CN105162377B - 一种建立发电机励磁控制器能量函数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建立发电机励磁控制器能量函数的方法，属于发电机控制技术领域。本发明首先用供给率方法建立包含励磁自动电压调节器AVR和电力系统稳定器PSS的发电机励磁控制器的哈密顿能量函数，供给率采用各个环节的输入和输出变量描述，获得控制器的能量函数以后，再将控制器的能量函数加入到发电机哈密顿能量函数中，得到包含整个励磁系统的发电机能量函数。本发明用供给率的方法，解决了控制器的能量函数的建模问题，可以方便地将控制器写入发电机哈密顿能量函数中，且通过仿真结果验证了这种建模方法的正确性。

Description

一种建立发电机励磁控制器能量函数的方法

技术领域

本发明涉及一种建立发电机励磁控制器能量函数的方法，属于发电机控制技术领域。

背景技术

由于电力系统的非线性特性，发电机经输电线路与系统相连，加上采用高放大倍数的快速励磁系统，弱阻尼问题引发发电机的动态失稳，表现为低频振荡。解决的主要方法是采用励磁控制系统的附加控制PSS。PSS易于实现，得到广泛的应用。但对PSS参数的优化问题一直以来都是研究的热点和难点问题。

广义哈密顿理论是解决非线性问题的一种途径，广义哈密顿系统与传统微分方程相比最显著的一个特性是哈密顿结构和阻尼矩阵提供了系统内部参数关联信息，利用发电机哈密顿模型给出的结构特征，可以分析参数的关联特性，利用阻尼矩阵可以分析系统的稳定特性，这些思路无疑给研究PSS参数与系统其它参数内部关联机制，进而有效抑制低频振荡提供了新的途径。

广义哈密顿理论在发电机组及电力系统中有许多应用，包含单机无穷大系统哈密顿模型、电站内多机系统的哈密顿模型，技术方法有基于机组哈密顿模型结合其他控制理论改善发电机组控制性能，利用哈密顿能量函数的基于能量整形的各种应用等。

本发明是基于发电机哈密顿模型的基础上，用供给率方法建立包含自动电压调节器AVR和电力系统稳定器PSS的励磁控制器的哈密顿能量函数，为进一步揭示AVR和PSS参数优化奠定基础。

发明内容

本发明提供了一种建立发电机励磁控制器能量函数的方法，以用于建立包含PSS的励磁系统的能量函数，也即建立AVR、PSS的能量函数，这样便于将整个控制器写入发电机哈密顿模型中，构成包含控制器和发电机的完整的哈密顿函数，经过推导获得整个发电机的广义哈密顿模型。

本发明的技术方案是：一种建立发电机励磁控制器能量函数的方法，发电机励磁控制器包括励磁自动电压调节器AVR和电力系统稳定器PSS；

首先用供给率方法建立包含励磁自动电压调节器AVR和电力系统稳定器PSS的发电机励磁控制器的哈密顿能量函数，供给率采用各个环节的输入和输出变量描述，获得控制器的能量函数以后，再将控制器的能量函数加入到发电机哈密顿能量函数中，得到包含整个励磁系统的发电机能量函数。

所述建立发电机励磁控制器能量函数的方法的具体步骤如下：

Step1、电力系统稳定器PSS支路的能量用供给率表示为：ω₁v₂+v₂v_s；励磁自动电压调节器AVR支路分为两部分，包括AVR测量单元和AVR放大单元；测量单元用供给率表示的能量函数为：u_tv₁；AVR放大单元看作三输入与单输出环节，采用给率来表示的能量函数为：

其中，u_t为发电机机端电压，v₁为励磁自动电压调节器AVR输出，K_A是放大系数，ω₁为电力系统稳定器PSS的输入，v_s为电力系统稳定器PSS的输出，v₂为电力系统稳定器PSS的信号滤过环节的输出，v_ref为励磁自动电压调节器AVR的整定值；

Step2、PSS、AVR支路的总能量函数为：

Step3、发电机哈密顿能量函数为：

p_f是发电机励磁绕组广义动量，定义为：

其中：u_t是发电机机端电压，X_ad为d轴电枢反应电抗，X_d、X_d′、X_q分别是d轴电抗、d轴暂态电抗，q轴电抗；E_q′为q轴暂态电动势，X_f为励磁绕组电抗，δ是功角(rad)， T_j是机组惯性时间常数(s)，ω_B是机组角速度基值，ω₁＝ω－1，ω是机组角速度(p.u.)；

