電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)及控制策略仿真

黨劍飛，李明明，高小芳，周淑輝

DANG Jian-fei, LI Ming-ming, GAO Xiao-fang, ZHOU Shu-hui

（河南省電力公司 駐馬店供電公司，駐馬店 463000）

0 引言

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（pps）是一種附加勵(lì)磁控制技術(shù)，其作用是抑制低頻振蕩。pps在勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中，引入領(lǐng)先于軸的附加信號，產(chǎn)生一個(gè)正阻尼轉(zhuǎn)矩，去克服原勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中產(chǎn)生的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩作用。它抽取與振蕩有關(guān)的信號，如發(fā)電機(jī)有功功率、轉(zhuǎn)速或頻率，加以處理，產(chǎn)生的附加信號加到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生阻尼低頻振蕩的附加轉(zhuǎn)矩。根據(jù)以上分析可以得到，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高有重要作用。

隨著我國電力系統(tǒng)容量和輸電距離不斷增長，大容量機(jī)組更多的采用，電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題不斷出現(xiàn)。PSS技術(shù)的發(fā)展對于改善電壓調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，提高靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)精度和電網(wǎng)運(yùn)行的暫態(tài)穩(wěn)定顯示明顯的優(yōu)點(diǎn)。21世紀(jì)以來各種不同輸入信號的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器已在我國幾個(gè)大型發(fā)電廠運(yùn)行，并經(jīng)受各種運(yùn)行的考驗(yàn)。

1 電力系統(tǒng)電氣元件的數(shù)學(xué)模型

電力系統(tǒng)的每一個(gè)主要元件的特性都對電力系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。有關(guān)這些特性的知識對于理解和研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定是至關(guān)重要的。電力系統(tǒng)穩(wěn)定及其控制技術(shù)與電力系統(tǒng)各電氣元件的暫態(tài)特性有著非常密切的關(guān)系。為了分析電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定，并且進(jìn)行有效地控制，必須首先研究電力系統(tǒng)電氣元件的數(shù)學(xué)模型。它們包括：同步發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)、調(diào)速器以及勵(lì)磁系統(tǒng)等模型。

1.1 同步發(fā)電機(jī)基本模型

影響電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的最主要元件是同步電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)在dq0坐標(biāo)系下的標(biāo)么瞬時(shí)功率和電磁轉(zhuǎn)矩方程分別為：

不考慮軸系分段時(shí)，同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，H—轉(zhuǎn)子慣性常數(shù)；Tm—原動(dòng)機(jī)力矩；Te—電磁力矩；TD—阻尼力矩；D一阻尼系數(shù)。

1.2 原動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)基本模型

1.2.1 汽輪機(jī)的數(shù)學(xué)模型

在汽輪機(jī)中，調(diào)節(jié)汽門和第一級噴嘴之間存在管道和空間，當(dāng)汽門開啟和關(guān)閉時(shí)，進(jìn)入汽機(jī)的蒸汽量雖有改變，但有一定慣性，這就形成原動(dòng)機(jī)出力機(jī)械功率的變化要滯后于汽門開度的變化，這一現(xiàn)象稱為汽容效應(yīng)。對于大容量中間再過熱機(jī)組，由于再熱器的存在，汽容效應(yīng)更加顯著。當(dāng)以閥門開度為輸入量，汽輪機(jī)總機(jī)械功率為輸出量時(shí)候，中間再過熱機(jī)組的傳遞函數(shù)可表示為：

其中，TCH、TRH、TCO分別是控制閥室、再過熱器和聯(lián)箱的汽容時(shí)間常數(shù)，其中以TRH的影響最大，KHP、KIP、KLP分別為高、中、低各級汽缸功率與汽輪機(jī)總功率的比。

1.2.2 調(diào)速器模型

汽輪機(jī)電液調(diào)速器的速度測量環(huán)節(jié)測量機(jī)組轉(zhuǎn)速ω和給定值ω0差，功率測量環(huán)節(jié)測量機(jī)組功率P和給定值P0的偏差，偏組合后經(jīng)PID校正輸出至電液轉(zhuǎn)換器，經(jīng)繼動(dòng)器和油動(dòng)機(jī)輸出到汽輪機(jī)閥門開度。采用系數(shù)為1的硬反饋是為了克服由于繼動(dòng)器和油動(dòng)機(jī)同為積分環(huán)節(jié)所造成的不穩(wěn)定現(xiàn)象。其傳遞函數(shù)框圖如圖1所示。

