IEAC励磁调节技术说明书

武汉能事达励磁调节器说明

IAEC-2000型智能自适应 微机励磁控制器技术说明书

宜昌市能达通用电气公司 葛洲坝水力发电厂自动化研究所 华中科技大学

二零零三年一月二十日

武汉能事达励磁调节器说明

目 录

第一章 装置概述²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²1

1.1 装置特点²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²1

1.2 主要励磁功能配置²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²3

1.3 辅助励磁功能配置²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²4

1.4 主要技术指标²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²5

1.5 适用范围²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²5

1.6 使用环境²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²9

第二章 励磁控制原理²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²10

2.1 发电机励磁控制系统的作用²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²11

2.2 励磁反馈控制原理²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²11

2.3 微机励磁控制关键技术²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²12

2.4 励磁控制规律²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²14

2.4.1 电力系统稳定器²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²15

2.4.2 线性最优励磁控制LOEC²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²21

2.4.3 自适应最优励磁控制²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²22

第三章 功能说明²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²30

3.1 三种起励方式²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²30

3.2 五种运行方式²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²31

3.3 控制方式在线转换²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²33

3.4 励磁限制²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²33

3.5 励磁保护²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²35

3.6 自动跟踪²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²35

3.7 在线机切换²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²36

3.8 试验功能²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²36

3.9 控制参数调整²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²37

3.10 逆变灭磁²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²38

第四章 软件简介²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²39

4.1 软件组成及编程语言²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²39

4.2 软件流程图²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²39

武汉能事达励磁调节器说明

第一章 装置概述

IAEC-2000型智能自适应微机励磁控制器由能达通用电气公司与华中科技大学联合研制。是依靠华中科技大学丰富的理论知识、葛洲坝电厂运行维护人员多年的现场经验和能达通用电气公司多年的实际应用经验总结开发出来的新一代发电机智能微机励磁控制器。本控制器适应电力系统朝大机组、大电网方向发展的需要，采用智能自适应最优励磁控制规律，能为电力系统提供良好的阻尼，满足电力系统联网稳定运行的要求。本控制器以“功能完备、可靠性高、检修维护方便、操作简单直观”为设计思想，不但具有常规模拟式励磁控制器的全部调节、控制功能，而且具备常规控制器没有的许多控制、保护、限制、逻辑判断、自诊断、容错、在线整定、参数显示、与现地LCU通讯和开关量的调节、现场调试试验等强大功能，是大、中型同步发电机励磁控制器的理想选择。

本控制器硬件由管理机、工控机、测量单元、逻辑控制单元和电源单元组成。管理机采用研华平板PC，完成人机接口、可视化图形显示、各种参数设置、事件记录、与优化维护系统及监控系统的通讯等。工控机硬件采用具有高抗干扰、高抗振动、4U高度模板的DSP产品，该产品由专业工控机厂家按恶劣的工业现场条件特别设计，硬件设计合理，配置简单清晰，按励磁控制系统的要求双重化，可满足各种容量发电机励磁控制的要求。测量单元、逻辑控制单元、及电源单元全部采用印制电路板由能达通用电气公司针对工控机系统自主设计，采用母板机箱结构，具有接线简单可靠的优点。管理机可与励磁调节双通道进行信息交换，从而实现对发电机运行状态进行监视和记录，也可作为一个子站与电厂（站）主计算机管理系统进行联网，实现励磁设备自动化管理。

励磁控制器按国际标准柜设计，其外围接口符合传统设计要求。如交流信号输入、开关量信号输入、装置直流电源、交流电源、异常信号输出、RS485、RS232、CAN现场总线以及以太通讯接口等皆符合现场常规要求。对于新建工程，有典型设计图纸可以套用；而对于改造工程，也可根据实际情况重新设计。

本说明书将详述IAEC-2000型智能自适应微机励磁控制器的原理、控制理论和软件说明，其硬件构成、软件流程和调试维护方法详见《智能自适应微机励磁控制器使用说明书》。

