CN103401497A - 基于提高机组功角稳定性的励磁附加调差系数整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于提高机组功角稳定性的励磁附加调差系数整定方法，从电网仿真计算机中获得网络参数和典型方式下的潮流结果，短路电流扫描结果，从上述数据文件中获得附加调差系数优化整定所需的必要准备数据，构造了以机组功角稳定性最大为目标的优化模型，求解该优化模型所得的最优值作为发电机组励磁系统附加调差系数的整定值。其有益效果在于：针对发电机组调差率常规两种整定方法存在的问题，本发明从改善系统动态性能的角度提出了如何确定大电网中发电机励磁系统附加调差系数的整定方法，该方法能够提高电网的安全稳定性，获得的整定结果对电网运行方式适应性较强，具有合理性、实用性和可推广性。

Description

基于提高机组功角稳定性的励磁附加调差系数整定方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统发电机励磁系统中电压调差率的整定方法，特别是一种基于提高机组功角稳定性的励磁附加调差系数整定方法。

背景技术

励磁系统中的调差系数称为电压调差率或者无功调差率，我国励磁系统国标对电压调差率的定义是：发电机在功率因数等于零的情况下，无功电流从零变化到额定定子电流值时，发电机端电压的变化率。在现代广泛采用的快速励磁系统中，由于自然调差率很小，所以附加调差对改善系统电压稳定性、改善发电厂间的无功分配有十分明显的作用。

目前存在两种调差系数整定方法：

一是根据简单整定原则进行整定。对于并列运行的机组，为保证机组的稳定运行和无功的合理分配，原则上要求各机组在并列点具有正调差且调差系数完全相等，一般可取调差系数3%-5%。对于通过变压器并列方式，如果发电机通过变压器在高压母线并列，并列点的调差系数需考虑变压器的压降作用。

另外一种方法是从静态的角度出发，提出了电力系统发电机励磁系统中负荷补偿系数的优化模型和优化方法，建立了以系统有功网损为最小的目标函数、电网潮流方程为约束条件和发电机升压变压器阻抗为控制变量的优化模型，该模型是一个优化潮流的应用。

第一种调差率整定方法不足之处是：由于各电厂的励磁方式、接线方式和运行情况各不相同，各有其特点，电网中每个节点对无功需求不同，每个电厂机组的开环放大倍数、闭环放大倍数以及励磁系统AVR的PID构成也不一样，电网对电压调差率的要求显然也是不相同的，按常规值整定存在不合理的地方。

第二种调差率整定方法不足之处是：该方法只对特定断面进行优化，不同运行情况具有不同的整定值，而目前还无法做到机组调差率实时整定，整定值一旦确定，通常几个月或半年均不会改动，由于电网负荷在实时发生变化，因此该方法获得的整定值在实际中的运行效果的难以保证，同时，该方法要求进行全网优化，对于复杂电网，计算量较大，编程复杂。

在国外应用的先例中，也是大致地限定在某较合理的补偿范围内。目前，国内发电机的电压调差率一般是由调度部门按常规值进行整定。一般可取调差系数3%-5%。如果调差系数太大，无功负荷的微小变化将引起电压的较大变化；相反，如果调差系数太小，由于受自动调节励磁装量调压精度的限制，容易造成机组间的无功振荡。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种能够适应机组的实际运行情况，以机组功角稳定性为目的的基于提高机组功角稳定性的励磁附加调差系数整定方法。

本发明的目的是通过以下途径来实现的：

基于提高机组功角稳定性的励磁附加调差系数整定方法，其要点在于，包括如下步骤：

提供电力调度运行系统中的电网仿真计算处理系统，

从电力调度运行系统中获取待整定参数的发电机组及其相应励磁系统的参数，具体为：发电机组的参数包括：d轴暂态电抗

d轴电抗X_d、q轴暂态电抗

q轴电抗X_q，直轴暂态开路时间常数

机组额定视在功率Sn；励磁系统参数包括：电压调节器增益K_A、电压调节器滞后时间常数T_A；

进一步根据上述参数获取待整定参数的发电机组所连接变压器的电抗值X_T、系统功率基值SS、发电机高压母线的短路容量SB,；以及获得待整定参数的发电机组初始运行状态，包括：发电机机端电压幅值UT、升压变压器高压侧电压幅值UH、、发电机机端电压相角δ_T和高压母线电压相角δ_H；

