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小型同步发电机的PSS设计及静态励磁系统

Zbigniew Lubo ny, Janusz W. Bialek

摘要：本文提出了电力系统稳定器（PSS）产生阻尼力矩分量的参数的解析推导。该方法被施加到一个线性单机系统模型配备静态励磁系统。良好的动态性能的工厂配备建议PSS已被证实使用非线性，单机和多机模型的电力系统仿真。所提出的方法的简单性，应显着简化的任务设计PSS的中小型单位。

关键词：指数稳定；电力系统稳定器；分布式发电

1介绍

电力系统稳定器（PSS）设计的一种传统同步发电厂是一个研究课题。基本控制方案，广泛应用于电力系统，已标准化[ 1 ]。其他控制方案也已开发和包括人工智能的使用技术（神经网络，模糊），新技术（LQG／LTR，H2，Hinfin;，mu;合成），或使用自适计划.这些调查的结果已经产生在众多的论文，这里引用太多。一个有兴趣的读者可以直接到书籍^{[ 2 ] [ 3 ]}，和报告 ^{[ 4 ] [ 5 ]}。

PSS的设计通常是基于优化的定义质量指标，拟合工厂的频率特性定义的一个，或定位极点所考虑的系统适当的位置。在标准IEEE结构的情况下PSS，参数优化被广泛使用，而新的技术（LQG，H H等），包括植物观察控制器结构，导致设计的高阶控制器及其他问题。

有越来越多的分销网络的趋势随着分布式发电越来越渗透（DG），通常由可再生能源供应。这一趋势可能导致传统传输连接的减少大规模发电能力，因此，以改变电力系统动态特性。如果趋势增加DG渗透稳定连续，或许在未来执行部分由DG植物。

虽然许多小幼苗直接使用DG金间接连接的感应发电机，尤其是同步发电机直接连通会一直玩广泛的角色。本文重点就设计PSS 对于同步发电机。虽然传统的PSS设计为宽植物是好的影响的结果，设计PSS 对小的单元问有轻微不同的问题。组主要的原因是分布式发电机付不起拥有者的小的成本、时间与努力要运行系统和详细的模型执行如特征值分析。简单但鲁棒方法PSS设计要求哪一个适合小分布式单位。

本文包含了简单的PSS设计方法研究分析推导了PSS，生产纯（几乎）阻尼力矩分量在宽的频率范围。关于基于单机无穷大母线模型与静态激励和PSS使用速度是其输入。应该强调的是，这不是文件证明提出的方法生产更好的PSS标准比PSS 用于实业的目的。而我们的目的是要有方法论衍生物的PSS设计那个将生产的“足够好”是简单的阻尼和足够的应用对于 DG发电机，不使用复杂的系统模型和软件工具。方法论的有效性通过测试，我们一直遵循多机系统模型。

PSS设计

2.1PSS设计的总体思路

PSS优化可以以各种方式定义。在这纸假定PSS是最佳的，当它产生一个仅阻尼电磁转矩分量，即与转子转速偏差相的部件提供阻尼转矩确实是PSS的主要任务，虽然应该指出，有时它可能也是有用的PSS提供同步力矩。

为了实现这样的“最优”PSS让我们考虑一个线性图1中的单机系统模型^{[ 2 ]}。让我们假设，PSS输入转速Delta;omega;让我们也忽略，在这个阶段的考虑，一种方式转子转速测量。

图1 AVR和PSS的单机系统线性模型（KD = 0）

对于这样一个模型，电磁转矩Delta;T_e可以是描述的是一个转子的角Delta;delta;偏差的功能Delta;V_ref参考电裁判，和转子速度Delta;omega;

（1）

其中T（s）T_v（s）T_PSS（s）依赖于传递函数植物参数K₁-K₆，T₃ ^{[ 2 ]}和控制元素传递函数，由G_ex（s）定义前任和G_PSS（s）。转移函数T（s）和T_PSS（s）有表格：

(2)

(3)

由PSS产生的电磁转矩分量等于：

(4)

电厂的动态特性（PSS上可靠）由适当定义的T_PSS（s）函数。在一般来说，函数可以采取形式：

(5)

其中K_re（omega;）和感应电动机K_im（omega;）的实部和虚函数K（omega;）。函数K_re（omega;）定义阻尼力函数时分量感应电动机K_im（omega;）定义了同步转分量（负值表示PSS增加同步扭矩组件）。

当T_PSS（s）传递函数定义为增益（即不依赖于频率）：

=K (6)

由PSS产生的转矩分量将在相位转子速度偏差，这意味着PSS将只提供阻尼扭矩组件。这样的PSS将生产不依赖于恒转矩机电振荡的频率可以被认为是一个积极的特征.

通过求解（6），同时考虑到（3），我们可以得出具有所需传递函数形式的PSS：

(7)

显然，PSS传递函数依赖于AVR传递函数，系数k₂，K₃，K₆和时间常数T3造成从工厂工作点和电压传感器时间常数T_R。

B,AVR各种结构的PSS

根据（7），PSS传递函数G_PSS（s）取决于AVR传输函数前任G_ex（s）。因此，不同的可能电压控制器与励磁系统的结构结果不同的PSS结构。我们已经开发了AVR两种结构的PSS：IEEE标准结构详细和AVR单片机的PI控制器。IEEE ST1A型结构被认为是没有反馈回路。然而，由于缺乏空间，我们将在本文只有PSS设计的工厂配备的IEEE类型详细的静态励磁系统（图2）无反馈，即K_F = 0。