1.1 装置特点

1.1.1 控制部分采用数字信号处理器DSP

装置采用利用DSP数字信号处理器超强的数据处理能力，吸收大量的现场经验，并应用许多成熟的励磁原理及算法实现要求的励磁控制，极大的提高了励磁控制的快速性、可靠性和准确性，使得整机性能指标达到最佳。

DSP高速数据信号处理器的应用使得将最新、最先进和复杂的算法用于励磁控制成为现实。

1.1.2 装置采用智能自适应励磁控制规律

智能自适应控制器的特点是能修正自己的特性以适应被控对象的动特性的变化。其研究

武汉能事达励磁调节器说明

的对象是具有一定程度的不确定性的系统；这种“不确定性”是指其描述的被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。发电机励磁控制系统正是一个具有一定的不确定性因素的系统，因为与之紧密联系的电力系统是不断发展和变化的系统。

自适应控制与最优控制或非线性控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识可在系统的运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善，并最终达到一致。

智能自适应控制器的原理简图如图1-1所示：

图1-1 智能自适应控制器原理简图

其中参数辨识器完成智能性功能。它根据被控对象的输入输出数据，对模型的参数进行在线辨识，使模型变得愈来愈准确，并自动跟踪系统的变化，从这个意义上来说，控制系统具有自适应能力。

控制器则根据辨识出的参数，按给定的性能指标，对被控制对象进行智能控制。

1.1.3 装置采用4U高度硬件平台

装置硬件平台选用的是针对恶劣工业环境设计的高档TMS320C32DSP工控机系统，其体系结构比STD工控机有很大的改善与提高，抗干扰能力强，性能稳定可靠，操作安全。

1.1.4 装置全部采用机箱插件形式、母板连接结构，欧式插件

机箱插件结构形式具有检修维护方便的特点，自定义母板连接具有接线简单的优点，欧式插接具有可靠性高的优点。因此装置整体性能极高。

1.1.5 具有集调试、试验、故障录波多功能的管理系统

管理机采用高度可靠、触摸式研华工业级平板PC作为人机交互接口，波形、状态显示清晰，在运行中可随时查阅各种运行状态值、控制变量，控制及限制参数。故障录波功能能记录故障前10秒及故障后50秒的运行参数，便于事后分析与诊断。

1.1.6 其它

(1) 参数值均采用浮点十进制，菜单式操作简单、快捷、直观，精度高、范围广。

武汉能事达励磁调节器说明

(2) 采用频率跟踪技术，使得采样精度高。

(3) 单柜设有一个RS485串口、一个CAN总线接口或一个以太网口，可以与电厂（站）系

统相连；柜内控制机与管理机之间采用RS232通讯。 双机之间、双机与集成控制维护系统之间采用CAN网络通讯，这为励磁装置集散管理，实现综合自动化创造了硬、软条件。

