一种励磁调节器传递函数模型的制作方法

本申请涉及励磁调节领域，尤其涉及一种励磁调节器传递函数模型。

背景技术：

在电力系统中，保持发电机的输出电压在容许水平上，是保证发电机及其他电力设备安全、经济、稳定运行的基本条件之一。励磁调节器是一种调节发电机输出电压的电力装置，励磁调节器的调节过程通常用传递函数来描述。

参见图1，为现有技术中一种励磁调节器传递函数模型的结构示意图，如图1所示，传递函数模型的信号输入源包括第一惯性单元1、竞高门2和upss信号，其中，v/f信号和uel信号通过竞高门2后，较大的v/f信号或uel信号与第一惯性单元1、upss信号相叠加。叠加后的信号分别输入到pid控制单元3中的比例环节、微分环节和积分环节进行同时调节。其中，比例环节用于调节偏差；积分环节用于消除稳态误差，之后可再经一阶微分单元4进一步微调节；微分环节用于调节偏差变化率，之后可再经第二惯性单元5进一步微调节。比例环节、一阶微分单元4和第二惯性单元5输出的信号进行叠加后，通过第三惯性单元6进行延迟，以防止突变；再经过限幅单元7进行限幅后得到励磁电压信号uf。

在上述传递函数中，v/f信号用于进行电压频率限制，v/f的值为定值，例如当系统频率f改变时，v/f信号对应调整发电机输出电压；uel信号用于进行励磁系统低励限制，例如当系统电压下降到低励限制阈值时，uel信号控制发电机提高输出电压。v/f信号和uel信号均输入竞高门2后，当系统电压大于低励限制阈值时，竞高门2输出v/f信号，当系统电压小于低励限制阈值时，竞高门2输出uel信号。

如果电力系统发生故障，导致了系统频率f快速下降且短时间，由于系统电压仍然大于低励限制阈值，因此竞高门2会输出v/f信号降低发电机输出电压。当系统电压下降到低励限制阈值以下时，竞高门2输出uel信号，提高发电机输出电压，以提高系统电压。但是，系统电压提高使竞高门的输出转换为v/f信号，如果系统频率f没有恢复，则v/f信号会降低发电机输出电压。因此，v/f信号和uel信号之间会频繁交替输出，造成系统电压在低励限制阈值附近剧烈波动，严重影响了电力系统内电力设备的安全运行。

技术实现要素：

本申请提供了一种励磁调节器传递函数模型，以解决系统电压波动的问题。

本申请提供了一种励磁调节器传递函数模型，该模型的信号输入源包括竞高门，所述竞高门包括第一输入端和第二输入端，其中：

所述第一输入端与第一频率比较单元连接，所述第一频率比较单元包括第一频率判断门和第一竞低门，所述第一频率判断门用于判断系统频率是否大于阈值频率，如果大于则输出v/f信号，如果小于则输出0，所述第一频率判断门的输出端与所述第一竞低门的其中一个输入端连接，所述第一竞低门另一个输入端用于输入所述v/f信号，所述第一竞低门用于将所述v/f信号和所述第一频率判断门输出信号之间的较小信号输入到所述第一输入端；

所述第二输入端与所述第一频率比较单元连接，所述第二频率比较单元包括第二频率判断门和第二竞低门，所述第二频率判断门用于判断系统频率是否大于阈值频率，如果大于则输出0，如果小于则输出uel信号，所述第二频率判断门的输出端与所述第二竞低门的其中一个输入端连接，所述第二竞低门的另一个输入端用于输入所述uel信号，所述第二竞低门用于将所述uel信号和所述第二频率判断门输出信号之间的较小信号输入到所述第二输入端。

优选地，所述阈值频率为励磁调节器工作频率范围中的最小值。

优选地，所述励磁调节器传递函数模型的信号输入源还包括第一惯性单元和upss输入信号。

优选地，所述励磁调节器传递函数模型还包括pid控制单元、第三惯性单元和限幅单元，其中：

所述pid控制单元、第三惯性单元和限幅单元依次串联；

所述pid控制单元的输入端与所述信号输入源连接。

优选地，所述pid控制单元包括并联的比例环节、积分环节和微分环节。

优选地，所述励磁调节器传递函数模型还包括一阶微分单元和第二惯性单元，所述一阶微分单元的输入端与所述积分环节的输出端连接，所述第二惯性单元的输入端与所述微分环节的输出端连接。

