CN105826937B - 一种超前相位自适应型电力系统稳定器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超前相位自适应型电力系统稳定器。现有PSS模型均采用多阶大相位超前环节,一方面,多阶大相位超前补偿环节会造成PSS增益受限而严重削弱其在中低频段的振荡抑制能力;另一方面,对于不同频率下的无补偿特性,要采用一套相同的超前参数达到全频段的补偿效果,存在参数整定困难等问题,不利于工程中的现场参数整定。本发明将有功功率负变化量和转速变化量矢量合成作为PSS输入后,使得由经励磁系统产生的力矩ΔMpss保持在转速轴附近甚至与转速轴重合,以实现对不同振荡频率下对滞后特性的补偿。同时,对超低频的滤波使其具有抑制轴系扭振和抗反调的作用。
Description
技术领域
本发明涉及有功低频振荡抑制用的电力系统稳定器,具体地说是一种采用功率-转速变化量合成矢量作为输入,使其具有超前相位自适应调整能力并具备抗无功“反调”能力的电力系统稳定器。
背景技术
随着国家电网公司“三华”(华北、华东、华中)特高压交流联网的实施和多回特高压直流的建成投产,全国将形成多电压等级、交直流混联的复杂特大型同步电网。交流电网规模的扩大导致整个电力系统的等效惯量增加,大功率直流送出和远距离重负荷交流送电使得受端开机量减小,开机方式发生巨大变化,全网系统阻尼和动态稳定性减弱。
由于发电机磁场绕组及快速励磁系统的滞后特性,恶化了其与电网之间的正阻尼,发生有功低频振荡的风险随之增加。这种滞后特性称为“无补偿滞后特性”,不同的运行工况、励磁方式及其调节器参数均会影响无补偿特性的滞后角度,一般对于自并励静止励磁方式,在0.1~2.0Hz的低频振荡频率范围内,无补偿特性的滞后角度大约在10至90度。
电力系统稳定器PSS(Power System Stabilizer)即是通过在励磁系统电压给定点叠加一个相位超前转速变化的PSS输出量,补偿发电机无补偿滞后特性,以达到增加阻尼、抑制有功低频振荡的作用。由于PSS抑制有功低频振荡原理清晰且易于实现,使其成为目前工程化应用最广泛的阻尼有功低频振荡手段。但为了达到补偿发电机无补偿特性的目的,现有PSS模型均采用多阶大相位超前环节,如典型的PSS2B模型,其模型如图1所示,一般配有两阶大相位超前环节,以补偿发电机无补偿特性和含T7的一阶惯性环节造成的相位二次滞后90度的特性,对于三机励磁系统或滞后角度严重的发电机,更有需要采用三阶大相位超前环节补偿。一方面,多阶大相位超前补偿环节会造成PSS增益受限而严重削弱其在中低频段的振荡抑制能力;另一方面,对于不同频率下的无补偿特性,要采用一套相同的超前参数达到全频段的补偿效果,存在参数整定困难等问题,不利于工程中的现场参数整定。
为解决上述问题,国内外开展了多信号输入、分频段抑制方式以及广域PSS等的新型PSS研究,但均不同程度地存在物理意义不清晰、模型结构复杂、参数整定困难和工程化应用存在局限性等问题。
因此,亟需设计一种通过简单的模型结构改变,具有明确的物理含义,能简化PSS参数整定的新型PSS模型,使其既能保证拥有很好振荡抑制能力,又能拥有抗无功“反调”能力,具备易于工程应用的可能性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷,提供一种利用发电机有功功率负变化量-ΔPe与转速变化量Δω构造一个合成相量VPe-ω作为输入的电力系统稳定器,使其相位角度随振荡频率增加而超前相位角度增加,无需采用多阶大相位超前环节补偿即可满足在不同频率范围内的发电机及励磁系统的无补偿特。
为此,本发明采用如下的技术方案:一种超前相位自适应型电力系统稳定器,其设计方法及工作步骤如下:
1)根据发电机励磁系统的小信号分析模型,得到发电机转速变化量Δω与功角变化量Δδ的关系;
2)从步骤1)中获得的Δω与Δδ的关系,构建一个发电机有功功率负变化量-ΔPe与转速变化量Δω的矢量合成
3)检测发电机转速信号ω,采用两阶隔直环节来获取转速变化量Δω并经一阶超前滞后环节及增益系数Ks比例放大后得到发电机转速变化相量Δωin;
4)检测发电机有功功率信号Pe,采用一阶或两阶隔直环节来获取有功功率变化量ΔPe并经一阶超前滞后环节获得发电机有功功率变化相量ΔPein;
