哨子

NARIIEEE推荐的电力系统稳定研究用励磁系统数学模型IEEEStd421.5-1992IEEE电力学会能源开发和发电委员会提出IEEE标淮局1992,3,19批准国电自动化研究院电气控制技术研究所译2003年7月目录TOC\o"1-5"\h\z范围3参考文献3同步电机励磁系统在型励磁系统模型研究中的示法4同步电机端电压变送器和负荷补偿器模型5DC型直流励磁机6DC1A型励磁系统模型6DC2A型励磁系统模型7DC3A型励磁系统模型8AC型交流励磁机-整流器励磁系统模型9AC1A型励磁系统模型9AC2A型励磁系统模型10AC3A型励磁系统模型11AC4A型励磁系统模型11AC5A型励磁系统模型13AC6A型励磁系统模型14ST型励磁系统模型15ST1A型励磁系统模型15ST2A型励磁系统模型16ST3A型励磁系统模型17电力系统稳定器18PSS1A型电力系统稳定器18PSS2A型电力系统稳定器19断续作用励磁系统20DEC1A型断续作用励磁系统20DEC2A型断续作用励磁系统22DEC3A型断续作用励磁系统22文献目录23附录A符号表23附录B相对（标么）单位制25附录C励磁机饱和负荷效应26附录D整流器调整率27附录E限制的表示28附录F用消除快反馈环避免计算问题30附录G同步电机内感应反向磁场电流流通路径35附录H励磁限制器36附录I采样数据37---分..46IEEE推荐的电力系统稳定研究用励磁系统数学模型1.范围在电力系统稳定研究中，要精确仿真同步电机形为时，同步电机励磁系统的模型需要足够祥细是十分重要的。见文献［12］。所需的模型必须代表实际励磁设备的性能，同时适合用於大的、严重的扰动和小的干扰。1968年IEEE委员会一份报告提供了初始的励磁系统参考模型，见［6］。它创建了公用术语，给出了公用的励磁系统数学模型、定义了这些模型的参数。1981年的一份报告［7］扩大了它的内容。它提供了以前不包括的新励磁系统模型，和改善了的老设备模型。本文件主要基于1981年报告，力图再一次更新模型，提供带附加控制特点模型，定型化这些模型用於实际中。本文件中的模型结构，在很大程度上，力图容易用现场试验数据作为所需获得模型参数的一个方法。但是这些模型是降价的模型，不能代表某个励磁系统的所有的控制环。某些情况下所用模型，作了大的简化，导致了模型结构和实际装置有很大的差别。励磁系统模型本身不可用系统频率的函数对调节器调制，这是一些老励磁系统的固有特性。这些模型对±5%额定频率偏差和振荡频率3赫芝下有效，这些模型通常不足以用来研究次同步振荡或轴系扭振相互的作用。一对长时间的动态性能研究中可能起作用的延时保护和控制功能，这里没表示。在附录I中为每个模型提供了一组样本数据（不需是典型的）和至少一种具体的应用，本报告中所有模型版本带后辍”A”，以便和先前模型区分。2参考文献本要用到下述出版物：同步电机美国标准旋转电机电气和电子学术语标准辞典（）同步电机试验方法同步电机励磁系统用标准定义（）等”静止励磁控制来改善瞬态稳定”页委员会报告“励磁系统计算机表示”页委员会报告。“电力系统稳定研究用励磁系统模型”,,页。等“无刷励磁系统分析研究”委员会报告。“励磁系统动态特性”页。等“加强电力系统稳定的先进励磁控制”巴黎，等“用现代电机扩大机调节器控制无功”页等大电力系统稳定出版社纽约l在直流交流电力系统中静止励磁的瞬态励磁上升”电气运行专家会议邀请文章里约日内卢月同步电机励磁系统在电力系统研究中的表示同步电机和电力系统端电压变送器和负荷补偿图中的通用功能方块图表示了各种同步电机励磁子系统。这些子系统包括了一个端电压变送器和负荷补偿器、励磁控制单元、励磁机和，在许多场合下的电力系统稳定器。附加的断续励磁控制也可能用到。本标准推荐了所有这些功能块模型。电力系统稳定器和附加断续励磁控制图1同步电机励磁控制系统一般的功能方块图励磁控制单元包括了励磁调节和稳定两种功能。术语”励磁系统稳定器”和”瞬态增益减小”用来说明几个模型中被图1的”励磁控制单元”方块包围的、影响这些系统稳定和响应的电路，磁场电流限制器在大的系统研究中通常不表示，但它们在用快作用限制器、母线馈电的静止励磁系统中的表示，是十分重要。因而它们被包括在这类模型中。本标准中的模型不包括欠励限制器(UEL)，但这种限制器的输出VUEL正常的确和各类励磁系统模型的连接。UEL的输出作为励磁系统的输入，可接在不同的地点，如相加点、逻辑或门输入。但用在任何模型上，这类输入只能有一个。在励磁系统模型中，端电压限制器和V/F限制器通常不表示。但有些模型的确提供了一可通过它进入调节环。端电压限制功能也可包括在一个带控制门，端电压限制器输出VTM,附加的断续励磁控制模型中。在实现所有这些模型时，应有处理参数零值的措施，某些零值意味着旁通模型所有方块。附录B说明了用于励磁系统模型的标么制。按励磁功率来源励磁系统可以分成三大类：.直流(DC)励磁系统：同带换向器的直流发电机作励磁功率源。.交流(AC)励磁系统：用交流发电机、静止或旋转整流器产生同步电机磁场所需直流电流。.静止(ST)励磁系统：励磁功率来自变压器或发电机的辅助绕组和整流器。下述关键的附属功能对大多数励磁系统都适用：.电压测量和负荷补偿,电力系统稳定器此外，本标准也提供某些用断续励磁控制的模型。AC(交流)和ST(静止)励磁系统只允许正向电流流至电机磁场，虽然有些系统允许加强制的负向电压直到磁场电流至零，一些专门的措施，可为同步电机感应出的负磁场电流提供通路，附录G描述的电机/励磁系统接口的专门研究中介绍了这类方法。4.同步电机端电压变送器和负荷补偿图2表示了端电压变送器和负荷补偿的方块图，这个模型单元对本文件中所有励磁系统都适用，一些系统中电压测量和负荷补偿，可能有独立和不同的时间常数，在这里不作这样的区分，只用一个时间常数于综合的电压测量和负荷补偿信号。