同步发电机的实验评价

同步发电机的实验评价郑少明，梅盛旺，主要成员，电气电子工程师协会和王鹏摘要——一种新的非线性鲁棒电力系统稳定器（NR-PSS）大型同步发电机的基础上开发的非线性鲁棒控制理论。NR-PSS的非线性模型是建立在多机系统的基础，它考虑发电机和各种瞬态效应显著在系统扰动。此外，智能化数字工业NR-PSS设备也发达。PSS也提出了一个新的对于NR-PSS参数的设置是基于法广泛用于频域测试常规。动态模拟实验是为了验证NR-PSS比较具有有效性经典的PSS。结果表明，NR-PSS可以更快衰减有源振荡，显著提高发电机的阻尼系数，而且提高了系统的暂态稳定性和提高稳定极限时显著受到大的干扰。指数条款——动态模拟实验，大型同步发电机，非线性鲁棒控制，电力系统稳定器。一、引言随着电力系统互联的发展，稳定问题已成为现代电力系统安全运行的最重要的问题之一。众所周知，大型同步发电机励磁控制是一种先进的动态性能，提高电力系统暂态稳定性的最有效和最经济的方法。因此，有大量的研究工作一直致力于这一领域。1969，F.D.通过C.康科迪亚提出单信号输入附加励磁控制称为PSS（电力系统稳定器）为了消除低频振荡[1]。为进一步提高励磁控制，线性最优励磁控制（LOEC）提出了[2]-[4]，及工业设备终于在中国水力发电厂投入运行。然而，电力系统是强非线性的特点不在励磁控制措施的考虑，这样的控制器设计的建模是基于这是近似的线性化系统在一个特定的工作点的数学模型。该建模方法将大大削弱PSS的效果，尤其是当大扰动引起的系统的工作点远离平衡点的选择，他们甚至把负面影响的电力系统的暂态稳定性。用微分几何方法对复杂电力系统中的应用，许多研究成果已在电力系统[5]-[7]非线性控制中实现。一个分散非线性最优励磁控制器（NOEC）大大提高电力系统大扰动稳定性已开发和应用的一些扩展但必须指出的是，复杂的电力系统将不可避免地被各种不确定因素的影响（如从外部环境，干扰和未建模动态测量误差，系统在运行过程中，）这就要求科技工作者不仅要考虑复杂电力系统的非线性特性，同时也尽可能多的减少干扰的影响。针对这个问题，清华大学的电力系统国家重点实验室在大型同步发电机非线性鲁棒控制理论的基础上开发的一种新的非线性鲁棒电力系统稳定器（NR-PSS）。建立在多机系统的基础是NR-PSS的非线性模型，考虑瞬态显著影响发电机和不利影响，所有的不确定性和扰动系统中存在。结合微分几何控制，耗散系统理论，微分对策和线性H∞方法，得出NR-PSS解析控制策略和发展NR-PSS工业设备。此外，一个参数的设置方法NR-PSS基于频域测试也提出了解决参数的非线性控制器的状态空间设计的调整问题。该方法符合行业标准的相应要求，易于理解和掌握现场工程师。最后，本文提出了对NR-PSS工业设备的实验，结果也充分验证了设计方法的正确性和NR-PSS在工程应用中的NR-PSS设备技术优势。二、非线性鲁棒控制的简要回顾一个实际的工程系统都是由各种不确定因素和外部干扰的影响。因此，有必要考虑到上述的控制系统建模时的考虑因素。xf(x)g1(x)wg2(x)uyh(x)考虑扰动n∈Rn以下仿射非线性系统，u∈Rm，W∈Rr状态，分别控制和扰动向量。y∈Rn是调节输出矢量。f(x),g1(x),g2(x)和h(x)是与相关尺寸的光滑向量域，满足f（0）=0，H（0）=0。系统的非线性鲁棒控制问题（1）可以表述为寻找可能的最小正数γ*，∀γγ*和建立一个控制策略U=U（X）例如：∫0T(y2u2)dt≤γ2∫0Tw2dt,T0(2持有和闭环系统渐近稳定，W=0。恒γ确定闭环系统的干扰抑制能力。小γ是恒定的，衰减水平就会越高，反之亦然非线性鲁棒控制律u（x）上述非线性系统与外界干扰依赖于所谓的解决方案（雅可比-汉密尔顿HJI不等式的伊萨克），这是一个二阶偏微分不等式。不幸的是，到现在为止，有没有通用的方法和算法得到的不等式的解。