CN103346719B - 一种消除发电机间低频振荡的方法和系统 - Google Patents

一种消除发电机间低频振荡的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除发电机间低频振荡的方法和系统，通过测量发电机的绝对转子角和控制发电机转子的转速，使得在每个GPS秒脉冲信号到达时测量得到的绝对转子角都相同；所述绝对转子角为发电机内电势Eq领先GPS参考矢量的角度；本发明的消除发电机间低频振荡的方法和系统，通过控制发电机绝对转子角可以实现频率和转子角的无差控制，可以确保发电机转子在PPS确定的旋转坐标系中位置不变，在不需要远方量测的前提下，更好的抑制低频振荡，还可实现负荷变化时有功自动就地平衡，防止联络线功率波动，确保大规模互联电网的安全稳定运行。

Description

一种消除发电机间低频振荡的方法和系统
技术领域
本发明涉及电力系统运行与控制技术领域，尤其涉及一种消除发电机间低频振荡的方法和系统。
背景技术
目前，电力系统受到干扰后，由于阻尼不足或负阻尼可能引起发电机的转子角、转速，以及相关电气量(如线路功率、母线电压等)发生近似等幅或增幅振荡。由于频率一般在0.1-2.5Hz左右，所以被称为电力系统低频振荡。低频振荡大致可分为局部模式和区域间模式两种。一般来说，涉及机组越多、区域越广，则振荡频率越低。
电网大规模互联后，低频振荡可能引起联络线上功率大幅度波动，是亟待解决的制约功率传输的一个重要因素。尽管PSS(电力系统稳定器)可以有效的抑制局部低频振荡，但是由于仅使用局部信息，不能有效抑制区域间振荡。为此，人们提出了不少利用广域信息结合PSS的广域阻尼控制器。不过，如何选择量测/反馈信号，如何防止信号传输时延导致控制效果恶化都是有待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种消除发电机间低频振荡的方法，使每次秒脉冲到达时，发电机转子都转到相同的位置。
一种消除发电机间低频振荡的方法，包括：测量发电机的绝对转子角；所述绝对转子角为在旋转坐标系中，发电机内电势Eq领先GPS参考矢量的角度；控制发电机转子的转速，使得在每次GPS秒脉冲信号到达时测量的绝对转子角都相同，或使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归。
根据本发明的方法的一个实施例，进一步的，通过控制调整汽轮机输出机械功率或者发电机输出功率调整所述转子的转速。
根据本发明的方法的一个实施例，进一步的，PID汽轮机控制器根据输入的参数，调节汽轮机调门的大小，控制汽轮机输出机械功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值；
根据本发明的方法的一个实施例，进一步的，PID储能装置控制器根据输入的参数，控制储能装置进入储能或者发电状态，改变发电机的输出功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值；其中，所述储能装置储存能量会额外消耗电磁功率，使所述发电机转子减速，所述储能装置进入发电状态，则提供电磁功率，减轻发电机的负担，使发电机转子加速。
根据本发明的方法的一个实施例，进一步的，PID励磁控制器根据输入的参数，控制励磁机调整励磁电压，改变发电机的内电势和输出功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值。
本发明要解决的一个技术问题是提供一种消除发电机间低频振荡的系统，使每次秒脉冲到达时，发电机转子都转到相同的位置。
一种消除发电机间低频振荡的系统，包括：同步相量测量单元，用于测量发电机的绝对转子角；所述绝对转子角为在旋转坐标系中，发电机内电势Eq领先GPS参考矢量的角度；转子转速控制装置，用于控制发电机转子的转速，使得在每次GPS秒脉冲信号到达时测量的绝对转子角都相同，或使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归。
根据本发明的方法的一个实施例，进一步的，所述转子转速控制装置通过控制调整汽轮机输出机械功率或者发电机输出功率，调整所述转子的转速。
根据本发明的方法的一个实施例，进一步的，所述转子转速控制装置包括：PID汽轮机控制器；所述PID汽轮机控制器根据输入的参数，调节汽轮机调门的大小，控制汽轮机输出机械功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值。
根据本发明的方法的一个实施例，进一步的，所述转子转速控制装置包括：PID储能装置控制器：所述PID储能装置控制器根据输入的参数，控制储能装置进入储能或者发电状态，改变发电机的输出功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值；其中，所述储能装置储存能量会额外消耗电磁功率，使所述发电机转子减速，所述储能装置进入发电状态，则提供电磁功率，减轻发电机的负担，使发电机转子加速。
根据本发明的方法的一个实施例，进一步的，所述转子转速控制装置包括：PID励磁控制器；所述PID励磁控制器根据输入的参数，控制励磁机调整励磁电压，改变发电机的内电势和输出功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值；