(4) 交、直流电源互为热备用，电源模块的任一弱电回路丢失均可告警，并送至RTU或中央

控制室。

1.2 主要励磁功能配置

励磁控制器除具有常规励磁控制器的一般功能（正常的励磁调节、手自动开/停机、）外，还应具备以下功能：

1.2.1 四种可选励磁控制方式：

1.2.1.1 PID控制；

1.2.1.2 PID+PSS控制；

1.2.1.3 线性最优控制；

1.2.1.4 智能自适应控制。

1.2.2 五种运行方式：

1.2.2.1 恒机端电压运行方式（正常运行方式）；

1.2.2.2 恒励磁电流运行方式（用于定子短路试验、转子干燥、线路充电、限电流运行、电压

回路异常等工况）；

1.2.2.3 恒无功功率运行方式；

1.2.2.4 恒功率因数运行方式（特殊要求时使用）；

1.2.2.5 恒触发角运行方式（调试或他励）。

1.2.3 三种起励方式：

1.2.3.1 设定机端电压起励；

1.2.3.2 设定转子励磁电流起励（用于零起升压转子干燥、定子短路等工况）；

1.2.3.3 跟踪母线电压起励（用于快速并网）。

1.2.4 五种励磁限制功能：

1.2.4.1 瞬时/延时过励磁电流限制（强励限制）；

1.2.4.2 无功过载限制（过励限制）；

1.2.4.3 欠励限制；

1.2.4.4 空载V/F限制；

1.2.4.5 功率柜故障励磁电流限制。

1.2.5 励磁保护功能：

武汉能事达励磁调节器说明

1.2.5.1 空载过压保护；

1.2.5.2 PT断线保护；

1.2.5.3 同步回路断线保护。

1.3 辅助励磁功能配置

1.3.1 励磁系统现场调试功能：

1.3.1.1 彩色液晶触摸显示屏；

1.3.1.2 中英文可选菜单操作；

1.3.1.3 设置用户口令在线修改、整定各种励磁限制参数，并设掉电保护；

1.3.1.4 励磁系统运行状态图实时显示；

1.3.1.5 电气参数动态曲线显示；

1.3.1.6 状态参数、控制参数显示；

1.3.1.7 故障状态显示；

1.3.1.8 各种静特性试验；

1.3.1.9 运行方式切换、控制方式切换、主/从通道切换；

1.3.1.10 起励试验，并根据录波图完成数据处理；

1.3.1.11 空载扰动试验，并根据录波图完成数据处理；

1.3.1.12 系统稳定试验，并根据录波图完成数据处理；

1.3.1.13 人工录波功能，根据操作人员发出的录波命令录波；

1.3.1.14 自动录波功能，起励、阶跃及PSS试验自动录波；

1.3.1.15 离线能用PC机在Windows环境处理试验、录波数据。

1.3.2 故障录波功能：

保存故障前后各设备的带时间的状态及波形（共计1分钟），并能显示、保存和处理设备的状态及波形。

1.3.3 在线检测与故障诊断及处理功能：

微机系统自身具有自我诊断能力。软件时刻对CPU、A/D芯片、计数器、通讯、脉冲输出、微机工作电源等进行在线诊断，可以提前发现问题。发现故障立即由软件输出、硬件自动切换。

控制器内部各功能模板及各组成单元故障，出现故障后自动切换运行通道或转运行方式，通讯故障能报警但不影响控制器的正常运行。同时具有与电站优化维护系统通讯接口，通讯接口采用CANBUS。

1.3.4 与监控系统通讯的双向接口功能：

柜内各系统间采用RS232通讯，对外设有CAN总线(工控机)或RS485(管理机)串行通讯或以太网（管理机）接口，上传控制器的各种数据及故障检测、预警、维护管理报告；接收上位机下传的各种控制命令（开/停机、运行方式、控制方式及方式切换等）。

武汉能事达励磁调节器说明

1.4 主要技术指标

1.4.1

1.4.2

1.4.3

1.4.4

1.4.5

1.4.6

1.4.7 可控硅控制角分辨率：0.001° A/D转换分辨率：2-14 可控硅控制角移相范围：8°～ 150°可调 发电机端电压静差率：0.1% 发电机调压精度：0.2% 机端电压手动调节速度：0.5% ～ 0.7% Vgn/s 机端电压手动调节范围：

空载：10% ～ 115% Vgn；

负载：70% ～ 110% Vgn；

1.4.8

1.4.9 调差率：-30% ～ +30%可调； 发电机频率适应范围：35Hz ～ 80Hz；

荡不超过3次，调节时间不大于5s；

1.4.11 10%vgn阶跃响应：发电机定子电压超调量不大于阶跃量的30%，振荡不超过3次，

调节时间不大于3s。

1.4.12 电源适应性：当供电电源在-30% ~ +50%范围内波动时装置可以可靠运行。

1.4.13 功率消耗：小于300W 1.4.10 甩发电机额定有功、无功负荷，发电机定子电压超调量不大于其额定电压的15%，振

1.5 适用范围

IAEC-2000型微机励磁控制器适用于所有采用可控硅励磁的发电机励磁系统。各种典型励磁系统接线图分示如下。

1.5.1 自励励磁系统：

自励方式包括自并励和自复励方式，自复励方式又可为分交流侧串联、直流侧并联自复励等。自并励励磁系统为固有高起始响应系统，具有快速响应的性能。自并励励磁系统的典型接线如图1-2所示。

