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        轉(zhuǎn)子角控制模式下負(fù)荷跟蹤機(jī)制的動模試驗(yàn)驗(yàn)證

        2016-05-23 03:16:34韓學(xué)山郭為民劉國靜
        電力自動化設(shè)備 2016年4期
        關(guān)鍵詞:動模目標(biāo)值發(fā)電機(jī)

        魏 強(qiáng),韓學(xué)山 ,郭為民 ,楊 明 ,劉國靜

        (1.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061;2.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院,河南 鄭州 450052)

        0 引言

        近年來,相量測量裝置(PMU)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3],PMU 以全球定位系統(tǒng)(GPS)為參考,可測量得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角。在實(shí)際系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)子角都在不斷波動。這是由于電力系統(tǒng)有功功率控制一直以頻率標(biāo)準(zhǔn)為參考,通過自動發(fā)電控制(AGC)完成控制任務(wù)[4-5]。這一控制通過檢測頻率的偏移,使發(fā)電機(jī)組調(diào)速機(jī)構(gòu)動作以抑制頻率的變化,這個過程中頻率不斷變化必然導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角處于波動的狀態(tài)。風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電接入后,仍繼續(xù)沿用這一控制方式[6-11],所以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角波動程度也隨之加劇。

        當(dāng)前電力系統(tǒng)有功功率的控制模式可以認(rèn)為是變角度模式,盡管這一模式有其優(yōu)越性,但還是存在弊端。隨著新能源(如風(fēng)電和光伏)的廣泛接入,系統(tǒng)頻率變化更加頻繁無序,而且特性各異的電源散布在各級電網(wǎng)之中,也難以對數(shù)量繁多、特性各異的被控量進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度;另一方面,智能電網(wǎng)的發(fā)展導(dǎo)致發(fā)、輸、配、用環(huán)節(jié)的界限也不再明晰,不清晰的輸電通路也存在潛在的安全風(fēng)險。傳統(tǒng)的基于頻率信號的集中式發(fā)電調(diào)度與控制方式在決策效率、信道延遲以及頻率信號的非同步性方面均出現(xiàn)問題,不僅難以實(shí)現(xiàn)多區(qū)域協(xié)調(diào)控制,甚至可能成為區(qū)域間潮流波動的根源。

        在這個背景下,能夠分散自治、不需要調(diào)度干預(yù)的自動負(fù)荷跟蹤機(jī)制就具有顯著的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[12]提出絕對轉(zhuǎn)子角控制的思路,可以讓每個發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子都在指定的時刻到達(dá)指定角度位置,從而把各發(fā)電機(jī)的絕對轉(zhuǎn)子角在GPS確定的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中固定下來。這種做法可以及時跟蹤負(fù)荷增減,并在不需要調(diào)度干預(yù)的情況下維持能量平衡和系統(tǒng)頻率恒定。這種做法還會帶來其他好處,如文獻(xiàn)[13]已經(jīng)證明,實(shí)施轉(zhuǎn)子角控制后可以根據(jù)就地量測得到區(qū)域間振蕩信息,并提供相應(yīng)的阻尼轉(zhuǎn)矩,因而可在不利用遠(yuǎn)方信息的前提下大幅度提高區(qū)域間振蕩的抑制阻尼比;文獻(xiàn)[14]表明,由于正常運(yùn)行時每個發(fā)電機(jī)都固定在自己的轉(zhuǎn)子目標(biāo)值上運(yùn)行,所以事故發(fā)生后,各發(fā)電機(jī)可根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子角量測確定自己在電網(wǎng)中的位置并增減有功,向事故前目標(biāo)值回歸(但不一定能回到擾動前的數(shù)值),以恢復(fù)秩序和穩(wěn)定,所以這一新模式也會顯著地提高電力系統(tǒng)的暫穩(wěn)極限。

