發(fā)電機勵磁低勵限制與PSS協(xié)調控制研究

劉國華，王 嘯，赫衛(wèi)國

（國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇 南京 210003）

發(fā)電機勵磁低勵限制與PSS協(xié)調控制研究

劉國華，王 嘯，赫衛(wèi)國

（國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇 南京 210003）

電網(wǎng)系統(tǒng)故障時發(fā)電機勵磁系統(tǒng)輔助控制環(huán)節(jié)之間的協(xié)調配合對勵磁系統(tǒng)調節(jié)會產(chǎn)生一定影響。結合勵磁系統(tǒng)主環(huán)及低勵限制、PSS環(huán)節(jié)模型，通過仿真系統(tǒng)階躍擾動等方法分析了勵磁低勵限制和PSS控制之間的協(xié)調工作特性，為優(yōu)化勵磁系統(tǒng)限制環(huán)節(jié)模型參數(shù)提供參考。

勵磁系統(tǒng)；電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；低勵限制；系統(tǒng)阻尼比

勵磁控制系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分，能夠提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性，在暫態(tài)過程中能夠加速電網(wǎng)電壓的恢復［1］。勵磁控制系統(tǒng)在電網(wǎng)或者發(fā)電機自身發(fā)生故障時，存在勵磁系統(tǒng)主控制環(huán)節(jié)與輔助控制環(huán)節(jié)、以及輔助控制環(huán)節(jié)之間同時發(fā)生作用的時刻，此時正是電網(wǎng)穩(wěn)定性受到威脅或者發(fā)電機本體安全受到潛在威脅的時刻，因此深入研究勵磁系統(tǒng)多個輔助環(huán)節(jié)共同作用過程中的協(xié)調控制問題，找到并選擇合適的參數(shù)實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)輔環(huán)之間的協(xié)調控制，可以保證在電網(wǎng)出現(xiàn)故障或者發(fā)電機自身發(fā)生故障時，勵磁系統(tǒng)能夠最大程度地為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定以及發(fā)電機的安全做出最大的貢獻。

1 仿真系統(tǒng)模型及勵磁模型

針對勵磁系統(tǒng)輔助環(huán)節(jié)的協(xié)調控制，首先建立電力系統(tǒng)模型、勵磁系統(tǒng)及各輔助環(huán)節(jié)控制模型，然后通過matlab仿真運算得出系統(tǒng)的響應曲線，由此開展深入分析。

1.1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)計算模型采用兩機無窮大系統(tǒng)模型，如圖1所示。

1.2 勵磁系統(tǒng)主控制模型

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)控制模型包含了勵磁系統(tǒng)主控制環(huán)節(jié)和各勵磁輔助控制環(huán)節(jié)，控制模型如圖2所示。

圖1 兩機無窮大系統(tǒng)模型

圖2 勵磁系統(tǒng)控制模型

圖2中：Ut為發(fā)電機定子電壓；Kp為比例環(huán)節(jié)參數(shù)；Uref為定子電壓參考值；Ki為積分環(huán)節(jié)參數(shù)；Uf為勵磁電壓；Kd為微分環(huán)節(jié)參數(shù)；URmax為勵磁電壓上限；Tr為電壓測量時間常數(shù)；URmin為勵磁電壓下限；Ta為勵磁系統(tǒng)自身時間常數(shù)；Uuel為欠勵限制輸出；Upss為PSS輸出；Uoel為過勵限制輸出；Uc為調差輸出。

1.3 勵磁PSS控制模型

PSS控制環(huán)節(jié)采用雙輸入三階模型，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制，控制模型如圖3所示。

圖3 勵磁PSS控制模型

圖3 中：P為發(fā)電機有功功率；ω為發(fā)電機機械轉速；Tw1～Tw3為隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)；T1～T6為超前滯后環(huán)節(jié)時間常數(shù)；T7為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)；T8～T9為斜坡環(huán)節(jié)時間常數(shù)；M、N為斜坡函數(shù)階數(shù)；KS1～KS3為比例放大倍數(shù)。

1.4 勵磁低勵限制模型［2］

低勵限制功能的主控制環(huán)節(jié)設計為一階超前滯后，其作用方式為在AVR主環(huán)基礎上進行疊加，以無功的偏差作為輸入，低勵限制動作設定值與機端電壓平方成正比。

圖4中：Qts為發(fā)電機無功功率；Tqc2為超前滯后時間常數(shù)；Qcref為欠勵限制參考值；Qcmax為欠勵限制輸出上限；Kqc為比例放大倍數(shù)；Uuel為欠勵限制輸出；Tqc1為超前滯后時間常數(shù)。

圖4 勵磁低勵限制模型

2 低勵限制與PSS協(xié)調控制分析

本文通過設置系統(tǒng)參數(shù)，分別建立一般性系統(tǒng)和弱聯(lián)系系統(tǒng)，再將勵磁控制器的低勵限制功能和PSS控制功能設置為未投入和投入兩種工況，結合仿真做發(fā)電機機端電壓階躍試驗，模擬系統(tǒng)發(fā)生波動，觀察不同低勵限制參數(shù)下系統(tǒng)的響應特性，從而分析勵磁系統(tǒng)低勵限制與PSS控制的協(xié)調關系。