在[5]，作者系统地提出了反馈线性化H∞方法基于微分几何，耗散系统的概念和微分对策理论克服困难。三、对于多机系统分散NR-PSS控制律设计考虑以下假设多机电力系统：（1）同步发电机配备的电势源静止励磁系统，即励磁机时间常数几乎等于零。（2）机械功率PM保持不变。（3）I1W对发电机组和电网电压扰动I2W的磁场绕组既满足扩展L2空间的假设被认为是控制电路的干扰力矩。上述的假设，多机电力系统的发电机可以被描述为n和下标i和j表示我和我的发电机。δ是弧度的发电机，转子角度；W和W0的角速度和弧度/秒同步角速度；Pm，PE，PD是机械，电气和阻尼功率，单位；D为阻尼系数；QE和QEq轴内部暂态电势和空载电势，在单位；EF是潜在的磁场绕组，当F0*Xad/Rf是Ef的基值，（公元Xdaxis定子绕组和励磁绕组之间的互感电抗，射频是电阻的磁场绕组）每个单元的值等于认为EF，VF，IUFE=V×F×D；d，Q，X是直轴同步电抗，交轴同步电抗，电抗，和直轴瞬态电抗，单位；在很短的时间内;H为惯性时间常数；最大无毒浓度是场电路时间常数，i+qi等于D，电枢绕组电流分别为Q分量；ⅡB和ⅡG表示自纳和I节点，分别自电导，单位；ijY节点i和j之间的互导纳；δ=δ−δ，弧度；φij是YIJ的角度，弧。系统（3）可以书面形式为是NR-PSS控制器的输出，在单位，i=1,2，……，N.从式（3）和（4），我们知道，随着发电机的描述可以通过形式表达选择输出根据反馈线性化方法在H∞[5]提到，本文改进并设计了一种非线性鲁棒控制策略的多机系统通过以下步骤：步骤1：选择以下坐标变换MI是松弛因子。因此，新的扰动向量可以写成根据微分几何方法构造非线性预反馈法在那里Vi是新引入的矢量控制，和因此，预反馈法通过变尺度坐标变换（7）和（10），prefeedback系统（5）可以转化为下列方程：步骤2：对于线性系统（11），基于线性控制理论，最优控制策略和糟糕的干扰被分别表示为：在那里Pi*是非负解的Riccati不等式：步骤3：考虑发电机的有功功率的准确表达：从式（15）可以得到到（10），假设二Di=0，非线性反馈法可以获得到即因此，非线性鲁棒励磁控制策略得到每个发生器替代（12）到（18），NR-PSS的控制律的最终解决方案考虑到不确定性包括未建模动态，NR-PSS控制器对外部干扰具有很强的鲁棒性。（19）是局部产生器;，这意味着控制法是分散的、易于工程实现。此外，控制法是独立于传输网络的参数，使控制策略，对网络的结构和参数变化的适应性强。在[5]的方法相比，上述的反馈线性化∞H方案的改进在于规模可变的坐标变换中的应用，从而增加N的松弛因子，我到最后的非线性控制律（19），使控制器的设计更加灵活。应该指出的是，控制法（19）仍具有原非线性系统的鲁棒性（5）在L2增益可通过微分对策理论，以类似的方式[5]。因此，控制法（19）是一种非线性鲁棒控制律。四、NR-PSS参数设置方法基于频域测试，相同的参数，目前PSS和程序的设定方法，建议NR-PSS。其主要流程包括以下6个步骤：步骤1：运行工况调节发电机有功功率大于0.9额定功率，无功功率是0和0.1之间每单位。步骤2：无NR-PSS服务，与白噪声信号的频谱仪取代NR-PSS输出。记录终端电压波形分析与白噪声信号的关系。因此，滞回特性曲线发电机没有NR-PSS可以导出。步骤3：进行参数整定和调试方便，NR-PSS的控制律的线性部分（19）可以被描述为根据发电机，二阶模型近似，对不同频率的输入信号，即情商的NR-PSS线性部分的领先滞后角（22）对Δω轴可以得当是调试Fin输入信号的频率，变量和参数的其他符号定义之前。初始化NR-PSS参数，0.2~2.0Hz信号NR-PSS滞后角可以计算由方程（21）。步骤4：将步骤3的角度，对应的频率在步骤2中，随着系统NR-PSS超前滞后角可以获得。角度的应验证是否满足相关国家行业标准电势源静止励磁系统和交流励磁机系统[17]，[18]。如果不是，调整参数I1t,I2t,I3t，然后返回到步骤3。