武汉能事达励磁调节器说明

图1-2 自并励可控硅励磁系统典型接线图

图1-3 交流侧串联自复励方式

武汉能事达励磁调节器说明

图1-4 直流侧并联自复励方式

1.5.2 带直流励磁机的可控硅励磁方式

这种励磁方式包括直流励磁机采用可控硅自励和采用连续性控硅励磁方式。

图1-5 直流励磁机采用可控硅自励

武汉能事达励磁调节器说明

图1-6 直流励磁机采用连续型可控硅励磁

1.5.3 他励方式

此方式包括交流励磁机带静止硅整流器方式、交流励磁机带静止可控硅方式和无刷磁方式。

图1-7 他励静止硅整流器励磁方式

武汉能事达励磁调节器说明

1.6 使用环境

1.6.1

1.6.2

1.6.3

1.6.4

使用地点的海拨高度不大于2500米。 环境温度为-20～40℃。 环境相对湿度≤90％。 装置周围环境应保持干燥、清洁、通风良好，无爆炸、腐蚀性气体，所含导电尘埃的浓度不应使绝缘水平降低到允许值以下。

武汉能事达励磁调节器说明

第二章 励磁控制原理

励磁控制系统是同步发电机的重要组成部分，直接控制同步发电机磁场电流，从而控制同步发电机的电势，所以它还间接控制发电机的端电压、无功功率、功率因素和电流等参量。由于大型机组的这些参量直接影响系统的运行状态，因此在某种程度上也可以说，励磁控制器也控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定与励磁控制方式密切相关。

发电机自并励励磁系统一般由励磁控制器、可控硅整流单元、灭磁及过电压保护单元、起励单元和励磁变压器等5部分组成。这5部分以一定的设计参数进行有机的结合，构成一个性能满足一定要求的励磁系统，其相互联接关系如图2-1所示。

图2-1 励磁系统组成单元及相互联接关系

图2-2 他励静止硅整流器励磁系统原理接线图

其中励磁控制器是励磁控制系统中实现发电机电压调节、无功功率分配和系统稳定功能的核心部分；励磁变压器经电压变换，为发电机励磁控制系统的功率单元提供功率电源；可控硅整流器是由AVR控制，保证发电机各种工况运行的功率部分；起励单元为发电机提供初

武汉能事达励磁调节器说明

始励磁；灭磁及过电压保护是在发电机及其系统出现故障的情况下快速切除故障的保护单元，灭磁控制由发电机保护装置完成。

图2-2为他励静止硅整流器励磁系统(三机励磁系统)的原理接线图。G1为发电机，G2为交流励磁机，G3为交流副励磁机。IAEC励磁控制器根据发电机运行工况的变化改变可控硅的控制角 ，以改变G2的励磁电流和输出电压，而G1的励磁电流由G2的输出经硅整流装置D1整流后通过滑环引入，从而起到调节发电机G1励磁电流的作用。

2.1 发电机励磁控制系统的作用

1.6.5 在稳态运行时：

（1） 维持发电机的机端电压在给定水平；

（2） 合理分配并联运行发电机的无功功率；

（3） 提高发电机的静稳极限和输电线路的功率传输能力。

1.6.6 在暂态过程中(大干扰时)：

（1） 抑制发电机切负荷时的电压升高。

（2） 提高与之相联电力系统暂态稳定性。

2.2 励磁反馈控制原理

如图2-3所示，励磁控制系统是一个闭环控制系统，其反馈控制通过以下过程来实现：首先励磁控制器的测量单元检测PT输入信号从而获得发电机的机端电压Vt， 然后将Vt与给定电压Vr相比较获得电压差值ΔV=（Vr-Vt），该电压差ΔV经综合放大环节后得到控制电压Vc。若是最简单的比例调节， 那么控制电压Vc与电压差ΔV有以下的关系式（不考虑调差）：

