CN104868479B - 一种发电机无功储备的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发电机无功储备的计算方法，属于电力系统电压/无功动态控制技术领域；本方法利用发电机有功和无功的功角方程，通过采样励磁电流数值，实时计算采用不同励磁系统的发电机的无功储备。该方法包括：静态无功储备计算；激活的动态无功储备计算；静态无功储备减去激活的动态无功储备。本发明能够实现发电机静态无功储备的在线计算和动态无功储备的仿真计算,具有通用性好，需要测量的参数少，具有可在线快速计算等诸多优点。
Description
技术领域
本发明属于电力系统电压/无功动态控制技术领域，特别涉及一种发电机无功储备的计算方法，通过在线获取发电机有功功率、励磁电流以及机端电压，通过计算达到实时监测发电机无功储备的目的。
背景技术
随着电力系统中高压直流输电技术的广泛采用，多馈入直流系统发生严重故障时所引发的无功和电压稳定问题愈发突出，即发生故障后，无功需求急剧增长导致电压较长时间和较大幅值的跌落继而持续恶化造成电压崩溃。为了解决电力系统电压失稳这一重大技术难题，一方面要大力应用新型的动态无功补偿设备，如静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)等，另外一方面更要充分利用电网中分布最广、容量最大和应用最多的同步发电机动态无功容量。充分利用发电机的动态无功储备可以减少动态无功补偿设备的使用容量，极大地提高电网的经济效益。对于发电机无功储备的定义与数学模型，国内外已有相关理论研究，并且取得了丰富的成果，结果均表明通过充分利用发电机的无功电压控制能力可提高系统运行的稳定性与经济性。但是现有的关于发电机无功储备研究大多为稳态时的理论研究和发电机数学建模研究，缺少针对发电机在暂态条件下无功储备的研究。由于系统状态或负荷的快速变化需要消耗大量的无功，所以需要通过计算出发电机所能提供的最大的无功储备来规划系统动态无功源的容量和配置。本文设计出一种计算发电机无功储备的方法以满足实际的工程需求。
发明内容
鉴于以上已有技术存在的不足之处，本发明提出一种发电机无功储备计算方法，包括静态无功储备和动态无功储备的计算。静态无功储备的计算利用发电机有功和无功的功角方程，通过采样发电机励磁电流、机端电压以及实时有功输出，能够实现发电机无功储备的在线计算，具有很好的通用性，需要测量的参数少。动态无功储备的计算可按照所提出的计算流程，在电力系统仿真软件中实现。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明提供了一种发电机无功储备的计算方法，包括发电机的静态无功储备和动态无功储备。前者包括步骤1、由稳态和暂态的功角特性以及测量结果确定静态无功储备上限；步骤2、根据欠励限制动作曲线确定静态无功储备下限；3、获取静态无功储备。后者包括步骤1、设定计算所涉及的发电机集、运行方式集和故障集；步骤2、逐一仿真计算集合中特定方式、特定故障下关注发电机的动态无功储备；步骤3、将多方式、多故障和多机组的动态无功储备值进行综合，得到系统整体的发电机动态无功储备。
一种发电机无功储备计算方法，其特征在于能够实现发电机静态无功储备的在线计算和动态无功储备的仿真计算，具有很好的通用性，需要测量的参数少。
该方法包括以下步骤：
首先对发电机无功储备的定义进行规范，相关定义间的逻辑关系如图1所示。其中，“无功储备”定义为：能输出的最大无功功率与当前输出的差值。“静态无功储备”定义为：在一定机网运行方式下，机组考虑自身硬软件约束条件下，可能输出的最大无功功率与当前输出的差值，它表征机组在当前条件下能增加无功输出的最大潜力。“激活的动态无功储备”，简称“动态无功储备”，定义为：在一定机网运行方式下发生特定故障(集)时，系统能保持暂态电压稳定的条件下发电机实际输出的最大无功功率与故障前稳态无功输出的差值，它表征机组参与特定暂态过程，其静态无功储备被激活并释放出来的部分，有效地用于改善系统的动态特性。“未激活的无功储备”，定义为：“静态无功储备”减去“激活的动态无功储备”。
1)静态无功储备计算
发电机静态无功储备的计算流程如图2所示。