本发明的消除发电机间低频振荡的方法和系统，通过控制发电机绝对转子角实现频率和转子角的无差控制，可以确保发电机转子在PPS确定的旋转坐标系中位置不变，在电力系统中实现频率和绝对转子角的无差控制，在不需要远方量测的前提下，更好的抑制低频振荡，还可实现负荷变化时有功自动就地平衡，防止联络线功率波动，确保大规模互联电网的安全稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明的消除发电机间低频振荡的方法的一个实施例的流程图；
图2为根据本发明的消除发电机间低频振荡的方法的一个实施例的测量绝对转子角的原理示意图；
图3为根据本发明的消除发电机间低频振荡的方法的一个实施例的控制调整汽轮机输出机械功率的原理示意图：
图4为根据本发明的消除发电机间低频振荡的方法的一个实施例的控制储能装置的原理示意图；
图5为根据本发明的消除发电机间低频振荡的方法的一个实施例的控制励磁电压的原理示意图；
图6为根据本发明的消除发电机间低频振荡的系统的一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
近年来，随着同步相量测量单元PMU测量技术的发展，精确测量发电机转子角，即发电机转子Q轴在秒脉冲决定的旋转坐标系中的角度，的技术逐步成熟。这就提供了新的可能，使发电机由速度(转速)控制转为位置(转子角)控制。
由于转子角为转速的积分，因此控制转子角可以同时达到控制位置和速度的目的。更重要的是，如果转子角可以精确控制，则系统中每个发电机都会在秒脉冲(PPS)确定的旋转坐标系中具有固定的位置，它们之间的振荡也就随之消除。
图1为根据本发明的消除发电机间低频振荡的方法的一个实施例的流程图。如图1所示：
步骤101，测量发电机的绝对转子角。绝对转子角为发电机内电势Eq领先GPS参考矢量的角度。
步骤102，控制发电机转子的转速，使得在每个GPS秒脉冲信号到达时测量得到的绝对转子角都等于转子角目标值，或使测量得到的绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归。
本发明可以实现角度的无差控制(有积分块时)或有差控制(无积分块时)。在对角度实施无差控制时，控制器会控制发电机转子的转速，力图使每个GPS秒脉冲信号到达时测量的绝对转子角都等于绝对转子角目标值。对角度实施有差控制时，控制器会使绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归，但调整后绝对转子角不一定等于绝对转子角目标值。
根据本发明的一个实施例，也可以测量相对于GPS参考矢量的转子的其它角度，作为对转子的转速控制的参考量，使得控制转子的转速后每次pps到达时该参考量测量值相同。
本发明的消除发电机间低频振荡的方法的主要思想是：使每次秒脉冲到达时，发电机转子都转到相同的位置，这样PMU测量得到的绝对转子角将保持不变，每个发电机在秒脉冲确定的旋转坐标系中的位置也保持不变，频率也将是精确的50Hz(或60Hz)，即可同时实现功角和转速(频率)的精确控制，消除低频振荡。
下面公式为发电机的摇摆方程：
公式1中，ω是标么制的转速，Tj为发电机时间常数，Pm是汽轮机输出的机械功率，Pe是发电机输出的电磁功率，公式2中，δ是发电机转子角。Ω0则是额定转速。
根据上述方程可知，要控制发电机转子角δ，可以通过改变发电机转速ω实现。如果转子角超前，则应该使发电机转子减速，随后测量得到的转子角就会逐步向期望值回归。反之亦然。
要改变发电机转速ω，则需耍调整提供给转子的机械功率和转子输出到电网的电磁功率。所以，在实现转子角控制时，可以通过控制机械功率实现，也可以通过控制电磁功率实现。这两种实现方法中，后者又可以派生出两个分支，利用储能/可调耗能装置影响电磁功率，以及通过调整励磁影响电磁功率。
图2为根据本发明的消除发电机间低频振荡的方法的一个实施例的测量绝对转子角的原理示意图。PMU可以利用键相信号直接测量绝对转子角。绝对转子角是指发电机励磁电动势余弦波相对于从以协调世界时(UTC)整秒时刻开始的额定频率的标准余弦波的相位。
在图2中，内电势Eq领先GPS参考矢量的角度δ为绝对转子角。正序机端电压U领先GPS参考矢量的角度ψ为正序机端电压绝对角。
通过测量键相脉冲到达时刻和pps到达时刻的时间差可以计算得到α，再减去初相角θ，就可以得到绝对转子角。可以看出，绝对转子角不是转子Q轴相对于系统中某个其他发电机的角度，而是相对绝对时标(pps)的角度，因而这个数值的获取不需要任何远方信息。此外，还可证明，无论发电机运行状态怎么变化，根据键相信号得到的绝对转子角总是和Q轴重合的。
根据本发明的一个实施例，可以使用新型汽轮机控制器(调速器)通过PID控制调整汽轮机输出机械功率影响转子的转速。
PID(比例-积分-微分)控制器是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为：
u(t)＝kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]。
式中积分的上下限分别是0和t。因此它的传递函数为：
G(s)＝U(s)/E(s)＝kp[1+1/(TI*s)+TD*s]。
其中kp为比例系数。TI为积分时间常数。TD为微分时间常数。在汽轮机控制器(调速器)中实现时，这个参数正好等同于汽轮机调差系数的倒数KG。