VC K(Vr Vt) (2-1)

上式中K为放大倍数。控制电压Vc经过移相触发环节后得到可控硅（SCR）的触发角 ，从而控制发电机的励磁电压Vf，使发电机运行在稳定状态。在IAEC中，信号的检测、综合放大、移相触发都是通过软件算法实现的。 Vc与 、Vf0有以下关系： Vf0 arccos V c1.35E (2-2)

因为三相全控整流桥有以下关系：

所以

Vf 1.35Ecos (2-3) Vf Vc Vf0 K(Vr Vt) Vf0 (2-4)

式中Vf0为发电机空载励磁电压，E为励磁变压器副边电压，即SCR的阳极电压。

武汉能事达励磁调节器说明

图2-3 自并励静止硅整流器励磁系统原理接线图

如果由于扰动使发电机机端电压Vt上升一个小的值，那么电压差（Vr-Vt）将减少，经综合放大环节后得到控制电压Vc也将减少，使得 增大，经可控硅整流后使得发电机的励磁电压Vf减少，使得发电机的机端电压Vt下降，从而抵消了发电机的机端电压Vt上升的扰动。因此励磁反馈控制可以维持发电机的机端电压Vt的恒定。

如果由于扰动使得发电机的机端电压Ut下降一个小的值，那么类似以上分析一样能得到相同的结论。

2.3 微机励磁控制关键技术

交流采样技术、脉冲直接形成技术以及先进的控制策略，是微机励磁控制的关键性技术，也是评价一种微机励磁性能的重要标准（数字化程度）。以下分三个部分对此作一简要介绍。

武汉能事达励磁调节器说明

2.3.1 交流采样技术

微机励磁控制器对发电机的机端电压Vt，定子电流Ig，有功功率Pe，无功功率Qe，转子电流Ifd等电量的测量有两种方案可供选择：采用模拟变量变送器的直流采样和直接交流采样。

电量变送器（传感器）输出的直流量与其输入电量成比例，经A/D转换接口电路读入主机的数值直接反映了被测变量之值。这种方法容易实现，因而早期的微机励磁控制器多采用这种方案。变送器把交流电量转换成直流量时往往需要滤波电路，从控制器的响应速度考虑，变送器的时间常数应尽可能小，但同时仍要保证足够的精度，这是直流采样要面对的困难之

一。另外，电量变送器归根结底也是一种模拟电路，对该电路的调整、维护也是较繁琐的工作。

交流采样技术由于省略了电量变送器，减少硬件环节，提高了可靠性，并且可以较好地解决精度与速度的矛盾，因此近几年在电力监测、控制、包括微机励磁中得到广泛应用。

交流采样技术依据以下原理：对于周期为T的周期信号u(t)=u(t+T)，在一个周期内对该信号等间隔均匀采样N点，得到N个采样点的电压值u0，u1， ，uN-1，根据不同的算法，微机可以计算得该信号的特征量，比如有效值、平均值、最大最小值、功率等。比如计算u(t)的有效值U可以用以下方法算得：

1T21 N 12T U u t dt ui 0TT i 0N 1 N 12 ui N i 0 (2-5)

对交流电压信号u(t)及电流信号i(t)，在一个周期内采样N点得到电压序列u0，u1， ，uN-1及电流序列i0，i1， ，iN-1，可以用以下方法计算得有功功率： 1T1N 1 1 1Pe u t i t dt ukik T0Tk 0 N N ui kk

k 0N 1(2-6)

另外，对于周期信号，也可以用富氏算法得到各次谐波的实部和虚部，从而计算得该次谐波的有效值。12点富氏算法（N=12）可以用下式表示： 1 3 U1 U11 U5 U7 1 U2 U10 U4 U8 UR U0 U6 6 22

1 3 U2 U4 U8 U10 1 U1 U5 U7 U11 UI U3 U9 6 22 (2-7)