11)静态无功储备上限计算
静态无功储备上限表明了在某一故障下，发电机可能输出的最大无功功率与当前输出的差值。
目标发电机在稳态运行过程中，测得该发电机的输出有功功率P、无功功率Q、励磁电流If和机端电压U0。
计算空载电动势Eq，有
Eq＝xadIf (1)
其中xad为电枢反应电抗。
根据式(2)计算功角的初值δ0：
当系统没有发生故障时，发电机继续处于稳态运行过程，当系统发生故障时，发电机励磁系统的强励能力发挥作用，测量此时的有功功率PS，端电压U。
根据式(3)计算发电机暂态电势E'q：
凸极机在E'q恒定时的暂态功率方程为(对隐极机有xd＝xq)：
Xd为发电机的直轴同步电抗，Xq为发电机的交轴同步电抗，Xd’为发电机的直轴暂态电抗；
设发电机在强励条件下空载电动势、功角、电压、输出无功分别为E′qS、δS、US、QS。以强励下的空载电势E′qS＝2Eq为例有：
由式(6)求出δS，将δS带入式(7)就可求得QS，即为静态无功输出上限，减去稳态时发电机的输出无功Q即可得到发电机正向的静态无功储备(在故障中发出无功)。
12)静态无功储备下限计算
发电机静态无功储备下限对应的是发电机反向的静态无功储备，体现的是发电机在故障中吸收无功的能力。
对于静态无功储备下限的计算，根据《PSD-BPA稳定说明书》，如果对进相没有特别要求时一般可按照有功功率P＝PN时允许无功功率Q＝-0.05QN及P＝0时Q＝-0.3QN两点来确定欠励限制动作曲线。其中PN，QN分别为额定有功功率和额定无功功率。
圆心在Q轴上，静态稳定极限曲线方程式为
P2+(Q0-Q)2＝r2
由于不同电压水平下容许进相能力是不同的(相同有功)，所以应根据电压水平进行修正，即圆周型静态稳定极限曲线方程为
P2+(Q0U2-Q)2＝(rU2)2
R为机端等效电阻。
已知曲线方程两点分别为(0，-0.3)，(1，-0.05)，假设电压U＝1时，可求出Q0，r，从而可以求得不同电压U下，发电机无功功率随有功功率以及端电压变化时的方程为：
2)动态无功储备计算
动态无功储备的决定性因素非常复杂，包括：机网初始运行状态，需考虑的故障形态、地点和参数，发电机的励磁系统的参数和控制策略，故障后系统的紧急控制策略等，且发电厂实际运行情况与理论计算存在着一定的差异，本方法中一些变量(故障点的选择、故障类型的选择、电压参考值的设定等)需要根据不同要求进行设定，以满足不同类型故障下发电机动态无功储备的计算。
发电机动态无功储备的计算流程如图3所示。首先设定计算所涉及的发电机集、运行方式集和故障集；接下来在时域仿真模型中，采用扫描计算的方法，逐一计算集合中特定方式、特定故障下关注发电机的动态无功储备；最后将多方式、多故障和多机组的动态无功储备值进行综合，得到系统整体的发电机动态无功储备、无功储备结构与利用率等量化指标。
本发明中，各发电机组的参数是不同的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明计算原理应用于不同发电机上，均不应排除在本发明的保护范围之外。
本发明的特点及有益效果：
该计算方法可以计算出目标发电机在暂态运行时具有的无功储备输出和吸收的最大潜力(静态无功储备计算)，和发电机组在特定故障后所能提供的最大无功功率(动态无功储备计算)。
1、具有很好的通用性，具体表现于适用于不同容量不同励磁系统类型的发电机。
2、需要测量的参数少，可在线快速得出目标发电机无功储备的大小。
附图说明
图1为无功储备定义间的逻辑关系；
图2为静态无功储备计算的流程图；
图3为动态无功储备计算的流程图。
具体实施方式
结合附图及具体实施例，说明本发明采取的技术方案：
图1为无功储备定义间的逻辑关系；
图2是发电机静态无功储备计算流程。目标发电机在稳态运行过程中，测得该发电机的输出有功功率P、无功功率Q、励磁电流If和机端电压U0。首先计算空载电动势Eq，并进一步得到功角的初值δ0，当系统发生故障时，测量此时的有功功率PS，端电压U，计算发电机暂态电势E'q，由功角特性求出δS，进一步求得QS，即为静态无功输出上限。对于静态无功储备下限的计算，根据事先确定的欠励限制动作曲线得到静态稳定极限曲线方程，根据电压水平进行修正，从而可以求得不同电压U下，发电机无功功率随有功功率以及端电压变化的关系，从而得到静态无功储备下限。
