DL／T 2286-2021  大型水轮发电机组励磁控制系统性能测试与评价导则

4.3.5频率响应特性（线性系统）

4.3.5.1频率响应特性

地基标准规范范本4.3.5.2开环频率响应特性

玄控制系统的开环频率响应特性主要特征是低频增益G、交叉频率のc、相位裕量Φ和增益

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4.3.5.3闭环频率响应特性

4.3.6复频域稳定特性

4.3.7小信号性能指标优化

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4.4电力系统稳定器（PSS）

4.4.1励磁控制系统的稳定性

发电机功角和励磁调节器增益加大，会降低励磁控制系统的稳定性，由不稳定系统引起的励磁控 制系统振荡，会有变化的频率和幅值，二者取决于不稳定的程度和系统扰动的性质，这振荡可能与瞬 态稳定及大信号性能或动态稳定及小信号性能有关。

4.4.2同步发电机振荡的类型

付加励磁控制时，必须考虑同步发电机和电力系统间，同一电力系统中同步发电机间的振荡特 步发电机振荡通常按特性分类如下：

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a）本机一系统振荡。这些振荡可能关联到一个电厂的一台或多台同步发电机，对比较大的电力 系统或负荷中心一起在频率从0.7Hz到2Hz范围内摆动。现代励磁系统对发电机机端电压调 节速度很快，虽然随着励磁调节器的增益增大，在振荡频率范围内同步转矩增加了，但在发电 机的转矩一转速环中引进了与增益及所联系统有关的负阻尼转矩，本机一系统振荡可能变成负 阻尼转矩。应用电力系统稳定器能够增加同步转矩和阻尼转矩。 6） 地区间振荡。这些振荡可能关联到电力系统中有若干同步发电机组合的一部分，相对电力系 统中另一部分的发电机间的摆动，通常地区间振荡比起本地振荡的频率要低。励磁系统可能对 地区间振荡产生负阻尼，因为地区间振荡通常涉及许多发电机，因此要求在许多发电机励磁系 统都投入电力系统稳定器。 机组间振荡。这类振荡通常使得同一电厂或邻近电厂的2台或多台同步发电机，这些发电机 互相摆动，通常摆动频率在1.5Hz到3Hz间。这些振荡可能会因电力系统稳定器引起，因此 在设定电力系统稳定器参数时必须加以考虑。

4.4.3电力系统稳定器应用

电力系统稳定器是为调节器提供附加输入，用以改善电力系统动态性能的一个或一组单元。电 急定器输入信号一般有发电机有功功率、机端电压的频率、发电机转速或它们的组合。典型的 充稳定器模型如图8、图9所示。

8单输入信号电力系统稳定器模型PSS13

值电流、顶值电压、励磁系统电压响应时间、励磁系统标称响应、励磁系统阶跃（瞬态）响 标应符合DL/T583的规定

5.2.1同步发电机空载的励磁控制系统指标如下：

a）对励磁控制系统频率响应，应满足励磁系统增益为30～800增益裕量为2dB～20dB，相角 量为20°～80°，峰值为1～4（0dB～12dB），带宽为0.3Hz～5Hz。 b）对励磁控制系统阶跃响应，应满足励磁系统超调量为0%～40%，上升时间为0.025s～2.5

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5.2.2同步发电机并网的励磁控制系统指标

发电机励磁系统性能测试试验包括发电机空载试验和发电机负载试验两部分，其中空载试验包括 发电机空载大信号阶跃试验、发电机空载小信号阶跃试验、发电机空载闭环频率响应试验、发电机开 环频率响应仿真试验：负载试验包括发电机负载大信号阶跃仿真试验、发电机负载小信号阶跃试验。

