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励磁控制系统与电力系统稳定


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励磁控制系统与电力系统稳定

2004年9月 年 月
2004年9月

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励磁控制系统与电力系统稳定
? ? ? ? ? ? 发电机励磁控制的作用 发电机励磁控制的作用 励磁系统分类 数字式励磁调节器的特点 励磁系统在稳态运行时的基本功能 励磁控制对系统

稳定性的影响 目前开展的工作
– 励磁建模 – PSS参数整定 参数整定
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发电机励磁控制的作用 发电机励磁控制的作用
? 从发电厂角度研究励磁
– – – – 调节发电机电压 调节发电机无功 多台发电机无功 发电机安全可靠运行

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发电机励磁控制的作用( 发电机励磁控制的作用(续) 励磁控制的作用
? 从电力系统角度研究励磁
– – – – – 提高系统的静态稳定性 提高系统的动态稳定性 提高系统的暂态稳定性 改善系统的电压稳定性 二次电压控制

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励磁系统分类
? 三机励磁系统
–交流励磁机励磁系统 交流励磁机励磁系统 –直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统

? 组成:副励磁机(永磁机)、小功率可控整流 组成:副励磁机(永磁机)、 )、小功率可控整流 主励磁机、大功率二极管整流柜、 柜、主励磁机、大功率二极管整流柜、自动电 压调节器、转子绕组灭磁开关与过电压保护。 压调节器、转子绕组灭磁开关与过电压保护。 ? 特点:它励,励磁电源不受系统电源的影响。 特点:它励,励磁电源不受系统电源的影响。 但调节速度慢,轴系较长,易引发轴系扭振。 但调节速度慢,轴系较长,易引发轴系扭振。
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励磁系统分类( 励磁系统分类(续)
? 三机励磁系统

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励磁系统分类( 励磁系统分类(续)
交流励磁机励磁系统模型

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励磁系统分类( 励磁系统分类(续)
? 无刷励磁系统
–组成:励磁变(永磁机)、小功率可控整 组成:励磁变(永磁机)、 )、小功率可控整 组成 流柜、交流励磁机、旋转二极管整流柜、 流柜、交流励磁机、旋转二极管整流柜、自 动电压调节器、灭磁开关与过电压保护。 动电压调节器、灭磁开关与过电压保护。 –特点:无滑环和炭刷。二机系统轴系长度 特点: 特点 无滑环和炭刷。 缩短,调节速度较快。 缩短,调节速度较快。

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无刷励磁系统
? 无刷励磁系统(永磁机) 无刷励磁系统(永磁机)

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励磁系统分类( 励磁系统分类(续)
? 自并励励磁系统 自并励励磁系统 励磁
–组成:励磁变、大功率可控整流柜、起励 组成:励磁变、大功率可控整流柜、 组成 设备、自动电压调节器、 设备、自动电压调节器、灭磁开关与过电压 保护。 保护。 –特点:结构简单,调节速度快,轴系较短, 特点: 特点 结构简单,调节速度快,轴系较短, 不易引发轴系扭振。 不易引发轴系扭振。但励磁电源受系统电源 的影响。 的影响。

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自并励励磁系统 自并励励磁系统 励励磁

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励磁系统控制过程
? 励磁调节器主要由测量比较、综合放大 励磁调节器主要由测量比较、 和移相触发三个基本单元构成。 和移相触发三个基本单元构成。
? Vd0=1.35U2cosα。 。 ? 同步电压:Usyn=Ktb*U2。Vd0=1.35U2cosα=1.35 同步电压: U2*Uc/Usyn

? Xr表示换相压降等值阻抗
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对励磁调节器的要求
–可靠性 , 运行稳定. ( 在电路设计、 元件 可靠性, 运行稳定 . 在电路设计 、 可靠性 选择和装配工艺等方面应采取相应的措施, 选择和装配工艺等方面应采取相应的措施, 任一元件故障不应造成发电机停机。 任一元件故障不应造成发电机停机。) –良好的静态特性和动态特性 ( 调压精度 、 良好的静态特性和动态特性( 良好的静态特性和动态特性 调压精度、 稳定性等) 稳定性等)。 –快速性(响应速度快)。 快速性( 快速性 响应速度快) –结构简单,检修维护方便。 结构简单, 结构简单 检修维护方便。

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数字式励磁调节器的特点
? 高可靠性: 高可靠性:
–采用专用的高速编程控制器或高速微处理器 采用专用的高速编程控制器或高速微处理器 –完成 : 调节 、 计算和逻辑控制功能等 。 如瑞士 ABB 完成: 完成 调节、 计算和逻辑控制功能等。 如瑞士ABB 公司的UNITROL UNITROL型 公司的UNITROL型。 –国内因工艺和其它外围用的电路或器件等因素,可 国内因工艺和其它外围用的电路或器件等因素, 国内因工艺和其它外围用的电路或器件等因素 靠性相对较差。 靠性相对较差。

? 编程语言: 编程语言:
–国外:专用高速可编程控制器。 国外:专用高速可编程控制器 国外 –国内:原始编程语言-汇编语言和C语言等。 国内: 国内 原始编程语言-汇编语言和C语言等。
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数字式励磁调节器的特点( 数字式励磁调节器的特点(续)
? 控制策略
–普遍采用PID+PSS 。 普遍采用PID 普遍采用PID+ –结合现代控制理论 , 开发新型控制策略的 结合现代控制理论, 结合现代控制理论 调节器,如最优励磁控制(线性、非线性) 调节器,如最优励磁控制(线性、非线性), 模糊控制型调节器, 变参数PID 型调节器, PID型调节器 模糊控制型调节器 , 变参数 PID 型调节器 , 自适应PID型调节器,智能励磁控制等。 PID型调节器 自适应PID型调节器,智能励磁控制等。