Step4、将AVR和PSS的能量函数加入到发电机哈密顿函数中，构成包含整个励磁系统的发电机能量函数：

参数说明：如图1，励磁自动电压调节器(AVR)采用PI调节器，AVR的输入为发电机机端电压u_t，输出为v₁，K_A是放大系数；PSS单元包含增益环节、信号过滤环节和相位补偿环节，K_s是增益系数，T_w是信号过虑环节的时间常数(s)，T₁，T₂是相位补偿环节的时间常数(s)，PSS输入为ω₁，其中ω₁＝ω－1，ω是机组角速度(p.u.)，输出为v_s，v₂为PSS的信号滤过环节的输出。可控硅励磁单元简化为线性环节。

其中步骤Step3中，发电机哈密顿能量函数为发电机哈密顿模型中选择的已有的三阶模型相对应的哈密顿函数，其中发电机哈密顿模型中选择的已有的三阶模型为：

其中：δ是功角(rad)，p_ω1＝T_jω_Bω₁，T_j是机组惯性时间常数(s)，ω_B是机组角速度基值，ω₁＝ω－1，ω是机组角速度(p.u.)，D为发电机等效阻尼系数，r_f是励磁绕组电阻(pu),m_t为机械力矩，u_f是励磁电压(p.u.)，时间变量取标么时间，各参数均为标么值(p.u.)。

本发明的有益效果是：

在发电机的广义哈密顿系统中，控制器(励磁自动电压调节器AVR和电力系统稳定器PSS)的能量函数还没有很好的建模方法，这就抑制了利用哈密顿系统针对控制器调节的发电机及电网的稳定控制研究。本发明利用供给率的方法，解决了控制器的能量函数的建模问题，可以方便地将控制器写入发电机哈密顿能量函数中，且通过仿真结果验证了这种建模方法的正确性。

附图说明

图1是本发明含AVR和PSS的可控硅励磁系统；

图2是本发明取参数u_t＝1.0(p.u.)，ω₁＝0.05(p.u.)，用供给率建立控制器能量函数的哈密顿模型仿真结果；

图3是本发明取参数u_t＝1(p.u.)，ω₁＝0.05(p.u.)，用传递函数表示控制器的哈密顿模型仿真结果；

图4是本发明取参数ω₁＝0，u_t＝1.05(p.u.)，用供给率建立控制器能量函数的哈密顿模型仿真结果；

图5是本发明取参数ω₁＝0，u_t＝1.05(p.u.)，用传递函数表示控制器的哈密顿模型仿真结果。

具体实施方式

实施例1：如图1-5所示，一种建立发电机励磁控制器能量函数的方法，首先用供给率方法建立包含励磁自动电压调节器AVR和电力系统稳定器PSS的发电机励磁控制器的哈密顿能量函数，供给率采用各个环节的输入和输出变量描述，获得控制器的能量函数以后，再将控制器的能量函数加入到发电机哈密顿能量函数中，得到包含整个励磁系统的发电机能量函数。

所述建立发电机励磁控制器能量函数的方法的具体步骤如下：

Step1、电力系统稳定器PSS支路的能量用供给率表示为：ω₁v₂+v₂v_s；励磁自动电压调节器AVR支路分为两部分，包括AVR测量单元和AVR放大单元；测量单元用供给率表示的能量函数为：u_tv₁；AVR放大单元看作三输入与单输出环节，采用给率来表示的能量函数为：

其中，u_t为发电机机端电压，v₁为励磁自动电压调节器AVR输出，K_A是放大系数，ω₁为电力系统稳定器PSS的输入，v_s为电力系统稳定器PSS的输出，v₂为电力系统稳定器PSS的信号滤过环节的输出，v_ref为励磁自动电压调节器AVR的整定值；

