同步电机励磁系统(草案)第3篇 动态性能.pdf

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1、 7 J 同 步 电 机 励 磁 系 统(草案)篇摘动 邑代；摘 要 q I。简 要论 述 研 究包 括 步 电机 在 的动 态 响应，性 能 特 性 和指标 以及 关 键 词 同步电机劢磁控制 前 言 出版物3 4 1 6 第 2篇图 l所 示的励磁系统 通 用方框 图，表 示了励磁控制部件 电压控 制、限制器、电力系统 稳定 器同 电力系统的 联系 在 应用中，这种 联系通过同步 电机端 电 压 无 功和有功 电流、旆 5 磁 电流和频率或转速 和 电力 系统相适 应来 完成 l 小信号性能 小信号 性能描述 励磁控制和 同步 电机对信 号的动态响 应，这种信号 很小，以至于可 以忽 略其

2、非线性，而 系统的行为可 用线性 模型 代表。部 件和 系统 的小 信号性能可用 以下的基本 形式 来 描述 t 在时域 内用时 间响应 在频 域 内 用增益和相位 响应 曲线 在 复频域 内用系统 特 征根(本征 值)；用 由性能状 况所 得 出的性 能指标来 描述。综合性能受与 同步 电机端子 相连 的外部系 统的影响。考 虑外 部系统的 类型，同步 电机运 行的通用模型 是t (1)与 大 电力系统相连，该大 电力系统 可用一个 完整 的系统模型或简化指 令模 型来模 拟。(2)经过一阻抗与一无限大母线 相连。(3)与一单 独负载 相连。为 简便起见，本 章把同步 电机 的开 路运行 作

3、为 例证。描述励磁系统的简便方法是采用计算机模 框 图形式提供出来。在制造厂、用户和 顾 问间 进行常规系统研究时，这些模型是设 备动 态性 能特性常用 形式。1 1 时 问响 应 尉礁控捌系统 图 l 简化 的 励 戳系 统 和 同步 电机 G=G：一 l s1T 一 魂如：K=2 5 Tl：0 3 s T 2=B s 盥 2 一个简化的励磕 控制系统对阶跃变化 的 时 间响应 r t一上升 时间 Bt 调整 时问的 培定偏 差 带 d 超橱 量 t d 延迟 对间t-调整 时 间 t P一一达 到 值 的 时间 维普资讯 http:/ 翻l表示一个简化韵勋磁系统和开路同步 电机 豳 2是阶

4、跃变化时间响应的例子。如图 所示，最重要的性能指标是上升时间，超调量 和稳定时 间 f 2 颓 率响 应 在线性 系统 中，频率 响应是与 频率有关 的 关系表达式，它表现为在 稳态正弦输入和 稳态 正弦输出之 间幅值和相 位的 差别 图 8给 出了 图 l的开 环频 率 响应特 性，它 用于带有脱线 同步 电机的简 化鼬磁 系统 有 关 的指标是低频 增益G，截止频率 相位裕 度 和增益裕度G 相应的闭环频率响应在图4 中给出。这里有关的指标是带宽，增益特性 的峰 值 和峰值产生时的 角频率。，这 些 性 能指标提 供了相对稳定性的测量和耐 间响 应特 性指标。盆 2 0一。，甘 一1 1

5、图 3 脱 线同步电机简化励磁控制系统的开 环 频率 响 直 性能 指标 书 一相位带度 m 昌(1 B o l c 1)f 时)Gm 增盎错度G 等【0 一G)(当书 叠一l 8 0 耐)一 一单 位增益 时的截 止 颤率(G罩1)f 3 复频 域 在复频城内评估澍磁系统的动态性能可以 通 过绘制其拉 普拉斯 传递 函数的特 征值(特 征 根)进行。图 5 示 出了端 电压 反馈 回路开环和 同步 电机开 路的 励磁系 统的典型根定义域。当 回路增益从零到无 穷大之 间变化时，棍 轨迹 图典 型地 绘出了 闭环 板点的位置。图 6表 示 图 5中端 电匿反馈 回路 闭合时劢磁系统 的根 7

