Исследование автоматических регуляторов возбуждения синхронного генератора с различными сигналами каналов стабилизации по частоте

110

релейная защита и автоматика

Исследование автоматических 
регуляторов возбуждения 
синхронного генератора 
с различными сигналами каналов 
стабилизации по частоте

УДК 621.311:621.316.9

Ключевые

слова

:

автоматический 

регулятор возбужде-

ния, оценка качества 

переходного процесса, 

входные сигналы кана-

лов внешней стабили-

зации

Климова

Т

.

Г

., 

к.т.н., доцент кафедры 

РЗиА ФГБОУ ВО 

«НИУ «МЭИ»

Николаева

О

.

О

.,

старший преподава-

тель кафедры РЗиА 

ФГБОУ ВО

«НИУ «МЭИ»

В

некоторых

случаях

использование

в

АРВ

СГ

штатного

входного

сигнала

ка

–

налов

стабилизации

по

частоте

напряжения

на

шинах

генератора

может

суще

–

ственно

ухудшить

демпфирование

переходных

процессов

. 

В

статье

отражены

результаты

исследования

работы

регулятора

типа

 AVR-3MT 

в

цифровой

модели

сети

, 

реализованной

в

ПАК

 RTDS. 

Работа

АРВ

рассматривалась

для

несколь

–

ких

схемно

–

режимных

ситуаций

при

разных

входных

сигналах

каналов

внеш

–

ней

стабилизации

. 

Показано

их

влияние

на

размер

и

расположение

областей

устойчивости

, 

набор

оптимальных

параметров

и

, 

как

следствие

, 

на

качество

регулирования

. 

При

этом

использование

других

входных

сигналов

по

частоте

позволяют

получать

более

эффективное

демпфирование

колебаний

, 

чем

при

–

менение

штатного

сигнала

. 

Для

многих

ситуаций

рассчитанные

оптимальные

параметры

лежат

за

пределами

реализуемого

в

АРВ

МТ

диапазона

значений

, 

что

затрудняет

достижение

наилучшего

качества

регулирования

. 

Таким

обра

–

зом

, 

показана

необходимость

анализа

алгоритмов

АРВ

при

разных

входных

сигналах

каналов

внешней

стабилизации

.

А

втоматический  регулятор  возбуждения  (АРВ)  синхронного  ге-

нератора  (СГ)  —  это  ответственное  сложное  устройство,  кото-

рое  требует  оптимальной  настройки  и  проверки  перед  вводом 

в эксплуатацию в ЕЭС России в соответствии с [1]. Расчет оп-

тимальных  значений  должен  осуществляться  во  всех  схемно˗режимных 

ситуациях исходя из требования обеспечения устойчивости электроэнер-

гетической системы (ЭЭС) и наилучшего качества переходных процессов 

(ПП) во всех случаях при малых возмущениях в любой точке системы [1].

В  статье  Ф.Л.  Когана  «Особенности  сильного  регулирования  возбуж-

дения  синхронных  генераторов  в  сложной  энергосистеме»  [2],  а  также 

в  [3,  4],  отмечается,  что  в  некоторых  случаях  демпфирование  переход-

ных процессов при использовании каналов стабилизации по частоте на-

пряжения на зажимах генератора 

fg

 и ее производной (штатные сигналы 

в рассматриваемом регуляторе типа АРВ-МТ) осуществляется менее эф-

фективно,  чем  при  отсутствии  этих  каналов.  Использование  в  качестве 

входного  сигнала  в  каналах  внешней  стабилизации  частоты  вращения 

вала генератора 

fr

 или разности между отклонением частоты вращения 

вала генератора 

fr

 и частоты напряжения на шинах ВН 

fs

 электростанции 

обеспечивает  существенно  большую  стабилизацию  режимов  во  многих 

ситуациях по сравнению с использованием штатного входного сигнала.

Предметом статьи является сопоставление качества стабилизации ре-

жимных параметров при использовании в АРВ разных входных сигналов 

каналов внешней стабилизации.

Для решения поставленной задачи исследовалась работа регулятора 

типа AVR-3MT российского производства, работающего в автоматической 

системе регулирования (АСР). На рисунке 1 представлен фрагмент авто-

матической системы регулирования возбуждения синхронного генерато-

ра [5], используемый для исследования устойчивости функционирования 

АСР. Здесь показаны:

1)  основной канал регулирования напряжения (АРН);

111

2)  каналы внутренней стабилизации (передаточная 

функция 

W

1

If

(

p

)

 по производной тока ротора и 

W

1

u

(

p

)

по  производной  амплитуды  напряжения  стато-

ра) — 



;

3)  каналы  внешней  стабилизации  (передаточная 

функция 

W

0

f

(

p

)

  по  отклонению  частоты  и 

W

1

f

(

p

)

  по 

производной частоты) — 



;

4)  синхронный  генератор  представлен  тремя  пере-

даточными функциями (по числу измеряемых па-

раметров) с параметрами, зависящими от режима 

работы синхронного генератора.

