CN102769296B - 一种调速器附加次同步阻尼控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于电力系统次同步振荡控制技术领域的一种调速器附加次同步阻尼控制方法。该方法具体包括以下步骤：滤波、放大、相位补偿以及限幅、叠加。将发电机转速偏差信号作为输入信号，对输入信号进行滤波，得到各个模态的次同步转速偏差信号；再对各个模态的次同步转速偏差信号进行放大、相位补偿、限幅、叠加，叠加后的信号再经过限幅，生成汽轮发电机组调速器附加控制信号ΔUgs，将该信号接入调速器输出端，与调速器输出的汽门开度控制信号叠加，对汽轮机输出的机械转矩进行调节，增强发电机组轴系的机械阻尼，可有效抑制串联补偿、直流输电以及其他装置引起的次同步振荡。
Description
技术领域
本发明属于电力系统次同步振荡控制技术领域。特别涉及一种调速器附加次同步阻尼控制方法。
背景技术
随着电力系统中单机容量不断增大，远距离串联补偿工程和高压直流输电工程的大量增加，我国电网已进入了大容量、超高压、远距离、交直流混合输电时代。复杂的电网结构和运行方式使得次同步振荡（Subsynchronous Oscillation，SSO）问题日渐凸现，次同步振荡会导致汽轮发电机组大轴的疲劳累积甚至断裂，严重影响电力系统的安全稳定运行。
调研显示，我国内蒙古托克托电厂、上都电厂，陕西锦界电厂以及东北伊敏电厂等，都存在不同程度的次同步振荡问题，次同步振荡已成为制约我国能源基地电能外送的瓶颈。在国外，也不乏次同步振荡事故的报道。1970年和1971年，美国莫哈夫（Mohave）电厂发生了由于线路串联补偿电容作用而造成的两台大型汽轮发电机组转子大轴损坏的严重事故。1977年，美国的Square Butte 发电厂在新建成的高压直流输电（High Voltage Direct Current Transmission，HVDC）线路投入系统时，发现该发电厂汽轮发电机的轴系发生了扭振现象。
为了抑制次同步振荡，确保机网安全，研究人员提出了多种解决方案，例如：阻塞滤波器（Blocking Filter，BF），附加励磁阻尼控制器（Supplementary Excitation Damping Controller，SEDC），静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC），可控串联补偿装置（Thyristor ControlledSeries Compensation），直流输电附加次同步阻尼控制器（HVDC-Supplementary Subsynchronous Damping Controller，HVDC-SSDC）等。这些方法在一定程度上缓解了次同步振荡，但仍存在一些缺陷，例如：参数设计困难、抑制效果欠佳、成本较高等。
发明内容
本发明的目的是针对汽轮发电机组的次同步振荡问题，以及现有抑制方法的缺陷，提出了一种调速器附加次同步阻尼控制方法，其特征在于，采用调速器附加次同步阻尼控制技术控制汽轮发电机组的次同步振荡，该方法包括如下步骤：
（1）输入发电机转速偏差信号Δω，对输入的Δω信号进行滤波处理，得到各个模态的次同步转速偏差信号；
（2）对步骤（1）输出的各模态信号进行放大；
（3）对步骤（2）输出的各模态信号进行相位补偿；
（4）对步骤（3）输出的各模态信号进行限幅，并叠加起来，叠加后的信号再经过限幅，生成汽轮发电机组调速器附加控制信号ΔUgs，将该信号接入调速器输出端，与调速器输出的汽门开度控制信号叠加，对汽轮机输出的机械转矩进行调节。
本发明的有益效果是：