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数字式励磁调节器的特点( 数字式励磁调节器的特点(续)
? 微处理器
–国外 : 厂商使用的处理器各有其特色 , 如 国外: 厂商使用的处理器各有其特色, 国外 瑞士ABB 公司的专用高速可编程控制器PSR ABB公司的专用高速可编程控制器 PSR2 瑞士 ABB 公司的专用高速可编程控制器 PSR2 、 ELIN公司的主从多处理器 GEC-ALSTHOM公 公司的主从多处理器、 ELIN公司的主从多处理器、GEC-ALSTHOM公 司和R RIC公司的32 DSP等 RIC公司的32位 司和R—RIC公司的32位DSP等, –国内 : 多采用 8 位 、 16 位 、 32 位处理器 , 国内: 16位 32位处理器 位处理器, 国内 多采用8 微机的总线结构多采用STD总线和Multi-Bus 微机的总线结构多采用STD总线和MultiSTD总线和Multi 总线,硬件模板多,运算速度有限, 总线,硬件模板多,运算速度有限,较高级 的控制策略和调节算法的实现受到一定的制 约。
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数字式励磁调节器的特点( 数字式励磁调节器的特点(续)
? 人机界面
– 具有人机接口、通信接口、故障录波等功能。 具有人机接口、通信接口、故障录波等功能。 – 人机接口:调节器调试、检修,维护人员通过外挂 人机接口:调节器调试、检修, 微机,利于专用软件对调节器修改、整定, 微机,利于专用软件对调节器修改、整定,故障诊 并可进行调节器的静态和动态测试等。 断,并可进行调节器的静态和动态测试等。 – 通信接口:与外围装置进行数据交换,有利于电站 通信接口:与外围装置进行数据交换, 实现少人或无人值班。 实现少人或无人值班。

? 电源装置
– 冗余配置,交、直流同时供电。 冗余配置, 直流同时供电。
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数字式励磁调节器的特点( 数字式励磁调节器的特点(续)
? 抗干扰技术
–采用常规的静电屏蔽和一点接地技术外 , 采用常规的静电屏蔽和一点接地技术外, 采用常规的静电屏蔽和一点接地技术外 还普遍采用光电隔离技术、 还普遍采用光电隔离技术、电磁隔离技术和 数字滤波技术等。 数字滤波技术等。

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励磁标准
? IEEE Std 421.2-1990 421.2–IEEE Guide for Identification,Testing,and IEEE Evaluation of the Dynamic Performance of Excitation Control Systems

? GB/T7409 同步电机励磁系统 GB/ ? DL/T650-1998 大型汽轮发电机自并励静止励 DL/T650磁系统技术条件 ? DL/T843-2003 大型汽轮发电机交流励磁机励 DL/T843磁系统技术条件 ? DL/T 583 大中型水轮发电机静止整流励磁系 统及装置技术条件
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系统性能
? 励磁系统应保证,发电机励磁电流不超过其额 励磁系统应保证, 定值的1.1倍时,连续运行。 1.1倍时 定值的1.1倍时,连续运行。 ? 励磁设备的短时过负荷能力应大于发电机转子 短时过负荷能力。 短时过负荷能力。 ? 励磁系统电压响应比(电压上升速度)不小于 励磁系统电压响应比( 电压上升速度) 2倍 / 秒 。 ? 高起始响应励磁系统的励磁电压响应时间:上 高起始响应励磁系统的励磁电压响应时间: 升值不大于0.1 0.1秒 下降值不大于0.15 0.15秒 升值不大于0.1秒,下降值不大于0.15秒。
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系统性能( 系统性能(续)
? 强励电压倍数一般为2倍。 强励电压倍数一般为2
–强励时间不小于10s。 强励时间不小于10s 强励时间不小于10s。

? 发电机空载阶跃响应5% 发电机空载阶跃响应5
–发电机端电压超调量应不超过阶跃量的30 发电机端电压超调量应不超过阶跃量的30 发电机端电压超调量应不超过阶跃量的 振荡次数不超过3 调整时间不超过5s 5s。 %,振荡次数不超过3次,调整时间不超过5s。

? 开环频率特性的增益及相角要求。 开环频率特性的增益及相角要求。 ? 励磁控制系统的要求:调压精度、稳定 励磁控制系统的要求:调压精度、 性、快速性等。 快速性等。
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励磁系统在稳态运行时的基本功能 系统性能
? 发电机电压调节精度
– 静态率 – 定义:稳态时发电机电压给定值与实际值之 定义: 差。 –要求:电压精度不低于1% 。即励磁系统的 要求: 要求 电压精度不低于1% 稳态增益一般在200~400倍 稳态增益一般在200~400倍。

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励磁系统在稳态运行时的基本功能 (续)
? 各并列运行发电机间无功分配
– 调差系数:保持给定值不变,在功率因数cosф=0 调差系数:保持给定值不变,在功率因数cosф=0
情况下, 50%-100%额定无功功率, 情况下,甩50%-100%额定无功功率,测量甩负 %-100 荷前后发电机端电压求得无功调差率D 荷前后发电机端电压求得无功调差率D。

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励磁调节器的限制与保护匹配 励磁调节器的限制与保护匹配 的限制与保护
? 励磁调节装置应具有动作符合机组及系 统特性的过励限制及保护, 统特性的过励限制及保护,低励限制及 保护, Hz)限制及保护, 保护,伏/赫(V/Hz)限制及保护,电 力系统稳定器(PSS)等附加功能单元。 力系统稳定器(PSS)等附加功能单元。 励磁调节装置的各项限制和保护, 励磁调节装置的各项限制和保护,应与 机组继电保护协调。 机组继电保护协调。