通过下述模型计算通过变压器电流的幅值I_ampl、相角δ_I、实部I_x、虚部I_y；

I_x=(U_Tsinδ_T-U_Hsinδ_H)/X_T

I_y=(U_Hcosδ_H-U_Tcosδ_T)/X_T

$I_{\mathrm{ampl}}=\sqrt{{I_x}^2+{I_y}^2}$

δ_I=arctan(I_y/I_x)

进一步计算得到无限大功率电源到发电机高压母线之间的电抗XL：

设定发电机组额定功率因数Pf，根据下式计算发电机额定无功功率Q_n：

设定附加调差系数的上限X_cmax和下限X_cmin，设当发电机无功电流由零增加到额定无功电流时，发电机电压变化小于k%，建立如下数学模型：

$-\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n}\≤X_c\≤\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n}$

设发电机变压器组并列点以发电机额定无功功率为基准的电压调差率按照[l,u]范围内整定，对于发电机变压器组,并列点的总的附加调差为X_T-X_c，由上述整定范围可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{c\min }=\max (-\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n},X_T-u\×\frac{S_n}{Q_n})\\ X_{c\max }=\min (\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n},X_T-l\×\frac{S_n}{Q_n})\end{array}\right.$

因此机组励磁系统附加调差系数的整定值X_c ^*采用下述优化模型求解：

min(-f(X_c))

$\left\{\begin{array}{c}{X}_c\≤X_{c\max }\\ X_c\≥X_{c\min }\end{array}\right.$

也就是说根据上述优化模型获得的解就是该机组励磁系统附加调差系数的整定值X_c ^*。

综上所述，本发明以提高机组功角稳定性为目标的励磁附加调差系数整定方法，从电网仿真计算机中获得网络参数和典型方式下的潮流结果，短路电流扫描结果，从上述数据文件中获得附加调差系数优化整定所需的必要准备数据，构造了以机组功角稳定性最大为目标的优化模型，求解该优化模型所得的最优值作为发电机组励磁系统附加调差系数的整定值。其有益效果在于：针对发电机组调差率常规两种整定方法存在的问题，本发明从改善系统动态性能的角度提出了如何确定大电网中发电机励磁系统附加调差系数的整定方法，该方法能够提高电网的安全稳定性，获得的整定结果对电网运行方式适应性较强，具有合理性、实用性和可推广性。

附图说明

附图1所示为本发明方法基于提高机组功角稳定性的励磁附加调差系数整定方法流程示意图。

附图2所示为本发明所述方法作为电力调度运行系统中调差装置的实现模块进行机组电压调差实现方式示意图。

下面根据附图对本发明做进一步描述。

具体实施方式

参照附图1和附图2：本发明的目的在于提供一种以提高机组功角稳定性为目标的励磁附加调差系数整定方法。

本发明的特征在于所述方法是在电力规划或调度中心运行方式部门的电网仿真计算机上依次按以下步骤实现的：

步骤(1)，获得待整定参数的发电机组及其相应励磁系统的参数，其中：

发电机组的参数包括：d轴暂态电抗

d轴电抗X_d、q轴暂态电抗

q轴电抗X_q，直轴暂态开路时间常数机组额定视在功率Sn；

励磁系统参数包括：电压调节器增益K_A、电压调节器滞后时间常数T_A；

步骤(2)，获得该发电机所连接变压器的电抗值X_T、系统功率基值SS、发电机高压母线的短路容量SB,；

步骤(3)，获得初始运行状态，包括：发电机机端电压幅值UT、升压变压器高压侧电压幅值UH、、发电机机端电压相角δ_T和高压母线电压相角δ_H；

步骤(4)，通过下面式子计算通过变压器电流的幅值I_ampl、相角δ_I、实部I_x、虚部I_y；

I_x=(U_Tsinδ_T-U_Hsinδ_H)/X_T

I_y=(U_Hcosδ_H-U_Tcosδ_T)/X_T

$I_{\mathrm{ampl}}=\sqrt{{I_x}^2+{I_y}^2}$

δ_I=arctan(I_y/I_x)