发电机动态无功储备的计算流程如图3所示。首先设定计算所涉及的发电机集、运行方式集和故障集；其次采用扫描计算的方法，逐一仿真计算集合中特定方式、特定故障下关注发电机的动态无功储备；最后将多方式、多故障和多机组的动态无功储备值进行综合，得到系统整体的发电机动态无功储备、无功储备结构与利用率等量化指标。
本发明提供了一种发电机无功储备的计算方法，包括发电机的静态无功储备和动态无功储备。前者包括步骤1、由稳态和暂态的功角特性以及测量结果确定静态无功储备上限；步骤2、根据欠励限制动作曲线确定静态无功储备下限；3、获取静态无功储备。后者包括步骤1、设定计算所涉及的发电机集、运行方式集和故障集；步骤2、逐一仿真计算集合中特定方式、特定故障下关注发电机的动态无功储备；步骤3、将多方式、多故障和多机组的动态无功储备值进行综合，得到系统整体的发电机动态无功储备。
一种发电机无功储备计算方法，能够实现发电机静态无功储备的在线计算和动态无功储备的仿真计算，具有很好的通用性，需要测量的参数少。
首先对发电机无功储备的定义进行规范，相关定义间的逻辑关系如图1所示。其中，“无功储备”定义为：能输出的最大无功功率与当前输出的差值。“静态无功储备”定义为：在一定机网运行方式下，机组考虑自身硬软件约束条件下，可能输出的最大无功功率与当前输出的差值，它表征机组在当前条件下能增加无功输出的最大潜力。“激活的动态无功储备”，简称“动态无功储备”，定义为：在一定机网运行方式下发生特定故障(集)时，系统能保持暂态电压稳定的条件下发电机实际输出的最大无功功率与故障前稳态无功输出的差值，它表征机组参与特定暂态过程，其静态无功储备被激活并释放出来的部分，有效地用于改善系统的动态特性。“未激活的无功储备”，定义为：“静态无功储备”减去“激活的动态无功储备”。
该方法包括以下步骤：
1)静态无功储备计算
发电机静态无功储备的计算流程如图2所示。
11)静态无功储备上限计算
静态无功储备上限表明了在某一故障下，发电机可能输出的最大无功功率与当前输出的差值。
目标发电机在稳态运行过程中，测得该发电机的输出有功功率P、无功功率Q、励磁电流If和机端电压U0。
计算空载电动势Eq，有
Eq＝xadIf (1)
其中xad为电枢反应电抗。
根据式(2)计算功角的初值δ0：
当系统没有发生故障时，发电机继续处于稳态运行过程，当系统发生故障时，发电机励磁系统的强励能力发挥作用，测量此时的有功功率PS，端电压U。
根据式(3)计算发电机暂态电势E'q：
凸极机在E'q恒定时的暂态功率方程为(对隐极机有xd＝xq)：
设发电机在强励条件下空载电动势、功角、电压、输出无功分别为E′qS、δS、US、QS。以强励下的空载电势E'qS＝2Eq为例有：
由式(6)求出δS，将δS带入式(7)就可求得QS，即为静态无功输出上限，减去稳态时发电机的输出无功Q即可得到发电机正向的静态无功储备(在故障中发出无功)。
12)静态无功储备下限计算
发电机静态无功储备下限对应的是发电机反向的静态无功储备，体现的是发电机在故障中吸收无功的能力。
对于静态无功储备下限的计算，根据《PSD-BPA稳定说明书》，如果对进相没有特别要求时一般可按照有功功率P＝PN时允许无功功率Q＝-0.05QN及P＝0时Q＝-0.3QN两点来确定欠励限制动作曲线。其中PN，QN分别为额定有功功率和额定无功功率。
圆心在Q轴上，静态稳定极限曲线方程式为
P2+(Q0-Q)2＝r2
由于不同电压水平下容许进相能力是不同的(相同有功)，所以应根据电压水平进行修正，即圆周型静态稳定极限曲线方程为
P2+(Q0U2-Q)2＝(rU2)2
已知曲线方程两点分别为(0，-0.3)，(1，-0.05)，假设电压U＝1时，可求出Q0，r，从而可以求得不同电压U下，发电机无功功率随有功功率以及端电压变化时的方程为：
2)动态无功储备计算
动态无功储备的决定性因素非常复杂，包括：机网初始运行状态，需考虑的故障形态、地点和参数，发电机的励磁系统的参数和控制策略，故障后系统的紧急控制策略等，且发电厂实际运行情况与理论计算存在着一定的差异，本方法中一些变量(故障点的选择、故障类型的选择、电压参考值的设定等)需要根据不同要求进行设定，以满足不同类型故障下发电机动态无功储备的计算。