图2端电压变送器和(选用)负荷补偿单元如不用负荷补偿(Rc=Xc=0)，方块图缩成单一电压测量。通常同步电机端电压测量先降压、再转为直流。当变送器滤波时会很复杂，用于模型时可减至只用单一时间常数Tr表示。对许多系统讲，Tr十分小，应有措施可将它设置为零。在每个励磁系统模型中都有端电压变送器输出Vc和代表所需端电压设置的参考值作比较，等值电压调节器参考信号Vref是从满足起始运行情况计算出的，因此，对研究的同步电机负荷情况是唯一的。在励磁系统模型中，合成误差经放大后提供给磁场电压和随后的端电压，满足稳态的闭环方程，如无负荷补偿，励磁系统在它调节范围，力图保持由参考值信号确定的端电压。当需要负荷补偿时，Rc和Xc要取适当值，大多数情况Rc可忽略不计。计算补偿时，同步电机电压和电流输入变量必须用相量方式，要注意补偿器参数和同步电机电流基值的标么制一致。补偿通常用下述二个方法之一。当机组连到母线时，机组间无阻抗，用补偿器产生人工耦合阻抗，使机组间无功合理分配，这对应着同步电机内调整点的选择，此时Rc,Xc应有正值。当单台机组通过大阻抗并网，或2台或多台机组通过各自的主变并网时，可要求调节机端外某一点的电压，例如希望补偿主变阻抗，并有效调节升压主变外的电压，Rc,Xc应取适当的负值，有些补偿电路对端电压的修正，不用电流有功和无功分量，而用有功和无功。虽然提供模型的等效电路只适合额定电压附近，更精确的表示，似乎并不值得，文献［11］中描述了这些和其它形式的补偿。5、DC-型直流励磁机现在很少生产DC一直流励磁机，已被AC一交流励磁机和ST一静止励磁系统代替，但仍有许多这类系统在运行，考虑到配备这类励磁机机组衰落的百分数和重要性，只要考虑以前(文献［6］)发展了的用负荷饱和曲线(附录C)计算励磁机负荷效应已足够了。文献［7］给出了调节器限制和磁场电压限制间的关系。5.1DC1A型励磁系统模型图3方块图模型代表用连续作用电压调节器(特别是直接作用变阻器，旋转扩大机和磁放大器)控制直流励磁机磁场。其例子有(1)爱里斯一查尔默(A-C)公司一Regulex调节器；通用电气(GE)公司一旋转扩大机调节器，GDA调节器；西屋(Wh)公司一Mag-A-stat调节器、Rototrol(旋转放大机)调节器、Silver-stat(银针)调节器、TRA调节器；勃郎一饱维尔(BBC)公司AB型、KC型调节器。图3DC1A型直流励磁机因这个模型在工业中已广泛应用，有的时候，当没有详细数据或要求简化模型时，也用它来代表其它类型的系统。这个模型主要输入是前面提到的端电压变送器和负荷补偿模型的输出Vc。在相加点Vc从给定点参考值VREF减去，再减去稳定用反馈信号VF和加上电力系统稳定器信号VS，得到电压误差。在稳态下VF和VS为零，剩下的只是端电压误差信号。这个合成信号经调节器放大。电压调节器的时间常数ta，增益ka，和典型的由饱和、或放大器电源限制形成的非旋紧限制画在一起。在附录E中，讨论了旋紧和非旋紧限制。这些电压调节器用电源是不受同步电机或辅助母线上瞬态效应的影响。时间常数tb、tc用于模型的固有电压调节器时间常数，但这些时间常数往往很小，常可忽略。应有措施用0输入代替。电压调节器输出VRR用来控制励磁机，如在［7］讨论过的，可以是它励和自励。当用自并励时，KE反映了并励磁场变阻器设定值，在有些情况下KE的最终值可能为负，为此应留有裕量。大多数这类励磁机用自并励，其磁场中的电压调节器运行在通常称为“升—降”方式。大多数电站运行人员周期调整变阻器的设定点，手动跟踪电压调节器使电压调节器的输出为0，这可用选K值来仿真，使如文献［7］所描述的满足起始条件EVR=0，在某些中，如ke未提供，可用自励程序自动地计算出。如ke已提供，不必用程序再计算，因为这隐含着固定的变阻器设定点，对这类系统，变阻器经常固定在产生接近额定情况自励的值，带固定磁场变阻器设置的系统广泛应用在遥控的机组上，Ke=1是用来代表它励。术语Se［Efd］是非线性函数，如在附录C中说明的，其值由任何选定的efd确定，此饱和块输出VX是在此励磁机电压下输入efd和非线性函数值se［efd］的乘积。从磁场电压来的经过带增益K和时间常数Tf的微分反馈VF是用于励磁系统稳定。5.2DC2A型励磁系统模型图4的模型代表用发电机或辅助母线供电的连续作用电压调节器控制直流励磁机磁场的系统，它和DC1A模型的差别仅在电压调节器输出限制，后者现在正比于端电压vT。它也表示将老式的机械的和旋转的放大设备用固态装置代替的情况，这类模型代表的调节器包括：（1）西屋公司PRX-400TM型；（2）通用电气公司5VR型图4DC2A型-带母线馈电的调节器的直流励磁机5.3DC3A型励磁系统模型前面讨论的系统是第一代高增益快作用的励磁电源。DC3A模型用来代表在连续作用调节器发展前，常用的老式带非连续作用调节器的直流励磁机励磁系统。这些系统的例子：（1）通用电气公司一GFA4型调节器；（2）西屋公司一BJ30型调节器。这些系统按电压误差大小基本上有二种调节速率,。对小误差用信号，周期性调节马达驱动的变阻器。大误差会引起电阻很快短路或插入一个强制信号，加到励磁机上，对大误差信号，马达驱动变阻器会连续移动，即使它会被接触器旁路。图5DC3A型-带非连续作用调节器的直流励磁机图5解释了这个控制作用，励磁机的表示和前述类似。注意没有表示励磁系统稳定器。按电压误差vref-vc的大小，不同的调节器方式起作用，如电压误差大于快升/降的给定KV（典型值5%），按电压误差的符号将VRmax或VRmin加到励磁机，对电压误差绝对值小于KV，励磁机输入等于变阻器设定值VRH，变阻器设定值的上升或下降取决于误差的符号，代表变阻器驱动马达连续运动的走行时间是Trh，围着此方块的非旋紧限制（附录E）表示，当变阻器到达任一限制时，当输入信号反向时，它将立即离开限制。