优选地，所述第一惯性单元的输入信号为发电机输出电压。

本申请提供的励磁调节器传递函数模型有益效果包括：

本申请提供的励磁调节器传递函数模型，信号输入源包括竞高门。竞高门包括第一输入端和第二输入端，第一输入端与第一频率比较单元连接，第二输入端与第二频率比较单元连接。第一频率比较单元包括第一频率判断门和第一竞低门，第一频率比较单元用于当系统频率大于阈值频率时，通过第一竞低门输出v/f信号，反之则输出0；第二频率比较单元包括第二频率判断门和第二竞低门，第二频率比较单元用于当系统频率大于阈值频率时，通过第二竞低门输出0，反之则输出uel信号；竞高门用于输出第一竞低门输出信号和第二竞低门输出信号中的较大信号。通过第一频率比较单元和第二频率比较单元，根据系统频率选择性输出信号到竞高门，避免了在系统电压在低励限制阈值附近时，竞高门频繁更替输出v/f信号和uel信号，造成系统电压波动。由于在故障解决之前，系统频率下降后难以得到较大提升，系统频率与阈值频率之间的大小关系不会频繁改变，因此本申请中竞高门的输出不会频繁更替，避免了系统电压的波动，提高了电力系统安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种励磁调节器传递函数模型的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种励磁调节器传递函数模型的结构示意图。

具体实施方式

本申请提供了一种励磁调节器传递函数模型，参见图2，为本申请实施例提供的一种励磁调节器传递函数模型的结构示意图，如图2所示，该模型的信号输入源包括竞高门2、第一惯性单元1和upss输入信号。

具体的，竞高门2包括第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端与第一频率比较单元连接。第一频率比较单元包括第一频率判断门8和第一竞低门9，第一频率判断门8用于判断系统频率是否大于阈值频率，如果大于则输出v/f信号，如果小于则输出0。第一竞低门9包括两个输入端和一个输出端。第一频率判断门8的输出端与第一竞低门9的其中一个输入端连接，第一竞低门9的另一个输入端用于输入v/f信号。第一竞低门9用于对第一频率判断门8的输出端输出信号和v/f信号进行比较，并输出这两个信号中的较小信号到竞高门2的第一输入端。例如，第一频率判断门8的输出端输出信号是v/f信号，则第一竞低门9输出v/f信号；如果第一频率判断门8的输出端输出信号是0，则第一竞低门9输出0。

系统频率为电力系统的工作频率，大小为50hz。阈值频率是一个预先设置的频率，可设置为励磁调节器工作频率范围中的最小值。例如在大电网电力系统中，将阈值频率设置为47.5hz；在孤网电力系统中，将阈值频率设置为42hz。由于根据发电机运行维护规程规定，当系大电网电力系统电压频率低于47.5hz、孤网电力系统电压频率低于42hz时，励磁调节器将退出运行，因此，本实施例将阈值频率设置为上述值，避免了电力系统或发电机发生故障导致系统电压频率大幅下降时，励磁调节器退出运行，使励磁调节器能够对电网进行调节，避免了故障进一步恶化，保障了电网恢复运行的能力。

第二频率比较单元包括第二频率判断门10和第二竞低门11，第二频率判断门10用于判断系统频率是否大于阈值频率，如果大于则输出0，如果小于则输出uel信号。第二竞低门11包括两个输入端和一个输出端。第二频率判断门10的输出端与第二竞低门11的其中一个输入端连接，第二竞低门11的另一个输入端用于输入uel信号。第二竞低门11用于对第二频率判断门10的输出端输出信号和uel信号进行比较，并输出这两个信号中的较小信号到竞高门2的第二输入端。如果第二频率判断门10的输出端输出信号是uel信号，则第一竞低门9输出uel信号；如果第二频率判断门10的输出端输出信号是0，则第二竞低门11输出0。

竞高门2用于对第一输入端和第二输入端输入的信号进行比较，并输出这两个信号中的较大信号到竞高门2的输出端。

第一惯性单元1的输入信号为机端电压ut，即发电机的输出电压，发电机的输出电压经第一惯性单元1反馈至励磁调节器传递函数模型的信号输入端，即机端电压ut作为励磁调节器传递函数模型的一个信号输入源，使经励磁调节器传递函数模型输出的励磁电压误差进一步减小。需要注意的是，第一惯性单元1的输出信号为负反馈信号。

upss信号为电力系统稳定器输出的电压信号，电力系统稳定器的输入信号为低频0.3-2.5hz的有功功率摆动信号，电力系统稳定器用于将上述摆动信号进行放大和相位调整后叠加在第一惯性单元1的输出信号上，可对发电机施加正阻尼，用于抵消励磁调节器传递函数模型中电压偏差调节产生的负阻尼，从而防止电力系统出现低频振荡，提高了电力系统动态稳定性。