任何确定大信号性能的现场试验应考虑试验对电力系统的冲击。当无法进行现场试验时，可用入 网模型检测试验结果来代替

6.3发电机空载大信号阶跃响应试验

评价励磁调节器的调节性能

发电机处于空载运行状态，维持在额定转速下

发电机空载大信号阶跃响应试验方法如下： a）励磁调节器工作在自动方式。将发电机定子电压调整到额定值，先将调节器的发电机电压给定 值减少一个△U的阶跃信号，录制施加阶跃信号后的发电机电压、励磁电流波形。 b）再将调节器的发电机电压给定值增加一个△U的阶跃信号，录制施加阶跃信号后的发电机电 压、励磁电流波形。 c）阶跃扰动应使励磁系统进入非线性区域，阶跃量AU一般为发电机额定电压的10%～20%

空载阶跃响应的结果中，电压超调量不大于阶跃量的20%，振荡次数不超过3次，调节时 3S。

6.4发电机负载大信号阶跃响应仿真试验

评价励磁系统顶值电压和励磁系统强励能力

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a）励磁调节器工作在自动方式。将发电机定子电压调整到额定值，给调节器的电压给定值减少 个△U的阶跃信号，录制施加阶跃信号后的发电机电压、励磁电流波形。 b）调节器的电压给定值增加一个△U的阶跃信号，录制施加阶跃信号后的发电机电压、励磁电流 波形。 C）阶跃扰动不应使励磁系统进入非线性区域，阶跃量AU一般小于发电机额定电压的10%

空载阶跃响应的结果中，电压超调量不大于阶跃量的20%，振荡次数不超过3次，调节时间不大

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6.6发电机负载小信号阶跃响应试验

测试目的、条件、方法、评价标准见DL/T1231。

6.8发电机开环频率响应仿真试验

试验目的如下： a）评价励磁系统稳定性。 b）指导调整励磁控制系统参数以获得良好动态性能

机处于空载运行状态，维持在额定转速下。

试验方法如下： a）建立对应的励磁控制系统的数学模型及框图，计算励磁控制系统开环传递函数，求出零点及极 点，绘制根轨迹曲线及波特图，根据曲线分析系统的动态特性。 b）运用仿真环境，搭建包含PID校正的励磁系统仿真模型，观察阶跃响应的变化，调整各参数 直至励磁系统的各项指标符合要求。 由于开环频率响应不可实测，可根据从闭环控制系统（见图10）获得的测量结果导出开环频 率响应。推导如下：

图10励磁控制系统的闭环结构框图

评价指标如下： a）励磁控制系统开环频率特性的指标及趋势如下：

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1）低频增益G：数值越大表明维持电压的精度越高。 2）交叉频率の：数值越大表明系统的响应越快。 3）相角裕量Φ：数值越大表明系统的稳定裕度越大。 4）增益裕量Gm：数值越大表明系统的稳定裕度越大。 b）励磁控制系统开环频率特性的指标值如下： 1）对应交叉频率W。时，相角裕量Φm=（180°一Φ）。 2）对应Φ=一180°时，增益裕量Gm=（0一G）dB。 3）对应G=0dB时，交叉频率のc即fc。 由上述三个关键开环特性指标，由此确定增益裕量和相角裕量的边界，对励磁控制系统的稳定 性做出判断，评价标准参见5.2.1。

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通过扰动试验，且以发电机有功功率的波动响应为目标电力弱电图纸、图集，可进行阻尼比计算。 算法一：特征频率0 2元V 则阻尼比为 t+二

N 计算周期数； ti 第一峰值时间，S； t2N+1 一第2N+1峰值时间，S; Pi、P2 —第一和第二个功率峰值，MW； P2N+1、P2N+2——第2N+1和第2N+2个功率峰值，MW。 算法二：阻尼比与有功振荡衰减至10%的过程有一定的对应关系，如图A.1特性。有功振荡周波 数不多时，可根据衰减次数反查阻尼比，比较理想的阻尼比应为0.1～0.2，对应的衰减次数为2次～4次。

振荡衰减（到10%）的次数N与阻尼比关系特

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同步发电机空载的典型开环励磁控制系统的极点

暖通空调图纸、图集DL/T 22862021