摘 要:為精確確定同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行極限,提出了一種在穩(wěn)定極限約束條件下計(jì)算同步調(diào)相機(jī)穩(wěn)定極限的方法。該方法運(yùn)用原始模型對(duì)小干擾情況下同步調(diào)相機(jī)進(jìn)行建模,得出對(duì)應(yīng)的小干擾線性化模型,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行極限的計(jì)算。仿真結(jié)果表明,該方法可以準(zhǔn)確計(jì)算出穩(wěn)定運(yùn)行極限,給實(shí)際同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行提供技術(shù)依據(jù)。
關(guān)鍵詞:同步調(diào)相機(jī);海佛容-飛利蒲斯;運(yùn)行極限
0? ? 引言
隨著新能源接入電網(wǎng)的容量不斷增大,其大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸送成為電網(wǎng)需要解決的問(wèn)題。實(shí)踐中為解決此問(wèn)題,我國(guó)大規(guī)模建造了直流輸電系統(tǒng)。傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)一般配置交流濾波器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,然而,直流閉鎖后無(wú)功迅速過(guò)剩,交流濾波器無(wú)法迅速切除,將導(dǎo)致嚴(yán)重的過(guò)電壓,所以提出采用同步調(diào)相機(jī)來(lái)解決直流閉鎖后的電壓、無(wú)功過(guò)剩問(wèn)題。
目前,國(guó)內(nèi)已對(duì)同步調(diào)相機(jī)展開(kāi)了深入研究,文獻(xiàn)[1]研究了同步調(diào)相機(jī)的控制和運(yùn)行特性,為其他研究提供了模型基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[2]研究了同步調(diào)相機(jī)自動(dòng)電壓控制策略對(duì)華東電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。文獻(xiàn)[3]研究了同步調(diào)相機(jī)對(duì)直流閉鎖后的電壓支撐作用。上述文獻(xiàn)針對(duì)同步調(diào)相機(jī)和電網(wǎng)交互作用作出了深刻研究,為同步調(diào)相機(jī)實(shí)際運(yùn)行提供了更多經(jīng)驗(yàn),但這些文獻(xiàn)均未從穩(wěn)定極限約束的角度去分析同步調(diào)相機(jī)的運(yùn)行極限。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,為準(zhǔn)確計(jì)算同步調(diào)相機(jī)下的運(yùn)行范圍,使同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)保持較好的穩(wěn)定性,推導(dǎo)了同步調(diào)相機(jī)的模型,通過(guò)特征值分析方法給出自動(dòng)電壓控制模式下調(diào)相機(jī)穩(wěn)定的約束條件,然后進(jìn)行仿真建模,對(duì)理論推導(dǎo)進(jìn)行驗(yàn)證,仿真結(jié)果表明該方法可以準(zhǔn)確計(jì)算同步調(diào)相機(jī)的運(yùn)行范圍。
1? ? 初值計(jì)算
建立單機(jī)系統(tǒng)無(wú)窮大模型時(shí),需要首先確定初值的計(jì)算方法,本節(jié)介紹同步調(diào)相機(jī)的初值計(jì)算方法,本文計(jì)算采用的單位除特別說(shuō)明的情況外,均為標(biāo)幺值。
假設(shè)同步調(diào)相機(jī)處于自動(dòng)電壓控制模式,已知量為無(wú)功功率Q、發(fā)電機(jī)有功功率P,根據(jù)上述兩個(gè)電氣量求解其他狀態(tài)量。
同步調(diào)相機(jī)有功功率很小,同時(shí)可以認(rèn)為功角近似為0,可以根據(jù)式(1)計(jì)算出有功為:
P=sin δ+sin 2δ? ? ? ? ?(1)
式中,Eq′為q軸暫態(tài)電動(dòng)勢(shì);U為母線電壓;xds′=xd′+xs,xd′為發(fā)電機(jī)d軸暫態(tài)同步電抗,xs為變壓器和發(fā)電機(jī)送出線路電抗和;xqs′=xq′+xs,xq′為發(fā)電機(jī)q軸暫態(tài)同步電抗。
由于δ近似為0,可認(rèn)為sin δ≈δ,sin 2δ≈2δ,則式(1)可以近似改寫為:
P=δ+U2δ? ? ? ? ? (2)
同步調(diào)相機(jī)的無(wú)功表達(dá)式Q可以近似寫為:
Q=Uqid-Udiq? ? ? ?(3)
式中,Uq為機(jī)端電壓q軸分量;Ud為機(jī)端電壓d軸分量;id為機(jī)端電流d軸分量;iq為機(jī)端電流q軸分量。
由于δ近似為0,可認(rèn)為:
Uq=Ut
Ud=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(4)
綜合式(3)和式(4)可以將無(wú)功功率表達(dá)式改寫為:
Q=Utid? ? ? ? ? (5)
q軸暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為Eq′:
Eq′=U+xds′id? ? ? ? ? ? ? (6)
將式(5)代入式(6)中可以得到:
Eq′=U+xds′Q/Ut? ? ? ? ?(7)
而機(jī)端電壓Ut和母線電壓U的關(guān)系為:
Ut=U+xsid? ? ? ? ? (8)
將式(8)代入式(7)中可得:
Eq′=U+xds′Q/(U+xsid)? ? ? (9)
將式(9)代入式(2)中可得:
P=δ+U2δ? ?(10)
機(jī)端功率P的表達(dá)式為:
P≈Ut δid≈(U+xsid)δid? ? ? ? ? (11)
根據(jù)式(11)可以計(jì)算出id的表達(dá)式:
id=? ? ? ?(12)
將式(12)代入式(10)中可以得出功角和有功關(guān)系:
P=δ+U2δ? ?(13)
2? ? 海佛容-飛利蒲斯模型