Основными настроечными параметрами в авто-

матическом регуляторе напряжения (АРН) являются 

коэффициент усиления по отклонению напряжения 

статора генератора — 

K

0

u

 (о.е.) и постоянная време-

ни интегрирования в контуре регулирования напря-

жения статора — 

T

u

= 1 / 

K

int

 (с). Параметры каналов 

внешней  стабилизации:  коэффициент  усиления 

по отклонению частоты — 

K

0

f

 (о.е./Гц) и коэффици-

ент  усиления  по  первой  производной  частоты  —

K

1

f

  (о.е./Гц/с).  Параметры  каналов  внутренней  ста-

билизации: коэффициент усиления по производной 

напряжения  статора  — 

K

1

u

  (о.е./с)  и  коэффициент 

усиления  по  первой  производной  тока  ротора  — 

K

1

if

 (о.е./с).

Данные  были  получены  из  цифровой  модели 

сети, реализованной с использованием RTDS (Real-

Time Digital Simulator). Для анализа выбрана работа 

генератора Г1 в нескольких схемно-режимных ситу-

ациях. Имеются данные по 9 ситуациям, в которых 

отключаются  различные  линии  электропередачи 

и  меняется  мощность  нагрузки  (по  программе  на-

стройки АРВ). Схема на рисунке 2а относится к нор-

мальному рабочему режиму, а на рисунке 2б — к ре-

Рис

. 1. 

Фрагмент

линеаризованной

автоматической

системы

регулирования

возбуждения

синхронного

генератора

, 

ГООС

 — 

главная

отрицательная

обратная

связь

Рис

. 2. 

Часть

схемы

сети

нормального

режима

 (

а

) 

и

ремонтного

режима

 (

б

) 

и

АФХ

АСР

в

соответствующих

режи

–

мах

при

разомкнутой

главной

обратной

связи

а)

б)

№

 2 (65) 2021

112

монтному (самому тяжелому из заданных) режиму, 

отключенные линии показаны пунктиром. На рисун-

ке  2  приведены  амплитудно-фазовые  характери-

стики разомкнутых АСР. При этом в АРВ отключены 

каналы  стабилизации,  в  работе  находится  только 

канал напряжения.

В  соответствии  с  критерием  Найквиста  можно 

утверждать,  что  в  схеме  нормального  режима  АСР 

устойчиво работает и при использовании только ра-

бочего  канала  напряжения,  однако  в  ситуации  ре-

монтного режима АСР является неустойчивой.

При использовании цифровых моделей энерго-

систем, содержащих синхронные генераторы, воз-

можно  наблюдать  все  необходимые  параметры, 

в  частности  определять  разные  частоты:  частоту 

вращения  вала  генератора 

fr

(

t

);  частоты  напряже-

ния на шинах генератора 

fg

(

t

) и станции 

fs

(

t

). На ри-

сунке 3 показаны информационные характеристики 

этих частот для некоторых из рассмотренных схем-

но-режимных ситуаций, выбраны наи-

более  разнообразные:  1  —  рабочий 

режим;  4  —  самый  тяжелый  ремонт-

ный режим; 3 и 6 также соответствуют 

ремонтным  режимам  с  отключением 

разных линий. По спектральным плот-

ностям сигналов видно, что приведен-

ные  режимы  разнообразны  и  отлича-

ются друг от друга.

На  рисунке  4  в  одинаковом  мас-

штабе показаны области устойчивости 

АСР  в  плоскости  коэффициентов 

K

0

f

и 

K

1

f

 (коэффициенты каналов внешней 

стабилизации)  для  разных  входных 

сигналов каналов внешней стабилиза-

ции при отключенных (а) и включенных 

каналах внутренней стабилизации (б). 

Видно,  что  каналы  внутренней  ста-

билизации  оказывают  существенное 

влияние  на  размер  областей  устой-

чивости.  Стоит  отметить  поворот  об-

ласти  устойчивости  при  входном  сиг-

нале  каналов  внешней  стабилизации 

dfr

–

dfs

,  это 

обусловлено  соответствующими  фазовыми  сдви-

гами  указанных  сигналов  во  временной  области 

(рисунок 3). Данный поворот области устойчивости 

обеспечивает  необходимое  демпфирование  пере-

ходных  процессов  при  более  широком  изменении 

схемно-режимных ситуаций, имеется запас при де-

формации областей устойчивости в зависимости от 

схем и режимов ЭЭС.