竞高门2的输出信号、第一惯性单元1的输出信号和upss信号进行叠加后，输送至pid调节单元3进行调节。

pid调节单元3包括并联的比例环节、积分环节和微分环节。输入到pid调节单元3的信号分别经上述三个环节进行调节。其中，比例环节用于进行比例调节，减小误差。比例较大时可加快调节，减小误差，但较大比例也会使系统的稳定性下降。

积分环节用于消除稳态误差。在积分环节，可根据误差大小，选取适宜的积分时间常数ti，ti越小，则积分作用就越强。然而，积分调节也会使系统稳定性下降，动态响应变慢。

微分环节用于调节偏差变化率，起到超前的控制作用，在偏差形成之前消除可能出现的偏差，可改善系统的动态性能。选取适宜的微分时间可以减小超调，减少调节时间。然而，微分对噪声干扰具有放大作用，因此，过强的微分调节，将降低系统的抗干扰性能。

本实施例中，为防止积分作用过强导致的超调，甚至系统振荡，在积分环节的输出端连接有一阶微分单元4，用于调节积分环节输出信号的偏差变化率，改善系统动态性能。

为防止微分作用过强导致的超调，甚至系统振荡，在微分环节的输出端连接有第二惯性单元5，用于进行延时，避免信号突变。

比例环节的输出信号、一阶微分单元4的输出信号和第二惯性单元5的输出信号叠加之后，依次经过串联的第三惯性单元6和限幅单元7进行处理。其中，第三惯性单元6用于将信号进行延迟，以防止突变；限幅单元7用于将信号进行限幅，使励磁调节器传递函数模型最终输出幅值大小适宜的励磁电压信号uf。

在电力系统中，系统频率由安装在输电线路上的电压互感器进行检测，电压互感器可检测输电线路上的电压及频率，励磁调节器获取电压互感器检测到的系统频率，根据励磁调节器函数模型调节发电机的励磁电压。

当电力系统正常运行时，系统频率f大小为工频频率；当线路短路故障、变压器匝间短路故障等原因导致发电机组发生故障时，如部分发电机切除，则发电机组的有功输出将减少，造成系统频率f从工频频率快速下降。在系统频率f下降到到阈值频率w之前，f大于w，第一比较逻辑门输出v/f信号，第一竞低门9的第一输入端和第二输入端均输入v/f信号，第一竞低门9输出v/f信号。第二比较逻辑门输出0，第二竞低门11的第一输入端输入0，第二输入端uel信号，第二竞低门11输出0，竞高门2的两个输入端分别输入v/f信号和0，竞高门2输出入v/f信号，根据v/f的值为定值，f小于工频频率，励磁调节器输出的励磁电压下降，使发电机输出电压下降，导致系统电压下降。可见，利用本申请实施例提供的励磁调节器传递函数模型，在统频率f下降到到阈值频率w之前，电压频率限制对发电机输出电压起到调节作用，uel退出运行。

在系统频率f下降到到阈值频率w之后，f小于w，第一比较逻辑门输出0，第一竞低门9的第一输入端输入0，第二输入端v/f信号，第一竞低门9输出0。第二比较逻辑门输出uel信号，第二竞低门11的第一输入端输入uel信号，第二输入端uel信号，第二竞低门11输出uel信号，竞高门2的两个输入端分别输入uel信号和0，竞高门2输出uel信号，提升励磁电压，使发电机输出电压升高，进而提升系统电压，保证了电力系统的正常运行，为故障修复以及提高系统频率提供了缓冲时间。避免了由于系统电压过低，发电机组直接切除，使系统电压、频率进一步下降，加剧系统故障。如果发电机故障无法正常运行，则可以争取时间为其他发电机的增加有功出力或切除相关负荷(即用电用户)稳定频率争取时间。如果发电机故障不严重，则可以为消除发电机故障争取时间。

由上述实施例可见，本申请实施例提供的励磁调节器传递函数模型，根据系统频率与阈值频率的大小，调节发电机的励磁电压。由于在故障解决之前，系统频率下降后难以得到较大提升，因此，本申请以系统频率与阈值频率之间的大小关系，控制竞高门输出，使竞高门的输出不会频繁更替，避免了v/f与uel之间的冲突，从而避免了系统电压在升高和降低之间波动，提高了电力系统安全性。

以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。