进一步改善，比如对小误差的死区，曾考虑过，但对用这类电压调节器的相对少的老电机言，是没有必要的。这模型假定快升/降的限制是和变阻器限制是相同的。它没有计及因磁场电阻变化导致励磁机时间常数的变化（这磁场电阻变化来自变阻器的运动和快作用接触器的分合）。6、AC型交流励磁机一整流器励磁系统这类励磁系统用一台交流发电机和静止或旋转整流器产生发电机磁场所需直流电流，对这类励磁机言，负荷效应是很重要的，而发电机磁场电流作为模型的输入，可以精确地表示这些效应，这些系统不能供应负向磁场电流，只有AC4A模型允许有强制负向磁场电压，在附录G中讨论了感应负向磁场电流的模拟考虑。6.1AC1A型励磁系统模型图6的模型代表了AC1A型磁场可控交流励磁机一整流器励磁系统，此系统由交流主励磁机和不可控整流器组成，励磁机不是自励的，而电压调节器功率取自不受外部瞬变影响的电源，励磁机输出的二极管特性使励磁机输出电压有一个零的低限制，如图6所示。这个模型适用于仿真西屋公司无刷励磁系统的性能。对大电力系统稳定研究，交流励磁机（也是同步电机）可用图6所示简化模型代替，负荷电流IFD对交流励磁机输出电压VE的去磁效应，是在包括时间常数KD的反馈途径中计及，该常数是交流励磁机的同步和瞬态电抗的函数，见［8和9］励磁机输出电压因整流器调节引起的压降，是由包括常数KC（它是换相电抗的函数）和附录D中说明的整流器调节曲线Fex来仿真，在此模型中，正比于励磁机磁场电流的信号vfe是从相加信号导出，即从励磁机输出电压VE乘上附录C描述的饱和Ke+Se[Ve]加上IFD乘上去磁常数kd，励磁机磁场电流信号VFE是用作励磁系统稳定方块的输入，其输出为vf。图6AC1A型-带不可控整流器和励磁机磁场电流反馈的交流励磁机整流器励磁系统6.2AC2A型励磁系统模型图7是AC2A模型，代表高起始响应的磁场控制交流励磁机一整流器励磁系统。交流主励磁机带不可控整流器，AC2A型模型除包括励磁机时间常数补偿和励磁机磁场电流限制单元外，和AC1A型类似。这模型适用于仿真西屋公司高起始响应无刷励磁系统。励磁机时间常数补偿主要由包围励磁机磁场时间常数的直接负反馈vh组成，减小该时间常数的有效值，因此增加了励磁系统小信号响应的带宽，时间常数减小取决于补偿环的增益kh和KB的积，通常要比没有补偿的时间常数少一个数量级。为得到这个系统的高起始响应，非常高的强励电压vRmax加到励磁机磁场，一个能测定励磁机磁场电流的限制器允许有高的强励但受限制的电流。受励磁机磁场电流的限制，励磁机输出电压ee通常受限于规定的励磁系统额定响应确定的值。虽然这个限制实际由附录F描述的反馈环来实现，与此环有关的时间常数极端小，会引起计算上的问题。为此模型中表示的限制器是对换相电抗后励磁机电压的正向限制，这个电压是发电机磁场电流的函数。对小的限制器闭环时间常数，这具有同样效果，但也要防止高增益，低时间常数环有关的计算问题。6.3AC3A型励磁系统模型图8的AC3A模型代表磁场可控的交流励磁机一整流器系统，这类励磁系统包括交流主励磁机及不可控整流器，励磁机是自励的，而电压调节器的功率来自励磁机输出电压，因此该系统有附加的非线性，用输入为电压调节器命令信号VA和KR倍励磁机输出电压vpd的乘法器来仿真。对大电力系统稳定研究，同步的交流励磁机模型要简化。负荷电流IFD对交流励磁机输出电压VE的动特性去磁效应计及。反馈路径包括常数kd，后者是交流励磁机同步和瞬态电抗的函数。因整流器调节引起的励磁机输出电压降，用包括常数KC（是换相电抗的函数）和描述在附录D中的调节曲线Fex。本模型中，正比于励磁机磁场电流的信号vfe是从励磁机输出电压ve乘上ke+se（Ve）（如附录C中说明的SE（VE）代表饱和）加上ifd乘上去磁项kd得出的。励磁系统稳定器也有非线性特性，当励磁机输出电压小于efdn时增益为kf，当励磁机输出大于EFDN时，此增益值变为、。对VE的限制，如附录6中所说明的用来表示反馈限制器运行的效果。6.4AC4A型励磁系统模型图9表示的AC4A型交流励磁机一可控整流器系统和其它类型交流励磁系统有很大的差别，这类高起始响应励磁系统用全控晶闸管桥作励磁输出电路。图T—AC3理高起始响应的带不可控整流器、和励磁机磁场电流反馈的交流励磁机-整流器励磁系统图8AC3A型-带交流励磁机磁场电流限制器的交流励磁机-一整流器励磁系统图9AC4A型交流励磁机向可控整流器供电的励磁系统电压调节器控制晶闸管桥的触发，交流励磁机用独立的电压调节器来控制其输出电压为常数，这些效应不模拟，但对励磁机瞬态加负荷的效应包括在内。励磁机加负荷限于在附录D的方式1所描述的地区内，而负荷的效应可用励磁机负荷电流和换相电抗来修正励磁限制来计及。晶闸管励磁为励磁系统稳定常用串连的滞后一领前网络，而不用速率(ratefeedback)反馈，时间常数TB和TC允许仿真这种控制功能，和调节器和/或晶闸管触发有关的总等效增益和时间常数分别用XA和TA仿真。用此仿真模型的系统，包括通用电气公司ALTHYREX和旋转晶闸管励磁系统。6.5AC5A型励磁系统模型用10的AC5A模型是无刷励磁系统的简化模型。调节器是由一个不受系统干扰的电源，如永磁发电机供电。这个模型可用来代表小励磁系统，如由巴斯勒电机公司生产的那种。注意：和其它AC模型不同，本模型用负荷的而不是开路的励磁机饱和数据，其用法和它在DC模型中用的相同（见附录C）。因本模型在工业中已广泛地应用了，有时当缺乏详细数据或要求简化模型时，它还用来代表其它类型系统。图10AC5A型简化旋转整流器励磁系统6.6AC6A型励磁系统模型图11的AC6A型模型用来表示带系统供电的电子电压调节器的磁场控制交流励磁机一整流器励磁系统。