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励磁调节器的限制与保护匹配( 励磁调节器的限制与保护匹配(续) 的限制与保护匹配
? 低励限制
– 低励限制动作曲线是按发电机不同有功功率 静稳定极限及发电机端部发热条件确定的。 静稳定极限及发电机端部发热条件确定的。 – 低励限制的动作曲线应注意与失磁保护的配 合。

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励磁调节器的限制与保护匹配( 励磁调节器的限制与保护匹配(续) 的限制与保护匹配
过励限制: 过励限制 : 与发电机转子绕组发热特性配 套。 ? 强励电压倍数大于2倍的励磁系统应有顶 强励电压倍数大于2 值电流瞬时限制功能。 值电流瞬时限制功能。 ? 强励限制:电压或电流限制,瞬时或延 强励限制:电压或电流限制, 时限制,影响暂态稳定性, 时限制,影响暂态稳定性,保护转子绝 缘和发电机安全运行。 缘和发电机安全运行。
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励磁调节器的限制与保护匹配( 励磁调节器的限制与保护匹配(续) 的限制与保护匹配
? V/Hz限制特性应与发电机及主变压器铁 Hz限制特性应与发电机及主变压器铁 芯的过励磁特性匹配。 芯的过励磁特性匹配。 ? V/Hz限制及保护,应有一定时延,使发 Hz限制及保护 应有一定时延, 限制及保护, 电机动态过程的励磁调节不受V Hz限制 电机动态过程的励磁调节不受V/Hz限制 单元动作的影响。 单元动作的影响。

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励磁控制对系统稳定性的影响
? ? ? ? 对静稳定性的影响 对动态稳定性的影响 对暂态稳定性的影响 对电压稳定性的影响

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对静稳定性的影响
? 定义 电力系统受到小干扰后,不发生 定义:电力系统受到小干扰后, 电力系统受到小干扰后 自发振荡和非同期性的失步, 自发振荡和非同期性的失步,自动恢复 到起始运行状态的能力. 到起始运行状态的能力

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对静稳定性的影响

曲线l:不调节励磁, 曲线l 不调节励磁, Eq恒定 恒定. Eq恒定. 曲线2 快速励磁调节, 曲线2:快速励磁调节, Eq‘恒定 恒定. Eq 恒定. 曲线3 曲线3:理想快速励磁 调节,Vt恒定 恒定。 调节,Vt恒定。
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对动态稳定性的影响
? 定义:电力系统受到小的或大的干扰后,在自 定义:电力系统受到小的或大的干扰后, 动调节和控制装置的作用下, 动调节和控制装置的作用下,保持长过程的运 行稳定性的能力。 行稳定性的能力。 ? 原因:远距离、大负荷送电,快速励磁系统, 原因:远距离、大负荷送电,快速励磁系统, K5<0,影响系统的阻尼。 K5<0,影响系统的阻尼。 ? 特点:0.2-2.5Hz范围内的低频振荡。 特点: 范围内的 ? 解决方法:采用电力系统稳定器PSS。 解决方法:采用电力系统稳定器PSS PSS。 ? 小干扰稳定性 : 包括静态稳定和小干扰下的动 小干扰稳定性: 态稳定。 态稳定。
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低频振荡情况
? 1984年广东 - 九龙联络线发生0.45Hz 低频振荡, 1984 年广东- 九龙联络线发生 0 45Hz低频振荡 , 年广东 Hz 低频振荡 在九龙机组投运PSS后解决问题。 PSS后解决问题 在九龙机组投运PSS后解决问题。 ? 1986 年广东广西联网后发生 0.3Hz 低频振荡 , 1986年广东广西联网后发生 年广东广西联网后发生0 Hz低频振荡 低频振荡, 在九龙、广东、广西部分机组投运PSS PSS。 在九龙、广东、广西部分机组投运PSS。 ? 2001年 5 月 16日安徽平圩 600MW 机组500KV出线 2001 年 16 日安徽平圩600MW机组 500KV 出线 日安徽平圩 600MW 机组 500KV 发生功率振荡,振荡持续数十分钟。 发生功率振荡,振荡持续数十分钟。 ? 福建-华东发生0.4Hz低频振荡 福建-华东发生0 Hz低频振荡 低频振荡。

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对暂态稳定性的影响
? 暂稳定义:在遭受大扰动后,各同步电机保 暂稳定义:在遭受大扰动后,
持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运 行的能力。 行的能力。 ? 特点:系统电压、电流、发电机功角等变化较 特点:系统电压、电流、 不能线性化。 大,不能线性化。 ? 概念:等面积法。 概念:等面积法。

? 要求:励磁系统具有较高强励倍数和较 要求: 小的等值时间常数。 小的等值时间常数。
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对大干扰稳定性的影响( 对大干扰稳定性的影响(续)
? 强励顶值限制:标准规定顶值电压倍数为自并 强励顶值限制: 80%或100%Vtn下 励80%或100%Vtn下2倍。交流励磁机励磁系统 1.8~ 1.8~2倍。 ? 励磁系统电压响应比(电压上升速度)不小于 励磁系统电压响应比(电压上升速度) 2倍 / 秒 。 ? 高起始响应励磁系统的励磁电压响应时间:上 高起始响应励磁系统的励磁电压响应时间: 升值不大于0.1 0.1秒 下降值不大于0.15 0.15秒 升值不大于0.1秒,下降值不大于0.15秒。 ? 励磁系统的暂态增益一般应不小於30倍。 励磁系统的暂态增益一般应不小於30 30倍
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对电压稳定性的影响
? 定义:电力系统受到小的或大的扰动后,系统 定义:电力系统受到小的或大的扰动后, 电压能够保持或恢复到允许的范围内, 电压能够保持或恢复到允许的范围内,不发生 电压崩溃的能力。 电压崩溃的能力。 ? 励磁控制的基本要求。 励磁控制的基本要求。 ? 发电机无功电压特性:定子电流限制、励磁电 发电机无功电压特性: 定子电流限制、 流限制等。 流限制等。 ? 发电机主变高压母线电压控制器(HSVC) 。 发电机主变高压母线电压控制器( )

