AVR和PSS在电源

电压调节器(AVRs)及电力系统稳定器(PSSs)在电力

系统中的作用:频率响应分析

格雷厄姆·w·Dudgeon >,电气与电子工程师协会成员,威廉·e Leithead,亚当Dys´柯,电气与电子工程师协会成员，约翰'Reilly阿,电气与电子工程师协会高级成员和詹姆斯·r麦当劳,电气与电子工程师协会高级成员。

Abstract-Two权衡效力的自动化电压调节器(AVRs)及电力系统稳定器(PSSs)调查一起为第一次。第一个是效果一个高增益使快速响应AVR对减少电力系统振荡稳定性以及增加暂态稳定,和反之亦然。第二,可以减少一个PSS暂态稳定性由电压信号压倒励磁以及增加振荡稳定,反之亦然。在本质上,采取的行动AVR、PSS装置动态相通的。一本小说,预示频率响应动力学分析框架AVR、提出了干燥性能和权衡。预示着频率回答也协助确定合适的发电机地点PSSs和评估下的鲁棒性改变电力系统的运行工况。

自动电压调节器指数,预示着频率响应分析、电机振荡,电力系统稳定器,暂态稳定。

I. 介绍

多年以来，持续的电力系统振荡干扰,和有效改进已经向电力供应的产业。很多年提出了一个重要的挑战。尤其在这种的背景下,一体化的分布式发电和加载到电力传动配送网络迅速增发展，[1]，许多以前的工作[4]的中心问题,就是如何的有效作用使这种广泛使用的设备的发电机自动电压调节器(AVR)及电力系统稳定器(PSS)参加这些电力系统不稳定性衰减。其他相关电力系统的问题关注最好的角度对于PSSs如何最好地评估其适当的调整和稳定的[2]在面对改变电力系统的运行工况。

AVR的功能,在多机干饶的电力系统广泛记录[3],[4]。正如它的名字建议,具有调节或维护提供终端电压的机器,一个高增益的AVR响应信号 从改善暂态稳定在这个意义上说,它增加了电力系统能力保持同步热销的缺陷瞬态干扰严重,比如网络的缺点。传统的暂态稳定评估方法具有性能已信号时域(非线性)仿真研究。AVR的行动可以使响应高增益,然而,导致减少系统阻尼机电模式振荡。消除这种系统阻尼损失的标准方法不是采用瞬态增益减少[3]AVR或更广泛的附上一个PSS到适当的机器[3],[4]。振动的传统的分析方法是小信号失稳数字分析[5]-[7]。 最近的一项讨论大信号l暂态稳定的定义和小信号振荡稳定性被发现了[28]。本文摘要主要第一次详细的围绕两个基本问题。第一个问题是,一个是AVR高增益可能对振动的稳定有不利的影响。第二个问题是,一个PSS可以通过不顾励磁机的电压信号来减少暂态稳定度(参见[4,Ch。7)。第一个问题被广泛赏识,那么第二期明显的例外[8]和[9]。换句话说,一个PPS表面上将会损害AVR的作用,反之亦然。在本质上,行动AVR、PSS装置的动态相通的。在一个基本层面,有一个权衡同步扭矩由AVR、阻尼力矩由PSS3]。这种互连的AVR、PSS装置功能和交换和参与先前不被研究。

一种新的分析两种以上动力相互作用问题被提出，预示着频率响应分析方法，预示着频率响应的方法也协助为PSSs决定合适的发电机场所和评估电力系统稳定性低于变化的电力系统操作要求。他们提供小信号信息。 然而,在大信号好的瞬态行为的感觉中一个好的瞬态行为小信号常识是必要的条件。像往常一样,好的瞬态行为必须被确认大信号仿真。

以前频率响应有用的方法应用于电力系统多机[5],[8],[10]-[23],[27]，与数理分析相比有许多优点[5]-[7]:频率响应方法是有效的,对自然的振荡频率没有限制[10];他们有能力分析非振动互动模式控制器[10];它们可以用来分析暂态条件稳定性;通过直接预示在外绘图、稳健性评估对于变化的电力系统操作条件的变化或配置熟练完成。文献[8]和[19],特别是,在偏袒和控制工程稳定性方法绘制奈奎斯特优于传统同步和阻尼力矩的分析[3]对于PSS作用, 这不仅仅是因为前者是通过植物频率响应分析器直接可测量。