        不過,從某種意義上講,轉(zhuǎn)子角控制模式是與現(xiàn)有模式存在很大差異的一種全新模式,有很多問題有待解答,例如:仿真和實(shí)際是否存在顯著差異,測量精度是否足夠用于控制,能否同時指定所有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角目標(biāo)值等等。所以,通過動模試驗(yàn)來證明這種模式的可行性,是一項(xiàng)必需的基礎(chǔ)工作。本文通過動模試驗(yàn),對這些問題進(jìn)行了解答,證實(shí)了轉(zhuǎn)子角控制模式的可行性,并對新模式下的負(fù)荷跟蹤機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)驗(yàn)證,從而為未來的可能應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

        1 轉(zhuǎn)子角控制的原理

        1.1 絕對轉(zhuǎn)子角的測量

        近年來,PMU技術(shù)得到了長足的發(fā)展,測量精度不斷提高,應(yīng)用也越來越廣泛。新出現(xiàn)的技術(shù)使PMU可以利用鍵相信號直接測量絕對轉(zhuǎn)子角[15]。(絕對轉(zhuǎn)子角是指發(fā)電機(jī)q軸相對于協(xié)調(diào)世界時(UTC)整秒確定的旋轉(zhuǎn)參考矢量的角度)。圖1為這種直接測量法的示意圖。圖中,q軸領(lǐng)先GPS參考矢量的角度δ為絕對轉(zhuǎn)子角(正序機(jī)端電壓U領(lǐng)先GPS參考矢量的角度則為正序機(jī)端電壓絕對角)。

        圖1 根據(jù)鍵相信號測量絕對轉(zhuǎn)子角的示意圖Fig.1 Absolute rotor angle measuring based on key-phase signal

        通過測量鍵相脈沖到達(dá)時刻和秒脈沖PPS(Pulse Per Second)分頻得到的精確50 Hz脈沖到達(dá)時刻間的時間差可以計算得到α,再減去初相角β,就可以得到絕對轉(zhuǎn)子角??梢钥闯?,絕對轉(zhuǎn)子角不是轉(zhuǎn)子q軸相對于系統(tǒng)中某個其他發(fā)電機(jī)的角度,而是在GPS確定的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的角度(相對PPS的角度),因而這個數(shù)值的獲取不需要任何遠(yuǎn)方信息。

        1.2 轉(zhuǎn)子角控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理

        在實(shí)際運(yùn)行的電力系統(tǒng)中,由于系統(tǒng)頻率不是非常準(zhǔn)確的50 Hz(或60 Hz),所以PMU按照前述原理測量得到的轉(zhuǎn)子角會不斷變化。頻率超過50 Hz時轉(zhuǎn)子角逐步增大,頻率低于50 Hz則逐步減小。如果系統(tǒng)中存在低頻振蕩,不同的發(fā)電機(jī)角度增加或減少的數(shù)值也各不相同。這也是廣域測量系統(tǒng)(WAMS)中常見的現(xiàn)象,即頻率變化和低頻振蕩導(dǎo)致發(fā)電機(jī)絕對轉(zhuǎn)子角處于變化之中。

        然而,從控制的角度看,也完全可以轉(zhuǎn)而控制角度,即通過精確地控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,可以使每次秒脈沖到達(dá)時,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子都轉(zhuǎn)到相同的位置,這樣PMU測量得到的絕對轉(zhuǎn)子角將保持不變,頻率也將是精確的50 Hz(或60 Hz),即可同時實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子角和轉(zhuǎn)速(頻率)的無差控制。

        圖2 轉(zhuǎn)子角控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of rotor angle controller

        圖2給出了一種使用PID精確控制轉(zhuǎn)子角的調(diào)速器結(jié)構(gòu)圖。圖中,s為拉普拉斯算子;ω0=2πf0為弧度制的額定轉(zhuǎn)速;δ為本地PMU測量得到的絕對轉(zhuǎn)子角;δaim為調(diào)度下發(fā)的絕對轉(zhuǎn)子角目標(biāo)值;Kp為比例增益;KG為微分增益;T3為低通濾波時間常數(shù);Ti為積分時間;Tch為高壓缸時間常數(shù);Trh為再熱器時間常數(shù);Fhp為經(jīng)再熱器后由中低壓缸產(chǎn)生的功率比例;Ts為伺服機(jī)構(gòu)時間常數(shù)。δaim的參考點(diǎn)也是PPS。顯然,在發(fā)電機(jī)與無窮大系統(tǒng)連接時,δaim越大則發(fā)電機(jī)出力越多。

