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吉林化工学院信息与控制工程学院

毕业论文外文翻译

配备静态励磁系统的小型同步发电机的PSS设计PSS design for a small synchronous generator

with static excitation system

学生学号：08510304

学生姓名：王世立

专业班级：自动0803

指导教师：金红娇

职称：助教

起止日期：2012.2.27～2012.3.16

吉林化工学院

Jilin Institute of Chemical Technology

摘要：本文介绍了一种针对只含有阻尼转矩分量的电力系统稳定器（PSS）参数的推导方法。该方法可以应用到配有静态励磁系统的线性单机系统模型中，通过模拟使用非线、单机无穷大电力系统模型，人们已经认可了配有电力系统稳定器的设备的优良动态性，而且提出的简易方法对小型发电设备的电力系统稳定器的设计上起了简化作用。

索引- 稳定性、电力系统稳定器、分布式发电机

1.1 引言

为传统的同步电力设备设计一个电力系统稳定器（pss）是一个很有研究价值的主题。基本控制方案已经被标准化并广泛应用于在电力系统中。其他控制划方案也得到了一定的发展，包括使用人工智能技术（模糊神经网络），高新技术，或自适应方案的应用。由于这些调查结果已经发表成被引用的论文。有兴趣的读者可以参考书[2][3]，以及报告[4][5]。

电力系统稳定器通常是基于质量优化指标来设计的，它是依据是系统的频率特性和运行状态。至于电力系统稳定器在电气与电子工程师协会的标准，是使参数的最优化能够得到广泛的应用，然而在控制器上运用了新的设备监测技术，它使在设计控制器和处理其他问题上具有良好的选择。

之前配电网和分布式发电往往来自于可再生的新能源，这是一个很好的趋势。这种趋势可能导致传统装机容量的减少，因而改变电力系统的动态性能。如果这种趋势继续增加，它将会改变电力系统的稳定性。

虽然许多小型分布式发电机利用直接或间接连接的感应电机上，但是直接连接的同步发电机仍将发挥很大的作用。本文着重介绍这种发电机PSS的设计。尽管为传统的大电机设计一个电力系统稳定器是一个很有研究意义的课题，为小型机组设计电力系统稳定器也有一些小的问题。

本文介绍了一个在很大频率范能产生一个纯粹的阻尼转矩的电力系统稳定器，这种稳定器的设计是通过可分析的一种简单方法获得。我们的目标是，用足够简单的方法推导出可应用于发电机的PSS的设计，而无需使用复杂的系统模型和软件工具。该方法的有效性已经被多机系统模型试验验证。

1.2 PSS设计

1.2.1 设计PSS的一般理念

PSS可以用不同的方法来优化。在此论文中，假设电力系统稳定器是最优阻尼时，它就会只产生电磁转矩，即在同相位产生转速偏差的组件。提供一个阻尼力矩确实是PSS

)

()1)(1())()1(()(63354321

s G K K sT sT s G K sT K K K K s T es R ex R +++++-=δ)()1)(1()

1)(()()(63332s G K K sT sT sT s G s G K K s T ex R R PSS ex PSS ++++=

ω

??=?)(s T T PSS PSS 的主要任务，但它应当指出，有时也可能是为PSS 提供有用的同步扭矩。在图的单机系统中，为了实现这样的“最佳”的PSS 让我们考虑一个线性模型[2]。我们还假设，PSS 投入是转子的速度Δω。在这个阶段，考虑让我们也忽略测量转子的速度。

图1 系统的线性模型与AVR 和PSS

对这样的模型来说，电磁转矩可以认为是转子角度的偏差，电压偏差，转速差。 ω

δδ??+??+??=?)()(s T V S T T T p s s r ef V e (1)

其中T Δ（s ），T v （s ），T pss （s ）是传递函数依赖设备参数K 1-K 6的T 3[2]和控制元件的传递函数，由G ex （s ）和G pss 定义可得。传递函数T Δ（s ）和T pss 有一个公式：

(3)

由PSS 产生的电磁转矩分量等于：

(4)

)()()()(ωωωim re PSS jK K K jw s T +===K s T PSS =)()

()1()1)(1()(32633s G sT K K G K K sT sT K s G es R es

R PSS ++++?