DUDGEON et al.:AVR、PSS在电力系统的有效的作用

图1 .四机测试系统的两个区域。

摘要组织如下。一个两个区域 四发电机测试电力系统是在第二部分描述。预示着频率响应方法在部分是第三和第四场景分别使用表征的影响在稳定。振动高增益使AVR一个干燥的影响在电压信号的方法(在暂态稳定)。进一步核查的共性这些方法是由另一个机器应用39母线新英格兰测试系统研究在第五部分。在第VI部分,预示着方法用来提供直接。另外两种稳定性评价方案,改变主功率流和变化,从一个小岛风力发电并网系统。第七章结论。

II。 测试系统I

主要的网络下,研究表明两个区域电力系统图1显示的是测试系统,是基本要素相当于[4,p。813],但也有一个动态负荷母线8。这个发电机额定900 MVA和20 kV,连接通过对网络商场20/230 kV变压器。名义系统1区为区域2输送400 MW。发电机建模为圆转子画法。电力负荷下

,和

是静负载研

是动力负载模拟成一圆转子生成器而产生的负面的力

量(细节在附录)。有源电力负荷需求满足2734 MW发电机提供由四个平等的主动权。尽管一个简单的网络,它生动有趣地评价提供了一个范例AVR或PSS的性能。

一个8*8线性(小信号)动态模型的测试体系产生的电力系统软件PSS / E有以下输入,U和输出,Y,那里是发电机轴转速，

机械动力扰动输入到发电机

发电机励磁电压的扰动，

是

是发电机终端电压。下标 1 - 4的表示发电机的号(见(1)和(2),显示

表I

机电振荡模式

这个两区域测试系统,描绘出在图1,有四个轻阻尼振动机电模式。表I给频率及阻尼振荡的4种模式没有AVRs名义系统运行点或PSSs。模式1是一个内部区域就是发电机1和2的

旋启式相互作用的地方。模式2是一个内部区域模式在区域2里3号和4号发电机组摆动相互影响。模式3是一个发电机/电机,发电机摆动模式不谋而合对电机,发电机3号和4号是最占优势。模式4是一个主要发电机的模式,在区域1摆动对发电机的地区2。

使用这个著名的测试系统,补充作用AVR、PSS的由频率响应分析器阐明在部分III和IV,独自。

III AVR频率响应分析

考虑各个发电机测试系统,我已经anAVR在图1连接了到它,每个AVR的传递函数

它的焦点对系统动力学和电AVR、PSS装置有关。说明这些设备的选择实质上是独立的州长由于带宽分离。因此,一个4输入 4输出的电动力学系统模型准确地代表一个10rad/ s带宽考虑。在这个4输入4输出的系统模型,每四个发电机具有投入产出发电机励磁电压输入之间的配对

发电机终端输出电压

，图2是一个原理AVR体系的反馈回路

AVR1开放和所有其他AVR关闭反馈回路。

协调AVRs分散规定:相关与每一个发电机投入产出配对,单个开放式回路AVR通道被定义为之间的传播终端参考电压源的输出输入和终端电压路开放,但对于所有其他的反馈回路也关上了。这穿透率有

。在图测试系统相应的反馈回是开环AVR 1频道或者C1

四个这样的开环AVR渠道、其他被表示为

图2。我和AVR1 Four-generator测试系统的反馈回路开放、反馈AVR2钮扣,AVR3,AVR4关闭,开环AVR 1频道或定义C。

每一个单输入单输出的分析,从而进行信道具有在自然协调分散的态度[10],[14],[18]、[25]在分析通过渠道,是基础看到整个电力网络从AVR。它符合工业除去规定的电力系统的实践,让短暂的稳定和振荡模式稳定问题进行讨论为并联电机方案[2]。 不像[10],也没有多输入输出限制对角优势和序贯反馈回路封是必需的。如果任何振荡不稳定发生,它可以观测和分析在任何AVR频道,因为所有的闭环AVR渠道拥有相同磁极[26]。AVR提供了暂态稳定的稳健性在振动的条件稳定性:一个高增益使响应AVR提供了一个AVR通道增益明显到0以上分贝(20分贝的可能更大)越高AVR AVR增益和更快的反应,更广泛的频率范围在AVR通道的频率反应,仍然以高增益。一个高AVR争取显著提高能力的频率范围系统恢复系统在小信号干扰的感觉。良好的恢复系统系统扰动在一个小信号感是一个必要条件,恢复良好从系统扰动系统的在一个大信号的情况也就是说暂态稳定性。AVR频道中立即可以证明这一点AVR的有效性在通道