        圖2所示調(diào)速器的原理并不復(fù)雜:如果測量得到的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角落后(小于指定目標(biāo)值),就把汽輪機(jī)調(diào)門開大一些,根據(jù)搖擺方程可知,此時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速將會上升,轉(zhuǎn)子角也會隨之加大,并逐步回歸期望值;反之亦然。

        1.3 轉(zhuǎn)子角控制器和傳統(tǒng)調(diào)速器的比較

        現(xiàn)有的電力系統(tǒng)通過一次調(diào)頻和AGC來跟蹤負(fù)荷變化,隨時維持負(fù)荷和發(fā)電間的平衡。如果要在電網(wǎng)中實(shí)施轉(zhuǎn)子角控制,就必須用轉(zhuǎn)子角控制器替換傳統(tǒng)的調(diào)速器。一次調(diào)頻功能也隨之消失。不僅如此,轉(zhuǎn)子角控制器內(nèi)沒有接收調(diào)度功率指令PLoadref的接口,也就不可能以傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)AGC。為此,有必要對轉(zhuǎn)子角控制模式下電網(wǎng)如何跟蹤負(fù)荷進(jìn)行進(jìn)一步分析。

        圖2所示控制框圖比較復(fù)雜。圖中積分路徑中的低通模塊和輸出前的補(bǔ)償模塊主要為改善阻尼轉(zhuǎn)矩而設(shè)置,在穩(wěn)態(tài)時不需要考慮。為簡單起見,可以將不包括補(bǔ)償模塊的轉(zhuǎn)子角控制器輸出表示為:

        其中,Δδ為PMU量測得到絕對轉(zhuǎn)子角和調(diào)度下發(fā)的轉(zhuǎn)子角目標(biāo)值的差值,如式(2)所示。

        作為比較,式(3)同時給出了傳統(tǒng)調(diào)速器的輸出:

        可以知道,在負(fù)荷和發(fā)電精確相等且轉(zhuǎn)子角量測也等于目標(biāo)值的瞬間,轉(zhuǎn)子角控制器只有積分路徑有輸出,因此就類似于傳統(tǒng)調(diào)速器的PLoadref。

        不過,傳統(tǒng)控制器根據(jù)頻率增加功率的部分由代替,即在負(fù)荷變化后,轉(zhuǎn)子角控制器會同時根據(jù)頻率和角度增減功率。

        在使用傳統(tǒng)控制器時,如果負(fù)荷增加,則系統(tǒng)最終會穩(wěn)定在一個稍低的頻率上(否則根據(jù)頻率差增發(fā)的部分會回歸到0),即傳統(tǒng)調(diào)速器是根據(jù)頻率的有差控制。

        使用轉(zhuǎn)子角控制器后,在負(fù)荷增加的初期,角度和頻率都會下降,所以控制器內(nèi)比例和微分路徑都會增發(fā)功率,不過隨著頻率逐步恢復(fù)額定值,微分路徑輸出會減小到0,但根據(jù)角度差增發(fā)的部分仍會保留下來,即角度會穩(wěn)定在新的更為滯后的數(shù)值上,新模式在擾動后一段時間內(nèi)是根據(jù)角度的有差控制(但是頻率的無差控制)。隨后,積分路徑會逐步發(fā)揮作用,再讓角度逐步回歸目標(biāo)值,最終實(shí)現(xiàn)角度的無差控制。