6、2 图 4 脱 线 同步 电机简 化 的劢 磁 控 制 系统 闭 环频 率 响应 性能 指标 MP 幅澶 喧 应拘 峰崖 _ 峰值 产生 时的 颠率 B 带宽(当M 昌一3 d B时)轨迹。闭环系统的极点要随着增益K值的变 化 来绘 制。值得 注意的是，图 5和图 6对应着一 个较图 1简化模型更复杂、更具有代表性的传 递函数，二 一、一：；l 0 8 6、1 一 o 6 0：0 、一，：2 图 5 脱 线同步电机简忆励磁 系统投点 零点图 标记：开环概点0开环零点 f 4 小信号性能指标 袁 1列出了一个励磁系统和河步 电机小信 号性能指标的典 型范围 这些数据是用可能遇 到的 同步 电机

7、磁场时间常数和 励磁 系统 时间常 数的预计极 限范嗣(最长一 最短)，经过 分析 而导出的。这些 指标是控制 作用相 对速 度和 稳 定性的尺度。在大多数反馈控制系统中，占 们 维普资讯 http:/ 磷矬删系纯 图 6 同步电机 脱线时简化勋磁系统的闭 环根 轨迹 图(环路 增益 K是 可 变 的)标 记；x 开环 极点0 开 环零点 口 闭环 授点带 增 盎K 主要是 由系统部件的动态特性决定的，而系统 部件的 输出是最终 的被控制变量。就励磁 系统 来说，同步 电机的 动态 特性(如磁场 时间常数 等)是决定性 因素。丧，励磁控 制小信 号动悫性能指 标的范圈 励磷 系 统增益 增 硅

8、梧度 福位 裕座 振 目 的 峰值 颜带 宽度 超调 量 上 丹 间 稳 定 对阃 阻尼泵 斌 K 3 0-8 0 p，Gm 2 2 0 d B m 20。s 0 M P 1 0 4 0 (0一I 2 d B)mE 2T 5 r 6 d 0 a 0喃 t 0 I 2 5 E t_ 0 2 一 l 00，1 励磁控制稳定性 作为 励磁系统一部分的励磁控制，从应用 方面来 看，它通 过 同步 电机的糟 电压、无功 和 有功 电流、励磁 电流和频率或速度与 电力 系统 相 联系。带有 复台 回路、复台变量的复永的反 馈控制 系统。它的 运行 明显地随着它的参数而 变化 近 似评估这个复杂 系统的性能

9、要用状态 空间技术 模拟系统并 计算励磁系统和同步 电机 的特 征值(特性方程根)殛所关心的 电力系统 参数。状 态空间模型可通过 已知 的 电力设 备和 电力 系统 参数、运行状态殛实验的频率响应数 据推导出来(如果 后者 能够得到的话)。特 征 值的计算为线 性系统给出了系统稳定性的直接 表 征，同时，在 更广 泛的 研究 中，在测定选 择 参数前，还 可作为一个有效的 初始步骤。利用 状态空问模型得到的其他指标可作为衡量复台 回路控制系统满足给定技术条件的能 力 的 尺 度。开 路同步 电机具 有对 应于磁场 回路 的时间 常数 的传递特性。当与 电力 系统相连 时，附加 耦台随惯量、转

10、矩和转子转 角一起产生。增大 电机转 角(即负载)会把出现在励磁 电压的谐 振峰值带给端 电压的传递函数。它们在复域内 都对应于较弱阻尼的复合极点。这样的电机特 性，当 运行在 带有 电压 调节器的闭环反馈控制 系 统时，很容 易引起 弱阻尼振 荡或失去 稳定。励磁 系统 的高增益和快速 响应是在 电力系 统 扰动时用来提 供升高的同步转矩的。当 同步 电机在 大转子转 角下运行时，与上述相同的特 性是负阻尼的来源。通常很有J必要 利用附加 的 控 捌，例如 电力 系统稳定器来 扩展稳定性的极 限。根据在 电力 系统中经常观测的 形式，频率 振荡被翊 分为三种类 型。1 5 1 碣 部的 电机