U U

其中UR，UI分别为基波分量的实部与虚部。

发电机的有功功率及无功功率则可以用以下公式计算： 2R2I(2-8)

武汉能事达励磁调节器说明

(2-9) (2-10) Pe VR IR VI II Qe VR II VI IR

2.3.2 脉冲形成技术

IAEC-2000微机励磁控制器主控制器板和智能脉冲形成板由两块完全一致的SCT-9809工控机模板组成，智能脉冲形成板主要功能是根据阳极电压同步点和主控制器板送出的控制角输出要求的控制脉冲(+A，-C，+B，-A，+C，-B六相脉冲)，同时完成控制脉冲的检测任务。

同步信号经滤波整形形成方波后送入DSP中断接口INT0、INT1和INT2，中断程序完成移相及脉输出任务，如下图所示。比如当前的上升沿时刻为T2，前一上升沿时刻为T1，则同步信号的周期则为T=T2－T1，此周期应对应于3600的脉冲。假设此时计算机要发出控制角为α，则应该相对于过零点时刻（T1或T2）延时Tα后发出+A脉冲，再延迟600相对应的时间T60后发-C，再延迟T60后发出+B， ，如此类推。计算机只需设定每个脉冲产生的时刻即可。。这种的脉冲产生方式非常简单自然，硬件、软件均很简单，产生的脉冲可靠性高。

-B -C +A INT T

360 T2 T1 ，T60 60 T2 T1 360(2-11)

2.4 励磁控制规律

比例—积分—微分（PID）控制是依据古典控制理论的频域法进行设计的，该设计方法成熟可靠，并有大量的应用经验，对于改善发电机的电压静态、动态性能，PID控制规律完全可以满足要求。但若要同时改善电力系统的低频振荡、提高电力系统静态、暂态稳定性，则必须依赖于更先进的控制规律。PID控制的传递函数如下：

武汉能事达励磁调节器说明

(2-12) 1 T1S 1 1 G S KP 1 T2S TiS

比例系数（放大倍数）KP主要是为了提高控制系统的响应速度，减少静态偏差。T1是微分常数，T1与T2构成了不完全微分，微分的作用主要是改善控制系统的动态性能，比如减少超调量、减少振荡次数等。Ti是积分时间常数，积分的作用主要是消除静态误差。

2.4.1 电力系统稳定器

二十世纪50年代随着电力系统规模的扩大，以及长距离大负荷输电线路的出现，现加上大型发电机开始采用，由半导体励磁调节器和可控硅整流功率柜组成的快速励磁系统，使整个电力系统的阻尼不断减弱。当电力系统发生故障或受到其它扰动时，出现长时间低频率振荡，严重影响电力系统安全稳定运行。

二十世纪60年代美国西部系统，发生了低频振荡，在西欧、日本的电力系统中也不断出现。在我国二十世纪80年代初湖南西部系统凤淮—常德线故障跳开时，凤淮电厂出线产生低频振荡。1984年初，广东—九龙联络线投运后不久，发生多次0.45-0.5HZ低频振荡。1985年湖北系统葛洲坝电厂输出线路发生多次。之后我国电力系统又有发生低频振荡的报道，例如：湖北鄂西北水电群与华中系统公司等。

按低频振荡发生的频率，可以将低频振荡分为以下几种类型：

(1) 超低频振荡：低频振荡频率为0.017~0.08Hz；

(2) 典型的低频振荡：低频振荡频率为0.5~2Hz，振荡持续时间长；

(3) 次同步振荡：低频振荡频率为10~40Hz，是由于长距离输电线路中的串联电容补偿

引起。

为了提高电力系统阻尼，抑制低频振荡，1966年美国首次把电力系统稳定器（Power System Stabilizer，缩写PSS）投入工业试验，由于其原理清晰，实现简单，能有效抑制低频，其后迅速在世界各国得到推广应用。