通过对汽轮机输出的机械转矩进行调节，增强发电机组轴系的机械阻尼，可有效抑制串联补偿、直流输电以及其他装置引起的次同步振荡。
附图说明
图1是调速器附加次同步阻尼控制器结构示意图。
图2是实施例中测试系统接线图；
图3是汽轮发电机组轴系模型图；
图4是调速器及汽轮机的传递函数；
图5是从附加控制信号到发电机机械转矩间传递函数的相频特性；
图6是原测试系统各轴段转矩；
图7是采用本发明方法后各轴段转矩。
具体实施方式
本发明提出了一种调速器附加次同步阻尼控制方法。
下面结合附图和实施例对本发明实施方式作进一步的说明。如图1所示，本发明提供了一种调速器附加次同步阻尼控制方法，所述附加次同步阻尼控制方法具体包括以下步骤：滤波、放大、相位补偿以及限幅、叠加。
IEEE工作组于1977年在IEEE Transactions on Power Apparatusand Systems 上发表文章，推荐了用于研究次同步振荡的标准模型——IEEE SSR 第一标准模型。本发明采用的测试系统基于IEEESSR 第一标准模型，如图1所示的步骤：滤波、放大、相位补偿以及限幅、叠加，发电机的额定容量为892.4MVA，额定频率为60Hz，线路串补度为0.5。汽轮发电机组的轴系由高压缸、中压缸、低压缸A、低压缸B、发电机和励磁机6个集中质量块串联组成（结构如图3所示），各质量块参数如表1所示。该汽轮发电机组共有5个次同步振荡模态，各模态频率分别为15.7Hz，20.2Hz，25.6Hz，32.3Hz，47.4Hz。励磁系统选用IEEE ST1A型励磁系统，调速器及汽轮机的传递函数如图4所示。
表1 汽轮发电机组各质量块参数
所述设计方法包括如下步骤：（如图1所示的输入发电机转速偏差信号Δω、滤波、放大、相位补偿以及限幅、叠加）
（1）输入发电机转速偏差信号Δω，对输入信号Δω进行滤波，得到各个模态的次同步转速偏差信号；
（2）对步骤（1）输出的各模态信号进行放大；
（3）对步骤（2）输出的各模态信号进行相位补偿；
（4）对步骤（3）输出的各模态信号进行限幅，并叠加起来，叠加后的信号再经过限幅，生成汽轮发电机组调速器附加控制信号ΔUgs，该信号接入调速器输出端，与调速器输出的汽门开度控制信号叠加，对汽轮机输出的机械转矩进行调节，增强发电机组轴系的机械阻尼，抑制次同步振荡。
其中，步骤（1）所述的滤波由第1带通滤波器、第2带通滤波器……第n带通滤波器共n个带通滤波器组合而成，n为汽轮发电机组的次同步振荡模态数，如图1所示。带通滤波器选用4阶Butterworth带通滤波器，带通滤波器的中心频率为各次同步振荡模态的固有频率，带通滤波器的带宽为2Hz~3Hz。
各次同步振荡模态的固有频率可通过求下列矩阵A的特征值获得，特征值的虚部即为各次同步振荡模态的固有角频率，固有角频率除以2π即为固有频率。
式中，
其中，
TJi,(i,…,6)为第i个质量块的惯性时间常数；
Dii,(i,…,6)为第i个质量块的自阻尼系数；
Di,i+1,(i,…,5)为第i个和第i+1个质量块之间的互阻尼系数；
Ki,i+1,(i,…,5)为第i个和第i+1个质量块之间的弹性系数；
ωb为发电机的额定角频率。
其中，步骤（2）所述的放大由比例放大系数K21、K22……K2n共n个系数组合而成，n为汽轮发电机组的次同步振荡模态数，如图1所示。这些系数的值需结合数字仿真及现场试验来设定。
其中，步骤（3）所述的相位补偿由相位补偿31、相位补偿32……相位补偿3n共n个超前滞后环节组合而成，n为汽轮发电机组的次同步振荡模态数，如图1所示。其中，第i个模态的相位补偿，即相位补偿3i（i=1,2，…,n）的传递函数为
，其中：
ωxi为第i个次同步振荡模态的角频率，ωxi=2πfxi，fxi为第i个次同步振荡模态的频率，