的图对测试系统图3

获得明

在一个小信号情况下;AVR频道

显大于0分贝在一个频率范围接近3rad/s。存在的机电振荡模式在3.5和6.5(rad)/秒图3中

是明显的。自从AVR通道增益在这些频率是在附近的0分贝模式动力修改吗由AVR几乎总是导致减少阻尼。而造成的后果是具有高增益使响应,从而阻尼系统的振荡模式减少有时会产生的不稳定。信号和稳定性特点,预示:在测试系统I,每个通道有轻度AVR阻尼模式组成一对极点伴随着一对为零;签名是一种特点,预示在3.5 rad / s附近,主要的频率机电模式,作为说明AVR频道为

在图3中频率的水平方向右半部分的极点和零点预示着相关3.5 rad / s附

和

（如表格2）信号是一

近 都列在表II。 当零点水平方向右半部分的AVR频道

种预兆特征量峰值伴随着商场上相位和震级伴随着降压槽在阶段:振动的条件然后由AVR不能稳定得以实现。

图3。预示着块开环AVR通道C(E = r与所有其他AVR为测试系统循环关闭)对测试系统1。

表II

正确的半平面(右)通道POLE-ZERO结构

奈奎斯特(标准,以稳定的两个极点奈奎斯特情节必须右围绕-1点在一个逆时针方向的两倍;

是阶段,必须提前到360度而获得0分贝以上。然而,虽然RHP极点将引起相位前进180度,RHP零点引起一个180的零相位滞后导致包围。)当发电机零点在左半区域,在例子中的AVR通道

（见表2）特点预示着信号(见图3)是一种级峰谷相伴的阶段,由一个降压槽级

伴奏商场上的阶段:振荡稳定的单独AVR现在是可能的。(由奈奎斯特准则,保持2极点在LHP稳定,不得有-1这点。LHP极点使相位滞后180度当LHP零点引起相位超前180度结果没有包围。）

注意,因此,在AVR频道、振荡模式稳定是可以通过减少或增加可能频道(AVR)收获。

第一个振荡稳定的选择降低AVR获得将代价降低从系统恢复的干扰,例如,暂态稳定性。这是

不被认为是值得进一步探讨的问题。第二个振荡稳定的选择AVR的增加的增益在从200到至少到900通过提高消除振动的开环不稳定性AVR通道0分贝之上。增加了通道

(3)

增益槽频率响应图3在

增益,然而,缺乏稳定性电力系统的稳定性,不确定性与小的稳定

性,在特殊情况下,小通道增益保证of3.1 dB在表3。当然,由于协调各种分析方式,如果其他AVR通道有LHP零点对它同样很可能被考虑。

表3

频率响应的特点2频道

这种缺乏稳定鲁棒性是经非线性仿真(未显示)对发电机1终端电压毫秒地面应用在三相故障汽车2我在测试系统图1。通道

回应一个120

增益也增加缺乏稳定性变化的

动态相似的

稳健性,在电力系统负载。如果装运400 MW 1区的2区在图1中是逆转,频道渠道

在原有的加载和RHPZs RHPPs频道看表2。稳定是不可能的。动态不同的电力负

载的影响进行了深入探究在部分VI在在零点附近特点的行为评估在大范围的功率流。

总之,一个发电机AVR的有效性在多机体系进行开环AVR通过它频道。信息从理论上预示着阴谋AVR通道信号的权衡,当振荡模式震阻尼之间、暂态稳定和振荡吗模式的稳定性。信号的特点轻阻尼曲折的振荡模式是在AVR频道预示着图。此外,当特点为一个特定的签名AVR表明,对零、极点在LHP,振动的条件稳定性是可行的,但由AVR的代价要么性能(通过减少其增益)或稳定性(通过增加它获得)。

IV.PSS FREQUENCY-RESPONSE分析

附加PSS稳定:高增益使AVR的发电机测试系统,分析导致第三部分考虑使用额外的稳定力系统稳定器的作用(PSS)连接到一个或更多的发电机。它被召回[3]、[17],任何给定的

PSS在一个特定的发电机饲料辅助信号(在这通常是作为发电机速度入/ AVR的发电机。

)回到励磁电压输

一个标准的PSS[4]和传递函数

被连接到发电机2。发电机PSS的开环通道2的定义是AVR2输入响应之间的偏差和发电机2输出速度偏差

和PSS循环开放但是所有的四个AVR循环关闭。(其他的开环PSS频

道将同样定义)。预示着签名标准振动阻尼和稳定。考虑PSS 2频道,预示理论上图图4的测试系统主要和内部区域革命模式相对应增益的山峰的情节。当一个振荡模式稳定,预示着信号在PSS渠道