11、 系统振荡 这种 振荡通 常涉及 到一个 电站中的一 台或 多台同步 电机，它们 以O 7 Hz 3 O Hz 的频 率 在较大的 电力 系统或负载 中心摆动。当设 备处 于高王=l 载下并有一高阻抗传输系统时，这类振 7 3 维普资讯 http:/ 荡极其有害。1 5 2 区间振荡 这类振荡一般涉及一个 电力 系统某一 部分 的许多 电机，而系统的摆 动发生 于该 系统 的其 他部分的 电机 之 中。区域 内振荡通 常是低频 的(0 1 n z)1 5 3 电厂间振荡 这类 振荡一般涉及 电厂或邻近 电厂 的两 台 或 多台同步 电机，使 电机发生相互摆动。振荡 频 率通 常在1 5 3 0

12、 Hz 之间。1 6电力系统稳 定器的 应用 电力 系统稳定器刺用附加 输入信号将 附加 正 向阻 尼 引入含 有同步 电机、励磁系统和 电力 系统的 复合系统 中。电力 系统 稳定器补偿了同 步 电机在 高极 角运行 时产生 的不 利特 性，并 改 进 电力 系统扰 动引起振荡的 阻尼。在 电力 系统 稳定 回路中需要 滤波器来 避免 扭转频率的影 响。1 T 扭转振荡 扭转掘 荡是 机纽转 子 间谐 波转子 角 的 运 动，振 荡频 率相对较 高(4 Hz)。这 种机 械 系 统 没有什么 定形的固有阻 尼 扭转 振荡可 由直 流线路，串联 电容 器、静 止变换器，汽轮机 调 速 器或突然

13、 负载 波动而引起，也 可 由励磁系统 引起。过度的扭转振 荡会 引起轴的疲 劳进 而导 致危险的损 害。2太 信号性能 大信号性能是对非线性足够 显著的信号的 动 态 响 应。大 信号性 能标准的 目的是从 几个 瞬态值提 供一 种评价励磁系统性能的方法，这几个 瞬态 值包括 同步电机定子 电压、定子 电流及 由同步 电机 励磁 电流 感出的大变化量。为确定励磁系 统对提高 同步 电机 性能的能力，标 准必须 能够 反 映出 实际 电力 系统 扰动下的运行效 应 评估大 信号性能的标准有瞬 态响应，顶 值 电流和 电压 以及 时间响应所得到的标准 响应。这些参数已在第一篇被定义过了，它们的应

14、州 74 将在 以后 叙述。2 I 概述 以下的大信号性能标准与励磁系统有关，并在 应用 时，还与 其元 部件有 关。为 满 足励磁 设 备在设计、生产和 应用上有最大 的灵 活性，一些性 能标 准被 定义为“在特 定条件下”。适 当的条件可 以由生产厂家，或 更普遍 由设 备买 方 来 设 定。以下几个条 件如顶疽 励磁 电流和 励磁 电压 的一般属性，可使它们在不 同的 应用 中被 用来 达到不同的 目的。结果，当它们 应用不合理 时 会造成误解。必须注意，要根据 应用来解 释条 款 在 特定条件下”。2 2 项值 电流 当考 虑持 续过负荷和持 续扰动时，顶值 电 流取决 于励磁 系统的

15、热 负荷，热 负荷决定着其 最大 输出电流 和所 需的持 续时间。为了某种用 途，顶值电流会根 据需要来 定义，这种需要就 是同步电机能发 出持 续一定时 间的三相 稳态短 路 电流 值。当需要一个高的 项值 电压米 进行强 励作用 时，励磁 机 电流 限制 控制电路 可以确定实际 的 顶 值电流。2 3项值 电压 顶值 电压是用来 评估励磁系统驱使励磁 电 流达到硬值的强励能力 顶值电压表示的是能 强 迫励磁 电流 由额 定负载 励磁 电流达到顶值的 电压。顶 值 电压与额定负载 电压之差愈大，强 励能力愈强。高 顶值电压 可提 高瞬态稳定性。对于电压埠和复 合源励 磁系统其 电源 依靠 同