        2 負(fù)荷跟蹤機(jī)制的動模試驗(yàn)驗(yàn)證

        2.1 硬件平臺

        動模試驗(yàn)在山東大學(xué)動模試驗(yàn)室完成,試驗(yàn)中使用了2臺12kW的交流發(fā)電機(jī),原動機(jī)為直流電動機(jī)。2臺發(fā)電機(jī)的高壓母線通過線路連接,負(fù)荷則通過降壓變壓器接在其中一臺發(fā)電機(jī)的高壓母線上。試驗(yàn)接線如圖3所示。

        圖3 動模試驗(yàn)接線圖Fig.3 Single-line diagram of experiment system

        圖4是測量和控制接線示意圖。其中,角度測量由發(fā)電機(jī)飛輪上的貼紙和光纖傳感器配合實(shí)現(xiàn),每次貼紙轉(zhuǎn)過傳感器探頭時,傳感器都會發(fā)出一個脈沖給PMU(這個信號就等同于汽輪機(jī)的鍵相信號),再根據(jù)2.1節(jié)所述原理PMU即可計算得到絕對轉(zhuǎn)子角。由于光纖傳感器在高速模式下響應(yīng)時間為50 μs,所以傳感器誤差小于0.9°,加上 PMU 測量誤差0.144°,合計理論誤差在1°左右(實(shí)際短時測量漂移僅為0.2°左右)。

        圖4 動模試驗(yàn)測量和控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Measuring and control loop of experiment system

        PMU得到轉(zhuǎn)子角后,送給轉(zhuǎn)速控制器??刂破鲀?nèi)部邏輯和圖2所示結(jié)構(gòu)類似,但通過模式切換可以選擇定功率模式、一次調(diào)頻模式(閉鎖比例和積分路徑)或者轉(zhuǎn)子角控制模式??刂破鞯妮敵鲋噶顒t通過RS-485通信線發(fā)送給研華的ADAM模塊,再以4~20 mA的電流信號輸出到直流電動機(jī)控制柜,最終達(dá)到改變直流電動機(jī)控制柜電流環(huán)定值和電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

        這個控制閉環(huán)并沒有顯式地模擬汽輪機(jī)的某些環(huán)節(jié)(沒有對應(yīng)再熱器和伺服機(jī)構(gòu)的慣性環(huán)節(jié))。這是因?yàn)楸疚姆抡婺康氖球?yàn)證負(fù)荷跟蹤機(jī)制(而非暫態(tài)過程),而在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程中,轉(zhuǎn)子角控制器內(nèi)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)可以抵消對應(yīng)再熱器和中低壓缸的環(huán)節(jié)。此外,RS-485傳輸和ADAM模塊存在純時延,直流電動機(jī)控制回路的時間常數(shù)又正好對應(yīng)伺服機(jī)構(gòu)、汽門和高壓缸的時間常數(shù),所以最終效果應(yīng)與實(shí)際汽輪機(jī)是相當(dāng)?shù)摹?/p>

        2.2 在多機(jī)系統(tǒng)中啟動轉(zhuǎn)子角控制

        啟動轉(zhuǎn)子角控制可以有2種方式:一種方式是在黑啟動時,讓投入運(yùn)行的第一臺發(fā)電機(jī)直接進(jìn)入轉(zhuǎn)子角控制模式,隨后各發(fā)電機(jī)再依次并網(wǎng)即可;另一種方式則是運(yùn)行中的多臺發(fā)電機(jī)在某一時刻同時投入轉(zhuǎn)子角控制器。下面分別給出2種方式啟動轉(zhuǎn)子角控制的試驗(yàn)結(jié)果(圖中角度數(shù)值由PMU記錄后再由MATLAB作圖,因此沒有使用實(shí)際時間)。

        圖5為動模試驗(yàn)時一臺發(fā)電機(jī)首先投入轉(zhuǎn)子角控制,隨后另外一臺發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的試驗(yàn)結(jié)果曲線。由于增加了PPS作為坐標(biāo)系參考,所以兩機(jī)系統(tǒng)可以畫出2條角度曲線。圖中δ1、δ2分別為發(fā)電機(jī)G1和G2的轉(zhuǎn)子位置量測(未扣除初相角,否則并網(wǎng)后曲線會壓在一起)。