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目前开展的工作
? 发电机励磁系统大修试验 ? 发电机励磁系统建模 ? PSS整定试验 PSS整定试验

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发电机励磁系统大修试验
? 国标和部标规定励磁系统试验项目 国标和部标规定励磁系统试验项目
–励磁系统各部件绝缘试验 励磁系统各部件绝缘试验 –自动手动切换及主备用调节器切换 自动手动切换及主备用调节器切换 –自动励磁调节器各单元静态特性及总体静 自动励磁调节器各单元静态特性及总体静 态特性试验 –自动励磁调节器零起升压试验 自动励磁调节器零起升压试验 –控制保护限制信号回路模拟动作试验 控制保护限制信号回路模拟动作试验 – 起励、灭磁试验 起励、
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发电机励磁系统建模
? 建模必要性 建模必要性 ? 建模工作的内容
– – – – 建模方法 原始模型参数的建立 模型参数转换 模型参数校核与应用

? 建模及参数测试中的注意事项
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建模必要性 建模必要性
? 大机组、超高压、远距离输电 大机组、超高压、 ? 全国联网
对系统安全稳定分析提出了更高要求。 对系统安全稳定分析提出了更高要求。

? 《电力系统安全稳定导则》对稳定计算分析 电力系统安全稳定导则》 工作的要求。电力系统动态、 工作的要求。电力系统动态、暂态稳定计算 和分析必须有可靠的模型参数。 和分析必须有可靠的模型参数。 ? 电力系统新型控制策略的研究和新技术的应用 需要准确的模型参数和在线调试技术。 需要准确的模型参数和在线调试技术。
? PSS、SVG、FACTS PSS、SVG、
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实测建模基本思路
? 实测建模基本思路
? 收集励磁系统建模所需资料,主要包括 收集励磁系统建模所需资料, 发电机、励磁机、调节器、 发电机、励磁机、调节器、整流变压器 及整流器等资料。 及整流器等资料。 ? 建立励磁系统原始模型参数。 建立励磁系统原始模型参数。 ? 完成励磁原始模型向PSS/E、BPA固定模 完成励磁原始模型向PSS/E BPA固定模 PSS/E、 型的转换。 型的转换。 ? 校核模型参数。 校核模型参数。
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励磁系统建模工作内容
? 励磁系统原始模型参数的建立 ? 励磁系统模型参数转换 ? 励磁系统模型参数校核与应用

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建模的主要内容( 建模的主要内容(续) ? 励磁系统原始模型参数的建立
–调研、收资; 调研、收资; 调研 –现场试验及数据处理; 现场试验及数据处理; 现场试验及数据处理 –应用软件求得各环节参数; 应用软件求得各环节参数; 应用软件求得各环节参数 –模型参数的标幺化; 模型参数的标幺化; 模型参数的标幺化 –建立整个励磁系统原始模型参数。 建立整个励磁系统原始模型参数。 建立整个励磁系统原始模型参数

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励磁系统原始模型参数的建立( 励磁系统原始模型参数的建立(续)
? 调研、收资(发电机、励磁机、励磁变、AVR) 调研、收资(发电机、励磁机、励磁变、 ? 试验方案:目的、要求、方法、歩骤、具体接 试验方案:目的、要求、方法、 测点布置、仪器、安全措施等; 线、测点布置、仪器、安全措施等; ? 试验方案审批及现场技术交底; 试验方案审批及现场技术交底; ? 在电力系统综合分析程序(PSASP)中建立励 在电力系统综合分析程序(PSASP) 磁系统自定义模型; 磁系统自定义模型; ? 建立与实际一致的励磁系统模型参数。 建立与实际一致的励磁系统模型参数。

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励磁系统建模工作内容( 励磁系统建模工作内容(续)
? 励磁系统模型参数转换
– 不同软件的励磁系统模型
? PSASP:有用户自定义功能 PSASP: ? PSS/E:无纯积分、无励磁电压反馈 PSS/E:无纯积分、 ? BPA:有纯积分、但积分无限幅,有不同类型的 BPA:有纯积分、但积分无限幅, 反馈 – 模型参数转换方法 –用PSASP自定义构成PSS/E和BPA励磁系统固定模型, 自定义构成PSS/E 励磁系统固定模型, 用PSASP自定义构成PSS/E和BPA励磁系统固定模型 PSASP上进行校核计算 在PSASP上进行校核计算 –形成PSASP、PSS/E和BPA励磁系统模型参数。 形成PSASP 励磁系统模型参数。 形成PSASP、PSS/E和BPA励磁系统模型参数
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相关标准内容
? IEEE Std421.5-1992 推荐的电力系统稳定性研 究用励磁系统模型 –根据现场试验或制造厂提供的数据确定各 根据现场试验或制造厂提供的数据确定各 个环节的参数; 个环节的参数; ? GB/T7409.2-1997 同步电机励磁系统 电力系 统研究用模型 ? GB/T7409.2-1997 等同于IEC60034-16.2。 等同于IEC60034-16. IEC60034