=

通过适当的TPSS 函数可以定义设备（基于可靠的PSS ）的动态特性。一般来说这种功能一般遵循下面的公式：

(5)

其中，K re (ω)和K im (ω)是函数K （ω）的实部和虚部。函数 K re (ω) 是阻尼转矩分量，而K im (ω)是同步转矩分量。

Tpss （s ）的传递函数的定义，就像一个增益（即它不依赖于频率）：

(6)

由电力系统稳定器产生的转矩和转子转速同相位，那就是说，电力系统稳定器只提供阻尼力矩分量而已。这种电力系统稳定器是恒转矩的。

通过解决（6），同样我们考虑到（3），我们可以得到所需的传递函数PSS 的形式：

(7)

显然PSS 传递函数依赖于AVR 传递函数的系数K 2和K 3，K 6和时间常数T3的经营点以及电压互感器时间常数T R 。 1.2.2．PSS ：各种AVR 结构

通过公式（7）可以看出，电力系统稳定器的传递函数Gpss(s)取决于自动电调节器的传递函数Ggx,因此不同结构的电压控制器和励磁系统会产生不同结构的电力系统稳定器。我们已经为两种结构的自动电压调节器开发了电力系统稳定器，电气与电子工程师协会标准结构和有PI 调节器的自动电压调节器。第一种结构是无反馈环节的。然而，由于字数有限，在这个论文中，我们只是描述为静态励磁系统无反馈环节的标准设备设计的电力系统稳定器，即K f =0。

∑∑===M

j j

j N

i i i PSS

PSS s

b s a K s G 00)(C

R C R A B A R A B A R B A A B A B A B A R A C A B A R A A PSS T T b T T b b K K K T T T T a K K K T T T T T T T T a K K K T T T T T T T T T a K K K T K K K T T T T a a K K K K K K K K =+==+=++++=++++++=+++++==+=210633463433363332636331032631)1/()1/())()(()1/())()(()1/()(1

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图2 IEEE 类型ST1A 的静态励磁系统

PSS 传递函数被认为是如下形式：

既然分子大于分母，即N>M ，这是不允许的，为了是分子等于分母，即(N=M=4),那就必须在分母上加上一个时间常数很小，所以在电机振幅的范围内，不能使频率发生大的变化，即0.1~2.5HZ 。

加入该元素后，分母系数的是：

(8)

为了产生一个纯粹的阻尼力矩，Pss 传递函数的系数必须满足以下条件：

)

)((20

2)()22(0

02ref V m j

j

S j D j PSS V T T H H T s H T H T s ?-?=

=??+?++?ωωδωωδωωδδδ2

240

22

01320120021

00102221

T b b T b T b b b T b T b b b T b b bo b n n n n n =+=++=+=== (9)

(10)

分子系数和PSS 的增益保持不变。

在实践中，时间常数T R 和T A 比其他时间常数以及机电振荡的周期要小。因此PSS 传递函数可以进一步简化。所以，假设T R =T=0，分子和分母的系数简化为：

C

C

A B A C A B T T b T T b b K K K T T a K K K T K K K T T a a 02010633263633101

)

1/()

1/()(1=+==+=+++==

(11)

分母通过乘法以及（1 + S ）来更新，以实现分子和分母多项式相平衡。K pss 仍然由（9）定义，我们将把上面的PSS 视为PSS-A 。

1.3 推导PSS 增益

推导电力系统稳定器的增益是一个单独的任务，不涉及到推导的时间常数的任务。其原因在与定义阶段的系数分子和分母是增益定义级的电磁转矩扭矩所决定。在实践中，转矩的大小是受励磁系统约束和限制的。

一般来说，推导电力系统稳定器的增益，尤其是对于无穷大系统来说是一个复杂的工作，当然，它可以用很多种方法来实现。

现在，我们用一个二阶系公式来获得必要的增益值从而实现所需要的阻尼水平。

考虑如图设备。（1）定义的扭矩并假设的电力系统稳定器的（S ）的传递函数只有一个实部（16）。运动方程可以写成如下形式：

(16)

ω

ωωωωξδδ00)()(22?