圖1 傳遞函數(shù)框圖

2 勵(lì)磁系統(tǒng)基本模型

勵(lì)磁系統(tǒng)的種類繁多，但基本上可以分為旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁和靜止勵(lì)磁兩類，旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁分為直流勵(lì)磁機(jī)和交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)由于容量小和可靠性差，已逐步退出使用，本文未加以研究。

本文以IEEE Std 421.5-1992標(biāo)準(zhǔn)最新推薦的用于系統(tǒng)穩(wěn)定性研究用的勵(lì)磁模型為基礎(chǔ)。通常，大型電力系統(tǒng)研究不包括勵(lì)磁電流限制器，考慮到限制器在使用快速動(dòng)作限制器的自并勵(lì)靜止勵(lì)磁中作用越來越大，標(biāo)準(zhǔn)提供了瞬時(shí)勵(lì)磁電流限制器的模型，忽略那些在長期動(dòng)態(tài)過程中起作用的，具有延時(shí)和反時(shí)限特性的保護(hù)和控制功能。

圖2 美國電力電子工程協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEEEstd.421.2(2005)所推薦的PSS

3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器設(shè)計(jì)原理

3.1 國際典型(或標(biāo)準(zhǔn))的PSS系統(tǒng)

美國電力電子工程協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEEEstd.421.2(2005)所推薦的PSS，如圖2所示。

系統(tǒng)中第1輸入通道的信號 為機(jī)組大軸角頻率，第2通道P為功率，這種使用不能混淆，因?yàn)樵诮穷l率的信號中，可能夾雜有機(jī)組的軸系扭振信號，這是一種有極強(qiáng)破壞作用的高頻信號，盡管傳感器對它能有足夠程度的抑制，但還必須經(jīng)過高頻濾波器來對它作最徹底的清除。

3.2 實(shí)現(xiàn)功能

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的主要功能是抑制低頻振蕩，低頻振蕩是指個(gè)別電機(jī)與電網(wǎng)、電網(wǎng)各區(qū)段之間及機(jī)組之間的三類振蕩，表現(xiàn)為機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速或頻率分別產(chǎn)生0.1-1.0Hz，0.1-0.SHz以及1.5-3.0Hz的擺動(dòng)，PSS接收這些振蕩信號并按要求傳遞至電壓調(diào)節(jié)器，通過電壓調(diào)節(jié)器的自動(dòng)控制作用，來實(shí)現(xiàn)對這些振蕩的阻尼。因此0.1-3.0Hz范圍內(nèi)的這些振蕩信號是PSS的工作信號，稱之為主信號。

主信號頻率以外的干擾信號，其中一類是不大于0.01Hz的“直流”及時(shí)間漂移信號;另一類是不小于4Hz的高頻信號，它包括隨機(jī)白噪聲、主信號中的脈動(dòng)信號以及軸系扭振信號。為保證勵(lì)磁控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行及機(jī)組安全，PSS必須把它們予以徹底清除，不允許傳遞至電壓調(diào)節(jié)器。

因此PSS的功能就是把主信號按規(guī)定目標(biāo)傳遞至勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的電壓調(diào)節(jié)器，以阻尼0.1-3.0Hz范圍內(nèi)機(jī)組的三類振蕩，并且徹底阻斷該頻率段范圍外的非主信號通過，以保證勵(lì)磁系統(tǒng)的正常運(yùn)行及機(jī)組安全。

PSS的這種功能決定著其各個(gè)組成環(huán)節(jié)的特性及參數(shù)的設(shè)定值。

3.3 關(guān)鍵環(huán)節(jié)

3.3.1 傳感器

傳感器是一個(gè)典型的慣性環(huán)節(jié)，除了檢測并變送主信號外，還對不小于4.0Hz的高頻非主信號具有足夠程度的抑制作用，使其幅值被限制在主信號幅值的10%范圍之內(nèi)。

