CN106533290B - 一种发电机励磁调节器的定子电流限制方法及装置 - Google Patents

一种发电机励磁调节器的定子电流限制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种发电机励磁调节器的定子电流限制方法及装置，方法包括：获取发电机功率因数角；根据发电机有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗确定外功角，所述外功角为机端电压向量相对于系统电压向量的夹角；判断所述外功角不小于功率因数角时，将发电机励磁调节器的定子电流限制转换为恒无功控制。本发明利用了发电机机端功率因数角和系统外功角量识别定子电流最小值的方法，改善了定子电流限制涉网特性的优化效果。

Description

一种发电机励磁调节器的定子电流限制方法及装置
技术领域
本发明涉及电力技术，具体的讲是一种发电机励磁调节器的定子电流限制方法及装置。
背景技术
现代发电机励磁控制的设计思想已从单个孤立的发电机电压控制上升到全系统全过程的多种控制及保护的综合协调控制。近年来国外发生的多次大停电事故分析表明，机组涉网保护和限制与电网之间的协调配合是保证系统安全稳定运行的关键因素之一。
励磁调节器(Automatic Voltage Regulator，AVR)中的定子电流限制(StatorCurrent Limit,SCL)在电力系统中已获得广泛应用，SCL是针对发电机运行到超出额定有功功率的情况，当运行超出额定有功功率时，定子电流限制就代替励磁电流限制，成为主要决定发电机容量的因数，在过励的运行状态下减少励磁及无功功率输出，使定子电流回到限制定值边界以内。
现有技术中，对励磁辅助限制的重点主要在如何从网源协调控制角度保障定子电流限制、转子过流限制、定子过负荷保护间的协调配合以及特高压直流投运后受端电网机组转子过流限制对系统大扰动后的电压稳定影响，而对于励磁调节器过流限制的协调控制特性却鲜有研究。
发明内容
为了改善定子电流限制涉网特性，提高定子电流限制优化的有效性，本发明实施例提供了一种发电机励磁调节器的定子电流限制方法，包括：
获取发电机功率因数角；
根据发电机有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗确定外功角，所述外功角为机端电压向量相对于系统电压向量的夹角；
判断所述外功角不小于功率因数角时，将发电机励磁调节器的定子电流限制转换为恒无功控制。
本发明实施例中，所述的获取发电机功率因数角包括：获取由发电机励磁调节器实时计算的发电机功率因数角。
本发明实施例中，所述的根据发电机有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗确定外功角包括：
实时获取发电机的有功功率、无功功率、机端电压；
根据实时获取的有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗以及下式(1)确定外功角；
其中，δ2为外功角，P有功功率，Q无功功率，Ut机端电压，Xs系统阻抗，所述系统阻抗由涉网试验测得。
本发明实施例中，所述的系统阻抗取值为涉网试验实测值的1.5倍。
本发明实施例中，所述的判断所述外功角不小于功率因数角时，将发电机励磁调节器的定子电流限制转换为恒无功控制包括：
判断所述外功角不小于功率因数角时，获取当前的发电机无功功率值；
以获取的当前的发电机无功功率值为目标值，对发电机励磁调节器进行恒无功控制。
同时，本发明还提供一种发电机励磁调节器的定子电流限制装置，包括：
功率因数角获取模块，用于获取发电机功率因数角；
外功角确定模块，用于根据发电机有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗确定外功角，所述外功角为机端电压向量相对于系统电压向量的夹角；
控制模块，用于判断所述外功角不小于功率因数角时，将发电机励磁调节器的定子电流限制转换为恒无功控制。
本发明实施例中，所述的外功角确定模块包括：
发电机参数获取单元，用于实时获取发电机的有功功率、无功功率、机端电压；
