Coordinated design of under-excitation limiters and power systemstabilizers

The inherent dynamical relationship between the under-excitation limiter (UEL) and the power system stabilizer (PSS) control loops in synchronous generators is studied using the frequency response technique. While the stabilizers are effective in introducing electromechanical damping torque components into the generators, it is shown that the limiters should be designed to effect a much slower response characteristics as their main function is to prevent excessive stator end-core heating. The analysis also shows that a reduction in the values of the slope of the boundary curves, which prescribe the operating region of the limiters, is accompanied by a decrease in the damping level of the closed-loop excitation control systems. A method which decouples the design procedure of the UEL from that of the PSS is then proposed     

基于频率响应法的发电机低励限制与PSS协调控制

低励限制器(UEL)作为励磁系统的限制环节对系统稳定性有重要影响,但由于UEL参数设置不合理,UEL动作后恶化了电力系统稳定器(PSS)提供正向阻尼的作用,导致机组出现振荡甚至解列的严重故障在电网实际运行中多次发生。文中基于扩展Heffron-Phillips模型,从理论上推导出励磁系统加入PSS和UEL的简化模型,采用频率响应法,画出励磁系统分别加入PSS与UEL的开环传递函数的波特图,分析UEL与PSS的作用频段,并给出具体的UEL参数设置方案,方案可以使UEL与PSS协调配合。以云南电网数据为例,在PSASP和MATLAB仿真软件下建立单机—无穷大模型验证理论分析的正确性。仿真结果表明:采用频率响应法对UEL进行参数整定后,UEL动作不影响PSS的输出效果,二者可以协调配合以确保系统的稳态运行。     

低励限制动态特性优化实用技术机理分析

在国内外主流励磁调节器低励限制(UEL)涉网性能测试及建模仿真的基础上,基于阻尼转矩方法推导了竞比型和叠加型UEL控制方式下的阻尼转矩公式。通过详细分析UEL中有功测量环节后的惯性滤波环节对于改善竞比型和叠加型UEL动态稳定性的作用机理,指出了竞比型方式下UEL动作后的系统阻尼转矩基本为正值;而叠加型方式下UEL动作后的系统阻尼转矩与UEL参数有关,增大比例增益可以增强阻尼,增大积分增益则降低阻尼。最后,以数字物理混合仿真测试及特征值分析验证了增加惯性滤波环节可以大幅增强UEL默认参数对接入系统适应性的结论。     

发电机励磁调节器低励限制协调控制分析

从原理上分析了低励限制器(under excitation limiter, UEL)参数整定不当导致系统阻尼弱化的原因,指出了 UEL提供的电磁转矩在Δω方向的分量滞后Δω180°,以及 UEL的作用频段与 PSS 配合不当是产生机组阻尼弱化现象的主要原因,并在 PSS/E 和 Matlab 仿真软件中建立了单机-无穷大系统的励磁控制系统自定义模型,通过仿真验证了理论分析结论.仿真结果进一步表明 UEL 提供负阻尼转矩时,低励稳定曲线斜率越低,UEL 的作用频段越低,系统时域动态响应特性越好.     

对广东电网开展发电机进相运行若干问题的剖析

当前,在广东电网开展发电机进相运行工作中一此人对进相运行的机理不太清楚,认识上存在误区。针对这种情况,对发电机稳定运行区域进行了探讨,并对进相运行与失磁失步、进相运行与定子铁心端部过热、进相运行与自动励磁调节器等关系作了分析。     

基于欠励磁状态运行的虚拟同步发电机低电压穿越控制策略

虚拟同步发电机(VSG)技术可模拟同步发电机(SG)运行特征,有助于并网系统和传统电源在电网中的协调运行。但其电压源特性增加了低电压穿越(LVRT)的运行难度,难以限制电流并提供适当无功支撑。为此,将传统SG并网无功调节原理应用于LVRT控制中,提出一种基于欠励磁状态运行的VSG的LVRT控制新方法。不改变原有VSG控制结构,对下垂特性、无功环和有功环分别进行改进设计,抑制电网故障对VSG的暂态冲击,加速励磁状态的转变过程。并在保持原有VSG特性的基础上改进附加电流环,应用新的定向方法,辅助系统欠励磁状态运行,实现故障穿越。所提方法无需切换控制算法,也无需加入状态平滑切换策略,且能同时应对LVRT和电网不对称跌落问题,简化控制策略,拓展VSG运行优势的适用范围。最后,通过仿真验证了所提方法的正确性和有效性。     

大型水轮发电机失磁保护与低励限制配合问题的探讨

有关整定导则要求"失磁阻抗判据应校核不抢先于励磁低励限制动作",但工程上失磁保护与励磁低励限制的整定是分开进行的,并且在不同的坐标系中描述,容易造成二者动作失去配合。针对大型水轮发电机常用的失磁保护定子侧静稳阻抗判据,结合具体保护装置实现方法,论述了其与低励限制动作区如何进行比较的计算方法,探讨了失磁保护与低励限制的动作配合关系。并在最后讨论了改善低励限制与失磁保护定子侧阻抗判据配合的方案。     