5)从步骤4)获得的ΔPein取负值实现Δδ轴的反转获得-ΔPein;
6)从步骤3)获得的发电机转速变化相量Δωin和步骤5)获得的发电机有功功率负变化相量-ΔPein叠加,获得功率-转速轴的矢量合成
7)采用陷波滤波器对步骤6)中获得的功率-转速轴矢量合成进行0Hz附近的超低频段滤波形成功率-转速信号
8)采用步骤7)中获得的经增益系数Kpss比例放大后进行上下限幅后作为电力系统稳定器的输出Vpss。
本发明将有功功率负变化量和转速变化量矢量合成作为PSS输入后,使得由经励磁系统产生的力矩ΔMpss保持在转速轴附近甚至与转速轴重合,以实现对不同振荡频率下对滞后特性的补偿。同时,对超低频的滤波使其具有抑制轴系扭振和抗反调的作用。本发明不需要采用多阶超前环节即可满足发电机励磁系统有补偿特性相位要求。
进一步,步骤8)中,在增益系数Kpss比例放大后再经三阶超前滞后相位校正环节,可以满足对于特殊的发电机励磁系统需要相位微调的需求。
进一步,步骤1)中,发电机转速变化量Δω与功角变化量Δδ的关系式如下:
其中:ω0为发电机额定转速,s为微分算子。
进一步,由式(1)可得,Δω与Δδ呈相互垂直关系,且两者模值的关系如下:
|Δδ|=kf×|Δω|, (2)
其中:f为振荡频率,k为比例系数。
进一步,步骤2)中,的相位超前角度为:
其中:f为振荡频率,k为比例系数。
进一步,步骤3)中,Δωin计算公式如下:
其中,Tw1为转速信号第一阶隔直时间常数;Tw2为转速信号第二阶隔直时间常数,TL1为转速信号超前时间常数;TL2为转速信号滞后时间常数;Ks为转速信号增益系数,s为微分算子;
进一步,步骤4)中,ΔPein计算公式如下:
其中,Tw3为有功功率第一阶隔直时间常数;Tw4为有功功率第二阶隔直时间常数;TH1为有功功率超前时间常数;TH2为有功功率滞后时间常数;s为微分算子。
进一步,步骤6)中,功率-转速轴矢量合成的计算公式如下:
本发明电力系统稳定器具有的有益效果如下:第一,利用发电机有功功率负变化量与转速变化量构造一个矢量合成可以使其相位超前角度随振荡频率增加而增加,自动补偿不同频率下的发电机及励磁系统的无补偿特性,可以用于抑制0.2~2.0Hz全频段的电力系统低频振荡;第二,无需采用PSS2B模型多阶大相位超前环节补偿即可满足发电机提供补偿阻尼的目的,既简化了参数整定的复杂性又避免了多阶大相位超前补偿造成增益受限的问题;第三,保留了传统电力系统稳定器的三阶超前滞后环节,可以满足对于特殊的发电机励磁系统需要相位微调的需求;其四,对矢量合成经接近0Hz的超低频段的滤波陷波器环节,实现了电力系统稳定器的抗无功“反调”功能,限制机组在原动机机械功率调整时的无功“反调”。
因此,本发明设计的电力系统稳定器物理概念清晰、易开展现场整定并具有相位自适应调整能力,通过合理的模型结构设计,避免了采用过多超前相位补偿带来的低频段增益受限的问题,实现了全频段增益的提升,简化了现场参数整定,保证了无功抗“反调”能力,可用于增强特大型交流同步电网易发的低频段振荡抑制能力,提升特大型交流同步电网在低频段的动态稳定水平。
附图说明
图1为现有技术中PSS2B的模型结构图。
图2为现有技术中发电机励磁系统的小信号分析模型。
图3为本发明电力系统稳定器的功率-转速轴矢量合成的相位关系图。
图4为本发明电力系统稳定器的模型结构图。
图5为现场实测发电机无补偿特性图。
图6为本发明电力系统稳定器不同振荡频率下的相位特性图。
图7为不同PSS情况下发电机1%负载电压阶跃仿真结果图。
图8-9为本发明电力系统稳定器的抗反调能力仿真结果(图中的新型PSS即本发明的PSS)。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步说明。
如图4所示的电力系统稳定器模型结构,其设计方法及工作步骤如下:
1)发电机励磁系统的小信号分析模型如图2所示,图2中,ΔMe1和ΔMe2分别为通过K1和K2支路的电磁转矩,ΔEfd为励磁电压信号增量;ΔE'q为发电机暂态电势增量;Δδ为发电机角度变化量;Δω为转速变化量;Td'0为直轴暂态开路时间常数;M为发电机转动惯量;D为等效阻尼系数,K1-K6为放大倍数。