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相关标准内容
? 在GB7409.2-1997 和IEEE Std421.5-1992中规 GB7409.2Std421.5-1992中规 定了励磁主回路模型和控制系统模型, 定了励磁主回路模型和控制系统模型,规定了 标幺值和变量参数代号。 标幺值和变量参数代号。 ? 励磁主回路模型包括交流励磁机励磁系统、直 励磁主回路模型包括交流励磁机励磁系统、 流励磁机励磁系统、自并励自复励励磁系统。 流励磁机励磁系统、自并励自复励励磁系统。 ? 控制系统包括电压调节器、各种限制器以及 控制系统包括电压调节器、 PSS。 PSS。

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励磁系统的标幺值

? 在GB/T7409.2-1997、IEC34-16.2-1991和IEEE 、 和 Std.421.5-1992都规定了相同的标幺值系统。 都规定了相同的标幺值系统。 都规定了相同的标幺值系统 ? 发电机电压额定值为发电机电压的基值 tb , 发电机电压额定值为发电机电压的基值U 发电机功率的基值是发电机视在功率S 发电机功率的基值是发电机视在功率 tb。发电 机频率的基值是额定频率f 机频率的基值是额定频率 b, 发电机转速的基 值是额定转速ω 值是额定转速 b。 ? 发电机空载气隙线上额定电压对应的转子电流 为转子电流的基值。 为转子电流的基值。

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励磁系统建模( 励磁系统建模(续)
? 励磁系统模型中关键参数
? 电压放大倍数、强励倍数和时间常数Td0’ 电压放大倍数、强励倍数和时间常数T
在一功角条件下,时间常数大的,允许的放大倍 在一功角条件下,时间常数大的, 数也较大;在一时间常数下,功角较大的, 数也较大;在一时间常数下,功角较大的,允许的 放大倍数也较小。 放大倍数也较小。

? 励磁机时间常数。 励磁机时间常数。

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参数辨识
? 参数辨识的定义: 参数辨识的定义: ? 辨识就是按规定准则在一类模型中选择一个与 数据拟合得最好的模型。 数据拟合得最好的模型。
– 在同一激励信号的作用下,原型与模型产生的输出 在同一激励信号的作用下, 响应之差构成的代价函数最小。 响应之差构成的代价函数最小。

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励磁系统建模
-参数辨识方法

? 参数辨识按其采用的理论可分为频域法和时域 参数辨识按其采用的理论可分为频域法和 按其采用的理论可分为频域法 两类。 法两类。 ? 频域法: 频域法:
– 与经典控制的数学模型传递函数相适应,方法有静 经典控制的数学模型传递函数相适应, 态频域法和在线频域法。 态频域法和在线频域法。 – 在电压迭加点加上白躁声信号或正弦信号进行频率 特性测量, 特性测量,获得频率特性之后使用拟合程序进行拟 合获得传递函数。 合获得传递函数。
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励磁系统建模
-参数辨识方法

? 时域法: 时域法:
– 与现代控制理论的数学模型状态空间方程相联系, 与现代控制理论的数学模型状态空间方程相联系, 法有最小二乘法和卡尔曼法。 方法有最小二乘法和卡尔曼法。 –在电压迭加点加上阶跃信号进行时域特性测量,获 在电压迭加点加上阶跃信号进行时域特性测量, 在电压迭加点加上阶跃信号进行时域特性测量 得时域响应之后可以使用专用的拟合程序进行拟合 获得传递函数。 获得传递函数。

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励磁系统建模
? 要求:调节器需要有A/D和D/A口可供测量。 要求:调节器需要有A/D D/A口可供测量 A/D和 口可供测量。 ? 注意点: 注意点: –在线试验时,不影响机组的正常运行。 在线试验时, 在线试验时 不影响机组的正常运行。 –所加信号不能过大,防止进入非线性区域; 所加信号不能过大, 所加信号不能过大 防止进入非线性区域; –试验信号的要求:频谱覆盖宽、能量分布 试验信号的要求: 试验信号的要求 频谱覆盖宽、 均匀,是理想的扰动信号。白噪声特征: 均匀,是理想的扰动信号。白噪声特征:全 频段具有平均功率的随机过程。 频段具有平均功率的随机过程。 –在频率特性低频和高频段不易测准,表现 在频率特性低频和高频段不易测准, 在频率特性低频和高频段不易测准 为凝聚函数值较低,比如小于0.8 0.8。 为凝聚函数值较低,比如小于0.8。 ? 频域法和时域法同时采用。 频域法和时域法同时采用。
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环节特性测试方法
? 一阶惯性环节的幅频相频特性
– 转折频率 是1/T(1/s),转折频率处相位滞后 °。 转折频率ω是 ( ),转折频率处相位滞后45° ),转折频率处相位滞后 T=1s的一阶惯性环节频率特性。 的一阶惯性环节频率特性。 的一阶惯性环节频率特性

2004年9月

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环节特性测试方法
? 一阶超前环节 (1+TS)的幅频相频特性 一阶超前环节K( )
– 转折频率 是1/T(1/s),转折频率处相位超前 °。 转折频率ω是 ( ),转折频率处相位超前45° ),转折频率处相位超前 T=1s的一阶超前环节频率特性。 的一阶超前环节频率特性。 的一阶超前环节频率特性

