余洋
(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)
在電力系統(tǒng)中,提高和維持同步發(fā)電機(jī)運行的穩(wěn)定性,是保障電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運行的前提條件。發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)進(jìn)行電壓調(diào)控和穩(wěn)定運行的重要部分,對其運行的可靠性和穩(wěn)定性有著直接影響。常規(guī)勵磁調(diào)節(jié)器一般采用PID控制方式,控制簡單且易于實現(xiàn),得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是由于它提供的超前相位的頻率與低頻振蕩的頻率不一定相同,因而它為電壓信號所設(shè)計的超前相位不一定滿足補償負(fù)阻尼所需的相位[1-3]。
電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)是一種有效的附加勵磁控制,主要應(yīng)用于干擾之后的系統(tǒng)功率振蕩,通過采集發(fā)電機(jī)參數(shù)組成反饋作用于勵磁系統(tǒng),在系統(tǒng)短路故障瞬間的暫態(tài)過程中可以加快發(fā)電機(jī)端電壓的恢復(fù),有助于平穩(wěn)各發(fā)電機(jī)參數(shù)的暫態(tài)振蕩。PSS主要應(yīng)用于干擾之后的系統(tǒng)功率振蕩,具有極高的應(yīng)用價值。
本文利用Matlab/Simulink仿真研究了不同輸入形式的PSS穩(wěn)定電力系統(tǒng)的作用。仿真對比了無窮大系統(tǒng)中處于同樣工況的發(fā)電機(jī)在加裝不同PSS的條件下對于不同類型故障的響應(yīng)情況。仿真結(jié)果表明,安裝了PSS的同步發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)故障擾動下的穩(wěn)定性得到明顯提升,并且雙輸入的PSS的功能強(qiáng)于單輸入PSS。
勵磁系統(tǒng)是現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分,其主要任務(wù)就是通過采集發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓信息,反饋到勵磁作用中,實現(xiàn)了對于發(fā)電機(jī)端電壓的控制電壓控制、合理分配,以提高同步發(fā)電機(jī)運行的穩(wěn)定性。勵磁調(diào)節(jié)器一般由2個部分組成:勵磁主電路和勵磁調(diào)節(jié)器。前者是由勵磁電源、主整流器、滅磁電路以及過流過電壓保護(hù)電路組成。后者根據(jù)發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)自動調(diào)節(jié)勵磁電流以滿足發(fā)電機(jī)的運行要求,主要包括測量比較、綜合放大、移相觸發(fā)3部分,見圖1。
圖1 勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the excitation system
在Simulink軟件中提供了勵磁系統(tǒng)模塊,可以輸入?yún)?shù)直接應(yīng)用。其框圖如圖2所示。圖中4個輸入端口,Vref是參考電壓;Vd、Vq分別是輸出電壓的直軸和交軸分量,Vstab為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器輸入端口。
圖2 Simulink中勵磁系統(tǒng)模塊框圖Fig.2 Block diagram of the excitation system in Simulink
