NARIIEEE推荐的电力系统稳定研究用励磁系统数学模型IEEE Std 421.5-1992IEEE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月目录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)7.1 ST1A型励磁系统模型 (15)7.2 ST2A 型励磁系统模型 (16)7.3 ST3A型励磁系统模型 (17)8. 电力系统稳定器 (18)8.1 PSS1A型电力系统稳定器 (18)8.2 PSS2A型电力系统稳定器 (19)9. 断续作用励磁系统 (20)9.1 DEC1A型断续作用励磁系统 (20)9.2 DEC2A型断续作用励磁系统 (22)9.3 DEC3A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--- ..46IEEE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] ANSI C50.10-1990 同步电机美国标准( 旋转电机)[2] IEEE Std 100-1988 IEEE电气和电子学术语标准辞典（ANSI）[3] IEEE Std 115-1983 IEEE同步电机试验方法(ANSI)[4] IEEE Std 421.1-1986 IEEE同步电机励磁系统用标准定义（ANSI）[5]Bayne J.P等”静止励磁控制来改善瞬态稳定”IEEE PAS-94,1975,1141-1146页[6] IEEE委员会报告“励磁系统计算机表示” IEEE PAS-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”IEEE PAS-100，1981，494-509页。

[8] Ferguson ,R.W等“无刷励磁系统分析研究”AIEE Transaction on PAS(part3)1960, 1815-1821[9] IEEE委员会报告。

“励磁系统动态特性” IEEE PAS-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” CIGRE Paper: 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”AIEE Transaction on PAS (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V UEL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V TM,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T R表示。

对许多系统讲，T R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V REF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。

5.1 DC1A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 3 DC1A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V REF减去，再减去稳定用反馈信号V F和加上电力系统稳定器信号V S，得到电压误差。

在稳态下V F和V S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T A，增益K A，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。