图2 IEEE ST1A型静态励磁系统

PSS传递函数被假定为的形式：

(8)

对于PSS产生纯阻尼转矩，系数传递函数必须满足以下要求条件:

(9)

注意，分子级别高于分母排名，即Ngt; M，这是不可接受的。使队伍等于（这里n = m = 4）有必要添加一个元素。时间常数To 应该是小的（例如几毫秒）以便不引入显著转变到G _PSS（s）的阶段中的频率机电振荡的范围，即0.1-2.5赫兹。

添加该元素后，新值分母系数：

(10)

而分子系数和PSS增益保持不变，如在（9）。

在实践中，时间常数T_R和T_A小于其他时间常数和机电周期振荡。因此，PSS的传递函数可以进一步简化，而不会导致显着退化的PSS有效性。因此，假设T_R = T_A = 0，系数分子分母都简化为：

(11)

分母已在这里乘以乘法（1 sTo）在多项式中实现相等的行列分子和分母。 K_PSS遗骸的定义（9）。我们将根据以上PSS 叫做pss_a。

3导致PSS的增益

导出PSS的收益是一个单独的任务，与之无关导出时间常数。 原因是系数的分子和分母定义了相位电磁转矩，而增益则定义其幅度扭矩（假设a0= b0= 1）。 在实践中的扭矩幅度受激励系统的限制和限制限制。

一般推导PSS增益是一项复杂的任务，特别适用于多机电源系统，可以通过利用各种方法完成。

我们现在将获得实现所需的增益值给定的阻尼水平，使用公知的公式二阶系统

考虑一个植物，如图1所示。 1，扭矩由（1）并假设TPSS（s）传递函数只有一个实部（6）。 运动方程可以写成：

(12)

哪里Tdelta;S和Tdelta;D是频率依赖的实际和虚部的传递函数Tdelta;定义同步以及由机器产生的扭矩的阻尼部件AVR。

公式（16）定义了一个标准的二阶系统。该增加K，定义所需的阻尼等级阻尼比xi;可以由下式计算：

(13)

所需的增益K是工厂的非线性函数参数，振荡状态和频率。 的例子对于xi;= 0.9，对于a计算得到频率的增益依赖性发电机组以额定负载运行（PGN，QGN）和负载等于（PGN/ 2，QGN）如图1所示。 4，一起撤销和同步组件的转移功能Tdelta;（omega;）。 增益值除以100英寸为了将它们绘制在与转矩分量相同的轴上。

图4 增益K和同步Tdelta;S（omega;）和阻尼Tdelta;D（omega;）分量的传递函数Tdelta;（omega;）使阻尼比等于0.9。这些值的计算方法为：额定实际和无功负载（下标1），半额定实际负载和额定无功负载（下标2）。

图4显示保持增益K等于100允许我们为了保持频率的阻尼比不低于0.9机电振荡。 当真正的电力负载是降低必要的增益也变得更低。 还有（什么不是如图1所示。 4）当植物的反应性负荷下降时，需要增加K以保持给定的阻尼比降低。 这一切都表明KPSS可以定义为等于保持给定阻尼比所需的最大值，如按照工厂的额定工作点计算。 然后，选择的增益K，PSS增益KPSS可以从（9）计算。

PSS的实际实施需要进行测量该元件产生与转子同相的信号速度。 元素也应该过滤掉较高的（例如，扭转）频率。 另外，PSS输出在稳态时应等于零。这些功能可以通过使用的组件来实现具有实际功率和转子速度的标准双输入稳压器作为输入。

拟议的PSS的最终结构形式为如图1所示。 5，即IEEE标准双输入的形式动力系统稳定器PSS2A。 在测试中，过滤时间常数等于T.F= 0.1 s，而洗出时间常数等于TR= 10times;H吉。 TR的值时间恒定值在这里并不重要，也可以等于a几秒钟 对于区域间振荡阻尼时间在文献中建议常数高于10s。

图5 双输入PSS（G_PSS（s）被（8）定义）。

4单机系统中的PSS验证

分子的系数和增益的导出的PSS传递函数取决于电压控制器参数和工厂工作点，而分母的系数仅取决于AVR参数。因此，理想情况下，PSS应该适应每当植物的增益和分子系数变化操作条件发生变化。然而众所周知的是系统运营商往往不信任自适应控制器无法预测他们的行为和互动异常系统运行条件。所以我们假设那个拟议的PSS实际上将与时间不变参数在额定工作点使用（11）计算。本节介绍使用单个执行的模拟测试机无限母线系统检查是否保持PSS参数常数导致PSS仍然产生阻尼扭矩。

图6示出了传送的幅度和相位角功能TPSS（s）作为频率和反应的函数电源负载。 实际功率负载保持恒定并相等达到额定功率。 增益KPSS

被假定为等于一个等效系统阻抗等于Z小号= 0.007 j0.08 p.u.

图6示出了传递函数T的幅度PSS除了以外，在整个频率范围内几乎是恒定的频率接近零。 这个减少到零是由于具有冲洗功能的测量元件。的大小ŤPSS（s）当无功功率减小时（负载）增加趋向于领先的功率因数）。 这是一个积极的特征并且其稳定性附近的小频率迅速增加限制，即对于电容性负载。

图6 传递函数T的幅度和相位角（弧度）PSS（s）as当Pg = Pgn时，频率和无功功率的函数。 负无功功率对应于滞后负载。

T的相位角PSS（s）通常相对较小，这意味着PSS产生几乎纯粹的阻尼扭矩。 与小频率有关的区域是例外相位角变大时的容性负载负。 负角度意味着PSS增加，而

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