2004年9月

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环节特性测试方法
? 非线性环节参数测量 ? 非线性环节包括:纯延时、死区、限幅、变增益、函 非线性环节包括:纯延时、死区、限幅、变增益、 数关系和逻辑控制等。 数关系和逻辑控制等。 – 纯延时环节:小纯延时环节可等效为一阶惯性环节, 纯延时环节:小纯延时环节可等效为一阶惯性环节, 时间常数为纯延时时间之和。 时间常数为纯延时时间之和。 – 死区、限幅和变增益根据设计值设置。比如控制角 死区、限幅和变增益根据设计值设置。 限制和积分限制等。 限制和积分限制等。 – 函数关系,如转子过电流限制,通过模拟试验确认 函数关系,如转子过电流限制, 其参数。加入模拟信号,测量启动值、 其参数。加入模拟信号,测量启动值、反时限常数 和限制值。 和限制值。
2004年9月

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励磁系统建模及参数测试
-励磁模型参数转换

? 不同软件的励磁系统模型
–PSASP:有用户自定义功能 PSASP: PSASP –PSS/E:与IEEE模型一致 PSS/E: IEEE模型一致 PSS/E ? 无纯积分、无励磁电压反馈 无纯积分、 –BPA:与IEEE模型一致, BPA: IEEE模型一致 模型一致, BPA ? 有纯积分、但积分无限幅,有不同类型的反馈 有纯积分、但积分无限幅,

2004年9月

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励磁模型参数转换
? 励磁模型参数转换要求:等价性原则。 励磁模型参数转换要求 等价性原则 要求: ? 静态放大倍数不变或接近。 静态放大倍数不变或接近。 ? 动态特性不变或接近。 动态特性不变或接近。 暂态特性不变或接近。 暂态特性不变或接近。

2004年9月

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励磁模型参数转换
? 励磁模型参数转换方法 ? 模型结构相同
–直接引用原模型参数,注意计算基值是否相同。 直接引用原模型参数,注意计算基值是否相同。 直接引用原模型参数

? 模型结构不同
–将PID转换为超前滞后环节 将PID转换为超前滞后环节 ? PSS/E模型均采用超前滞后校正。 PSS/E模型均采用超前滞后校正 模型均采用超前滞后校正。 ? 纯积分可转换大惯性环节。 纯积分可转换大惯性环节。 –压缩调节器多环节 压缩调节器多环节 –迭加点改变 迭加点改变

2004年9月

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励磁模型参数校核
? 参数是否符合基本物理概念。 参数是否符合基本物理概念。 ? 将原型的动态特性(实际系统)和模型的动态 将原型的动态特性(实际系统) 特性进行比较。 特性进行比较。
– 发电机空载电压阶跃响应包含的励磁系统信息较全 可以作为参数检验试验的主要项目。 面,可以作为参数检验试验的主要项目。 –反映励磁系统作用的仿真校核项目:发电机空载阶 反映励磁系统作用的仿真校核项目: 反映励磁系统作用的仿真校核项目 跃响应、极限切除时间CCT 强励响应、有无PSS CCT、 PSS的 跃响应、极限切除时间CCT、强励响应、有无PSS的 负载电压阶跃响应、 负载电压阶跃响应、主变高压侧近端三相短路仿真 计算、滞后特性、小干扰振荡模式分析等 计算、滞后特性、小干扰振荡模式分析等。
2004年9月

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励磁模型参数校核( 励磁模型参数校核(续)
? 发电机空载电压阶跃响应
检查上升时间、最大值时间和超调量。 检查上升时间、最大值时间和超调量。

2004年9月

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励磁模型参数校核( 励磁模型参数校核(续)
? 临界切除时间计算
–在实际多机系统中计算。用数据或图形表示。 在实际多机系统中计算。用数据或图形表示。 在实际多机系统中计算 –最大功角和最大功角时间相差不大。 CCT小于0.3s 最大功角和最大功角时间相差不大。 CCT小于 小于0.3s 最大功角和最大功角时间相差不大 CCT差值小于0.005s。 差值小于0.005s 的,CCT差值小于0.005s。

2004年9月

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励磁模型参数校核( 励磁模型参数校核(续)
? 强励响应比较。 强励响应比较。 –检验强励电压倍数 、 励磁电压上升速度等 。 检验强励电压倍数、 检验强励电压倍数 励磁电压上升速度等。 –条 件 : 实 际 多 机 系 统 中 , 调 节 器 开 环 , 条 AVR模型给定电压阶跃 15% 模型给定电压阶跃+ AVR 模型给定电压阶跃 +15% , 比较上升斜率 和强励倍数。同时检查调节器动态放大倍数 和强励倍数。 是否足够大。 是否足够大。 –要求 : 转化后模型的强励上升时间在 0.5s 要求: 要求 转化后模型的强励上升时间在0 内应当相差不大。 内应当相差不大。
2004年9月

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励磁模型参数校核( 励磁模型参数校核(续)
? 强励响应比较。 强励响应比较

2004年9月

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励磁模型参数校核( 励磁模型参数校核(续)
? 励磁系统滞后特性计算: 励磁系统滞后特性计算:
–励磁系统滞后特性是整定PSS的基础。 励磁系统滞后特性是整定PSS的基础。 励磁系统滞后特性是整定PSS的基础

2004年9月

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励磁模型参数校核( 励磁模型参数校核(续)
? 励磁系统滞后特性

2004年9月

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励磁模型参数校核( 励磁模型参数校核(续)
? 发电机负载电压给定阶跃响应。检查小扰动特 发电机负载电压给定阶跃响应。 性和PSS作用。分有无PSS两种情况进行。 PSS作用 PSS两种情况进行 性和PSS作用。分有无PSS两种情况进行。
–在实际多机系统中计算。阶跃2%。指标(f、阻尼 在实际多机系统中计算。阶跃2%。指标( 在实际多机系统中计算 2% D/%)一致。 比D/%)一致。