        圖5 一臺發(fā)電機(jī)投入轉(zhuǎn)子角控制后另一臺發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results when one generator begins operating in rotor angle control mode and another generator is then integrated into grid

        從圖中可以看出,在t=71 s時,發(fā)電機(jī)G1先啟動角度控制(以該時刻的轉(zhuǎn)子位置量測作為目標(biāo)值),轉(zhuǎn)子位置在PPS確定的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中不再變化。約150 s后2臺發(fā)電機(jī)并網(wǎng),并網(wǎng)時發(fā)電機(jī)G2的調(diào)速器為定功率模式,但并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)G2的轉(zhuǎn)子位置就不再變化(而在目前實(shí)際運(yùn)行的電網(wǎng)中,任何并網(wǎng)發(fā)電機(jī)在GPS坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子角度位置都隨頻率波動而不斷波動)。

        圖6給出了已處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)且?guī)ж?fù)載的兩機(jī)系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)子角控制的角度記錄。試驗(yàn)開始前,2臺發(fā)電機(jī)的調(diào)速器僅包括一次調(diào)頻環(huán)節(jié)(角度的微分環(huán)節(jié)),電網(wǎng)運(yùn)行在傳統(tǒng)的變角度模式下,且通過手工增減指令使運(yùn)行頻率距離額定頻率很近。在t=94.4 s時將發(fā)電機(jī)G1的控制器轉(zhuǎn)入角度控制模式(以該時刻的轉(zhuǎn)子位置量測作為目標(biāo)值),發(fā)電機(jī)G2仍保持傳統(tǒng)的一次調(diào)頻模式。從結(jié)果曲線可以看出,系統(tǒng)在經(jīng)過一個短暫的過渡過程后就穩(wěn)定下來,2臺發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角都不再變化,實(shí)現(xiàn)了由變角度到定角度的轉(zhuǎn)換。

        第一個試驗(yàn)表明,如果電網(wǎng)已經(jīng)運(yùn)行在定角度模式,則新并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度在并網(wǎng)后也會固定下來。第二個試驗(yàn)則表明,假如電網(wǎng)中發(fā)生非常大的擾動以致不得不暫時轉(zhuǎn)入傳統(tǒng)變角度模式,在擾動平息且頻率基本恢復(fù)后,電網(wǎng)仍可以很方便地重新轉(zhuǎn)入定角度模式。

        圖6 雙機(jī)系統(tǒng)由變角度模式轉(zhuǎn)為定角度模式的角度記錄Fig.6 Rotor angle records when two-machine system operates from variable rotor angle control mode to constant rotor angle control mode

        2.3 轉(zhuǎn)子角控制模式下的負(fù)荷跟蹤

        2.3.1 混合模式下的負(fù)荷跟蹤

        考慮2臺發(fā)電機(jī)僅有1臺啟動轉(zhuǎn)子角控制的場景(另外一臺發(fā)電機(jī)使用傳統(tǒng)調(diào)速器,即僅包括對應(yīng)角度微分的一次調(diào)頻環(huán)節(jié),不包括比例和積分環(huán)節(jié))。

        在t=50 s時,將負(fù)荷增加2 kW,并記錄各發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度和給負(fù)荷提供的電流(由機(jī)端TA、TA6得到)變化曲線,結(jié)果見圖7(由于負(fù)荷為純電阻,所以電流和功率等比例變化,沒有給出功率是因?yàn)槭褂?個互感器結(jié)果進(jìn)行計算會引入更大誤差,此外,該圖及后續(xù)錄波圖寬度對應(yīng)時間長度均小于角度曲線時間長度)。

