1、第四章 勵磁自動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性第一節(jié) 概述自動勵磁控制系統(tǒng) 控制對象：發(fā)電機(jī) 控制器： 勵磁調(diào)節(jié)器 執(zhí)行環(huán)節(jié)：勵磁機(jī)反饋控制系統(tǒng) 上一章：勵磁自動控制系統(tǒng)的工作原理與靜態(tài)持性。 在本章：勵磁自動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性對于一個反饋控制系統(tǒng)，應(yīng)了解其動態(tài)性能。即在任何原因引起被控制量變動后，勵磁系統(tǒng)是否穩(wěn)定、調(diào)節(jié)過程中的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間及振蕩次數(shù)等是否滿足要求。其中穩(wěn)定性是首要問題。 勵磁自動控制系統(tǒng)是一個反饋控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成勵磁系統(tǒng)幾個動態(tài)指標(biāo) 2)上升時(shí)間 是響應(yīng)曲線自10%穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值上升到90%穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值時(shí)所需的時(shí)間 p3)超調(diào)量 發(fā)電機(jī)端電壓的最大瞬時(shí)值與穩(wěn)態(tài)值之差對穩(wěn)態(tài)值的百

2、分?jǐn)?shù) rt4)調(diào)整時(shí)間 是當(dāng)其輸出量與穩(wěn)態(tài)值之差達(dá)到了且不再超過某一允許誤差范圍時(shí)的( (通常取穩(wěn)態(tài)值的通常取穩(wěn)態(tài)值的5 5或或2 2) )時(shí)間.st1)延遲時(shí)間td 從勵磁系統(tǒng)輸入階躍信號到系統(tǒng)開始呈現(xiàn)響應(yīng)的時(shí)間。5)峰值時(shí)間tp ：響應(yīng)值超過穩(wěn)態(tài)值達(dá)到第一峰值所需的時(shí)間。 6)振蕩次數(shù)N：在ts內(nèi)的振蕩次數(shù)。第二節(jié) 勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 1 典型的勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 放大勵磁機(jī)同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定器電壓測量比較基準(zhǔn)輸入其它信號UG+-+-EEEEEEEEEEEEuiRdtdNuiRdtdGiEE=uEuEEREE勵磁機(jī)發(fā)電機(jī)2 直流勵磁機(jī)的傳遞函數(shù) 定義所以BEABEABBAEESEI

3、SIIIIS)1 (1EEEEEEESGuGuSGui1aEaaaalaEKuWhileCC1EEuKIBIAEBEABAIEEUEG1直流勵磁機(jī)的的飽和特性曲線 由飽和特性曲線得EEKsT1ESUEUEE+-他勵直流勵磁機(jī)的傳遞函數(shù)框圖 EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEESKsTGSRGRsTsusuuGSRGuRudtduTuSGuGuRdtduKN11E ， iEE 代入得勵磁回路方程KuEEEEEEEEESGuGuSGui)1 (EEEEEEGSRSGRKKNT/2 交流勵磁機(jī)的傳遞函數(shù)EsT1ES1UEUEE+- 11EEEEESsTsUsUdtdiLRiuEEEE

4、EEEE)1 (EEEEEEESGUiGUi可求得勵磁機(jī)的勵磁回路方程故得 交流勵磁機(jī)的傳遞函數(shù)假設(shè)其轉(zhuǎn)速為恒定，忽略其電樞回路的假設(shè)其轉(zhuǎn)速為恒定，忽略其電樞回路的暫態(tài)過程，則交流勵磁機(jī)等效電路和其暫態(tài)過程，則交流勵磁機(jī)等效電路和其飽和特性曲線如左飽和特性曲線如左3 勵磁調(diào)節(jié)器各單元的傳遞函數(shù) A 電壓測量比較單元的傳遞函數(shù) sTKsUsUsGRRGdeR1)()()(B 綜合放大單元的傳遞函數(shù) sTKsUsUsGAAdeSMA1)()()(C 勵磁功率放大單元的傳遞函數(shù) sTKsususGzzSMd1)()()(KR：電壓比例系數(shù)TR：電壓測量回路的時(shí)間常數(shù)， 在0.02-0.06s之間KA