发电机叠加型低励限制对电力系统动态稳定影响机制

当前发电机励磁调节器广泛配置有叠加型低励限制功能,该功能对电力系统动态稳定性有着重要影响,但其影响机制并未获得充分认识。文中基于扩展Heffron-Phillips模型,分析了模型新增回路系数随低励限制参数和机组工况的变化规律;采用电磁转矩分析法,将机组的阻尼转矩分解为低励限制提供的阻尼转矩、电力系统稳定器(PSS)提供的阻尼转矩、系统固有阻尼转矩和D系数阻尼转矩;推导分析了低励限制参数和工况变化对各部分阻尼转矩的影响机制。研究结果表明,通常较大的低励限制边界线斜率会导致低励限制提供的阻尼转矩分量变为负值,并且恶化PSS提供正向阻尼转矩的作用。通过典型系统的算例仿真进一步验证了所得结论的正确性。     

发电机低励限制功能的设置原则

电网实际运行中多次发生因发电机低励限制功能设置不当导致机组运行异常甚至掉机的严重后果.分析了低励限制的应用目标,比较了不同类型低励限制器的功能特点.将低励限制的性能要求划分为静态和动态两方面,提出了相应的设置原则:静态,性能遵循在有功出力全范围合理定义,满足定子端部热稳定,满足系统静稳定、根据机端电压变化调整、与失磁保...     

同步发电机低励限制器实现与应用探讨

从励磁软件实现的角度,说明同步发电机低励限制器实现原理;给出导纳圆的限制器边界、静稳边界、失磁边界图解分析;提出了稳定仿真用低励限制器数学模型测试方法;建议在低励限制器现场使用时,应当关注与自动控制设备的动态配合。     

励磁系统动态增益对凸极发电机暂态稳定的影响

由于励磁系统动态增益对凸极发电机动态稳定性有显著影响,为改善电力系统阻尼,多需要调整该动态增益,进而配置电力系统稳定器。但在动态增益对发电机暂态稳定的影响方面,存在某些模糊认识,妨碍了相关工作的开展。文中首先分析了发电机暂态稳定与同步转矩的关系,将研究励磁控制系统动态增益对暂态稳定的影响转化为研究对同步转矩的影响,以便于数学推导。然后,对励磁控制系统动态增益影响凸极发电机同步转矩的机理进行了推导和算例计算,继之以单机系统、两机系统和实际系统仿真。计算和仿真结果表明,励磁系统动态增益在正常范围内变化时,对凸极发电机暂态稳定的影响很小,可以忽略。当为了改善电力系统阻尼而在正常范围内调整励磁控制系统动态增益时,不会对凸极发电机暂态稳定带来明显影响。     

基于功率平面隐极发电机低励限制与失磁保护配合研究

同步发电机组的低励限制需先于失磁保护动作,而低励限制和失磁保护的判据完全不同,因此二者的整定与配合一直是网源协调的一个难点.从隐极同步发电机静稳边界的功率方程出发,推导出静稳边界在功率平面上消除了机端电压的抛物线型表达式.将失磁保护与低励限制的判据统一为功率平面的抛物线型静稳边界,提出了一种低励限制与失磁保护配合的新方...     

系统阻抗对竞比型低励限制控制励磁系统的稳定性影响研究

推导了单机-无穷大系统在竞比型低励限制(UEL)动作后的扩展菲利普斯模型,并基于阻尼转矩法分析了发电机励磁系统阻尼转矩系数及同步转矩系数随系统阻抗的变化特性;采用小干扰稳定性分析法,从特征根分布、阻尼比大小以及参与因子等方面研究了竞比型UEL动作后系统阻抗对系统稳定性的影响。研究结果表明:当竞比型UEL代替励磁主环控制励磁系统时,系统阻抗的增加能够提高系统阻尼,增强系统稳定性,但同时会对无功功率的稳定性产生不利的影响,增加无功功率的波动次数;基于某实际励磁调节器厂家UEL模型详细分析了其与励磁主环发生反复切换的机理,验证了无功功率波动的死区范围配合不当时会引发系统振荡的结论。     

多光伏发电参与电网频率调节的动态协调机理

大规模光伏发电并网挤占了具有转动惯量的同步发电机组容量空间,致使电力系统面临惯量减小与调频能力不足的问题,迫切需要光伏发电主动参与电网频率调节。文中以多光伏发电单元并联系统为研究对象,通过改进各逆变器的控制策略,实现其虚拟惯量控制。基于光伏发电不平衡有功功率激励—相位输出响应关系,分析控制增益系数、时间常数以及锁相环控制带宽对其惯量特性的影响。同时,以两机并联系统为例,分析电网频率动态过程中各光伏发电单元的协调运行机制,揭示电网频率动态过程中不平衡功率的分配机理,并推广至多机并联系统。最后,基于时域仿真算例验证了理论分析的有效性、控制策略的可行性。     