PID控制器也可以只包括比例和微分单元，而不包括积分单元，此时PID控制器就成为PD控制器，这种控制器无法实现被控量的无差调节，但也是一种可行的实施方式。
本实施例中的新型汽轮机控制器可以根据输入的参数，调节汽轮机调门的大小，控制汽轮机输出机械功率Pm，提高或减低转子转速，使绝对转子角的值等于绝对转子角目标值，或在扰动后向绝对转子角目标值复归。参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值。
图3所示为新型汽轮机控制器(调速器)结构。图中δ为PMU测量得到的发电机转子角。δaim是调度给出的目标功角，该值通过潮流计算得到(注意参考基准不是某个发电机而是pps)。转子角测量值微分后得到转速ω(当然也直接使用其他方法测量得到的转速)。Loadref用来在更改目标定值时使积分块输出为零。框图的输出μ则是调门开度。
该控制器中，比例环节为基础的必要环节。微分环节用来提供随速度变化的阻尼转矩，保证比例系数较大时不会出现振荡。积分环节则确保最终实现无差调节。不过应注意，所示结构中的积分环节并不是必须的，如果没有积分环节，仅可实现频率的无差控制而不能实现转子角的无差控制。
可以看出，控制器中向比例和微分单元输入所述绝对转子角和绝对转子角目标值的差值。在实施无差控制时，还向积分单元输入所述绝对转子角和绝对转子角目标值的差值。
在本实施例中，控制器还应配备额外的辅助模块(图3中未标示)，辅助模块应在汽轮机出力达到顶值或系统频率迅速变化时闭锁比例和积分环节，只保留微分环节，以避免控制器进入非线性区，导致混乱。
此种控制方法的好处是不需要额外的储能/可调耗能装置，也不会影响发电机机端电压，缺点则是需要频繁调节汽轮机调门，对其寿命有影响。
根据本发明的一个实施例，也可使用PID储能装置控制器，根据输入的参数，控制储能装置进入储能或者发电状态，改变发电机的输出功率，提高或减低转子转速，使绝对转子角的值等于绝对转子角目标值，或在扰动后向绝对转子角目标值复归。输入参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值；
如图4所示的控制方式和图3的控制方式不同，不是影响汽轮机的输出功率Pm，而是影响发电机的输出功率Pe。
本实施例也可以使用前述实施例使用的PID控制器，不过输入比较块的符号均需取反。PID储能装置控制器的输出指令则发给储能/可调耗能装置，如变频控制的电厂磨煤机/给水泵，而非汽轮机调门。
对储能装置来说，调整指令可以使其进入储能或者发电状态。储存更多的能量会额外消耗电磁功率，使发电机转子减速。发电状态则为系统提供电磁功率，减轻发电机的负担，使发电机转子加速。
在本发明的应用中，看重的并不是其储能功能，而是其消耗能量可调的特性，调整装置的工作状态就等效于改变汽轮机出力。显然，从这个角度讲，可调的耗能装置也完全可以达到相同的作用。
在本实施例中，积分块不是必须的。另外在采取这种实施方法时，也同样需要额外的辅助模块(图4中未标示)，辅助模块应在储能装置存储/耗能达到顶值或系统频率迅速变化时闭锁比例和积分环节，只保留微分环节，以避免控制器进入非线性区，导致混乱。
该控制方法的优点是，不会影响发电机机端电压，不需要频繁调节汽轮机调门，缺点是需要额外的装置投资。
根据本发明的一个实施例，也可以使用PID励磁控制器根据输入的参数调整励磁电压，改变发电机的内电势和输出功率，提高或降低转子转速，使绝对转子角的值等于绝对转子角目标值，或在扰动后向绝对转子角目标值复归。输入参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值。
为发电机提供工作磁场叫励磁。在提供工作磁场时需要的电压叫励磁电压，所产生的电流叫励磁电流。如图5所示给出了通过调整励磁电压实现转子角控制的PID励磁控制器结构图，和传统励磁控制器相比，该控制器输入信号由机端电压转为转子角，同时增加了额外的积分环节以实现无差控制(但积分块不是必须的)。
这种励磁方式和传统方式有极大的不同。使用这种结构时，机端电压不会维持恒定，而会随着转子角变化不断变化，冀以改变发电机内电势和发出的电磁功率，进而影响转子转速，最终达到转子角恒定的目的。
该控制方法的优点是，不需要频繁调整汽轮机调门，也不需要额外的储能/可调耗能装置，缺点则是机端电压可能有较大的变化，需要配合调整汽轮机功率调整机端电压。结果变成励磁调节有功而调速器调整机端电压，这种调整方式和传统的励磁影响无功/电压，调速器影响有功有很大区别，调整起来并不方便。
如图6所示，消除发电机间低频振荡的系统61包括：同步相量测量单元611和转子转速控制装置612。
同步相量测量单元611测量发电机的绝对转子角。同步相量测量单元采用同步相量测量技术测量绝对转子角，绝对转子角为发电机内电势Eq领先GPS参考矢量的角度。
转子转速控制装置612控制发电机转子的转速，使得在每个GPS秒脉冲信号到达时测量的绝对转子角都相同，或使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归。
转子转速控制装置612包括：PID汽轮机控制器613。PID汽轮机控制器613根据输入的参数，调节汽轮机调门的大小，控制汽轮机输出机械功率，提高或降低转子转速，使绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值。