        從圖中可以看出,負(fù)荷增加后,2臺發(fā)電機(jī)的角度都開始落后,頻率也有短暫的下降,所以2臺發(fā)電機(jī)都開始增加輸出功率。隨后,由于頻率逐步向額定值回歸,發(fā)電機(jī)G2增發(fā)的功率也逐步減少,而發(fā)電機(jī)G1逐漸增多。最終,頻率恢復(fù)到50 Hz后,發(fā)電機(jī)G2的出力回歸到了初始值,而發(fā)電機(jī)G1完全承擔(dān)了負(fù)荷增量部分,在沒有AGC參與的前提下實(shí)現(xiàn)了功率平衡和頻率的無差調(diào)節(jié)。

        這個試驗(yàn)表明電網(wǎng)中的多臺發(fā)電機(jī)可以同時運(yùn)行在不同模式下(定角度模式或傳統(tǒng)的一次調(diào)頻模式甚至定功率模式)。在擾動后,運(yùn)行于傳統(tǒng)一次調(diào)頻模式的發(fā)電機(jī)也可以對電網(wǎng)提供短暫支援,但是增發(fā)功率最終會完全消失,負(fù)荷增量僅由定轉(zhuǎn)子角模式運(yùn)行的發(fā)電機(jī)承擔(dān)。

        圖7 混合模式下負(fù)荷跟蹤過程角度和電流記錄Fig.7 Rotor angle and current records during load following in mixed mode

        圖8 單一模式下負(fù)荷跟蹤過程角度和電流記錄Fig.8 Rotor angle and current records during load following in single mode

        2.3.2 單一模式下的負(fù)荷跟蹤

        如果2臺發(fā)電機(jī)都運(yùn)行在定角度模式下,則試驗(yàn)結(jié)果又會顯著不同,在t=50 s時,將負(fù)荷增加2kW,并記錄各發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度和給負(fù)荷提供的電流變化曲線,結(jié)果見圖8。從圖中可以看出,負(fù)荷增加后,2臺發(fā)電機(jī)的角度都開始落后,頻率也有短暫的下降,所以2臺發(fā)電機(jī)都開始增加輸出功率,頻率和角度相繼恢復(fù)。最終2臺發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角都恢復(fù)到擾動前的數(shù)值,頻率也恢復(fù)到50 Hz,在沒有AGC參與的前提下實(shí)現(xiàn)了功率平衡和頻率的無差調(diào)節(jié)。

        和2.3.1節(jié)結(jié)果進(jìn)行比較,可以看到:首先,由于參與角度控制的發(fā)電機(jī)更多,所以過渡過程中發(fā)電機(jī)角度滯后的幅度更小一些;其次,2臺發(fā)電機(jī)都承擔(dān)了部分負(fù)荷增量。這個實(shí)驗(yàn)也表明,即使負(fù)荷掛在某個定轉(zhuǎn)子角的發(fā)電機(jī)的高壓母線上,該負(fù)荷的增量部分也不一定都由該發(fā)電機(jī)承擔(dān)。

        2.3.3 定角度發(fā)電機(jī)到達(dá)有功上限后的情形

        在多機(jī)系統(tǒng)中使用轉(zhuǎn)子角控制時,不可避免會碰到某臺發(fā)電機(jī)到達(dá)功率上限的情況。顯然,此時發(fā)電機(jī)會失去維持轉(zhuǎn)子角度不變的能力,原本該由此發(fā)電機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷就會轉(zhuǎn)而由相鄰發(fā)電機(jī)承擔(dān)。

        假設(shè)試驗(yàn)系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)G1到達(dá)了有功上限,在t=120 s時和t=475 s時,分2次各將負(fù)荷增加2 kW,并記錄各發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度、兩機(jī)間轉(zhuǎn)子角度差(扣除了初相角)和給負(fù)荷提供的電流變化曲線,結(jié)果見圖9(錄波圖分為2個子圖顯示)。

        圖9 定角度發(fā)電機(jī)到達(dá)有功上限后負(fù)荷跟蹤過程角度和電流記錄Fig.9 Rotor angle and current records during load following when generator with constant angle control reaches upper limit of active power