電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS一般由測量環(huán)節(jié)、超前—滯后環(huán)節(jié)和隔直環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中,測量環(huán)節(jié)用于信號的測量和濾波,信號采集環(huán)節(jié)由傳感器來完成,它將PSS的工作主頻(0.1~3 Hz)范圍內(nèi)的信號傳進(jìn)PSS;超前—滯后環(huán)節(jié)用于相位的補償;隔直環(huán)節(jié)的作用是當(dāng)信號的變化達(dá)到穩(wěn)態(tài)時,PSS的輸出為0[4]。PSS在電壓調(diào)節(jié)器(AVR)或其他形式的調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上,通過采集與低頻振蕩有關(guān)的發(fā)電機(jī)輸出量,如有功功率、轉(zhuǎn)速或頻率,加以處理,產(chǎn)生附加信號加到勵磁調(diào)節(jié)器中。這些引入的附加反饋ΔP(Δf或Δ∞)能夠使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生對功率(或轉(zhuǎn)速)中的低頻振蕩分量的阻尼力矩,迅速抑制低頻振蕩。
圖3 一種雙輸入PSS結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of a bi-input PSS
因此,由于引入反饋量的類型與個數(shù)不同,不同種類的PSS的工作性能之間存在著差異。單一的以ΔP,或Δω作為輸入信號都存在不足之處,而Δ∞和△只同時為輸入信號,它們可以相互補償,減小反調(diào)現(xiàn)象的影響[4]。圖3是一種較為典型的雙輸入PSS的結(jié)構(gòu)圖。本文重點在于通過仿真分析基于ΔP和Δω 2個反饋量的雙輸入PSS和只引入ΔP的單輸入PSS相比于沒有PSS情況下工作性能差異。
Matlab提供的Simulink工具箱是一個針對電力系統(tǒng)仿真軟件平臺,在這一平臺上可以完成諸多方面的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真。為了保證問題研究具有普遍性,在研究勵磁系統(tǒng)仿真模型時,通常采用典型的電力系統(tǒng),即單機(jī)無窮大系統(tǒng)來進(jìn)行[5]。在Matlab軟件中以Simulink搭建此仿真模型,該仿真系統(tǒng)包括同步發(fā)電機(jī)模塊、PSS模塊、勵磁調(diào)節(jié)器模塊、升壓變壓器模塊、三相短路模塊、無窮大系統(tǒng)模塊、斷路器模塊和線路阻抗模塊。
在圖4中,同步發(fā)電機(jī)輸出的電能經(jīng)升壓變壓器與無窮大電源并網(wǎng),并通過接入三相短路刀閘模擬電力系統(tǒng)短路故障,通過在原動機(jī)輸入端疊加階躍函數(shù)表示原動機(jī)擾動。同步發(fā)電機(jī)模型輸出三相電以及發(fā)電機(jī)參數(shù)。通過電機(jī)參數(shù)分離模塊獲取的發(fā)電機(jī)參數(shù),變換后輸入給勵磁調(diào)節(jié)器以及PSS。經(jīng)勵磁調(diào)節(jié)器和PSS調(diào)節(jié)后的電壓相加后又送到發(fā)電機(jī)的勵磁端口[6-9]。
電路各模塊的參數(shù)如下。
發(fā)電機(jī)參數(shù):P等于 200 MV·A;Un等于13 800 V;f等于 50;Xd等于 1.305;Xd′等于 0.308;Xd″等于 0.273;Xq等于 0.465;Xq″等于 0.251;Xl等于0.22。
電網(wǎng)參數(shù):變壓器變比為23.8/210;電網(wǎng)電壓為200 kV。
圖4 仿真電路圖Fig.4 Circuit simulation diagram
勵磁系統(tǒng)參數(shù):Tr為 0.002;Ka為 100;Ta為0.01;Kf為 0.01;Tf為 0.1;限幅幅值為 11.5。
PSS 參數(shù):T1為 5;T2為 0.181;T3為 0.087;T4為0.02;T5為 1。
短路故障是電力系統(tǒng)中最為常見的暫時性故障,其中以三相接地短路帶給電網(wǎng)的沖擊最大,因此,研究這種工況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性對研究電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性意義重大。由于在正常情況下,當(dāng)出現(xiàn)短路時,一般線路繼電保護(hù)設(shè)備在0.1 s的時間內(nèi)已經(jīng)完全能夠正確動作[10-13],因此仿真其重合閘時間一般為0.1 s,故設(shè)短路模塊的接地時間是25~25.1 s。