否则，基于I1t,I2t,I3t和其他发电机参数，相应的Riccati不等式的矩阵P是可以解决的，因此NR-PSS1K，2K，3K的反馈增益，得到。步骤5：NR-PSS的临界增益，如系数C1，增益系数为C2，C3和AVR增益，通过阶跃响应试验和临界放大试验确定。最终的收益为1/2，1/3临界增益，使系统具有优良的阻尼和满意的电压动态。步骤6：把NR-PSS运行在不同的工作条件下，验证其性能，并相应调整参数略。实验结果如电压阶跃响应试验，无功反调试验，可以进行。此外，在动态仿真环境，输电线路跳闸和三相短路故障试验，也可以进行演示NR-PSS效应提高系统阻尼。总之，NR-PSS是基于频域测试参数的设置方法，满足相关的工业标准。它解决了如何统一确定非线性控制器的状态空间和基于频率域的线性PSS参数设计方法的难度，而且有利于进一步推广NR-PSS。五、动态模拟实验可以在设计过程中看到NR-PSS，NR-PSS和AVR单片机的控制规律是相互独立的。因此，NR-PSS和AVR单片机的输出应并联控制励磁电压，而PID控制是通过AVR。对于与发电机励磁控制规律是最终的形式在C2C和C3可调参数一种NR-PSS工业设备在最后的励磁控制规律的基础上发展起来的（22）。为了验证其性能，动态模拟实验与现有常规PSS（IEEEPSS2A）比较。双传输线的单机无穷大系统的参数（单位）如下：实验结果显示在图8，其中分别为VG，PE和Q表示发电机的端电压，输出有功功率和无功功率，PU，。图1和图2显示测试发电机受到4%的终端电压，发电机是由不同的控制器设定的动态响应。缺乏阻尼，系统稳定性极限很差。当PSS应用，有源维持振荡时的电压设置发生变化（图）。然而，当NR-PSS是调节，有功功率瞬时消亡只是一个周期后，这意味着NR-PSS提高发电机阻尼明显（图2）。图1、VG和PE4%终端电压设置变化的阶跃响应PSS图2、VG和PE4%终端电压阶跃响应NR-PSS设置改变图3表示跳闸线路试验不同的控制器的结果。当PSS采用振荡衰减，在超过6秒后线路跳闸。而NR-PSS投入运行，在1.75秒内衰减振荡。可以得出结论，NR-PSS可以提高系统稳定性突出。图3、倾斜的控制器实验三相短路发生在1.5s，并清除1.7s（图）。从有功功率波形，可以看出振荡可在5秒以上的PSS衰减，而它只需要2秒，其电力系统非线性考虑NR-PSS。图4、用不同的控制器，三相短路试验。另一个实验是手动增加有功功率0.15p.u.NR-PSS在运行时。图5显示，无功功率的变化仅为0.04p.u.，说明NR-PSS可以克服反调控以来NR-PSS反馈变量包括角速度Δω和有功功率ΔP偏差，反映加速功率发电机的变化。图5、NR-PSS无功反调试验fig.6-8显示系统的动态响应时，连续小正弦扰动信号的不同频率的输入参考电压励磁发电机。结果表明，NR-PSS实施时，显著降低有功功率振荡振幅。因此，不同频率的衰减振荡NR-PSS可以有效。图6、NR-PSS0.1Hz信号干扰衰减测试图7、NR-PSS0.5Hz信号干扰衰减测试图8、NR-PSS1.6HZ信号干扰衰减测试六、结论一种新的大型同步发电机组NR-PSS在非线性鲁棒控制理论和精确的电机模型的基础上发展起来的。本设计的主要特点是控制律可有效抑制外部干扰的影响，提高系统的动态性能和电力系统暂态稳定性。此外，NR-PSS参数设置方法完全是为广泛使用的PSS参数调整规则的相同。实验结果表明，可显著改善NR-PSS发电机阻尼，提高系统的暂态稳定性，特别是受到大的干扰。因此，NR-PSS具有更优良的动态性能和提供更好的阻尼。必须指出，具有自主知识产权的NR-PSS设备已成功投入运行，对300MW发电机在中国东北电网白山电厂超过11个月。引用[1]F.P.通过C.迪亚，“同步机稳定性的概念由励磁控制的影响，”IEEETrans。电力设备与系统，卷4，页316-329，4月1969。[2]Y，玉，电力