        可以看出,由于發(fā)電機(jī)G1已經(jīng)到達(dá)有功上限,在負(fù)荷增長時,該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)為恒功率機(jī)組,不再增發(fā)功率(電流瞬時波動則由定子線圈儲能提供)。因此,發(fā)電機(jī)G1的轉(zhuǎn)子角逐步落后。與此同時,本應(yīng)由發(fā)電機(jī)G1承擔(dān)的負(fù)荷都自動地轉(zhuǎn)由發(fā)電機(jī)G2承擔(dān)。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)G2有功仍有充足的裕度,所以其轉(zhuǎn)子角能夠維持不變,且同時確保了系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡,保證頻率維持在額定頻率上。

        在本節(jié)試驗(yàn)中,發(fā)電機(jī)G1的轉(zhuǎn)子角度是隨著負(fù)荷增長而被動地逐步落后的。不過,在實(shí)際運(yùn)行中,當(dāng)某個發(fā)電機(jī)接近出力上限時,調(diào)度應(yīng)主動更改該發(fā)電機(jī)和相鄰機(jī)組的角度目標(biāo)值,從而改變各發(fā)電機(jī)出力和潮流分布,避免發(fā)電機(jī)到達(dá)出力上限。這樣各發(fā)電機(jī)可提供的備用和支援能力才不會縮小。

        值得注意的是,本節(jié)試驗(yàn)還說明,實(shí)施轉(zhuǎn)子角控制后,盡管控制器總是力圖將轉(zhuǎn)子角維持在目標(biāo)值上,但不少因素會使實(shí)際角度偏離目標(biāo)值,即角度并不是任何時刻都被剛性地固定在目標(biāo)值上的,而會在目標(biāo)值附近浮動,尤其在大擾動后更是如此(大擾動再進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后事故地點(diǎn)附近發(fā)電機(jī)的新運(yùn)行點(diǎn)均會偏離目標(biāo)值)。這就為運(yùn)行和控制提供了一定的緩沖余地。

        3 結(jié)論

        為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)子角控制的可行性及相應(yīng)的負(fù)荷跟蹤機(jī)制,在山東大學(xué)動模試驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)的動模試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,現(xiàn)有的測量精度和控制技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子角控制,并且可以同時指定多個發(fā)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)子角。

        動模試驗(yàn)表明,發(fā)電機(jī)并入運(yùn)行于定轉(zhuǎn)子角模式的電網(wǎng)后轉(zhuǎn)子角亦隨之固定下來,此外,如果電網(wǎng)在大擾動后暫時變?yōu)樽冾l變角度模式,也可以在頻率偏差較小時很方便地重新啟動定角度模式。

        動模試驗(yàn)還表明,電網(wǎng)中多種模式(定功率/僅有一次調(diào)頻/定角度)的發(fā)電機(jī)可以并列運(yùn)行,在負(fù)荷快速增長或者大擾動發(fā)生時,電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)都會參與調(diào)節(jié),但調(diào)整結(jié)束后負(fù)荷增量僅由定角度機(jī)組分擔(dān)。定角度機(jī)組越多,則調(diào)整過程中發(fā)電機(jī)角度滯后越少。此外,如果運(yùn)行于定轉(zhuǎn)子角模式的發(fā)電機(jī)到達(dá)出力上限,該發(fā)電機(jī)就會失去維持角度的能力,但相鄰的發(fā)電機(jī)可在負(fù)荷增長時提供支援,因此系統(tǒng)頻率仍可維持不變。

        本文提出的新的控制模式在帶來益處的同時,也會帶來一些新的問題,例如汽輪機(jī)調(diào)整過于頻繁、影響機(jī)械壽命等,需要尋找更好的控制手段加以解決。

        致 謝

        國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院提供了試驗(yàn)用PMU和轉(zhuǎn)子角控制器,山東大學(xué)電氣工程學(xué)院鄒貴彬、于少舟兩位老師提供了部分試驗(yàn)需要的資料和材料,在此表示感謝!

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