同步轉(zhuǎn)矩增量阻尼轉(zhuǎn)矩增量阻尼轉(zhuǎn)矩增

12、量輕負(fù)荷情況下，輕負(fù)荷情況下，K50重負(fù)荷情況下，重負(fù)荷情況下，K50同步轉(zhuǎn)矩增量同步轉(zhuǎn)矩增量 阻尼轉(zhuǎn)矩增量阻尼轉(zhuǎn)矩增量同步轉(zhuǎn)矩增量同步轉(zhuǎn)矩增量 阻尼轉(zhuǎn)矩增量阻尼轉(zhuǎn)矩增量簡(jiǎn)單式勵(lì)磁控制：簡(jiǎn)單式勵(lì)磁控制： 增加同步發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)增加同步發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)矩系數(shù) 但同時(shí)引進(jìn)了負(fù)阻尼但同時(shí)引進(jìn)了負(fù)阻尼22三、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（三、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）引進(jìn)人為信號(hào)引進(jìn)人為信號(hào) 增強(qiáng)阻尼增強(qiáng)阻尼u PSS的原理的原理轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：DMMdtdTemJ為了增強(qiáng)阻尼，為了增強(qiáng)阻尼，引進(jìn)的阻尼必須與引進(jìn)的阻尼必須與的方向一致的方向一致eeeDMMDDMMdtdTeemJ等效的阻尼系數(shù)：等效的阻尼

13、系數(shù)：DDDe從而從而PSS可大幅度提高了同步發(fā)電機(jī)的阻尼可大幅度提高了同步發(fā)電機(jī)的阻尼23u PSS的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于：關(guān)鍵在于：如何保證引入的信號(hào)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與如何保證引入的信號(hào)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與方向一致方向一致deEREFUPSSDdMPSS241、設(shè)計(jì)超前環(huán)節(jié)、設(shè)計(jì)超前環(huán)節(jié)eedoedEKKKsTsKTKKKssMsG3233211)()()(因?yàn)橐笸啵阂驗(yàn)橐笸啵?)()(sGsGPSSE對(duì)所有振蕩頻率對(duì)所有振蕩頻率在實(shí)際設(shè)計(jì)中在實(shí)際設(shè)計(jì)中由于由于0)(sGE所以所以0)(sGPSS即即PSS為為超前環(huán)節(jié)超前環(huán)節(jié)（1）?。┤為實(shí)際系統(tǒng)已經(jīng)存在的低頻振蕩頻率為實(shí)際系統(tǒng)已經(jīng)存在的低頻振

14、蕩頻率0)()(dPSSdEjGjG（2）?。┤為系統(tǒng)無(wú)阻尼自然振蕩頻率為系統(tǒng)無(wú)阻尼自然振蕩頻率21212111)(TTksTsTKsGkPSSPSS，或oPSSdsGHzTTT34)(1102 . 02120)()(nPSSnEjGjGdMPSS252、設(shè)計(jì)放大倍數(shù)，保證合理的阻尼比、設(shè)計(jì)放大倍數(shù)，保證合理的阻尼比取合理的阻尼比取合理的阻尼比0.10.30222nnssJnnTK1nJTD2)()(2dEdPSSnJPSSjGjGTD可計(jì)算出放大倍數(shù)可計(jì)算出放大倍數(shù)PSSK3、設(shè)計(jì)復(fù)位環(huán)節(jié)，不影響正常電壓性能、設(shè)計(jì)復(fù)位環(huán)節(jié)，不影響正常電壓性能sTsTsGr1)(42T可消除直流分量，但對(duì)振

15、蕩有：可消除直流分量，但對(duì)振蕩有：11)(TjTjjGdddr4、設(shè)計(jì)帶通濾波器，只抑制設(shè)計(jì)頻率附近的頻率分量、設(shè)計(jì)帶通濾波器，只抑制設(shè)計(jì)頻率附近的頻率分量濾波器濾波器d主要保證相位主要保證相位補(bǔ)償要求補(bǔ)償要求265、PSS總體框圖總體框圖帶通帶通濾波器濾波器sTsT1kPSSsTsTK2111復(fù)位環(huán)節(jié)復(fù)位環(huán)節(jié)PSS限幅環(huán)節(jié)限幅環(huán)節(jié)勵(lì)磁勵(lì)磁系統(tǒng)系統(tǒng)REFUGUPSSUdeE 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器自從提出后在世界各國(guó)電力系統(tǒng)得到全面推廣，概念清晰，實(shí)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器自從提出后在世界各國(guó)電力系統(tǒng)得到全面推廣，概念清晰，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方面，效果理想現(xiàn)簡(jiǎn)單方面，效果理想 但是也存在一些問(wèn)題：但是也存在一些問(wèn)題：l

