Std42151992IEEE推荐的电力系统稳定研究用励磁系统数学模型.docx
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Std42151992IEEE推荐的电力系统稳定研究用励磁系统数学模型
NARI
IEEE推荐的电力系统稳定研究用
励磁系统数学模型
IEEEStd421.5-1992
IEEE电力工程学会
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
1.范围……………………………………………………………………..3
2.参考文献………………………………………………………………..3
3.同步电机励磁系统在型励磁系统模型研究中的表示法……………..4
4.同步电机端电压变送器和负荷补偿器模型…………………………..5
5.DC型直流励磁机………………………………………………………6
5.1DC1A型励磁系统模型…………………………………………....6
5.2DC2A型励磁系统模型……………………………………………7
5.3DC3A型励磁系统模型……………………………………………8
6.AC型交流励磁机-整流器励磁系统模型………………………………9
6.1AC1A型励磁系统模型……………………………………………9
6.2AC2A型励磁系统模型……………………………………………10
6.3AC3A型励磁系统模型……………………………………………11
6.4AC4A型励磁系统模型……………………………………………11
6.5AC5A型励磁系统模型……………………………………………13
6.6AC6A型励磁系统模型……………………………………………14
7.ST型励磁系统模型…………………………………………………….15
7.1ST1A型励磁系统模型…………………………………………....15
7.2ST2A型励磁系统模型……………………………………………16
7.3ST3A型励磁系统模型…………………………………………....17
8.电力系统稳定器………………………………………………………...18
8.1PSS1A型电力系统稳定器……………………………………..…18
8.2PSS2A型电力系统稳定器………………………………………..19
9.断续作用励磁系统………………………………………………………20
9.1DEC1A型断续作用励磁系统…………………………………….20
9.2DEC2A型断续作用励磁系统…………………………………….22
9.3DEC3A型断续作用励磁系统……………………………………22
10.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---→..46
IEEE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。
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
本标准要用到下述出版物：
[1]ANSIC50.10-1990同步电机美国标准（旋转电机）
[2]IEEEStd100-1988IEEE电气和电子学术语标准辞典（ANSI）
[3]IEEEStd115-1983IEEE同步电机试验方法（ANSI）
[4]IEEEStd421.1-1986IEEE同步电机励磁系统用标准定义（ANSI）
[5]BayneJ.P等”静止励磁控制来改善瞬态稳定”IEEEPAS-94,1975,
1141-1146页
[6]IEEE委员会报告“励磁系统计算机表示”IEEEPAS-87,1968,1460-1464页
[7]IEEE委员会报告。
“电力系统稳定研究用励磁系统模型”IEEEPAS-100，1981，494-509页。
[8]Ferguson,R.W等“无刷励磁系统分析研究”AIEETransactiononPAS
（part3）1960,1815-1821
[9]IEEE委员会报告。
“励磁系统动态特性”IEEEPAS-92，1973，64-75页。
[10]Lee,D.C.等“加强电力系统稳定的先进励磁控制”CIGREPaper:
38-01
巴黎，1986
[11]Rubenstein,A.S.等“用现代电机扩大机调节器控制无功”AIEETransactiononPAS（part3）1957,961-970页
[12]Byerly.R.T等大电力系统稳定IEEE出版社,纽约,1974
[13]Taylor,C.W.“在直流/交流电力系统中静止励磁的瞬态励磁上升”
电气运行计划专家会议邀请文章-08,里约日内卢1987,8月
3同步电机励磁系统在电力系统研究中的表示
图1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。
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控制门，端电压限制器输出VTM,可通过它进入调节环。
端电压限制功能也可包括在一个带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：
1）.直流（DC）励磁系统：
同带换向器的直流发电机作励磁功率源。
2）.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。
3）.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：
1）.电压测量和负荷补偿
2）.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。
（1）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。
（2）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—直流励磁机，已被AC—交流励磁机和ST—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—查尔默（A-C）公司—Regulex调节器；
（2）通用电气（GE）公司—旋转扩大机调节器，GDA调节器；
（3）西屋（Wh）公司—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；
（4）勃郎—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VR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KE值来仿真，使如文献[7]所描述的满足起始条件VR=0，在某些方案中，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—GFA4型调节器；
（2）西屋公司—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—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—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—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—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KN。
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—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—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—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VI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
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