Проанализировано  качество  регулирования 

при  различных  входных  сигналах  каналов  внеш-

ней  стабилизации  и  построены  соответствующие 

области  устойчивости  для  всех  выбранных  схем-

но-режимных  ситуаций  исследуемой  схемы.  На 

рисунке  5  показаны  области  устойчивости  АСР 

в  плоскости  коэффициентов 

K

0

F

  и 

K

1

F

  для  режи-

мов 1 (а) и 3 (б) схемы при указанных входных сиг-

налах каналов внешней стабилизации. Маркерами 

Х  соответствующих  цветов  отмечены  точки  опти-

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА 

И  АВТОМАТИКА

Рис

. 3. 

Измеряемые

сигналы

частоты

и

их

информационные

характеристики

в

разных

режимах

работы

схемы

1)

3)

4)

6)

Рис

. 4. 

Области

устойчивости

АСР

в

нормальном

режиме

работы

схемы

: 

при

отключенных

каналах

внутренней

стабилизации

 (

а

); 

при

включенных

каналах

внутренней

стабилизации

 (

б

)

б)

а)

113

Рис

. 5. 

Области

устойчивости

АСР

для

режимов

 1 (

а

) 

и

 3 (

б

) 

схемы

при

разных

входных

сигналах

каналов

внешней

стабилизации

Рис

. 6. 

Области

устойчивости

АСР

для

стабилизации

частоты

напряжения

статора

при

режиме

работы

 (1) 

и

разных

входных

сиг

–

налах

каналов

внешней

стабилизации

мальной  настройки  для  выбранных  вход-

ных сигналов по частоте, обеспечивающие 

минимум  колебаний  частоты  напряжения 

на шинах статора 

dFg 

→ 

min

, и подписано 

значение  функционала  оптимальности. 

Здесь  также  наблюдается  поворот  обла-

стей  устойчивости  при  входных  сигналах 

частоты  вращения  вала  генератора 

dFr

и комбинации разности частот. Изменение 

входного сигнала каналов внешней стаби-

лизации оказывает существенное влияние 

не  только  на  размер  и  расположение  об-

ластей устойчивости, но и на оптимальный 

набор коэффициентов.

Черный  прямоугольник  показывает  диа-

пазон  значений  коэффициентов 

K

0

F

  и 

K

1

F

, 

реализуемых  в  регуляторе  типа  AVR-3MT. 

Видно, что точки оптимальной 

настройки  при  всех  рассмо-

тренных  частотных  сигналах 

лежат за пределами реализу-

емого  диапазона  коэффици-

ентов, что затрудняет обеспе-

чение  наилучшего  качества 

регулирования.

Для  сопоставления  каче-

ства демпфирования частоты 

напряжения  статора  генера-

тора 

dFg

→

min

 на рисунках 6, 

7  и  8  в  областях  устойчиво-

сти  показаны  линии  равных 

значений  функционала  оп-

тимальности  при  нескольких 

рассмотренных  режимах  (но-

мер  режима,  рассмотренный 

входной  сигнал,  парамет-

ры  оптимальной  настройки 

и  значение  функционала  оп-

тимальности в нулевой точке 

П

О

  указаны  в  подписи  к  каж-

дой  картинке).  Тонкие  линии 

объединяют  значения  коэф-

фициентов 

K

0

F

 и 

K

1

F

, дающие 

одинаковое  качество  регули-

рования,  величина  функцио-

нала оптимальности при этом 

указана  метками  «+»  с  циф-

рами.  Красный  прямоуголь-

ник  ограничивает  диапазон 

значений коэффициентов 

K

0

F

и 

K

1

F

, реализуемых в регуля-

торе  типа  AVR-3MT.  Видно, 

что  настройка  регулятора 

из  красного  прямоугольника 

не  обеспечивает  наилучше-

го  демпфирования  частоты 

напряжения  статора,  а  в  не-

которых  случаях  отключение 

каналов  внешней  стабилиза-

ции (

K

0

F

 = 0 и 

K

1

F

 = 0 — точ-

ка с маркером О) показывает 

меньшее  значение  функцио-

б)

а)

г)

в)

б)

д)

а)

№

 2 (65) 2021

114

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА 

И  АВТОМАТИКА

нала  оптимальности,  чем 

настройка из реализуемо-

го диапазона.