从图2中得到发电机转速变化量Δω与功角变化量Δδ的关系,ω0为发电机额定转速,s为微分算子。
2)从步骤1)中获得的Δω与Δδ的关系,构建一个发电机有功功率负变化量-ΔPe与转速变化量Δω的矢量合成
3)检测发电机转速信号ω,采用两阶隔直环节来获取转速变化量Δω并经一阶超前滞后环节及转速信号增益系数Ks比例放大后得到发电机转速变化相量Δωin。
4)检测发电机有功功率信号Pe,采用一阶或两阶隔直环节来获取有功功率变化量ΔPe并经一阶超前滞后环节获得发电机有功功率变化相量ΔPein。
5)从步骤4)获得的ΔPein取负值实现Δδ轴的反转获得-ΔPein。
6)从步骤3)获得的发电机转速变化相量Δωin和步骤5)获得的发电机有功功率负变化相量-ΔPein叠加,获得功率-转速轴的矢量合成如图3所示(图3中的ΔMpss为PSS产生的阻尼力矩)。
7)采用陷波滤波器对步骤6)中获得的功率-转速轴矢量合成进行0Hz附近的超低频段滤波形成功率-转速信号
8)采用步骤7)中获得的经增益系数Kpss比例放大后进行上下限幅后作为电力系统稳定器的输出Vpss。
图4中,bn为带宽,Wn为滤波频率设定值(rad/s)。
三阶超前滞后相位环节作为特殊情况下的相位校正预留手段,本实施例中无需使用该环节。
本实施例中以某型1000MW汽轮发电机组为应用对象,其采用自并励励磁方式,目前实际采用PSSB型电力系统稳定器。
发电机主要额定参数如下:额定视在功率1120MVA,额定有功功率1008MW,额定机端电压27kV,额定励磁电流5041A,直轴同步电抗(不饱和值)与交轴同步电抗(不饱和值)均为193.41%,直轴开路时间常数10.8s,励磁系统调差设置为-8%。
1、发电机励磁系统无补偿特性测试
PSS现场参数整定试验时,需通过外加扰动信号来进行频谱特性测试,获取发电机励磁系统滞后特性。通过在PSS退出情况下,采用LDS动态信号分析仪发出扫频周期10s,频段0.2~2Hz的正弦信号,并将该扰动信号替代PSS输出信号输入至AVR的PSS输出叠加点造成人为扰动,获得发电机励磁系统实测无补偿特性,如图5所示。
2、发电机电力系统稳定器参数
现场测试时的机组工况如下:有功功率888MW,无功功率101MVar,机端电压26.2kV,现场整定的PSS2B参数如表1所示。
表1为PSS2B型电力系统稳定器整定参数表
参数 | 定值 | 参数 | 定值 | 参数 | 定值 |
TW1 | 5 | KS3 | 1 | T2 | 0.03 |
TW2 | 5 | T8 | 0.2 | T3 | 0.22 |
T6 | 0.02 | T9 | 0.1 | T4 | 0.02 |
TW3 | 5 | KS1 | 8 | T11 | 1 |
TW4 | 0 | N | 1 | T12 | 1 |
KS2 | 0.6 | M | 5 | VSTMAX | 0.05 |
T7 | 5 | T1 | 0.2 | VSTMIN | -0.05 |
根据现场实测发电机励磁系统无补偿滞后特性,整定本发明的PSS参数如表2所示。
表2为超前相位自适应型电力系统稳定器(即本发明)整定参数表
参数 | 定值 | 参数 | 定值 | 参数 | 定值 |
TW1 | 10 | TW4 | 0 | TL1 | 8 |
TW2 | 10 | TH1 | 1 | TL2 | 48 |
TW3 | 1 | TH2 | 5 | KS | 25 |
Kpss | 6.8 | T2 | 1 | T6 | 1 |
Wn(rad/s) | 0.125663704 | T3 | 1 | Vpssmax | 0.1 |
bn | 0.05 | T4 | 1 | Vpssmin | -0.1 |
T1 | 1 | T5 | 1 |
3、本发明的电力系统稳定器相位自适应能力校验
采用实际电网数据,基于PSASP程序平台建立上述实际机组的6阶发电机模型,并自定义搭建实测励磁系统和PSS模型进行仿真分析。采用表2所示的参数,仿真获得不同振荡频率下的功率-转速轴矢量合成相位关系,如图6所示。
仿真结果表明,振荡频率在0.2~2.0Hz范围内,相位超前角度随振荡频率增加而逐渐增加,由此自动补偿发电机无补偿滞后特性,实现了相位的自适应性。