基于模糊协调控制策略的同步发电机励磁系统研究

安全稳定是电力系统运行的基本条件,提高励磁系统的控制性能,对同步发电机和电力系统的安全稳定运行都有着重要意义。利用PID良好的电压调节特性,并结合线性最优励磁控制器（LOEC）良好的动态和阻尼特性,建立了PID+LOEC模糊协调励磁控制器。根据系统状态的变化,模糊控制器可以通过加权系数协调控制PID和LOEC的输出,从而提高对系统状态变化的自适应能力。通过在Simulink中建立系统仿真模型,把基于模糊控制器的PID+LOEC协调控制分别和PID、LOEC做了比较,结果显示,基于模糊控制的协调控制策略,具     

MICROPROCESSOR BASED NONLINEAR EXCITATION CONTROLLER FOR SYNCHRONOUS MACHINES

ABSTRACT

The synchronous machines in power systems have the excitation systems of field winding to improve the transient stability of power systems. The synchronous machines are nonlinear systems, however, the excitation systems have been designed based on linearized systems, because the stability analysis of nonlinear systems is difficult and the generalized control method of nonlinear systems has not been developed yet.

This paper proposes a nonlinear excitation controller for synchronous machines in power systems. For the sake of simplification of the nonlinear state feedback control, this paper considers both the transient stability and the suppression of the rotor swings in transient conditions. The effect of the automatic voltage regulator (AVR) for the synchronous generator is not discussed here. This controller is designed based on Lyapunov's direct method that can directly judge the stability of nonlinear systems. The usefulness and validity of the proposed excitation controller are confirmed by numerical simulations and experiments. The microprocessor based generator excitation system that consists of a nonlinear controller, state variable detector, and PWM inverter, is constructed. The nonlinear excitation controller can improve the transient stability of synchronous machines.     

Under excitation limiter and its role in preventing excessivesynchronous generator stator end-core heating

The process of synchronous generator stator end-region (SER) heating in the under-excited condition is investigated using a thermal model based on flux densities consideration. The parameter of the model are identified using the least-square method and from which the SER steady-state and transient thermal responses are determined. A new SER heating limit is derived and used for the design of the under-excitation limiter. The proposed method makes more effective use of the generator capability to absorb reactive power without causing instability, SER overheating, and serious system overvoltage problems     

同步发电机励磁与STATCOM非线性协调控制

提出同步发电机励磁与静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)非线性协调控制方案。在研究同步发电机励磁与静止同步补偿器协调控制问题的基础上,以系统重要物理量建立多目标控制方程,并运用目标全息反馈法进行非线性协调控制设计。所提出的非线性控制方案充分考虑了同步发电机端电压、有功功率和角速度以及STATCOM接入点电压,并确保它们在非线性反馈中得到惩罚与控制,从而具有良好的动、静态性能。最后,建立系统仿真模型,进一步验证所提出方法的有效性。     

多机系统线性多变量最优励磁与线性最优PSS的设计与比较

线性多变量最优控制和AVR PSS是2种常用的励磁策略。在传统观念和以往文献中认为,前者的控制效果优于后者。指出以往的研究和认识忽略了两者的可比性,导致对比结果不够公正、严谨。基于相同的优化理论、性能指标,并使用相同的加权矩阵和迭代算法,在多机系统下分别设计了反馈4个量的多变量最优励磁控制器和附加反馈1个量的线性最优PSS。对2种励磁策略在小干扰稳定、非线性动态行为和暂态稳定极限方面进行对比分析,发现线性最优PSS尚能略显优势。阐述了励磁控制对比研究时应该注意的一些问题。     

同步发电机失磁保护的改进方案

在电力系统继电保护中,同步发电机失磁保护是最为重要的保护之一.励磁故障涉及发电机的大干扰稳定性,也是一个较为复杂并难以解决的问题.目前所用的励磁保护的动作效果并不理想,尚需进一步改进.分析了目前所用的3种励磁保护判据存在的不足,指出这些保护判据或基于小干扰稳定性原理而未考虑发电机动态功角特性的严重变形,或未考虑发电机完全失磁后的测量阻抗与正常励磁下扰动后的测量阻抗具有较大的公共区间,从而可能使保护误动或拒动.基于对同步发电机失磁后动态行为的仿真分析,提出了同步发电机失磁保护的改进方案,通过直接测量功率角判断同步发电机的失磁故障,提出了其整定条件和计算方法.仿真计算证明该方案能可靠、快速地反映各种励磁故障,动作稳定且整定灵活、方便.