На рисунке 7 для режи –

ма  6  зеленым  цветом  вы-

делены значения реализу-

емых  в  АРВ  МТ  коэффи-

циентов  канала  стабили-

зации, приводящих к повы-

шению степени демпфиро-

вания. При этом для вход-

ного  сигнала 

dFg

  (рису-

нок 7а) включение каналов 

внешней  стабилизации  не 

приводит к повышению ка-

чества регулирования.

Во всех рассмотренных 

случаях 

использование 

входного  сигнала 

dFr

  или 

разности  рассмотренных 

частот  позволяют  более 

полно  и  с  лучшим  каче-

ством регулирования охва-

тывать  диапазон  коэффи-

циентов 

K

0

F

 и 

K

1

F

.

На  рисунке  8  показан 

первично  неустойчивый 

режим 4, то есть при отклю-

ченных  каналах  внешней 

стабилизации  происходит 

нарушение  устойчивости. 

Это также проиллюстриро-

вано на рисунке 3.

Для  сопоставления  ка-

чества  регулирования  ча-

стоты напряжения статора 

при разных входных сигна-

лах каналов стабилизации 

частоты  рассчитаны  спек-

тральные  плотности  из-

менения  частот  напряже-

ния  на  шинах  генератора 

и станции, а также частоты 

вращения вала генератора 

[6].  На  рисунке  9  спектры 

Рис

. 7. 

В

увеличенном

масштабе

области

устойчивости

АСР

для

стабилизации

частоты

напряжения

статора

при

режиме

работы

 (6) 

и

разных

входных

сигналах

каналов

стабилизации

частоты

г)

в)

б)

а)

Рис

. 8. 

В

увеличенном

масштабе

области

устойчивости

АСР

для

стабилизации

частоты

напряжения

статора

при

режиме

работы

 (4) 

и

разных

входных

сигна

–

лах

каналов

стабилиза

–

ции

частоты

а)

а)

г)

в)

в)

б)

б)

д)

Рис

. 9. 

Спектры

колебаний

частот

: 

а

) 

на

шинах

генератора

∆

fg

(

t

); 

б

) 

вращения

ротора

∆

fr

(

t

); 

в

) 

на

шинах

станции

∆

fs

(

t

) 

при

скачке

уставки

напряжения

АРВ

МТ

115

колебания частот для сравнения качества демпфиро-

вания представлены в одном масштабе. 

Обеспечено  цветовое  совпадение  кривых 

и  значений  коэффициентов.  Очевидно,  макси-

мальные колебания всех частот наблюдаются при 

всех отключенных каналах стабилизации (красные 

кривые). Черные кривые наблюдаются при отклю-

ченных  каналах  внешней  стабилизации.  Видно, 

что интенсивность колебаний частоты напряжения 

в  этом  случае  меньше,  чем  интенсивность  ана-

логичных  колебаний  при  включенных  каналах 

внешней  стабилизации  из  области  реализуемых 

значений  в  красном  прямоугольнике.  Наилучшее 

качество  демпфирования  колебаний  ∆

fg

(

t

)  обес-

печивается  при  оптимальной  настройке  каналов 

внешней  стабилизации  (кривые  зеленого  цвета). 

Но это качество не может быть обеспечено в свя-

зи  с  нереализуемостью  отрицательных  значений 

коэффициентов 

K

0

F

 и 

K

1

F

 и необходимостью обес-

печения качества регулирования при всех схемно-

режимных ситуациях.

ВЫВОДЫ

1.  Проанализировано  влияние  входного  сигна-

ла  каналов  внешней  стабилизации  на  области 

устойчивости  АСР.  Наблюдаемый  поворот  об-

ласти устойчивости при использовании частоты 

вращения  вала  генератора  обеспечивает  необ-

ходимое демпфирование переходных процессов 

и запас при деформации областей устойчивости 

при  более  широком  изменении  схемно-режим-

ных ситуаций.

2.  Выбор  входного  сигнала  каналов  внешней  ста-

билизации существенно влияет на размер и рас-

положение области устойчивости, а также на зна-

чение оптимальных параметров регулятора. При 

этом использование других входных сигналов по 

частоте  (вместо  штатного  сигнала  частоты  на-

пряжения статора генератора 

fg

) позволяет более 

полно  охватывать  реализуемый  диапазон  коэф-

фициентов 

K

0

F

 и 

K

1

F

.