转子转速控制装置612包括：PID储能装置控制器614。PID储能装置控制器614根据输入的参数，控制储能装置进入储能或者发电状态，改变发电机的输出功率，提高或降低转子转速，使绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归。参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值。
储能装置储存能量会额外消耗电磁功率，使发电机转子减速，储能装置进入发电状态，则提供电磁功率，减轻发电机的负担，使发电机转子加速。
转子转速控制装置612包括：PID励磁控制器615。PID励磁控制器615根据输入的参数，控制励磁机调整励磁电压，改变发电机的内电势和输出功率，提高或降低转子转速，使绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归。参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值。
本发明的消除发电机间低频振荡的方法和系统，可以确保发电机转子在PPS确定的旋转坐标系中位置不变，在电力系统中实现频率和绝对转子角的无差控制，在不需要远方量测的前提下，更好的抑制低频振荡，还可实现负荷变化时有功自动就地平衡，防止联络线功率波动，确保大规模互联电网的安全稳定运行。
可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种消除发电机间低频振荡的方法，其特征在于，包括：
测量发电机的绝对转子角；所述绝对转子角为在旋转坐标系中，发电机内电势Eq领先GPS参考矢量的角度；
控制发电机转子的转速，使得同步相量测量单元按照固定间隔连续测量得到的绝对转子角都等于转子角目标值，或使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
通过控制调整汽轮机输出机械功率或者发电机输出电功率调整所述转子的转速。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
PD汽轮机控制器或PID汽轮机控制器根据输入的参数，调节汽轮机调门的大小，控制汽轮机输出机械功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
PD储能装置控制器或PID储能装置控制器根据输入的参数，控制储能装置进入储能或者发电状态，改变发电机的输出功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值；
其中，所述储能装置储存能量会额外消耗电磁功率，使所述发电机转子减速，所述储能装置进入发电状态，则提供电磁功率，减轻发电机的负担，使发电机转子加速。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
PD励磁控制器或PID励磁控制器根据输入的参数，控制励磁机调整励磁电压，改变发电机的内电势和输出功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值。
6.一种消除发电机间低频振荡的系统，其特征在于，包括：
同步相量测量单元，用于测量发电机的绝对转子角；所述绝对转子角为在旋转坐标系中，发电机内电势Eq领先GPS参考矢量的角度；
转子转速控制装置，用于控制发电机转子的转速，使得同步相量测量单元按照固定间隔连续测量得到的绝对转子角都相同，或使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：
所述转子转速控制装置通过控制调整汽轮机输出机械功率或者发电机输出电功率，调整所述转子的转速。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：
所述转子转速控制装置包括：PD汽轮机控制器或PID汽轮机控制器；
所述PD汽轮机控制器或PID汽轮机控制器根据输入的参数，调节汽轮机调门的大小，控制汽轮机输出机械功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于：
所述转子转速控制装置包括：PD储能装置控制器或PID储能装置控制器；
所述PD储能装置控制器或PID储能装置控制器根据输入的参数，控制储能装置进入储能或者发电状态，改变发电机的输出功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值；
其中，所述储能装置储存能量会额外消耗电磁功率，使所述发电机转子减速；所述储能装置进入发电状态，则提供电磁功率，减轻发电机的负担，使发电机转子加速。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于：
所述转子转速控制装置包括：PD励磁控制器或PID励磁控制器；
所述PD励磁控制器或PID励磁控制器根据输入的参数，控制励磁机调整励磁电压，改变发电机的内电势和输出功率，提高或降低转子转速，使所述绝对转子角的值在扰动后向绝对转子角目标值复归；所述参数包括：绝对转子角、绝对转子角目标值。
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