图11AC6A型带不可控整流器和系统供电的电子式电压调节器的交流励磁机-整流器励磁系统调节器最大输出VR是端电压VT的函数，而模型包括了励磁机磁场电流限制器，它特别适用表示静止二极管系统，例如C.A.Parson公司生产的那种。7、ST型静止励磁系统在这类励磁系统，电压（在复励系统中还有电流）被转换到适当的电平。整流器可控或不可控，为发电机磁场提供所需的直流电流。虽然许多这类系统允许强励的负电压，但大多数不供负向磁场电流，对必须要有负向磁场电流的专门研究，如附录G中所讨论的，需要更详细的模型。许多静止励磁系统的励磁顶值电压很高，对这样的系统，必须附加磁场电流限制器电路，以保护励磁系统和发电机转子，这常包括瞬时和延时动作的单元，但这里只包括瞬时限制单元，并且只在STIA模型中有表示。7.1ST1A励磁系统模型图12表示的ST1A型电压源一可控整流励磁系统的计算机模型，力图代表励磁功率通过变压器来自发电机机端（或机端辅助母线），而调节是通过可控整流器，这类系统最大可用励磁电压直接和发电机机端电压有关（以下的附注除外），图12ST1A型电压源可控整流器励磁系统在这类系统中固有的励磁系统时间常数很小，不需要励磁系统稳定器。另一方面，为了其它原因，可能希望减小这类系统的瞬态增益。所示模型在代表瞬态增益减小是十分通用的，不管是通过时间常数TB和TC（在此情况下Kf正常应设为0）的前向路径，还是适当选择速率反馈（Ratefeedback）参数Kf和TF的反馈路径。电压调节器增益和任何固有的励磁系统时间常数分别用ka和ta代表。时间常数TC1和Tb1，如TC1正常大于Tb1允许代表瞬态增益增大的可能。整流桥触发角产生的方法影响其输入输出关系，通常假定是线性的，在模型中选择单一增益KA，许多系统应用真正的线性系统，在少数系统整流桥关系是非线性的，导致归一化的线性增益为正弦函数，其幅值可能和电源电压有关。因为通常此增益十分高，此特性线性化后为模型用，通常是满意的。不管特性是线性的还是正弦的，顶值表示是相同的。许多情况下，对V］的内部限制可忽略。应该模拟是端电压和同步电机磁场电流函数的磁场电压限制。磁场电压正限制表示成同步电机磁场电流线性函数是可能的，因为在这样的系统中整流桥的运行限制在附录D中广方式1的范围。负限制应有类似的电流依赖特性，但是该项（term）的符号可能为正或为负，取决于为限制选用了恒定触发角还是恒定熄弧角。因磁场电流在此条件下通常很低，这术语（term）不包括在模型中。这类系统非常高的强励能力，致使有时用磁场电流限制器来保护发电机和励磁系统，限制起始设置由ILR确定，增益用klr表示。为允许此限制不作起用，应有措施可将klr设置为0。对绝大多数这类励磁系统，用的是全控整流桥，本模型对半控桥系统也适用，这时负向磁场电压顶值应设置为0（Vrmin=0）。ST1A励磁系统的例子有：1）加拿大通用电气公司的Silocomatic励磁系统；2）西屋加拿大公司固态晶闸管励磁系统；3）西屋公司PS型带WTA，WHS，WTA-300型调节器的静止励磁系统；4）ASEA公司静止励磁系统；5）勃郎一鲍维尔BBC静止励磁系统；6）兰罗尔一派松公司静止励磁系统；7）GEC—Eliott公司静止励磁系统；8）东芝公司静止励磁系统；9）三菱公司静止励磁系统；10）通用电气公司电压源静止励磁系统；11）日立公司静止励磁系统；12）巴斯勒模型公司SSE励磁系统；13）ABB公司Unitrol励磁系统。7.2ST2A励磁系统模型有些励磁系统利用电压和电流源（发电机机端的电量）作为功率来源。这类复励整流器励磁系统用ST2A表示，图13是它的模型，必须要用端电压VT和端电流IT相量综合来构筑励磁功率源的模型，在附录D中说明整流器负荷和换相效应的计算，EFDmax代表了由于磁元件饱和对励磁电压的限制，调节器通过控制功率变压器饱和来控制励磁输出，te是和控制绕组电感有关的时间常数。这类系统的一个例子是通用电气公司静止励磁系统，通常称为SCT-PPT或SCPT系统。图13ST2A型复励整流器励磁系统7.3ST3A型励磁系统模型图14ST3A型带磁场电压控制环的电压源或复励可控整流器励磁系统有些静止励磁系统利用磁场电压控制环来线性化励磁控制特性，如图14所示，这也使输出在电源限制到达前不受供电电源变化的影响。这类系统用了多种可控整流器设计：全晶闸管桥或半控桥，串连或并连配置。电源可能是机端供电或用电机内绕组的电压源，有些设计中利用机端电压和电流的复合功率源。这类功率源用电机机端电压和电流的相量综合表示，并在模型中用适当的参数代入。为这类系统提供的励磁系统稳定器是一个串连在电压调节器的滞后一领前单元，用时间常数TB和TC表示。磁场电压调节器的内环，包括增益Km和Kg，时间常数TM，这个环比起本标准中描述模型的3HZ上限的带宽要宽。为了研究目的，时间常数Tm可以增加，能保留在3Hz时所要求的精度同时，消除了要极短计算增量的需要。整流器负荷和换相效应的计算在附录D中有讨论，VBmax限制由功率元件饱和水平确定。这类系统包括通用电气公司的复励源GENERREX和电压源GENEREX励磁系统。8、电力系统稳定器电力系统稳定器是通过励磁控制来加强对电力系统振荡的阻尼，常用的输入有轴速，机端频率、功率，当用频率作为输入时，正常应是机端频率，但在某些情况，可能利用仿真电机电抗后频率（在许多研究中，相当于轴速），下面提供的稳定器模型，一般讲在工作区频率响应的范围内是和励磁模型是一致的。它们不能用于正常超过3Hz的不稳定控制方式的研究。稳定器参数应和规定的稳定器输入信号类型一致，不同输入信号的稳定器参数，在提供类似的阻尼特性，看起来可能十分不同，对抽水蓄能机组，稳定器可运行在发电或抽水方式，但在2种运行方式，通常要求用不同的参数。