3.  Наилучшее  качество  демпфирования  обеспечи-

вается при рассчитанной оптимальной настройке 

каналов внешней стабилизации. Однако это каче-

ство  не  может  быть  обеспечено  в  связи  с  нере-

ализуемостью отрицательных значений коэффи-

циентов 

K

0

F

 и 

K

1

F

 и необходимостью обеспечения 

качества регулирования при всех схемно-режим-

ных ситуациях.

4.  Показана  целесообразность  проведения  серти-

фикационных  испытаний  регуляторов  типа AVR-

MT при разных входных сигналах каналов внеш-

ней стабилизации для более детального анализа 

полученных результатов.  

ЛИТЕРАТУРА
1.  СТО 59012820.29.160.20.001-2012.

Требования  к  системам  возбуж-

дения  и  автоматическим  регу-

ляторам  возбуждения  сильного 

действия  синхронных  генерато-

ров.  Стандарт  организации  ОАО 

«Системный  оператор  Единой 

энергетической  системы».  М., 

2012. 67 с.

2.  Коган  Ф.Л.  Особенности  сильного 

регулирования  возбуждения  син-

хронных  генераторов  в  сложной 

энергосистеме  //  Электрические 

станции, 2019, № 7(1056). С. 27–35.

3.  Юрганов  А.А.  Некоторые  сообра-

жения о статье Ф.Л. Когана «Осо-

бенности сильного регулирования 

возбуждения  синхронных  генера-

торов  в  сложной  энергосистеме» 

//  Электрические  станции,  2019, 

№ 7(1056). С. 36–37.

4.  Коган  Ф.Л.  По  поводу  статьи  А.А. 

Юрганова  «Некоторые  сообра-

жения о статье Ф.Л. Когана “Осо-

бенности сильного регулирования 

возбуждения  синхронных  генера-

торов в сложной энергосистеме”» 

//  Электрические  станции,  2019, 

№ 11(1060). С. 55–56.

5.  Дьяков  А.Ф.,  Климова  Т.Г.,  Мак-

симов  Б.К.  Методики  анализа 

функционирования  автоматиче-

ских  регуляторов  возбуждения 

SM  и  примеры  их  использования 

в  режиме  реального  времени  // 

Электрические  станции,  2015, 

№ 6(1007). С. 39–44.

6.  Климова  Т.Г.,  Николаева  О.О., 

Темкина  Р.В.  Оценка  качества 

функционирования  АРВ  синхрон-

ного генератора с использованием 

частотных  характеристик  //  Энер-

гетик, 2017, № 4. С. 11–16.

REFERENCES
1.  Company Standard STO 59012820.

29.160.20.001-2012.  Requirements 

to excitation systems and automatic 

voltage  regulators  &  power  system 

stabilizers  of  synchronous  genera-

tors.  Company  standard  of  System 

Operator  of  the  United  Power  Sys-

tem,  JSC.  Moscow,  2012.  67  p.  (In 

Russian)

2.  Kogan  F.L.  Special  aspects  of  syn-

chronous generator excitation regu-

lation in a complex power system //

Elektricheskiye stantsii

  [Electric 

power  stations],  2019,  no.  7(1056), 

pp. 27–35. (In Russian)

3.  Yurganov A.A. Considerations about 

the  article  “Special  aspects  of  syn-

chronous generator excitation regu-

lation in a complex power system” by 

Kogan  F.L.  // 

Elektricheskiye stan-

tsii 

[Electric  power  stations],  2019, 

no. 7(1056), pp. 36–37. (In Russian)

4.  Kogan  F.L.  About  the  article  “Con-

siderations about the article “Special 

aspects  of  synchronous  generator 

excitation  regulation  in  a  complex 

power  system”  by  Kogan  F.L.”    by 

Yurganov A.A. // 

Elektricheskiye stan-

tsii 

[Electric  power  stations],  2019, 

no. 11(1060), pp. 55–56. (In Russian)

5.  D’yakov  A.F.,  Klimova  T.G.,  Maksi-

mov  B.K.  Procedures  of  analysis 

of  automatic  excitation  regulator 

SM  operation  and  examples  of  ap-

plication  in  real  time  // 

Elektriches-

kiye stantsii 

[Electric power stations], 

2015,  no.  6(1007),  pp.  39–44.  (In 

Russian)

6.  Klimova  T.G.,  Nikolayeva  O.O., 

Tyomkina R.V. Evaluation of opera-

tion quality of an automatic excitation 

regulator  of  a  synchronous  genera-

tor  by  frequency  charactertistics  // 

Energetik

  [Power  Engineer],  2017, 

no. 4, pp. 11–16. (In Russian)

№

 2 (65) 2021