16、能抑制所設(shè)計(jì)的頻率附近的低頻振蕩，對(duì)其它頻率不能取作用，甚至取反能抑制所設(shè)計(jì)的頻率附近的低頻振蕩，對(duì)其它頻率不能取作用，甚至取反作用作用l 對(duì)超低頻振蕩（接近直流）有時(shí)難以進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)超低頻振蕩（接近直流）有時(shí)難以進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)l 在多機(jī)電力系統(tǒng)中參數(shù)設(shè)計(jì)困難，即在多機(jī)電力系統(tǒng)中參數(shù)設(shè)計(jì)困難，即PSS之間的參數(shù)協(xié)調(diào)和安裝地點(diǎn)選擇，之間的參數(shù)協(xié)調(diào)和安裝地點(diǎn)選擇，并不是所有機(jī)組安裝最好并不是所有機(jī)組安裝最好l 大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)后會(huì)出現(xiàn)多種頻率的振蕩，大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)后會(huì)出現(xiàn)多種頻率的振蕩，PSS參數(shù)難以設(shè)計(jì)參數(shù)難以設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)還需不斷探索新的勵(lì)磁控制規(guī)律電力系統(tǒng)還需不斷探索新的勵(lì)磁控制規(guī)律27第七節(jié)第七節(jié) 微

17、機(jī)勵(lì)磁控制器簡(jiǎn)介微機(jī)勵(lì)磁控制器簡(jiǎn)介（補(bǔ)充）（補(bǔ)充）微機(jī)勵(lì)磁控制器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際電力系統(tǒng)微機(jī)勵(lì)磁控制器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際電力系統(tǒng)一、測(cè)量系統(tǒng)一、測(cè)量系統(tǒng)有功、無(wú)功有功、無(wú)功變換器變換器ABCUABCIABCUABCIEFI隔離隔離變換器變換器EFUSYSUABCUABCIA/D采樣采樣多路轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)CPU根據(jù)根據(jù)富氏算法富氏算法計(jì)算電壓電流幅值和相位計(jì)算電壓電流幅值和相位根據(jù)電壓電流幅值和相位根據(jù)電壓電流幅值和相位計(jì)算有功無(wú)功計(jì)算有功無(wú)功直流采樣直流采樣交流采樣交流采樣28二、觸發(fā)脈沖形成系統(tǒng)二、觸發(fā)脈沖形成系統(tǒng)ABCU三相同步信號(hào)三相同步信號(hào)中斷源：中斷源：u 同步信號(hào)上升沿同步

18、信號(hào)上升沿u 導(dǎo)通角定時(shí)時(shí)間到導(dǎo)通角定時(shí)時(shí)間到u 60o定時(shí)時(shí)間到定時(shí)時(shí)間到u 脈沖寬度定時(shí)時(shí)間到脈沖寬度定時(shí)時(shí)間到o60同步同步信號(hào)信號(hào)時(shí)序：時(shí)序：u 同步信號(hào)上升沿同步信號(hào)上升沿 設(shè)置導(dǎo)通角定時(shí)設(shè)置導(dǎo)通角定時(shí)u 導(dǎo)通角定時(shí)時(shí)間到導(dǎo)通角定時(shí)時(shí)間到 發(fā)出脈沖發(fā)出脈沖 設(shè)置脈沖寬度定時(shí)設(shè)置脈沖寬度定時(shí) 設(shè)置設(shè)置60o定時(shí)定時(shí)u 脈沖寬度定時(shí)時(shí)間到脈沖寬度定時(shí)時(shí)間到 清除脈沖清除脈沖u 60o定時(shí)時(shí)間到定時(shí)時(shí)間到 發(fā)出脈沖發(fā)出脈沖 設(shè)置脈沖寬度定時(shí)設(shè)置脈沖寬度定時(shí) 檢查檢查6個(gè)脈沖發(fā)完成？個(gè)脈沖發(fā)完成？ 是：退出是：退出 否：設(shè)置下一個(gè)否：設(shè)置下一個(gè)60o定時(shí)定時(shí)29三、控制規(guī)律三、控制規(guī)律n AVRPSSdttdeTdtteTteKtuDtIP)()(1)()(0帶通帶通濾波器濾波器sTsT1kPSSsTsTK2111復(fù)位環(huán)節(jié)復(fù)位環(huán)節(jié)PSS限幅環(huán)節(jié)限幅環(huán)節(jié)勵(lì)磁勵(lì)磁系統(tǒng)系統(tǒng)REFUGUPSSUdeE離散化離散化PSS離散化離散化AVR連續(xù)狀態(tài)方程離散化：連續(xù)狀態(tài)方程離散化：BuAXX)()(2)() 1(2)() 1(kBukAXhkBukAXhkXkX隱式梯形積分