8.1PSS1A型电力系统稳定器图15表示了广义形式的单输入的电力系统稳定器，一些常用的稳定器输入信号vsi是转速、频率和功率。T6用于表示了变送器时间常数，稳定器增益Ks，信号冲洗（Washout隔直）由时间常数T5设置。下一方块中A1和A2允许高频扭振滤波器（有些稳定器用）的一些低频效应被计入。如无此用途，如果需要，该方块可用来帮助形成稳定器增益和相角特性，随后的2个方块可允许2级领前一滞后补偿，用常数T1到T4设置。图15PSS1A型单输入电力系统稳定器稳定器输出可用不同的方法来限制，图15上没能都表示出，这个模型只表示了简单的稳定器输出限制Vstmax和Vstmin。有些系统，如发电机端电压偏移出规定的带外，稳定器的输出便被移走，如同表示在图19中的DEC3A附加断续的励磁控制模型。在另一些系统，稳定器输出受限于发电机端电压，如包括在图17的DEC1A模型的函数。稳定器的输出vst是附加继续控制模型的输入，当不用断续控制模型时Vs=Vst。8.2PSS2A型电力系统稳定器图16的稳定器模型是用来表示多种双输入稳定器，通常用功率和转速或频率来导出稳定信号。图16PSS2A型双输入电力系统稳定器特别是这个模型可用来代表二种不同类型的双输入稳定器的实现，说明如下:（1）稳定器在系统振荡频率范围内起着电功率输入稳定器。这些用转速或频率输入来产生等效机械功率信号，使总信号对机械功率变化不敏感。（2）用转速（或频率）和电功率综合信号的稳定器。这些系统通常直接用转速（即没有相位领前补偿）加上一个和电功率正比的信号来得到所需的稳定信号形状。当同样的模型用上述2种类型双输入稳定器，对等效的稳定作用，模型中用的参数会差别很大。对每个输入，2个冲刷可被表示（TW1到TW4）连同变送器或积分时间常数（T6,T7）对第一类双输入电力系统稳定器K3正常为1，而K2为T7/2H，H是同步电机惯性常数。VSI1正常代表转速或频率，而VSI2代表功率信号，指数N（至4的整数）和M（至2的整数）允许表示成“斜坡跟踪”和较简单的滤波器特性。相位补偿由2级领前一滞后，或滞后一领前方块［L至T4］提供，输出限制的选择和在PSS1A模型中的类似。许多类型研究中，适当参数的单输入PSS1A模型可用来代替双输入PSS2A模型。9、附加（补充）断续励磁控制在某些特殊的系统配置，带端电压连续励磁控制和电力系统稳定的调节器输入信号，不能保证充分挖掘励磁系统改善（电力）系统稳定的潜力。对这些情况断续励磁控制信号可用来加强大瞬态扰动后的稳定，见［5］，［10］和［13］。9.1DEC1A型断续励磁控制DEC1A型断续励磁控制模型如图17所示，它用于表示一个电路，使系统故障后，立即将发电机励磁提高到大于电压调节器和稳定器要求的水平。这类电路已被用在许多由母线供电的静止励磁（ST1A）大型同步发电机上，它加一个正比于转子角（功角）的信号到端电压和电力系统稳定信号上，这功角信号在瞬态时期只用2秒，因连续使用它会使稳态不稳。这样控制的目的是在功角摇摆到最大值前保持磁场电压，从而端电压高值，这个控制特别用在例如瞬态下，本地和地区间振荡都存在时，这时不然本地方式的回摆将在功角摆动到达真正幅值前，使励磁离开顶值，过大的端电压可用端电压限制器电路来防止。这个断续控制的效果，除增加发电机机端电压和气隙功率外，还用来提高系统电压水平和负荷功率，从而有利于机组的减速。如图17所示转速（或相当的）PSS信号在正常运行情况下提供了连续控制以保持静态稳定，用于断续控制的正比于同步电机功角变化的信号是从速度信号积分得到，它不是一个完美的积分器，亦即此信号以时间常数TAN复位。速度信号积分只在严重的系统故障后进行，如果满足下述条件，继电器触点S1将闭合：1）端电压降超过预置值2）调节器输出为顶值；3）转速上升高于预置值；继电器触点S1在下述条件之一断开：1）转速变化降到低于阀值；2）调节器输出离开顶值。之后积分器方块的输出以时间常数tan指数衰减。为满意地应用此断续励磁控制电路，用快作用端电压限制器是重要的。双元电压限制器用来提供快速响应，和高度安全，没有激起轴扭振的危险。图17DEC1A带双向端电压限制器的断续励磁控制器瞬态励磁上升限制器之一是快作用的，和用带限制发电机端电压阀值的离散或开关式控制。第2个限制器是连续控制和慢作用的，但限制到较低端电压。经起始延时后从第1限制器接管端电压控制，并限制端电压到可能由PSS或DEC控制引起的持续过励情况下的较低值。如机组因任何原因连续冲撞此限制，慢作用限制器用废弃离散限制器的作用，来阻止其固有动作引起的持续机端电压和随之而来的功率振荡，电力系统稳定器的输出vst，端电压限制器和功角信号的综合，并加上总的限制后的新信号VS，接到电压调节器的相加点。9.2DEC2A型断续励磁控制图18表示了DEC2A型断续励磁控制的模型，本系统由远方发生的触发器信号引发，通过开环控制提供瞬态励磁上升。触发器激起一幅值阶跃vk，后者可用小时间常数td1来调节。带时间常数tD2的高通滤波器方块产生一衰减脉冲，使发电机端电压，从而使系统电压短时上升，如端电压超过规定水平，限制器冻结滤波器方块的输出，当端电压降至低于此水平，输出将被释放，而滤波器方块输出降到低于它的值，在输出被冻结时限制器（用数字逻辑的无冲击挟紧）这个瞬态励磁上升在大古力第三电厂实现过，它是由太平洋3100MW高压直流联络线中断引发的控制见文献［13］，对这个扰动地区间模式摇摆中心离电厂约1300公里，而正常电压调节器磁场上升是最小的。□MIN图18DEC2A型断续励磁控制器开环瞬态励磁上升□MAX9.3DEC3A型断续励磁控制有些系统，稳定器输出在严重故障后立即从调节器断开，防止稳定器在第一摇摆期间和电压调节器竞争，在DEC3A模型中如果端电压降低于设定值V.Tmin（见图19）断开稳定器输出S1一定的时间Tdr。