-=D S j T T H K

其中T Δs 和T Δe是依赖于频率的实时和传递函数的虚部T Δ定义同步阻尼力矩机和组件生产AVR 的。

方程（16）定义了一个标准的二阶系统。增益K 是定义所需相应水平的阻尼比ξ，由此可以计算出：

(17)

所需的增益K 是一个稳态和振荡的非线性工业参数。从ξ= 0.9的计算为例，已增益值除以100，用以绘制同一轴线上的扭矩组件。

图4，增益K 和同步T Δs （ω）以及阻尼T δD （ω）组件有必要使传递函数T Δ（ω）保持阻尼比等于0.9。值已经计算：额定负载和无功负载（下标1），一半额定的实际负载和额定无功负载（上标2）。

图4所示，保持增益K 等于100，我们继续使振荡频率阻尼比高于0.9。真正的电力负荷能使较低的增益变得更低。同样（图四中没有显示）工厂的无功负荷降低需要保持给定的阻尼比k 也降低。这一切都表明了在工厂的额定工作点计算的最高值，可以定义为电力系统稳定器这需要保持一个给定的阻尼比。然后，电力系统稳定器的增益可以从选定的增益K （9）计算。

要用电力系统稳定器则需要测量元件产生信号的相位与转子速度。元素也应该从被测信号的频率（例如扭）过滤掉。此外，PSS 的输出应该在稳定状态等于零。这些可实现标准双输入和转子转速的功能作为稳定输入用的组件。可塑电力系统稳定器的最后结构形式如图5，即标准双输入电力系统稳定形式。在测试中，滤波器的时间常数等于Tf=0.1秒，而洗出时间常数等于TR=10×HJI 。在这里时间常数Tr 的值是并不重要，可以等于几秒钟。建议在理论上，区域间振荡阻尼时间常数要高于10秒。

图5 双输入的PSS（GPSS（S）由（8）定义）

1.4 单机系统PSS的验证

分子的系数和推导出的电力系统稳定器的增益均取决于电压控制器的参数和发电机运行操作点，而分母的系数只是由电压自动调节器决定。因此，无论发电机运行状态如何改变，理想的电力系统稳定器应该能够适应它的增益和分子系数的变化。因此我们假设在额定工作时，用公式11计算电力系统稳定器时间参数，它是不变的。这部分描述了用单机无穷大系统模拟实验，以此来检查在保持电力系统稳定器时间参数不变的情况下，电力系统稳定器是否仍能只产生一个阻尼力矩。

据图6表示的是频率和无功负荷的传递函数的大小和相位，而实际功率是保持不变的，它等于额定功率。系统增益是相等的，系统阻抗是Zs=0.007+j0.08 p.u。

图6 .幅值和相角（弧度）传递函数TPSS作为函数的功率和无功功率（S）PG = PGN。负载的负无功功率相对滞后。

电磁转矩的相角相对来说是比较小的，这意味着电力系统稳定器要产生一个几乎纯粹的电磁转矩，对小频率的的电容负载来说，一个特殊情况就是相角变大。在低频域范围内，电力系统稳定器产生一个非常小的同步转矩。在额定负载下，同步转矩容易变大，所以稍微减小点同步转矩还是可以的。

显然，前面提到的电力系统稳定器的时间常数不是最理想的，就这个意义上来说，此种电力系统稳定器不能只是产生阻尼力矩，这在上下文中会提到。

1.5 多机系统PSS的验证

机器动态特性的进一步验证，如图十由三个机器和六个节点所组成。发电机组是按照汽轮机和发电机为模型制造的，发电机组1和2配有静止励磁系统，发电机组3配的是交流励磁机器。所有发电机配备标准PSS的类型都是标准PSS1A的。PSS的设置是从一个真正的系统模拟而来。负载是作为恒导纳模型的。这里作者没有给出系统的参数。在单位工作下，额定实际功率和无功功率接近零，即比较接近稳定极限。

图10 三机电力系统模型

一个稳定励磁系统已经取代了发电机组3的励磁和控制器，着我们可以从标准电力系统的设定中得出。在额定工作点下，给每个发电机组设定的电力系统稳定器的参数在了单机模型中已经运用，外电抗ZS=0.001+j0.1PU PSS通过对时域的仿真推导出电力系统稳定器的增益，Kpss1=8= 4。