步骤(5)，利用下面的公式计算得到无限大功率电源到发电机高压母线之间的电抗XL；

$X_L=\frac{S_B}{S_S}$

步骤(6)，设定发电机组额定功率因数Pf，根据下式计算发电机额定无功功率Q_n；

$Q_n=S_n\sqrt{1-{P_f}^2}$

步骤(7)，设定附加调差系数的上限X_cmax和下限X_cmin，该上下限的作用是保证机端电压不能太高也不能太低，设当发电机无功电流由零增加到额定无功电流时，发电机电压变化不大于k%，可以用下面的式子表示为：

$-\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n}\≤X_c\≤\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n}$

其中，上述的k%以发电机额定无功功率为基准,而励磁系统附加调差系数以额定视在功率为基准,所以在数值上要乘Sn/Qn，设发电机变压器组并列点以发电机额定无功功率为基准的电压调差率按照[l,u]范围内整定，对于发电机变压器组,并列点的总的附加调差为X_T-X_c，由上述整定范围可以得到：

$l\×\frac{S_n}{Q_n}\≤X_T-X_c\≤u\×\frac{S_n}{Q_n}$

进而得到励磁系统的附加补偿系数的范围为

$X_T-u\×\frac{S_n}{Q_n}\≤X_c\≤X_T-l\×\frac{S_n}{Q_n}$

由上面分析可以得到上限X_cmax和下限X_cmin为

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{c\min }=\max (-\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n},X_T-u\×\frac{S_n}{Q_n})\\ X_{c\max }=\min (\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n},X_T-l\×\frac{S_n}{Q_n})\end{array}\right.$

步骤(8)，采用下述优化模型求解状态变量最优解X_c ^*：

min(-f(X_c))

$\left\{\begin{array}{c}{X}_c\≤X_{c\max }\\ X_c\≥X_{c\min }\end{array}\right.$

其中：

f(X_c)=△T_s

${\mathrm{\ΔT}}_s=\frac{-K_2{K}_5{K}_A[(1/K_3)+K_6{K}_A-T_{d0}^{\′}{T}_A]}{{[(1/K_3)+K_6{K}_A-T_{d0}^{\′}{T}_A]}^2+{[T_{d0}^{\′}+(T_A/K_3)]}^2}$

$K_1=\frac{E_{q0}^{\′}{U}_S{\cos \mathrm{\δ}}_0}{X_{\mathrm{d\Σ}}^{\′}}+\frac{(X_d^{\′}-X_d){U_S}^2{\cos 2\mathrm{\δ}}_0}{X_{\mathrm{d\Σ}}^{\′}{X}_{\mathrm{d\Σ}}}$

$K_2=(U_S\×\sin {\mathrm{\δ}}_0)/X_{\mathrm{d\Σ}}^{\′}$

$K_3=X_{\mathrm{d\Σ}}^{\′}/X_{\mathrm{d\Σ}}$

$K_4=\frac{(X_d-X_d^{\′})}{X_{\mathrm{d\Σ}}^{\′}}{U}_T\sin {\mathrm{\δ}}_0$

$K_5=\frac{U_S(X_q+X_c)\cos {\mathrm{\δ}}_0\sin {\mathrm{\δ}}_c}{X_{\mathrm{q\Σ}}}-\frac{U_S(X_d^{\′}+X_c)\sin {\mathrm{\δ}}_0\cos {\mathrm{\δ}}_c}{X_{\mathrm{d\Σ}}^{\′}}$