根據(jù)上節(jié)計(jì)算出同步調(diào)相機(jī)初值后,根據(jù)初值可得自動(dòng)電壓控制模式下的海佛容-飛利蒲斯模型。
自動(dòng)控制模式的海佛容-飛利蒲斯模型中,K1~K6參數(shù)具體表達(dá)式請(qǐng)參考文獻(xiàn)[4]。計(jì)算得出K1~K6,可以畫出自動(dòng)電壓控制模式下的海佛容-飛利蒲斯模型的控制框圖,對(duì)應(yīng)形式如圖1所示。
3? ? 仿真研究
為了研究本文提出算法的有效性,下面以一臺(tái)300 MW調(diào)相機(jī)為例進(jìn)行分析。發(fā)電機(jī)參數(shù)如下:xd=1.3,xd′=0.296,xd″=
0.234,xq=1.474,xq′=0.243,xq″=0.234,xs=0.3,TJ=6.4,Td0′=6.5,D=0.2,額定機(jī)端電壓UN=20 kV。
3.1? ? 工況對(duì)調(diào)相機(jī)穩(wěn)定的影響
調(diào)相機(jī)處于自動(dòng)控制模式下,研究無(wú)功和穩(wěn)定性之間的關(guān)系對(duì)于運(yùn)行至關(guān)重要。
計(jì)算每種有功和無(wú)功運(yùn)行范圍下海佛容-飛利蒲斯模型中最弱阻尼,提取出每種工況下的特征值實(shí)部,得出每種運(yùn)行工況下的運(yùn)行穩(wěn)定曲線,對(duì)應(yīng)等高線如圖2所示。
從圖2可以看出,隨著有功的增加,阻尼在不斷增強(qiáng);而對(duì)于無(wú)功變化的趨勢(shì),阻尼最強(qiáng)對(duì)應(yīng)在P=0.02 p.u.、Q=-0.5 p.u.附近,超出Q=-0.5 p.u.范圍外,調(diào)相機(jī)的阻尼迅速變?nèi)?,但最弱阻尼?0.05 p.u.附近。
3.2? ? 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對(duì)調(diào)相機(jī)穩(wěn)定的影響
在圖1中加入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器,計(jì)算每種有功運(yùn)行范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)無(wú)功,提取出每種工況下的特征值最大實(shí)部,得出每種運(yùn)行工況下的運(yùn)行穩(wěn)定曲線,對(duì)應(yīng)等高線如圖3所示。
從圖3可以看出,加入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器后,最弱阻尼與有功和無(wú)功變化規(guī)律基本和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器退出時(shí)一致。與圖2相比,加入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器之后,特征值最大實(shí)部分布與退出電力系統(tǒng)穩(wěn)定器相比更為均勻,雖然在P=0.02 p.u.、Q=-0.05 p.u.時(shí)沒(méi)出現(xiàn)最強(qiáng)阻尼極值點(diǎn),但在邊緣運(yùn)行區(qū)域,阻尼也明顯增強(qiáng)。
3.3? ? 放大倍數(shù)對(duì)穩(wěn)定的影響
為研究放大倍數(shù)KA對(duì)自動(dòng)電壓控制模式下發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性的影響,選取不同的放大倍數(shù)KA,計(jì)算每一種放大倍數(shù)下的特征值最大實(shí)部,KA=250對(duì)應(yīng)曲線如圖4所示。
圖2為KA=200時(shí)的特征值最大虛部,對(duì)比圖2和圖4,KA=200時(shí)的特征值最大虛部略強(qiáng)于KA=250,說(shuō)明合理的放大倍數(shù)對(duì)于維持調(diào)相機(jī)的穩(wěn)定是有利的,過(guò)大的放大倍數(shù)對(duì)調(diào)相機(jī)的阻尼穩(wěn)定反而不利。
4? ? 結(jié)論
本文應(yīng)用海佛容-飛利蒲斯模型計(jì)算同步調(diào)相機(jī)的穩(wěn)定極限,為調(diào)相機(jī)運(yùn)行提供了技術(shù)依據(jù)。與以往工作相比,本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在:(1)研究同步調(diào)相機(jī)的穩(wěn)定分布規(guī)律,調(diào)相機(jī)在特定無(wú)功出力情況下最為穩(wěn)定,超出該范圍,阻尼在不斷減弱。(2)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對(duì)調(diào)相機(jī)穩(wěn)定起著重要作用,電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的加入使得調(diào)相機(jī)的阻尼分布更為穩(wěn)定,改善了調(diào)相機(jī)的穩(wěn)定性。
[參考文獻(xiàn)]
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[2] 鞏偉崢,肖洋,夏潮,等.華東電網(wǎng)調(diào)相機(jī)AVC控制策略研究[J/OL].電網(wǎng)技術(shù):1-10(2020-02-25)[2020-03-28].https://
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001.html.
[3] 李志強(qiáng),種芝藝,黃金軍.快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)同步調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)無(wú)功特性試驗(yàn)驗(yàn)證[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2019,39(23):6877-6885.
[4] 劉取.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.
收稿日期:2020-03-30
作者簡(jiǎn)介:王鵬(1987—),男,黑龍江哈爾濱人,工程師,研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。