发电机动态无功储备的计算流程如图3所示。首先设定计算所涉及的发电机集、运行方式集和故障集；接下来在时域仿真模型中，采用扫描计算的方法，逐一计算集合中特定方式、特定故障下关注发电机的动态无功储备；最后将多方式、多故障和多机组的动态无功储备值进行综合，得到系统整体的发电机动态无功储备、无功储备结构与利用率等量化指标。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种发电机无功储备计算方法，其特征在于，所述方法能够实现发电机静态无功储备的在线计算和动态无功储备的仿真计算,
该方法包括以下步骤：
步骤一，静态无功储备计算；
步骤二，激活的动态无功储备计算；
步骤三，静态无功储备减去激活的动态无功储备；
所述无功储备定义为：能输出的最大无功功率与当前输出的差值；
所述静态无功储备定义为：在一定机网运行方式下，机组考虑自身硬软件约束条件下，可能输出的最大无功功率与当前输出的差值，其表征机组在当前条件下能增加无功输出的最大潜力；
所述激活的动态无功储备，简称“动态无功储备”，定义为：在一定机网运行方式下，发生特定故障时，系统能保持暂态电压稳定的条件下发电机实际输出的最大无功功率与故障前稳态无功输出的差值；其表征机组参与特定暂态过程，静态无功储备被激活并释放出来的部分，有效地用于改善系统的动态特性；
未激活的无功储备，定义为：所述“静态无功储备”减去所述“激活的动态无功储备”；
所述静态无功储备计算包括：静态无功储备上限计算和静态无功储备下限计算；
所述静态无功储备上限计算过程为：
目标发电机在稳态运行过程中，测得该发电机的输出有功功率P、无功功率Q、励磁电流If和机端电压U0；
计算空载电动势Eq，有
Eq＝xadIf
其中xad为电枢反应电抗；
计算功角的初值δ0，有
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当系统没有发生故障时，发电机继续处于稳态运行过程，当系统发生故障时，发电机励磁系统的强励能力发挥作用，测量此时的有功功率PS，端电压U；
计算发电机暂态电势E'q，有：
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Xd为发电机的直轴同步电抗，Xq为发电机的交轴同步电抗，Xd’为发电机的直轴暂态电抗；
设发电机在强励条件下空载电动势、功角、电压、输出无功分别为E′qS、δS、US、QS；强励下的空载电势E'qS＝2Eq，有：
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求出δS，将δS带入就可求得QS，即为静态无功输出上限。
2.如权利要求1所述的发电机无功储备计算方法，其特征在于，所述静态无功输出上限，减去稳态时发电机的输出无功Q，即可得到发电机正向的静态无功储备。
3.如权利要求1所述的发电机无功储备计算方法，其特征在于，所述发电机静态无功储备下限对应的是发电机反向的静态无功储备；
静态无功储备下限的计算，按照有功功率P＝PN时，允许无功功率Q＝-0.05QN及P＝0时Q＝-0.3QN两点来确定欠励限制动作曲线；其中PN，QN分别为额定有功功率和额定无功功率；
圆心在Q轴上，静态稳定极限曲线方程式为
P2+(Q0-Q)2＝r2
由于不同电压水平下容许进相能力是不同的，所以应根据电压水平进行修正，即圆周型静态稳定极限曲线方程为
P2+(Q0U2-Q)2＝(rU2)2
r为机端等效电阻。
4.如权利要求1所述的发电机无功储备计算方法，其特征在于，所述动态无功储备计算流程包括：
首先设定计算所涉及的发电机集、运行方式集和故障集；
接下来在时域仿真模型中，采用扫描计算的方法，逐一计算集合中特定方式、特定故障下关注发电机的动态无功储备；
最后将多方式、多故障和多机组的动态无功储备值进行综合，得到系统整体的发电机动态无功储备、无功储备结构与利用率等量化指标。
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