图19DEC3A断续励磁控制器稳定信号暂时中断10、文献[B1]ANSIC34.2-1968（已撤回）半导体功率整流器，美国国家标准实践和要求;[B2]IEEEstd421.2-1990励磁控制系统动态性能的鉴别、试验和评估指南。[B3]IEEE委员会报告“励磁系统动态特性”IEEETrans.PAS-92，197364-75页。[B4]Witzke.R.L等“交流电抗对6相整流器电压调节的影响”IEEEPAS-72,1953,244-253页。附录A符号表A1A2PSS信号调节频率滤波器常数efd励磁机输出电压Efdn反馈增益变化时的Efd值（AC3A型）E,E励磁机饱和确定下的励磁机电压（直流励磁机和AC5A型）FD1FD2ESC速度变化参考值（DEC1A）fex整流器负荷因数，in的函数HVGATE（高值门）带2输入，1输出的模型块，输出电压通常是2输入中电压高者。Im同步电机磁场电流FDI].励磁机输出电流限制参考值LRIN额定励磁机负荷电流IT同步电机机端电流K电压调节器增益AKan断续式控制器增益（DEC1A型）K二级调节器增益BKC正比于换向电抗的整流器负荷因数KD去磁因数，是交流励磁机电抗的函数弋有关自励磁场的励磁机常数KETL端电压限制器增益KF,KN励磁控制系统稳定器增益Kg磁场调节器内环反馈增益常数（ST3A型）、励磁机磁场电流反馈增益（AC2A型）励磁机磁场电流限制器增益（AC6A型）HKI电压电路增益系数K.励磁机输出电流限制器增益LRKm磁场调节器内环正向增益常数（ST3A）Kp电压电路增益系数K和调节器及交流励磁机磁场电源有关的常数（AC3A型）RKS电力系统稳定器增益（PSS1A型）KS1,KS2,KS3电力系统稳定器增益（PSS2A型）KV快速升/降接触给定（DC3A型）LVGATE（低值门）带2输入，1输出模型块，输出电压是2输入的低值者M积分滤波器常数（PSS2A型）N积分滤波器常数（PSS2A型）RC负荷补偿的电阻分量SE[EFD1或EFD2]对应励磁机电压efd的励磁机饱和函数SE[VE1或VE2]对应励磁机换向电抗后电压VE的励磁机饱和函数S励磁机饱和函数ETA,TB,TC,TB1,TC1,TK电压调节器时间常数TAN断续式控制器时间常数（DEC1A型）TD1断续式控制器时间常数（DEC2A型）TD2断续式控制器洗出时间常数（DEC2A型）复位时间延迟（DEC3A型）DRT励磁机时间常数，和励磁机控制有关的积分速率ET励磁控制系统稳定器时间常数FTF2,TF3励磁控制系统稳定器时间常数（AC5A型）Th,Tj励磁机磁场电流限制器时间常数Tk调节器领前时间常数（AC6A型）KTm磁场调节器内环正向时间常数（ST3A型）T调节器输入滤波器时间常数RTg变阻器滑行走时间（DC3A型）RHTW1，TW2，TW3，TW4，TW5PSS和DEC洗出时间常数t1?t3PSS领先补偿时间常数T2，T4PSS滞后补偿时间常数T5PSS洗出时间常数匚工pss变送器时间常数67t8pss滤波器时间常数调节器内电压AVAL调节器电压参考值（DEC1A型）VAN内部信号（DEC1A型）可用的励磁机电压BVC端电压变送器和负荷补偿单元输出VC1正比于要补偿端电压的信号VD断续控制器内电压（DEC2A型）励磁机换向电抗后电压EVE1，VE2饱和确定时交流励磁机换向电抗后输出电压VEER.DC3A型模型电压误差信号励磁系统稳定器输出FV叩正比于励磁机磁场电流的信号FEvfelim励磁机磁场电流限制器的参考信号VG内环电压反馈励磁机磁场电流反馈信号HVI电压调节器内部信号断续控制器输入参考值（DEC2A型）KVM对应於可控硅触发角命令的整流桥输出因数（ST3A）VN输入变量反馈率VO,VP限制器信号（DEC1A型）VOEL过励限制器输出（AC1A,AC2A,ST1A型）电压调节器输出RVH由变阻器设定的电压RHVREF电压调节器参考电压，（满足起始条件确定）VS在任何（如假定端电压和参考信号［标么制的单位相当于端电压］）限制或开闭后，综合电力系统稳定器和断续控制的输出VSI,VSI1,VSI2电力系统稳定器输入（轴速、功率或频率偏差）VST电力系统稳定器输出（等值於端电压的标么值）VT同步电机端电压Vtm，Vtn电压限制（DEC1A型）VTMIN低端电压比较电平（DEC3A型）vtc端电压电平参考值Vs欠励限制器输出UELVX正比于励磁机饱和的信号XC负荷补偿电抗分量XL和电压源有关的电抗Op电压电路的相角（度）附录B标么制在系统研究中同步电机电流和电压用标么制变量表示，这里用的标么制中，定义额定电压为同步电机端电压的一单位，同步电机额定电流为一单位，一单位发电机磁场电流对应着产生气隙线上同步电机额定电压的磁场电流，产生此磁场电流的电压便是单位磁场电压。励磁系统模型和同步电机模型在定子端及磁场两处接口，和电压调节器输入的标么制同步电机端电压相加的信号，必须在同一基础上。励磁机输出电流必须用同步电机磁场电流基值的标么制，励磁机输出电压必须用同步电机磁场电压基值的标么制。注意这些磁场电流和电压基值，可能和同步电机模型内部用的不同，在接口处要对这2个量作基值转换。在这个标么制中，磁场电压基值直接和磁场电阻基值有关，磁场绕组参考温度在ANSIC50,10-1977［1］中根据绝缘等级确定，在IEEEStd421.1-1986［4］中，为计算磁场电阻基值确定了2个温度（75C和100C），这里是和温升有关，而不是绝缘等级。为了模拟目的应规定电阻基值，和假定计算时的温度。允许用IEEEStd,115-1983［3］中的方程在任何要求的温度下、重算新的电阻基值。