5、：電壓放大系數(shù)；TA：放大器的時(shí)間常數(shù)KZ:整流電路的放大系數(shù)TZ:晶閘管最大可能滯后的時(shí)間4 同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù) （空載并忽略飽和現(xiàn)象）sTKsGdoGG1)(5 勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) sTKdoG1sTKAA1sTKEE1sTKRR1ESUGUREF-+-+KG 發(fā)電機(jī)的放大系數(shù)Td0 表示其時(shí)間常數(shù) RGARdoEEARGAREFGRRdoEEAGAREFGKKKsTsTsTKsTsTKKsUsUsTKsHsTsTKsTKKsGsHsGsGsUsU11111111忽略飽和限制，即忽略SE第三節(jié) 勵磁自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 1, 1,04. 0,69. 0,38. 8,0GEREdoAk

6、KsTsTsTsT sTKsTsTKsTKKsHsGRRdoEEAGA1112545. 112. 032. 404. 0138. 8169. 01sssKKKsssKKKRGARGAA 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 1 典型勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算 根軌跡的起點(diǎn)與終點(diǎn) 漸近線與實(shí)軸交點(diǎn)的坐標(biāo) 漸近線與實(shí)軸正方向的夾角 根軌跡分離點(diǎn)的坐標(biāo) 與虛軸的交點(diǎn)位置及放大倍數(shù) B 繪制根軌跡的參數(shù)25,45. 1,12. 0sss35,32 , 1 , 01286. 832111kmnkmnzpnjmiij032. 4424.3957.26032. 4424.3957.262323KsssdsdKsss775. 0s

7、032. 4424.3957.2623Kjjj28. 6jSC 勵磁系統(tǒng)的根軌跡圖 空載運(yùn)行不穩(wěn)定其根源在于發(fā)電機(jī)的時(shí)間常數(shù)太大 2 勵磁控制系統(tǒng)空載穩(wěn)定性的改善 sTKdoG1sTKAA1sTKEE1sTKRR1ESUGUREF-+-sTsKFF1-+勵磁系統(tǒng)框圖簡化 具有轉(zhuǎn)子電壓速率反饋的勵磁系統(tǒng)框圖的簡化( )c 011AGAEEdsssKKTKTTES0111FdRRGFssssKTKTKTR E FUGUR E FUES1AAsKT1EEsKT01GdsKT1RRsKT1FFsKT01dGsTKRUGUdeEES1AAsKT1EEsKT01GdsKT1RRsKT1FFsKTR E F

8、UGURUdeE()a( )bs閉環(huán)系統(tǒng)特征方程 開環(huán)傳遞函數(shù) 3 勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定器電路第四節(jié) 勵磁自動控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響 一 同步發(fā)電機(jī)的動態(tài)方程組以一臺同步發(fā)電機(jī)經(jīng)外接阻抗 接于無限大母線為典型例子說明勵磁控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。eejXR 下圖是進(jìn)行小擾動分析同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)框圖，它與下面的一組派克方程相對應(yīng)。 同步發(fā)電機(jī)的假設(shè)條件有5個，見P112-113sTKKKEsTKKEddedq03430331121qeEKKM65qGEKKUsTMMjems0MmMe2Me1sTj1s0K1K2K6K5K4SEsTKKd0331勵磁系統(tǒng)SESEUREFEqEdeUG 上圖

9、中K1K6是與發(fā)電機(jī)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)有關(guān)的參數(shù)，為一定條件下兩個偏差之比，即00001cossin0eqQqeddqEEeXXUEUIXXXXMKqq020qedeqqeIXXXXEMKededXXXXK30034sin1UXXXXEKKedddEqde0000005sincos0eddGqGeqqGdGEEGXXXUUUXXXUUUKqqedeGqGqGXXXUUEUK00600dtdd0dtdq0mM上述模型是在忽略同步發(fā)電機(jī)定子電阻、定子電流的直流分量（即認(rèn)為 和 ）以及阻尼繞組的作用并認(rèn)為小擾動過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化很小. 情況下得到的。這時(shí)發(fā)電機(jī)電壓相量圖如圖所示。 同步發(fā)電

10、機(jī)矢量圖EUqGqEqEQExxIqdd參考軸UxIeGGUxIqqxIqGjqdUdGIdIqxIddIxxddd)(二、勵磁控制對電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的影響二、勵磁控制對電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的影響（一）同步發(fā)電機(jī)的固有特性 固有特性是指不計(jì)勵磁調(diào)節(jié)時(shí)發(fā)電機(jī)所具有的動態(tài)特性。1 不考慮轉(zhuǎn)子相位角變化所引起的去磁效應(yīng)。即 =0則同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)框圖變?yōu)閝E其特征方程為： 0012wKsTj特征方程的根：jTwKjs01 當(dāng)K10時(shí),發(fā)電機(jī)處于穩(wěn)定的邊界，它的動態(tài)特性是振蕩的。其振蕩頻率稱為同步發(fā)電機(jī)的固有頻率，可從方程直接求得。假設(shè)在框圖中增加虛線所示部分，則特征方程中將增加一項(xiàng)Ds，D稱為阻尼系