4.1.1 单机无穷大系统线性化模型

研究低频振荡问题，一般首先采用单机无穷大系统，如图2-3所示。在该图中，发电机带有地区负荷，然后经输电线路与无穷大系统连接。

在建立线性代模型时，对发电机进行如下简化：

a) 忽略阻尼效应

b) 忽略定子绕组电阻

c) 不考虑定子绕组和负荷的动态过程

d) 不考虑饱和效应

这样同步发电机可用三阶微分方程描述，即励磁绕组一阶，转子运动方程两阶。经过推导，可以得到研究低频振荡用的子机无穷大系统线性化模型：

武汉能事达励磁调节器说明

图2-3 带地区负荷的单机无穷大系统

EqK3K3K4 Efd S S1 K3Tdo1 K3Tdo

Me K1 K2 Eq

UG K5 K6 Eq

Mm Me TjS 0S

图2-4 研究低频振荡用的单机无穷大线性化模型

武汉能事达励磁调节器说明

式中K1~K6是与发电机的运行状态和系统参数有关的系数。K1，K2，K3，K4和K6均大于0，而K5当负荷较重时，其值将会由正变负。

根据上述方程可以得到同步发电机框图，如图2-4所示。

4.1.2 PSS设计原理

线性化后的同步发电机转子运动方程为：

TJd Tm Te TD dt

式中： Tm为机械输入转矩，在小干扰分析中，一般可忽略；

项，Te K1 ； ，忽略K2 Eq Te为电磁转矩， Te K1 K2 Eq

TD为机械阻尼，如磨擦等， TD D 。 S 考虑： 0和取拉氏变换后有：

TJS2 0 K1 DS 0

整理后有：

S2 K DS 10 0 TJTJ

规范化：

2S2 2 n nS n 0

n：阻尼系数， n D

20TJK1

n：无阻尼机械振荡频率， n 0K1

TJ

武汉能事达励磁调节器说明

因一般D较少，所以阻尼不是很好。该公式也说明在转子运动方程中，一D 项是阻尼项。因此PSS引入的阻尼项其方向必须与一D 一致，假定为DE ，DE＞0，这样PSS引入的阻尼才是正阻尼，能够有效地抑制低频振荡。

PSS的原理就是要保证引入的辅助信号所产生的转矩保证与一 方向一致，即为一DE 。

（1） 设计超前环节，补偿相位滞后

假定引入的辅助信号为 ，则相位滞后环节如图2-5所示，图中励磁系统的传递函数假定为Ke。

1 TeS

图2-5 同步发电机滞后环节

GE(S) M dK2K3Ke K3S)(1 TeS) K3KeK6 (1 Tdo

因要求－ 与－DE 同相，因此要求PSS传递函数所产生的超前相位与同步发电机滞后环节所产生的滞后相位抵消，即：

GPSS(S) GE(S) 0

理论上是对所有频率均抵消，但实际系统难以实现，因此在实际系统中只对选定频率要求抵消。

●选取电力系统中已存在的低频振荡频率 d，即S j d

武汉能事达励磁调节器说明

GPSS(j d) GE(j d) 0

●选取系统的无阻尼振荡频率 n，即S j n

GPSS(j n) GE(j n) 0

由于GE(j )是一滞后环节，即GE(j ) 0，因此要求 GPSS(j ) 0，即PSS是一个超前环节。

1 ST1 G(S) K可令 PSSPSS 1 ST ，T1 T2，一般k＝1，2即可。

2

（2） 设计KPSS，保证合理的阻尼系数 n，一般 n＝0.1~0.3，DE 2 n 0TJ k

DE GPSS(j d) GE(j d)

（3） 设计复位环节，以便PSS不影响正常情况下电压性能：

Gr(S) ST，T 2 ~4 1 ST

该环节为隔直环节，消除系统分量，而对于振荡分量有Gr(j d)

响很小。 j dT 1.0，影1 j dT

（4） 设计带通滤波器，因PSS相位补偿的要求，只能抑制设计频率（ d）附近的频率分

量。

因此，PSS的总体框图如图2-6所示：

图2-6 PSS原理框图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5ea1.html