在过去，曾用几个不同的基值来归一化调节器输出电压，本质上性能相同的、类似的励磁系统，取决于基值的选择，可能有十分不同的参数。附录C励磁机的饱和和负何效应励磁机饱和函数Se[Efd]定义为因饱和引起单位励磁机输出电压下励磁机励磁电流增长的倍数，图C-1解释了SE[Efd]的具体值计算。在给定的励磁机输出电压下A,B,C分别定义为产生这个输出电压时，在常电阻负荷下饱和曲线、气隙线和空载饱和曲线上所需的励磁机励磁。常电阻负荷下饱和曲线是用来定义所有直流励磁机，和由简化AC5A模型代表的交流励磁机的SE.，代表带负荷的饱和SE[Efd]由下式给出se[efd]=(A-B)/B注意当励磁机磁场电阻和励磁机基值电阻差得很大时，必须用文献[7]中附录A的说明对Sfe调整。空载饱和曲线用来定义了(除AC5A型外)交流励磁机-整流器励磁系统的SE，在这里SE[VE]有se[ve]=(C-B)/B对交流励磁机-整流器励磁系统用空载饱和曲线，是因在模型中励磁机的调节效应己包括在去磁因数Kd，和换相电抗压降的计算中(附录D)。励磁机饱和特性的表示，不同的计算机程序用不同的数学表达式。通常饱和曲线用2个点足以确定。为了一致起见，建议确定2个电压来规定SE，之后用这些数据作为计算机的输入。这里不再定义饱和函数，宁肯将它看成专门的计算机程序一部分。因为饱和效应在较高的电压时更重要，用于se[efd1]的电压efdi是规定的，应接近励磁机的顶值电压，而用于SE[Efd2]的电压Efd2应是个较低值，通常取75%左右的Efdi，在提供饱和数据时，电压Ere和Epn,应和对应的饱和数据一起提供。B磁机输出电压饱和函数符亏直流励磁机电压交流励磁机-整流器，励磁电压/•mi引如立类似地对交流励磁机-整流器系统，用于SE[VE1]的电压VE1是规定的，应接近励磁机的顶值电压，而用于SE[VE2]的电压VE2应是个较低值，通常取75%左右的VE1，在提供饱和数据时，电压ve1和vE2应和对应的饱和数据一起提供。有些情况比如自励直流励磁机不可能精确知道顶值电压，因它和ke有关，这时se[efd]对应励磁机期望电压最大值附近的规定值。附录D整流器的调节所有向整流电路供电的交流电源其内阻抗主要是感性的，这个阻抗改变着换相过程，并且随着整流器负荷电流的增加，使整流器输出平均电压有很非线性减小。常用的三相全控整流桥电路有三段运行方式，表征这三种方式的方程由整流器负荷电流确定。图D-1表示了由图D-2的方程所确定的整流器调节特性。对小的KC值，只需用方式1模拟，如在图12中ST1A型模型中所作。&D-1整流器调整特性图D-2整流器调整方程式注意IN不应大於1,但如IN因某种原因大於1,模型应设置Fex=0。如IFD<0或IN<0这种情况应被挂起，即那时附录H的情况适用。D.1参考文献[D1]ANSIC34.2-1968（己撤回）美国国家标准_半导体功率整流器要求[D2]Witzke.R.L等“交流电抗对六相整流器电压调节率的影响”AIEEPAS-721953,244-253页。附录E限制的表示2种不同类型的限制器，旋紧的（windup）和非旋紧的（nonwindup）表示在模型中。现在对三类模型块实现这2类限制器说明如下：E1.单个积分器图E-1和E-2解释了用于单个积分器模块的2种限制功能。注意2类限制器方块图画法的不同。非旋紧限制器（图E-2）从y=A或y=B的限制条件开始，方块的输出y在方块输入改变符号开始变化它的大小，旋紧限制器（图E-1）不是这样的情况，其积分器输出g,在输出前，首先要积回限制器设定值，x才可离开限制值。dy/dt-u如芝日则x=y如y>A,贝i]x=A如B,则mB如B,贝i]dy/dt=u如,则tfy/dt设置为0如Y■A或pTi,T|>0,Tg>0如则x=A加V<&则x=B如A占¥占曰.贝I]K=y图E-6滞后-领前函数的非旋紧限制器附录F用消除快速反馈环来避免计算问题本报告中表示的模型，都是不含实际系统中所有反馈环的降阶模型。这类模型对振荡频率到3Hz内是有效的。本附录讨论快速反馈环的消除，对典型的电力系统稳定程序，直接仿真这些环，将导致计算问题。间接地当限制器来仿真这些环可以避免计算问题。F1.AC2A系统用最大磁场电流限制器环AC2A型系统推荐模型如图7所示，励磁机电压VE的高端限制器不是物理限制，实际系统包含一个限制励磁机磁场电流的快速反馈环，图F-1表示了这环。磁场电流限制器环输出VL通常是进入低值门（LVGATE）的2个参数中的高值者，因此它对励磁系统输出没影响，随着磁场电流V增加，环的输出减小，当磁场电流增加到接近Vlr，环输出变成进入低值门2个参数中低值者，产生了减小磁场电流的误差信号，图F-1（市不可控整流器和励磁机磁场电流反馈的）AC2A型高起始响应父流励磁机-整流器励磁系统的最大磁场电流限制器环。译者注：低值门和高值门可理解如下图LVGATEH7GATE磁场电流限制器环的有效时间常数接近1.0ms，而这个环的直接仿真要求的计算步长，比通常稳定研究中用的要小。图7推荐的模型为励磁机电压的高端限制器仿真此环F2.AC2A系统最大励磁机电压推导（1）（2）（3）代表励磁机在稳态位置时的电压方程，可从图7和图F-1得到如下:VFE=V尸*3（KlKb）VFE=g+Se）Ve+、确解方程L求Vfe，将Vfemax代VFEV=VU二VFEMAX1+KKLR解方程2,求VE，然后将Vfemax和VEMAX分别代替VFE和VE（4）V-KIV=FEMAXDFDEMAXKe+SEF3.AC3A系统最小磁场电压限制器环AC3A系统的推荐模型如图8所示，励磁机电压VE的低值限制器不是物理限制，实际系统包含一限制磁场电压的快速反馈环。图F-2表示了这环。