2004年9月

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励磁系统建模及参数测试中的注意事项 √模型参数的标幺化问题 模型参数的标幺化问题
? 机组参数与对应的基准容量应一致,机组参数 机组参数与对应的基准容量应一致, 包括惯性时间常数T 应转换为系统标幺参数。 (包括惯性时间常数TJ)应转换为系统标幺参数。 ’=X Sb/Sn); ’=T =X·( =T·( X’=X·(Sb/Sn); T’=T·(Sn/Sb) ? 励磁系统的标幺值:在GB/T7409.2-1997、 励磁系统的标幺值: GB/T7409.2-1997、 IEC34-16.2-1991和 Std.421.5-1992都规 IEC34-16.2-1991和IEEE Std.421.5-1992都规 定了相同的标幺值系统。 定了相同的标幺值系统。

2004年9月

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励磁系统建模及参数测试中的注意事项
√稳定计算的初值平衡检查 稳定计算的初值平衡检查
可以通过不施加任何扰动信号,计算输出母线电压、 可以通过不施加任何扰动信号,计算输出母线电压、 机组功角等,如果计算结果一直保持不变,一般可 机组功角等,如果计算结果一直保持不变, 以认为稳定计算的初值与潮流计算结果一致。 以认为稳定计算的初值与潮流计算结果一致。 ? 计算步长:最小的时间常数(包括其它控制系统内)至少要 计算步长:最小的时间常数(包括其它控制系统内)
大于计算积分步长的3 大于计算积分步长的3倍;故计算步长小于0.01秒; 故计算步长小于0.01秒 0.01

? 计算总时间:大于20秒; 计算总时间:大于20 20秒 ? 发电机模型中阻尼系数:按0考虑。 发电机模型中阻尼系数: 考虑。

2004年9月

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通过建模暴露出来的问题
? 发电机、励磁机、励磁变技术资料不完整。 发电机、励磁机、励磁变技术资料不完整。 ? 制造厂未按照标准要求在型式试验时进行模型 参数确认, 参数确认,有的制造厂提供的模型参数与实际 不同。 不同。 ? 制 造 厂 未 按 照 GB/T7409 、 IEC600034-16 、 GB/T7409 IEC600034600034 IEEEStd421 BPA、PSS/E中的模型设计调节器 421、 IEEEStd421、BPA、PSS/E中的模型设计调节器 ? 电压调节器参数设计未达到标准要求 ? 励磁系统安装调试未达到标准要求
2004年9月

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PSS参数整定 参数整定
? PSS参数予计算:计算励磁系统滞后频率特性。 励磁系统滞后频率特性。 参数予计算 计算励磁系统滞后频率特性 ? 抑制低频振荡、提高动态稳定性的主要措施: 抑制低频振荡、提高动态稳定性的主要措施: –加强、改善网络结构; 加强、 加强 改善网络结构; –AVR、PSS、EOC、NEOC; AVR、 AVR PSS、EOC、 –SVC SVC –FACTS等。 FACTS等 FACTS ? 本地区低频振荡:投入PSS很好解决。 本地区低频振荡:投入PSS很好解决。 PSS很好解决 ? 区域性低频振荡:较难解决,有时需综合治理 区域性低频振荡:较难解决,有时需综合治理。

2004年9月

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小干扰稳定分析方法 ? 时域法
方法:数值积分法。 方法:数值积分法。 –特点: 特点: 特点 –(1)无需线性化,可直接使用暂稳分析软件 (1)无需线性化, (1)无需线性化 –(2)不受阶数限制 (2)不受阶数限制 (2) –局限性:时间响应不能给出足够的反映稳 局限性: 局限性 定问题本质的信息。 定问题本质的信息。
2004年9月

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小干扰稳定分析方法( 小干扰稳定分析方法(续)
? 频域法
– 非线性方程局部线性化,求出系统状态矩阵的频率 非线性方程局部线性化, 在0.2-2.5Hz范围内的机电振荡模式对应的特征值 范围内的机电振荡模式对应的特征值 (LFO),如果有无实部为正的特征根,则系统不 ),如果有无实部为正的特征根, ),如果有无实部为正的特征根 稳定; 稳定; –特点:完整性,所有低频振荡模式、特征值准确给 特点: 低频振荡模式、 特点 完整性,所有低频振荡模式 出各振荡模式的振荡频率和阻尼比。 出各振荡模式的振荡频率和阻尼比。特征向量 揭示 了不同振荡模式与系统各变量参数间的关系, 了不同振荡模式与系统各变量参数间的关系,有利 于识别稳定问题的根源及寻求解决方法。 于识别稳定问题的根源及寻求解决方法。 –缺陷: 缺陷: 缺陷 ? 局部线性化带来的误差。 局部线性化带来的误差。
2004年9月

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Phyffron模型 Phyffron模型

2004年9月

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PSS整定要求 PSS整定要求
? PSS原理:相位补偿 PSS原理: 原理 ? PSS整定原则 : 尽量宽的频率范围满足提供附 PSS 整定原则: 整定原则 加阻尼的要求。 加阻尼的要求。 ? PSS整定要求:相位在Δω轴的+10°~ -45°, PSS整定要求 相位在Δω轴的+10 整定要求: Δω轴的+10° 45° 放大倍数取临界放大倍数的1/3~1/5,负载阶 放大倍数取临界放大倍数的1/3~1/5, 1/3 跃的阻尼比大于0.1 0.1。 跃的阻尼比大于0.1。

2004年9月

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PSS及其参数整定简介 PSS及其参数整定简介
同步转矩 机组 阻尼系数

同步转矩和 阻尼转矩

2004年9月

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PSS及其参数整定简介(续)
PSS参数设置正确可以提供正的 阻尼转矩和正的同步转矩