2.1 一般性系統(tǒng)低勵限制與PSS協(xié)調控制

將系統(tǒng)設置為一般性系統(tǒng)，在G1機組機端做階躍試驗，分析如下。

a.G1和G2機組低勵限制和PSS均未投入時系統(tǒng)阻尼比：G1機組為0.146，G2機組為0.107，區(qū)域間（線路）為0.118。

b.僅G1機投入低勵限制和PSS時系統(tǒng)阻尼比：當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機組為0.399，G2機組為0.145，區(qū)域間（線路）為0.235；當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10時，G1機組為0.381，G2機組為0.143，區(qū)域間（線路）為0.208；當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機組為0.403，G2機組為0.145，區(qū)域間（線路）為0.219。

c.比較2臺發(fā)電機都投入PSS以及G1機低勵動作與否的工況，由于G1機低勵限制動作，當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機阻尼比有所降低（－0.057），G2機阻尼比也有所降低（－0.055），區(qū)域間（線路）阻尼比同樣有所降低（－0.010）；當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10時，G1機阻尼比有所降低（－0.050），G2機阻尼比也有所降低（－0.109），區(qū)域間（線路）阻尼比同樣有所降低（－0.007）；當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機阻尼比有所降低（－0.044），G2機阻尼比也有所降低（－0.054），區(qū)域間（線路）阻尼比同樣有所降低（－0.0045）。

通過以上數(shù)據(jù)，可以得出如下結論。

a.與未投入低勵限制和PSS的工況相比，不管低勵限制是否投入以及低勵參數(shù)設置為哪組參數(shù)，只要投入機組PSS功能，對應發(fā)電機組阻尼比都會有很大幅度地提高，線路阻尼比在2臺機都投入PSS時達到最大。由于低勵限制的動作，G1和G2機阻尼比都有一定程度地下降，當?shù)蛣顓?shù)采用Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30對系統(tǒng)阻尼比影響較小。

b.低勵限制與PSS能夠在較大范圍內(nèi)保持協(xié)調工作，低勵限制動作使系統(tǒng)阻尼比有所降低，但是系統(tǒng)阻尼比沒有因為低勵限制參數(shù)的變化而變化很大，只是對系統(tǒng)無功功率的動態(tài)特性有較大影響。

2.2 弱系統(tǒng)下低勵限制與PSS協(xié)調控制

將系統(tǒng)設置為弱系統(tǒng)，在G1機組機端做階躍試驗，分析如下。

a.G1和G2機組未投入低勵均投入PSS時系統(tǒng)的阻尼比：G1機組為0.239，G2機組為0.328，區(qū)域間（線路）為0.364。

b.僅G1機投低勵限制和PSS時系統(tǒng)的阻尼比：當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機組為0.314，G2機組為0.101，區(qū)域間（線路）為0.103；當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10時，G1機組為0.309，G2機組為0.105，區(qū)域間（線路）為0.103；當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30，G1機組為0.302，G2機組為0.105，區(qū)域間（線路）為0.102。

c.比較2臺機組都投入PSS以及G1機低勵動作與否的工況，由于G1機組低勵動作，當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機組的阻尼比有所增加（0.079），G2機組的阻尼比也有所增加（0.051），區(qū)域間（線路）阻尼比有所降低（－0.042）；當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10時，G1發(fā)電機組阻尼比有所增加（0.076），G2發(fā)電機組阻尼比也有所增加（0.015），區(qū)域間（線路）阻尼比有所降低（－0.042）；當?shù)蛣顓?shù)為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1發(fā)電機組阻尼比有所增加（0.066），G2發(fā)電機組阻尼比也有所增加（0.053 8），區(qū)域間（線路）阻尼比有所增加（0.027）。

通過以上數(shù)據(jù)，可以得出如下結論。

a.在投入PSS后，相應機組的阻尼都變?yōu)榱藦娮枘?，區(qū)域間的阻尼在2臺機都投入PSS時變?yōu)閺娮枘幔辉贕1機低勵限制動作后，G1和G2發(fā)電機阻尼比有一定幅度提高，區(qū)域間（線路）的阻尼比只在低勵參數(shù)為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時才有所增加，其他兩個參數(shù)都將區(qū)域間的阻尼比減弱。

b.低勵限制與PSS控制協(xié)調總體良好，低勵限制的動作在一定程度上提高了各發(fā)電機組的阻尼比，低勵參數(shù)的變化對低勵限制與PSS之間的協(xié)調配合影響不大，在該弱系統(tǒng)條件下，可以較大范圍調整低勵限制參數(shù)。

3 結束語

本文針對在電力系統(tǒng)故障期間發(fā)電機勵磁系統(tǒng)輔助環(huán)節(jié)共同作用過程中的協(xié)調控制問題，通過建立系統(tǒng)仿真模型、勵磁系統(tǒng)控制模型及限制環(huán)節(jié)模型并設置相關參數(shù)，采用仿真計算方法，系統(tǒng)分析了勵磁低勵限制、PSS動作時對系統(tǒng)的影響以及相互間的協(xié)調關系，可為優(yōu)化發(fā)電機勵磁系統(tǒng)限制模型參數(shù)設置等工作提供參考。

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Study on the Coordination Control Between under Excitation Limiter and PSS Control

LIU Guo?hua，WANG Xiao，HE Wei?guo
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210003，China）

The coordination control of generator excitation limiters has an important impact on the power grid when the power grid breaks down.The paper designs the excitation system control model of master and additional limiter.According to simulation result，the paper analyses the coordination control between under excitation limiter and PSS.In the meantime，the paper provides the reference for typical parameter of excitation limiter.

Excitation system；PSS；Under excitation limiter；Damping ratio

TM31；TM301.2

A

1004－7913（2015）02－0057－03

劉國華（1972—），男，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)自動化及發(fā)電機勵磁控制研究設計工作。

2014－11－28）