16、步 电机 电压和 电流，电力 系统 扰动的性质和 励磁控制系统 的特定设 计参 数影 响威磁系统的 输出。对 于这样 的系统，项 值 电压的 确定取决 于给 定 电源 电压和(如果有 的话)电流。有些 励磁 系统具 有正 向和 负向两种 顶值 电 压。在一些特别 的应用中，需要鼢 磁系统 向同 步 电机 提供正 向的和负 向的励 磁 电流 2 4 励磁系统标称 响应 用决定 于励磁 系统 电压响也曲线 的励磁 系 维普资讯 http:/ 统输出 电压的增量，除 以额定励磁 电压所 得的 一个比 值。这个 比值如果 保持 恒定，所 扩展的 电压 时间面 积与在 第一个半秒时 间内获得 的实际 曲

17、线 面积相 等(除非特殊 规定一个不同 的 时 间 间 隔)标称 响应被用作一个 品质 因数，以表征励 磁系统对 瞬态扰动的响应能力并用于励磁系统 之 间的比较。选 择半秒时 间间隔用来把标准响 应同励 磁系统对第一 次摆动、瓣态稳定 性的作 用 联系起来。决 定标称 响 应的起始 点是 扰动被激发的时 刻。也就是说，励磁 系统 标称 响应包括可能出 现 的 延 迟 时 间。标称 响应的确定是这样的，开 始，励 磁系 统运 行在 同步 电机的额定负载励 磁电流下，然 后突然产生一端 电压输入信号来使励磁系统电 压达到顼 值。如果标称 响应被用来 作为比较不 同类型的础磁系统的品质因数，若使用不

18、同的 限制器或不同的同步电机感抗僧 就可能得到 使人误解 的结 果。z _ 5瞬态响应 大 信号瞬态 响应是一个 时 间响 应，它包 括 各部件的输入和 输出 变量，这些 变量被 作为 时 间函数进 行计算，由于瞬态响应通 常与 输入变 量的 阶跃变化有 联系，只有使输入变量 的变化 足够 太且足够快，才 能使所 导致 的响 应是有效 的。输出 的响应才可划入大信号 响虚。译文经 本刊哪 I庸一 犏 注 采 晓 东 译 自(I E C2(秘)8 0 6(1 9 9 1)赵 东标校(上 接 第 7 O 页)动态响应估算也 可在频 域内完成 采 用上述 参 数的 完整调速 器模型的 搜特 图及 由

19、实 际仪器获 得的现场测试数据如 图1 O 所示 回复 系数为 4 5。进水管 很长 的发 电机具有 很大 的缓 冲 器时 间常数r 和暂 态转 差系数。如果调节回 复 系数，达到最优 响应，则 导叶有振荡的 趋势，如 图1 1 所 示。在这种情 况下，降低回复 系数，可 消除振荡 而不会严 重影响调速器的性能。调 速 器在 系统交叉 点(本例低于0 1 Hz)的相 位 r 1=_L 增益 t 顶都曲线)摺(底部 曲线)l 2 在大 T F Rt 值 及高低叵复 系 数下的计算 量 晌虚 滞 后仅比 低回复系数时大几度，但与其他 电力 系统 谐振 相互影响的谐振峰值却更小，如图1 2 所 示。

20、4 结 论 PMG模拟 器提供 了一种验 证 水轮 发 电 机 机械一 液压调速器的有效模型，正常运行及 调节参数的方法。使 用这 种方法可直 接修正大 多数的电力 系统 动态稳定性调速器模型 中的参 数，并且 有助 于在试验现场验证 这些 参数。现 场 试验数据表 明，要 改进大型水轮发 电机 调速 器的 模拟，附姗导叶时 间常数”是必不可少 的。另外，可在 任何导叶开 度和转速 下进行有 助于排除异常故障的试验。5 附录 模型符号说明；r 引导阀时间常 数 0一主接 力器积 分增益 永 态转差 系 数 暂 态转 差系数r 附加 时 间 常 数(飞摆，接力器等)缓 冲 器 时 问常数或 复位时间 译 文经 本刊啊 减一 编 注 参考 文献 1 0 种(略)代 永成 译 自 I EEE T r a n s a c t i o n s o n En e r g y Co n y e r s l o n l 9 9 5，1 0(宫漾棱 7 5 维普资讯 http:/