?ωi Di

TepssR

Tepss ?δi ?Te1i

TepssI ?Te2Ri
PSS参数设置不当,PSS提供了 负的阻尼转矩和同步转矩

?Te2Ii

T’
2004年9月

?Te2i

epss

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PSS 试验
? IEEE试验方法: IEEE试验方法: 试验方法
–测量励磁系统滞后频率特性(无补偿); 测量励磁系统滞后频率特性(无补偿); 测量励磁系统滞后频率特性 –设置PSS相位补偿特性; 设置PSS相位补偿特性; 设置PSS相位补偿特性 –测量励磁系统滞后频率特性(有补偿); 测量励磁系统滞后频率特性( 测量励磁系统滞后频率特性 有补偿); –通过现场试验确定PSS放大倍数; 通过现场试验确定PSS放大倍数; 通过现场试验确定PSS放大倍数 –PSS负载阶跃响应试验 PSS负载阶跃响应试验 PSS –PSS反调检查 PSS反调检查 PSS
2004年9月

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PSS及其参数整定简介(续) PSS及其参数整定简介( 及其参数整定简介
? 励磁系统滞后特性计算: 励磁系统滞后特性计算:
–励磁系统滞后特性是整定PSS的基础。 励磁系统滞后特性是整定PSS的基础。 励磁系统滞后特性是整定PSS的基础

2004年9月

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PSS及其参数整定简介(续) PSS及其参数整定简介( 及其参数整定简介

2004年9月

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PSS及其参数整定简介(续) PSS及其参数整定简介( 及其参数整定简介
? PSS数学模型和参数 PSS数学模型和参数
? 测量、隔直、相位补偿、放大倍数、限幅等。 测量、隔直、相位补偿、放大倍数、限幅等。

2004年9月

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PSS及其参数整定简介(续) PSS及其参数整定简介( 及其参数整定简介
? 双信号的PSS框图 双信号的PSS框图 PSS

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PSS校核性试验 PSS校核性试验
? 进行有无 进行有无PSS负载阶跃响应试验,检验PSS作 负载阶跃响应试验,检验 负载阶跃响应试验 作 分别在PSS退出和投入的情况下,进行 退出和投入的情况下, 用。分别在 退出和投入的情况下 1~3%的阶跃响应试验,观测机组有功功率和 的阶跃响应试验, 的阶跃响应试验 联络线路有功功率的动态过程。 联络线路有功功率的动态过程。 ? 在不同的扰动方式下,校核 在不同的扰动方式下,校核PSS的作用。 的作用。 的作用
– 主要考虑的扰动方式有:切送端负荷;发电机减出 主要考虑的扰动方式有:切送端负荷; 线路三相短路0.1s切线路。 切线路。 力;线路三相短路 切线路

2004年9月

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PSS校核性试验(续) PSS校核性试验( 校核性试验
PSS负载阶跃响应试验 PSS负载阶跃响应试验
G1投PSS 无PSS

G1、G4 投PSS
2004年9月

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励磁控制新技术
? 最优励磁控制(线性、非线性) 最优励磁控制(线性、非线性) ? 智能励磁控制 ? HSVC励磁控制 HSVC励磁控制

2004年9月

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线性最优励磁控制
? 最优控制:求一允许控制U(t)使系统由初 始状态X(zo)出发,在时间间隔[t0,tf]内, 到达目标集,并使性能指标为最小。 ? 若性能指标采用二次型性能指标(其中R、 Q分别为状态量与控制量的权阵),则线性 最优控制系统的设计转化为从黎卡提方程 中解出P阵从而得到最优控制的问题。
2004年9月

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非线性最优控制系统
? 非线性控制系统:微分几何方法和微分 代数方法 ? 智能控制:智能控制与现代控制方法的 结合,如模糊变结构控制,适应或自组 织模糊控制,自适应神经网络控制,神 经网络变结构控制等。

2004年9月

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高压母线励磁控制简介
? 必要性 : 借助现有的设备 , 提高输电容量 , 必要性: 借助现有的设备, 提高输电容量,
提高电力系统电压稳定性,提高电网电压质量, 提高电力系统电压稳定性,提高电网电压质量, 是一个迫切的问题。 是一个迫切的问题。 –发电机励磁控制的特点 : 功角稳定 、 电压 发电机励磁控制的特点: 发电机励磁控制的特点 功角稳定、 稳定 –电网发生故障 、 电网无功出现不平衡 、 传 电网发生故障、 电网发生故障 电网无功出现不平衡、 统的励磁调节器AVR 存在的问题: 响应速度、 AVR存在的问题 统的励磁调节器 AVR 存在的问题 : 响应速度 、 无功支持力度不够。 无功支持力度不够。
2004年9月

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高压母线励磁控制简介
?不同的实现方法 不同的实现方法
直接法、间接法(阻抗补偿法) 直接法、间接法(阻抗补偿法)

2004年9月

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高压母线励磁控制简介

2004年9月

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高压母线励磁控制简介
?初级电压控制(单机、电站) 初级电压控制(单机、电站) 初级电压控制 ?二级电压控制(全系统) 二级电压控制(全系统) 二级电压控制

2004年9月

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对系统无功电压的影响
采用HSVC、PSVR时发电机的机端电压比采用AVR时高,发 采用HSVC、PSVR时发电机的机端电压比采用AVR时高, HSVC 时发电机的机端电压比采用AVR时高 电机无功出力大幅增加, 电机无功出力大幅增加,快速补偿了系统中无功功率 的缺额,有利于维持高压母线电压的稳定。 的缺额,有利于维持高压母线电压的稳定。

2004年9月

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春节运行方式
? 切除一台机组扰动 ,机组运行情况。 机组运行情况。

2004年9月

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2004年9月


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