φi为需要补偿的角度。
其中，φi可由以下方法求出：
根据图4所示的调速器及汽轮机的传递函数，求出从附加控制信号ΔUgs到发电机机械转矩变化量ΔTm间传递函数的相频特性，如图5所示。在图5中找到各次同步振荡模态频率所对应的相位角，若角度为负值，则需要进行超前补偿，即φi＞0；若角度为正值，则需要进行滞后补偿，即φi＜0。在尽量使ΔTm与－Δω同相位的原则下，确定各次同步振荡模态需要补偿的角度φi，通常每一级相位补偿可补偿40o~50o，若角度较大可选用二级至三级相位补偿。
为了减小调速器附加次同步阻尼控制器对调速器及汽轮机常规功能的影响，需要对步骤（3）输出的各模态信号进行限幅，然后叠加起来，叠加后的信号再经过限幅，生成汽轮发电机组调速器附加控制信号ΔUgs，该信号接入调速器输出端，与调速器输出的汽门开度控制信号叠加，如图4所示。
为了验证本发明方法抑制次同步振荡的有效性，在PSCAD/EMTDC中建立图2所示测试系统的仿真模型。当系统运行至稳态后，t=10s时在F点加三相接地故障，故障持续时间为0.075秒。图6是未采用本发明方法时原测试系统在受到扰动后各轴段的转矩，可见，轴系各质量块间的转矩呈发散趋势，系统出现了典型的次同步振荡现象。图7是采用本发明方法时测试系统在受到扰动后各轴段的转矩，可见，轴系各质量块间的转矩逐渐衰减，本发明方法有效抑制了系统的次同步振荡。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (3)
1.一种调速器附加次同步阻尼控制方法，采用调速器附加次同步阻尼控制技术控制汽轮发电机组的次同步振荡，该方法包括如下步骤：
(1)输入发电机转速偏差信号Δω，对输入的Δω信号进行滤波处理，得到各个模态的次同步转速偏差信号；
(2)对步骤(1)输出的各模态信号进行放大，
(3)对步骤(2)输出的各模态信号进行相位补偿；其特征在于，
将步骤(3)输出的各模态信号进行限幅，并叠加起来，叠加后的信号再经过限幅，生成汽轮发电机组调速器附加控制信号ΔUgs，该信号接入调速器输出端，与调速器输出的汽门开度控制信号叠加，对汽轮机输出的机械转矩进行调节；并根据汽轮机及其调速器的传递函数，求出从附加控制信号ΔUgs到发电机机械转矩变化量ΔTm间传递函数的相频特性，在使得控制器产生的附加机械转矩ΔTm与－Δω同相位的原则下，确定各次同步振荡模态需要补偿的角度φi，每一级相位补偿40°～50°，若角度较大时，选用二级至三级相位补偿。
2.根据权利要求1所述一种调速器附加次同步阻尼控制方法，其特征在于，各次同步振荡模态的固有频率可通过求下列矩阵A的特征值获得，特征值的虚部即为各次同步振荡模态的固有角频率，固有角频率除以2π即为固有频率；
式中，
Z＝[0]6 × 6，
其中，
Tji为第i个质量块的惯性时间常数,其中i＝1，…6；
Dii为第i个质量块的自阻尼系数，其中i＝1，…6；
Di,i+1为第i个和第i+1个质量块之间的互阻尼系数，其中i＝1，…5；
Ki,i+1为第i个和第i+1个质量块之间的弹性系数，其中i＝1，…5；
ωb为发电机的额定角频率。
3.根据权利要求1所述一种调速器附加次同步阻尼控制方法，其特征在于，步骤(3)所述的相位补偿，即第i个模态相位补偿的传递函数为其中：
i＝1,…,n，
Tbi＝Tai/ai；
ωxi为第i个次同步振荡模态的角频率，ωxi＝2πfxi，fxi为第i个次同步振荡模态的频率，
φi为需要补偿的角度；
n为汽轮发电机组的次同步振荡模态数。
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