11、數(shù)，引入阻尼系數(shù)后，0012wKDssTj其特征根為： 特征方程變?yōu)椋簀jTTwKDDs24012結(jié)論： 1）K10,即同步功率系數(shù)必須大于零，否則同步發(fā)電機(jī)將以滑動方式失去穩(wěn)定； 2）D0,即阻尼系數(shù)必須大于零，否則同步發(fā)電機(jī)將以振蕩方式失去穩(wěn)定。 qE2考慮轉(zhuǎn)子相位角變化所引起的去磁效應(yīng)。0 則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)： 0432030120)1)()1 ()()(wKKKsTKwKsTsTKsMsdjds其特征方程： 0)(14321030012033KKKKTKTwsTwKsTKsdjjd根據(jù)勞斯準(zhǔn)則，同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的條件為： 04321KKKK0432KKKdeEsTKKKEdq034

12、31當(dāng)外加的勵磁電壓不變時(shí)，即=0時(shí) 0343211deTKKKKKMDsdddddddeMjMwTKKKKwjwTKKKKKTKjwKKKKM2202342322202343210343211)1()1(dsMDM由轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量決定的振蕩頻率 同步轉(zhuǎn)矩增量 阻尼轉(zhuǎn)矩增量 d090當(dāng) 以 角頻率振蕩時(shí)，反饋至發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩可以分解為兩個分量，其中與 成 的分量為阻尼作用，與 同相位的分量為同步轉(zhuǎn)矩。所以穩(wěn)定運(yùn)行的條件為： 04321KKKK0432KKK計(jì)及同步發(fā)電機(jī)所具有的阻尼作用后條件變?yōu)椋?0432KKKD（二）計(jì)及勵磁調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)特性反饋回路的傳遞函數(shù)為： 53543221)()

13、()(KGGGKKGKssMeee)1/(0333sTKKGd系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： )()1)()1 ()()(5403263012530eejeeGKKwGKKGGwKsTKGGwsMs其特征方程為：0)1(05242301061001235330eedjdjGwKKKKKwKGwKKswTKsGKKTsTTsTKGeee1其中 因在快速勵磁控制系統(tǒng)中，Ke值較大，Te值很小，可以認(rèn)為Ge=Ke則特征方程寫成： 0322130asasasa根據(jù)勞斯準(zhǔn)則，穩(wěn)定運(yùn)行的條件： 0, 0, 0,3210aaaa03021aaaa計(jì)及勵磁調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)為： 01K054KKKe0)()(5261

14、4231KKKKKKKKKe （三）改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施-電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）1：低頻振蕩產(chǎn)生的原因1）勵磁調(diào)節(jié)器按電壓偏差比例調(diào)節(jié)2）勵磁控制系統(tǒng)具有慣性采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器去產(chǎn)生正阻尼轉(zhuǎn)矩以抵消勵磁控制系統(tǒng)引起的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩，是一個比較有效的辦法2：PSS框圖3：電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的傳遞函數(shù)PSS的通用傳遞函數(shù)PSS引入后的傳遞函數(shù)設(shè)轉(zhuǎn)速信號經(jīng)傳遞函數(shù) 后被引入到勵磁調(diào)節(jié)器的參考點(diǎn)。)(sGS可得出穩(wěn)定器提供的附加轉(zhuǎn)矩為: )()()(1)()()()(3632ssGsGKsGsGsGKsMeessd將G3(S)，Ge(S)代入得: )(1)()()(63202sKKKsKTTsTTKKs

15、GsMesedoedessd因?yàn)?可將 略去,則361KKKe31K)()()()(006030322sTTTTKKsTTKTKTsKKsGsMededededeessd)()()()()2()(020222sTTKKsdsGsTTssKKsGedesedxxxes電力系統(tǒng)穩(wěn)定器信號單元總的傳遞函數(shù)為: nreressTsaTsTsKsG)11(1)(由此可見，如果穩(wěn)定器的傳遞函數(shù)準(zhǔn)確地與d(s)相消，則可使穩(wěn)定器提供的附加轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比，即超前 相位 ,也就是提供正阻尼轉(zhuǎn)矩 .實(shí)際上兩者準(zhǔn)確相消是難以做到的，只要使兩者具有相似的相頻特性，即在支配機(jī)組振蕩頻率時(shí)，兩者有相近的幅角，穩(wěn)定器就能