伴随着级逐级峰值在阶段。这更高的增益峰值0分贝以上图4中,大该系统由PSS阻尼。这种情况在这里获得最高内部区域模式(模式一)频率6.6(rad)/ s;看表四。当应用,该PSS增加阻尼比这区域内由0.117上升到0.209,增加了频率为7.5(rad)/秒。

图4。预示着块发电机2开环PSS频道(与所有AVR环(固体)关闭),与中、测试系统

表四

测试系统机电振荡模式

冲)1

(

当一个振荡模式是不稳定的,预示着信号是一道级的PSS峰值伴随着峰谷在阶段。提供稳定的PSS模式之增益峰到0分贝以上。这种情况在这里获得高峰图4在主面模式(模式4)频率3.5(rad)/秒。 当应用,这主面PSS稳定的模式,通过增加阻尼比由-0.014上升到0.024,而且没有什么改变频率。从存在或否则所需的预示着签名如上所述,适当选择器PSS的位置很容易确定的的情节,预示开环PSS通道(没有PSS)。内容的获得两个振动模式的山峰,如图4确认

发电机2是一个很好的位置,为一个类稳定器的测试系统。通过调整增益的山峰,预示着干燥的图通道可直接用于调整稳定。PSS提供阻尼和振荡稳定的费用AVR的:这是再次证实了PSS参考位于发电机2。

这预示着情节的发电机2开环PSS渠道,用PSS位于发电机2,如图4和相应的闭环AVR频道

和

和图5。在频率范围,3 - 8(rad)/ s,获得预示着情节,如图4为开环发电机2 PSS

通道以上或接近0分贝,电压发电机2 PSS覆盖励磁信号降低暂态稳定性。这个首要励磁电压的观察信号直接从PSS这预示着情节的开环AVR频道

在图5。这AVR通道有重大损失闭

环增益(的作为低-10分贝增益)附近的机电一体化模式的频率,3.5(rad)/ s和6.5(rad)/秒。

相比之下,获得AVR通道的闭环仍接近0分贝在频率10方根/秒。换句话说,AVR在发

电机2不是有效8和3之间rad / s但AVR在发电机4。例如,终端电压响应在发电机2系统的扰动会展示更为明显的坚持电涌。

良好的恢复系统系统干扰以上小信号常识是必要而不是一个充分的良好的恢复状况进行系统系统扰动在一个大信号的感觉。因此,较差的恢复发电机2终端电压的演绎出分析前小信号和大信号意味着相同的情况下,看到电压响应图6得到非线性仿真研究。该仿真涉及一个三相的错地面应用在总线2在图1为120ms;同样地在总线4。(用于输出器。模拟要求

p.u.PSSs在AVRs上图6证实定位的PSS在发电机2结果在贫穷回收的发

电机2故障在发电机2。在发电机2是干燥的,然而,观测到具有小在恢复不利影响发电机的故障在4发电机4。重大之频率成分的发电机2电压响应在图6现象与标记的损失增益在附近为3.5和6.5的rad / s闭环AVR频道

在图5。

总之,一个处于一个多机体系中的特定发电机的效率是通过分析其开环PSS通过它的频道来实现的。在特定发电系统开环PPS频道中表现出的特定的波特特性可以为PPS做出相当好的定位。如图所示，在图4（增加预期的振荡模式稳定性）中表现出越高的越宽的波特曲线特性，在图5中越大的闭环AVR损失在更大的通道增益频率范围内(增加不利的过载励磁电压信号)反之亦然。整体效率的PSS的测定通过这个权衡。

图6；测试系统I中母线2上的故障电机2和母线4上的故障电机4的终端电压响应

V. 新英格兰测试系统II

一般平衡多机的电力系统AVR,PPS另一个更大的网络研究了10-machine 39-bus是

新英格兰系统指定测试系统II。该系统的数据中可以在[24]找到。测试系统I的目的比较发电机的性能，关注两个发电机，具体地说，像发电机4和发电机9。AVRs都有,就像在[24],传递函数

当应用时,该PSS影响三个振荡模式显示在表V不计所有另外的系统特征值不变。作为观测时,主要的PSS的模式会遏制3.8rad/ s,稳定的区域内模式,在5.7 rad/秒,到7.6 rad/s以内。

这预示着地块闭环AV的R渠道和频道和在图7发电机9的PSS,再次显示PSS的稳

定和阻尼是压倒一切测量电压信号的方法的优势。