試驗分別在不加PSS,加入基于ΔP的單輸入PSS和基于Δω與ΔP的雙輸入PSS 3種情況下進(jìn)行。圖5~7為3種情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω隨時間的變化情況,圖8~10為3種情況下發(fā)電機(jī)輸出功率隨時間的變化情況。
圖5 三相接地,不加PSS的轉(zhuǎn)子角速度波形Fig.5 Waveform of ω without PSS in 3-phase fault
圖6 三相接地,加單輸入PSS的轉(zhuǎn)子角速度波形Fig.6 Waveform of ω with single-input PSS in 3-phase fault
發(fā)電機(jī)的原動機(jī)轉(zhuǎn)矩變化會影響電力系統(tǒng)的運行狀態(tài),當(dāng)發(fā)電機(jī)滿載運行時(P=1)時,起勵25 s后在原動機(jī)輸出功率上疊加一個5%的階躍量用以模擬原動機(jī)狀態(tài)的變化,此時得到同步發(fā)電機(jī)起勵運行的機(jī)端電壓波形如圖11~12所示。觀察波形可以看出,不加PSS時,受到擾動波動幅值大,20個周波后仍有振蕩,而使用AVR+PSS控制時,其擾動波動幅值小,大約在12個周波后趨于穩(wěn)定,說明PSS對擾動有很好抑制作用。
圖7 三相接地,加雙輸入PSS的轉(zhuǎn)子角速度波形Fig.7 Waveform of ω with bi-input PSS in 3-phase fault
圖8 三相接地,不加PSS的發(fā)電機(jī)輸出功率波形Fig.8 Waveform of P without PSS in 3-phase fault
圖9 三相接地,加單輸入PSS的發(fā)電機(jī)輸出功率波形Fig.9 Waveform of P with single-input PSS in 3-phase fault
圖10 三相接地,加雙輸入的PSS的輸出功率波形Fig.10 Waveform of P with bi-input PSS in 3-phase fault
圖11 原動機(jī)加階躍,不加PSS發(fā)電機(jī)輸出功率波形Fig.11 Waveform of P without PSS when mover steps
圖12 原動機(jī)加階躍,加雙輸入PSS發(fā)電機(jī)輸出功率波形Fig.12 Waveform of P with bi-input PSS when mover steps
通過軟件仿真結(jié)果對比發(fā)電機(jī)在不加PSS,加單輸入PSS和加雙輸入PSS 3種情況在電網(wǎng)故障狀態(tài)后的參數(shù)變化,可以得到PSS對于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用,其主要體現(xiàn)在以下方面。
由于PSS是專門為抑制低頻振蕩而設(shè)置的,其效果是明顯的。對比仿真結(jié)果,不論是開機(jī)后的啟動振蕩,還是在系統(tǒng)發(fā)生故障的暫態(tài)振蕩,投入PSS后發(fā)電機(jī)的參數(shù)振蕩平息速度大大快于不加PSS的情況,提高了電力系統(tǒng)故障后的穩(wěn)定性。
PSS對于暫態(tài)穩(wěn)定的影響主要可以分成2個方面:一是對于大擾動后第一擺的影響;二是對第一擺后的后續(xù)振蕩的影響。對比仿真結(jié)果,PSS對于第一擺的影響不明顯,因為PSS主要通過發(fā)電機(jī)的勵磁繞組起作用,而發(fā)電機(jī)的勵磁繞組的時間常數(shù)較大。由于PSS能夠在一定頻率范圍內(nèi)提供正阻尼,因此,它對后續(xù)振蕩有明顯的抑制作用,可以降低振蕩幅值,縮短暫態(tài)過程。
由于ω附加阻尼力矩,雙輸入的PSS波動幅值均小于單輸入PSS,因此,基于Δω和ΔP的雙輸入PSS有著比ΔP的單輸入PSS更好的穩(wěn)定功能。
當(dāng)系統(tǒng)受到不同類型的干擾后,傳統(tǒng)的AVR勵磁控制系統(tǒng)雖然能一定程度上保證系統(tǒng)重新回到穩(wěn)定運行點,但收斂時間相對較長,波動幅度較大。含有PSS的勵磁控制系統(tǒng)具有較好的控制特性,而且PSS采取的反饋量越多,則控制力度越強(qiáng),系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越好。
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