图F-2AC3A型交流励磁机-整流器系统的最小磁场电压限制器环磁场限制器环输出通常是进入高值门的2个参数的低值者，因此它对励磁系统输出没影响，随着励磁电压下降，环的输出增加，如磁场电压降到接近vLV，环的输出变成进入高值门的两个参数的高值者，产生了误差信号，使磁场电压升高。磁场电压限制器环是自然振荡大于4.0Hz的快速环，在稳定研究中，直接仿真此环要求的时间步长小于正常稳定研究中的步长。图8推荐的模型仿真此环为励磁电压低值限制器。F4.AC3A系统最小励磁机电压推导代表励磁机在稳态位置的电压方程可以从图8和F-2得到如下。通过方程7求解方程5得土］.•二再用^FDMIN代替Ee其中因很大(70-1000),,可近似为(5l⑹⑺(9)(10)(IIi代方程11到方程7中，可得到励磁机电压的最小稳态限制1I.VI：MIX"1HXF5.AC3A系统最大磁场电流限制器环AC3A系统推荐的模型如图8所示，励磁机电压VE的上限限制器不是物理限制，实际系统包含一限制励磁机磁场电流的快速反馈环，此环如图F-3所示。图F-3带交流励磁机磁场电流限制器的AC3A型交流励磁机-整流器系统，的最大(I3i(I4i(J5)磁场电流限制器环磁场电流限制器环的输出正常时为零。随着磁场电流VFE增加，环的输出减小，当磁场电流乘kfa超过etx时，环的输出离开它的限制，减小励磁的误差信号产生，因而限制了磁场电流。磁场电流限制器环是自然振荡率大于4.0Hz的快速环，在稳定研究中直接仿真此环要求的时间步长比正常用于稳定研究的要小，图8的推荐模型中此环仿真为励磁机电压上限限制器。F6AC3A系统最大励磁机电压推导代表励磁机稳态位置的电压方程可从图8和图F3得到如下:%")II：=*=〔虬5必扑％+七十、咫励磁机稳定器输出VF在稳态时为零，但输出以相对长的时间常数Tf（近似为1.0秒）衰减到零。系统内其它的时间常数除了TE接近1.0夕卜，从0.01变到0.02秒。虽然Te很大，但由于大的增益KA和％，有效时间常数十分小。综合这些方程，设置VF=0，并用VFEMAX代替Vfe，(16)IIEMAX=I—1.—TX十IN+I】；RR：'「二;［土其中(I7i⑴当磁场电压靠近顶值时，参数的典型值给出在下面:KliEtx=0.93Vs=0.0至0.10Verr=0.0至L0G1=1000G1KFAXL1=56取了上述典型值后，方程16可以简化|ISi解方程14求VE，之后用Vemax代VE。附录G感应的同步电机负向磁场电流流通路径G1.概述交流励磁机和静止励磁输出的励磁电流不可能是负向的。在有些特殊情况下同步电机磁场中可能会感应负向电流，如果这些电流没有通路，会引起危险的过电压。有时阻尼绕组或实心钢转子的效应，可限制这些情况下磁场绕组和整流器的过电压，在另一种情况，为负向电流提供流通的电路、旁通了励磁机。这就是在图G1中表示的跨接器(Crowbar)或非线性电阻。在跨接器的情况，可控硅和电阻串联跨接在同步电机磁场绕组上，可控硅因励磁整流器封锁负向磁场电流引起过电压而触发。图G-1感应的负向磁场电流的旁通电路非线性电阻是接死在同步电机磁场绕组的两端，正常时这些电阻十分大，仅有很少电流流过，当加的电压增加到超过它的阀值时，流过它的电流增长十分快，限制了励磁输出整流器及磁场绕组上的电压。有些没有提供专门的负向电流通路的电机，其阻尼绕组和实心钢转子路径应足以限制整流器封锁时产生的过电压，低于磁场绕组和整流器的耐压水平。在某些专门应用中，希望能代表处理同步电机负向电流的各种方法。虽然，这些用於励磁系统的技术，亦适於处理同步电机方程。在以下各节中说明了这三种方式的每一种表示。G1.1跨接器当同步电机磁场电流变负，设置励磁场电压Efd到零，磁场电路电阻增加一个跨接器放电电阻。当磁场电流变正时恢复磁场电阻的正常值，并允许磁场电压再一次等於励磁系统输出电压。G1.2非线性电阻非性线电阻的处理类似于跨接器，除了电阻要考虑非线性外。其特性可用下述方程表示:V=KIa如有n个非线性电阻并连，其特性用励磁场电流Ifd表示如下V=K（Ifd/n）a非线性电阻引入的有效电阻可用垢来表示Rv=V/Ifd=（k/na）（I"1G1.3无专门设备处理负向电流当在同步电机外部无负向电流通路时，当负向电流被封锁时，可以增加同步电机模型的磁场漏抗到很大值来仿真，当磁场电流变正时，磁场漏抗恢复到正常值。感应的负电流路径完全有阻尼绕组和转子本体电路提供，因此保证同步电机模型包括这些效应是重要的。精确表示可能遇到的负向电流，要求更祥细的发电机模型，和前面提到感应电流路径的表示。G2文献目录[G1]deMello.F.P,等“励磁控制对甩负荷过电压的影响”IEEEPAS-94,1975第280-287页‘[G2]Kundur.P等“电力系统稳定程序中用同步电机模型的实现”IEEEPAS-102,1983第2047-2054页附录H励磁限制器H.1欠励限制器UEL欠励限制器是有些励磁系统供应的辅助控制，以限制电压调节器允许的同步电机的欠励无功，这个限制还有其它名字，如最小励磁限制器，欠励无功限制器。欠励限制器原来是作为稳态（慢）控制用，对第一摇摆的瞬态作用很小，现在已被用于快速控制环中。UEL通常用同步电机电压，电流输入来确定限制的开始点和提供必要的反馈，限制器输出信号vuel通常在各种励磁系统方块图上表示的高值门或相加点进入。许多文章（见H3）讨论了某些早期的UEL的方案。本文件不提供欠励限制器的模型和它们的样本（sample）数据。模型的复杂性和多样性，以及实现这个控制的方法，表明在本文件出版时，难以满意地解决。H.2过励限制OEL端电压和V/Hz限制器正常不模拟，虽然不提供这类限制器的模型（除了下面指出的）AC1A，AC2A和ST1A模型中表示的该限制器输出VOEL作为励磁模型的门输入。作为DEC1A控