4、负载阶跃响应实测与仿真对比
上述1000MW机组运行工况为P=888MW,Q=101MVar,Ug=26.2kV,Xc=-8%。PSS2B型电力系统稳定器分别退出和投入情况下的现场实测发电机1%负载电压阶跃响应。
采用PSASP仿真平台,进行无PSS、PSS2B投入和本发明的PSS投入情况下的发电机1%负载阶跃需要仿真,结果如图7所示。
实测与仿真的有功功率振荡品质参数如表3所示。
表3为实测与仿真发电机1%负载电压阶跃响应振荡品质参数
表3可见,PSS2B投退情况下的仿真与现场实测结果一致,证明仿真结果可信。本发明的PSS投入后有功功率振荡很快平息,能提供较大的附加阻尼,对于有功功率振荡的抑制效果明显优于PSS2B。
5、本发明的电力系统稳定器抗无功“反调”能力校验
根据1000MW火电机组典型出力调节速率,采用改变调速器汽门,3min单向升降发电机60MW有功功率功率的方式,检查本发明PSS投入下的无功变化情况。发电机无功响应波形如图8-9所示。由仿真结果可知,在发电机有功功率快速升降的过程中,引起的无功功率变化量不到机组额定无功的5%,远小于标准规定不大于30%的要求,证明其具备较强的抗无功“反调”能力。
Claims (7)
1.一种超前相位自适应型电力系统稳定器,其设计方法及工作步骤如下:
1)根据发电机励磁系统的小信号分析模型,得到发电机转速变化量Δω与功角变化量Δδ的关系;
2)从步骤1)中获得的Δω与Δδ的关系,构建一个发电机有功功率负变化量-ΔPe与转速变化量Δω的矢量合成
3)检测发电机转速信号ω,采用两阶隔直环节来获取转速变化量Δω并经一阶超前滞后环节及转速信号增益系数Ks比例放大后得到发电机转速变化相量Δωin;
4)检测发电机有功功率信号Pe,采用一阶或两阶隔直环节来获取有功功率变化量ΔPe并经一阶超前滞后环节获得发电机有功功率变化相量ΔPein;
5)从步骤4)获得的ΔPein取负值实现Δδ轴的反转获得-ΔPein;
6)从步骤3)获得的发电机转速变化相量Δωin和步骤5)获得的发电机有功功率负变化相量-ΔPein叠加,获得功率-转速轴的矢量合成
7)采用陷波滤波器对步骤6)中获得的功率-转速轴矢量合成进行0Hz附近的超低频段滤波形成功率-转速信号
8)采用步骤7)中获得的经增益系数Kpss比例放大后进行上下限幅后作为电力系统稳定器的输出Vpss;
步骤8)中,在增益系数Kpss比例放大后再经三阶超前滞后相位校正环节。
2.根据权利要求1所述的超前相位自适应型电力系统稳定器,其特征在于,步骤1)中,发电机转速变化量Δω与功角变化量Δδ的关系式如下:
其中,ω0为发电机额定转速,s为微分算子。
3.根据权利要求2所述的超前相位自适应型电力系统稳定器,其特征在于,步骤1)中,Δω与Δδ呈相互垂直关系,且两者模值的关系如下:
|Δδ|=kf×|Δω|,
其中,f为振荡频率,k为比例系数。
4.根据权利要求1所述的超前相位自适应型电力系统稳定器,其特征在于,步骤2)中,相位超前角度为:
其中:f为振荡频率,k为比例系数。
5.根据权利要求1所述的超前相位自适应型电力系统稳定器,其特征在于,步骤3)中,Δωin计算公式如下:
其中,Tw1为转速信号第一阶隔直时间常数;Tw2为转速信号第二阶隔直时间常数,TL1为转速信号超前时间常数;TL2为转速信号滞后时间常数;Ks为转速信号增益系数,s为微分算子。
6.根据权利要求5所述的超前相位自适应型电力系统稳定器,其特征在于,步骤4)中,ΔPein计算公式如下:
其中,Tw3为有功功率第一阶隔直时间常数;Tw4为有功功率第二阶隔直时间常数;TH1为有功功率超前时间常数;TH2为有功功率滞后时间常数;s为微分算子。
7.根据权利要求6所述的超前相位自适应型电力系统稳定器,其特征在于,步骤6)中,功率-转速轴矢量合成的计算公式如下:
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2016
- 2016-05-23 CN CN201610343420.9A patent/CN105826937B/zh active Active
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