$K_6=\frac{(X_{\mathrm{d\Σ}}-X_d-X_c)\cos {\mathrm{\δ}}_c}{X_{\mathrm{d\Σ}}^{\′}}$

$X_{\mathrm{d\Σ}}^{\′}=X_d^{\′}+X_T+X_L$

X_dΣ=X_d+X_T+X_L

$X_{\mathrm{q\Σ}}^{\′}={X_q}^{\′}+X_T+X_L$

X_qΣ=X_q+X_T+X_L

δ₀=arctan[(U_T sinδ_T+X_q×I_ampl×cosδ_I)/(U_T cosδ_T-X_q×I_ampl×sinδ_I)]

$E_{q0}^{\′}=U_T\cos ({\mathrm{\δ}}_0-{\mathrm{\δ}}_T)+X_d^{\′}\×I_{\mathrm{ampl}}\sin ({\mathrm{\δ}}_0-{\mathrm{\δ}}_I)$

$U_S=\sqrt{{(U_H\cos {\mathrm{\δ}}_H+{I_y}^{*}{X}_L)}^2+{(U_H\sin {\mathrm{\δ}}_H-{I_x}^{*}{X}_L)}^2}$

δ_c=δ_o-arctan[(U_Ssinδ_S+I_ampl×(X_T+X_L-X_c)cosδ_T)/(U_Scosδ_S-I_ampl×(X_T+X_L-X_c)sinδ_T)]

步骤(9)，将步骤（7）获得的X_c ^*作为该机组励磁系统附加调差系数的整定值。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (1)

1.基于提高机组功角稳定性的励磁附加调差系数整定方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供电力调度运行系统中的电网仿真计算处理系统，

从电力调度运行系统中获取待整定参数的发电机组及其相应励磁系统的参数，具体为：发电机组的参数包括：d轴暂态电抗

d轴电抗X_d、q轴暂态电抗

q轴电抗X_q，直轴暂态开路时间常数

机组额定视在功率Sn；励磁系统参数包括：电压调节器增益K_A、电压调节器滞后时间常数T_A；

进一步根据上述参数获取待整定参数的发电机组所连接变压器的电抗值X_T、系统功率基值SS、发电机高压母线的短路容量SB,；以及获得待整定参数的发电机组初始运行状态，包括：发电机机端电压幅值UT、升压变压器高压侧电压幅值UH、、发电机机端电压相角δ_T和高压母线电压相角δ_H；

通过下述模型计算通过变压器电流的幅值I_ampl、相角δ_I、实部I_x、虚部I_y；

I_x=(U_Tsinδ_T-U_Hsinδ_H)/X_T

I_y=(U_Hcosδ_H-U_Tcosδ_T)/X_T

$I_{\mathrm{ampl}}=\sqrt{{I_x}^2+{I_y}^2}$

δ_I=arctan(I_y/I_x)

进一步计算得到无限大功率电源到发电机高压母线之间的电抗XL：

设定发电机组额定功率因数Pf，根据下式计算发电机额定无功功率Q_n：

设定附加调差系数的上限X_cmax和下限X_cmin，设当发电机无功电流由零增加到额定无功电流时，发电机电压变化小于k%，建立如下数学模型：

$-\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n}\≤X_c\≤\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n}$

设发电机变压器组并列点以发电机额定无功功率为基准的电压调差率按照[l,u]范围内整定，对于发电机变压器组,并列点的总的附加调差为X_T-X_c，由上述整定范围可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{c\min }=\max (-\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n},X_T-u\×\frac{S_n}{Q_n})\\ X_{c\max }=\min (\frac{k}{100}\×\frac{S_n}{Q_n},X_T-l\×\frac{S_n}{Q_n})\end{array}\right.$

因此机组励磁系统附加调差系数的整定值X_c ^*采用下述优化模型求解：

min(-f(X_c))

$\left\{\begin{array}{c}{X}_c\≤X_{c\max }\\ X_c\≥X_{c\min }\end{array}\right.$

即根据上述优化模型获得的解就是该机组励磁系统附加调差系数的整定值X_c ^*。

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