3.3.2 高頻濾波器

高頻濾波器在傳感器對高頻信號己有足夠程度濾波的基礎(chǔ)上，如圖5中的高頻濾波器，對其中最具有破壞作用的軸系扭振信號，進(jìn)行再一次最徹底地阻斷，誠然，它對其他高頻信號也具有相應(yīng)的濾波作用，其頻率特性如圖3所示。

圖3 高頻對數(shù)輻頻漸進(jìn)曲線

3.3.3 相位補(bǔ)償器

圖中的相位補(bǔ)償器是一種超前—滯后相位補(bǔ)償器，其頻率特性如圖4所示，其中f5=0.1Hz，f6=3.0Hz

3.3.4 沖洗器

沖洗器是為洗凈不大于0.01Hz的“直流”非主信號對勵(lì)磁控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的干擾而設(shè)置的，所以有些資料又把它稱為“隔直”單元，也有將其稱為自動(dòng)復(fù)位器，意味著只有出現(xiàn)大于0.01Hz的信號時(shí)，才會(huì)使PSS自動(dòng)“投入”勵(lì)磁系統(tǒng)，否則它便自動(dòng)“復(fù)位”，使PSS自動(dòng)“退出”勵(lì)磁系統(tǒng)，相當(dāng)于是一只無觸點(diǎn)的常開自動(dòng)開關(guān)，在圖2中串聯(lián)了兩級，各級的頻率特性如圖5所示，其中關(guān)f7=0.01Hz。

圖4 各級相位補(bǔ)償器特性

圖5 各級沖洗器的特性

從上面的分析中可以看出，采用IEEE模型設(shè)計(jì)的PSS只要參數(shù)選擇合適，可保證PSS主信號頻率的設(shè)定范圍為0.1- 3.0Hz，PSS接收這些振蕩信號并進(jìn)行一定的相位補(bǔ)償和增益調(diào)整，然后傳遞至電壓調(diào)節(jié)器，通過電壓調(diào)節(jié)器的自動(dòng)控制作用來實(shí)現(xiàn)對這些振蕩的阻尼。

4 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析及結(jié)論

附加CPSS(Δω)時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)端電壓、電功率、勵(lì)磁電壓和轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)均為衰減振蕩，其中：機(jī)端電壓振蕩過程6秒內(nèi)平息，振蕩7次，最高振幅1.037pu;電功率振蕩過程6秒內(nèi)平息，振蕩9次，最高振幅0.79pu;勵(lì)磁電壓振蕩過程6秒內(nèi)平息，振蕩7次，最高振幅3.8pu;轉(zhuǎn)速振蕩過程5秒內(nèi)平息，振蕩8次，最高振幅l.0005pu。

由以上結(jié)果可知，附加CPSS的勵(lì)磁控制器的階躍響應(yīng)的波形振蕩在短時(shí)間內(nèi)平息了擾動(dòng)，使系統(tǒng)更迅速的穩(wěn)定下來。仿真結(jié)果顯示出，階躍響應(yīng)這樣的小擾動(dòng)事故，CPSS可以比較好地適應(yīng)系統(tǒng)的變化，提供較理想的阻尼效果。這是傳統(tǒng)PSS的勵(lì)磁系統(tǒng)所不能達(dá)到的。

提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是提高系統(tǒng)可靠運(yùn)行的保證。而低頻振蕩是影響系統(tǒng)穩(wěn)定的一個(gè)重要方面。重要負(fù)荷及快速勵(lì)磁直接減弱了系統(tǒng)的阻尼。PSS是抑制低頻振蕩的一個(gè)有效方法，其原理是通過附加勵(lì)磁控制提供所需要的附加阻尼來加以抑制。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器能夠更有效的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和保持發(fā)電機(jī)端電壓的水平。以單機(jī)無限大系統(tǒng)為例作的仿真取得了良好的結(jié)果，使電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在較短的時(shí)間內(nèi)使電力系統(tǒng)穩(wěn)定，并使超調(diào)量減小，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性得到了很大的提高，在電力系統(tǒng)控制中有很廣闊的應(yīng)用前景。

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