Step2、PSS、AVR支路的总能量函数为：

Step3、发电机哈密顿能量函数为：

p_f是发电机励磁绕组广义动量，定义为：

其中：u_t是发电机机端电压，X_ad为d轴电枢反应电抗，X_d、X_d′、X_q分别是d轴电抗、d轴暂态电抗，q轴电抗；E_q′为q轴暂态电动势，X_f为励磁绕组电抗，δ是功角(rad)， T_j是机组惯性时间常数(s)，ω_B是机组角速度基值，ω₁＝ω－1，ω是机组角速度(p.u.)；

Step4、将AVR和PSS的能量函数加入到发电机哈密顿函数中，构成包含整个励磁系统的发电机能量函数：

根据Step4所获得的能量函数H，进一步可推导包含带AVR和PSS的发电机哈密顿模型：

其中：x＝[δ,p_ω1,p_f,v₁,v₂,v_s]^T,

供给率方法的验证：

为了验证所提出的用供给率表示的AVR和PSS支路的能量方法的正确性，将其与用图1所示的传递函数表示的模型进行仿真对比，其中，图1是可控硅励磁系统的结构图，传统的方法就是用图中的传递函数进行分析，本发明是根据此结构图用供给率的方法建立了该结构的能量函数。仿真参数：机组参数，发电机同步电抗X_d＝1.07，发电机暂态X_d′＝0.34，q轴电抗X_q＝0.66；励磁电抗X_f＝1.29，d轴电枢反应电抗X_ad＝0.9，励磁绕组时间参数T_d0＝5.4，w_B＝314，阻尼系数D＝5，惯性时间常数Tj＝5.0(s)，AVR和PSS参数：T_R＝0.06，T1＝0.5，T2＝0.05，Ks＝1.0，T_W＝4；Tj＝5.0，K_A＝50，各参数均为标么值(p.u.)。

仿真工况一：发电机端电压不变u_t＝1(p.u.)，角速度增量ω₁＝0.05(p.u.)，攻角的变化曲线如附图2、附图3。

仿真工况二：角速度增量ω₁＝0，发电机端电压u_t＝1.05(p.u.)，攻角的变化曲线如附图4、附图5。

仿真结果说明。从仿真结果分析，以供给率构造的哈密顿模型和以传递函数构造的传统模型，在输入端出现扰动的情况下，其仿真结果一致，证明了以供给率构造的发电机组控制器能量函数的建模方法的正确性。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种建立发电机励磁控制器能量函数的方法，发电机励磁控制器包括励磁自动电压调节器AVR和电力系统稳定器PSS，其特征在于：首先用供给率方法建立包含励磁自动电压调节器AVR和电力系统稳定器PSS的控制器的能量函数，供给率采用各个环节的输入和输出变量描述，获得控制器的能量函数以后，再将控制器的能量函数加入到发电机哈密顿能量函数中，得到包含整个励磁系统的发电机励磁控制器能量函数；

所述建立发电机励磁控制器能量函数的方法的具体步骤如下：

Step1、电力系统稳定器PSS支路的能量用供给率表示为：ω₁v₂+v₂v_s；励磁自动电压调节器AVR支路分为两部分，包括AVR测量单元和AVR放大单元；AVR测量单元用供给率表示的能量函数为：u_tv₁；AVR放大单元看作三输入与单输出环节，采用供给率来表示的能量函数为：

其中，u_t为发电机机端电压，v₁为励磁自动电压调节器AVR输出，K_A是放大系数，ω₁为电力系统稳定器PSS的输入，v_s为电力系统稳定器PSS的输出，v₂为电力系统稳定器PSS的信号滤过环节的输出，v_ref为励磁自动电压调节器AVR的整定值；

Step2、PSS、AVR支路的总能量函数为：

Step3、发电机哈密顿能量函数为：

p_f是发电机励磁绕组广义动量，定义为：

其中：u_t是发电机机端电压，X_ad为d轴电枢反应电抗，X_d、X_d′、X_q分别是d轴电抗、d轴暂态电抗，q轴电抗；E_q′为q轴暂态电动势，X_f为励磁绕组电抗，δ是功角，p_ω1＝T_jω_Bω₁＝T_j ^*ω₁，T_j是机组惯性时间常数，ω_B是机组角速度基值，ω₁＝ω－1，ω是机组角速度；T_j ^*是机组惯性时间常数的标么值；

Step4、将PSS、AVR支路的总能量函数加入到发电机哈密顿能量函数中，构成包含整个励磁系统的发电机励磁控制器能量函数：