外功角计算单元，根据实时获取的有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗以及下式(1)确定外功角；
其中，δ2为外功角，P有功功率，Q无功功率，Ut机端电压，Xs系统阻抗，所述系统阻抗由涉网试验测得。
本发明实施例中，所述的控制模块包括：
判断单元，用于判断所述外功角是否不小于功率因数角；
无功功率值获取单元，确定所述外功角不小于功率因数角时，获取当前的发电机无功功率值；
控制单元，以获取的当前的发电机无功功率值为目标值，对发电机励磁调节器进行恒无功控制。
本发明基于发电机V型曲线特性分析提出了利用发电机机端功率因数角和系统外功角量识别定子电流最小值的方法，改善了定子电流限制涉网特性的优化效果。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为发电机定子电流过载能力曲线；
图2为SCL的典型动作模型；
图3为SCL动作导致系统振荡和电压崩溃过程；
图4为恒定零无功控制的模型控制框图；
图5为SCL模块采用恒无功控制的特性曲线；
图6为系统电压恒定时发电机不同负载对应的系统侧V型曲线；
图7为本发明一种发电机励磁调节器的定子电流限制方法的流程图；
图8为本发明实施例提供的SCL模块中优化的恒无功控制框图；
图9为发电机V型曲线图；
图10为本发明公开的发电机励磁调节器的定子电流限制装置的结构框图；
图11为本发明实施例中的单机-无穷大系统模型；
图12为采用本发明的方法进行SCL控制策略的控制特性；
图13为本发明实施例中的系统阻抗Xs对控制特性影响。
具体实施方式
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。
现有的国内外主流励磁调通常励磁调节器的SCL环节分为两部分，即用于发电机过无功时限制感性电流和用于发电机进相运行时限制容性电流。由于汽轮发电机组定子持续过电流能力略大于转子，故要求在过流倍率相同的条件下定子过电流限制应在转子过励限制后动作，并满足表1要求：
表1发电机定子规定过电流倍率下允许的持续时间
定子电流(p.u.) 2.09 1.46 1.25 1.13
时间(s) 11.13 33.14 66.67 135.4
图1表示发电机定子电流过载能力曲线，如果将该曲线用近似的双曲方程来表示，则可得：
t＝C1/(I2-1) (2)
式(2)中，t为时间，I为发电机定子电流(以额定电流值倍数表示)；C1为热容量值，C1＝37.5。为保证定子电流限制与定子过负荷保护配合，在AVR中SCL限制的C1整定为33。
实现定子电流限制有不同的方案。目前，国内外主流AVR厂家方案是考虑图1定子电流的过载能力曲线，设计过流反时限特性，即过载越重，允许的时间越短。图2给出了SCL的典型动作模型，其动作过程如下：当定子电流超过图1过载能力曲线上相应的时间后，动作模型的输入参考值切换至1.1p.u额定定子电流。不同厂家模型尽管在具体实现上存在差异，比如动作模型的输出采用叠加方式或者进比门方式、模型采用比例积分器或超前滞后环节等，但总体控制方式与图2的定子电流闭环控制方式接近。图2中，SSCL1为反时限计时标志位，当到达反时限时间时，SSCL1标志位为1；SSCL2为恒无功切换标志位，当发电机无功功率Q达到死区QZONE1内时，SSCL2标志位为0，并退出定子电流限制；Itmax为允许的最大定子电流；Itth为定子电流限制返回定值；It为定子电流当前测量值；T1～T4为定子电流限制的时间常数；Ks1为限制器增益，TR为测量时间常数。
SCL限制设计的主要目标是发电机运行到超出额定有功功率时，尽可能利用发电机励磁对无功的调节能力保证发电机的安全。然而，实际系统运行工况更为复杂，AVR涉网性能测试结果表明SCL动作行为可能超出设计预期，主要表现为：当发电机因有功功率超发或者机端电压下降引起定子电流被动超发时，SCL限制持续减磁降低机端电压，导致系统电压低于输送有功功率对应的静态电压稳定鞍点后失稳，如图3所示，为SCL限制动作导致系统振荡和电压崩溃过程。
为了克服前述SCL限制动作存在的问题，部分AVR装置设计开发了恒定零无功控制功能，模型控制框图如图4所示，即当定子电流限制动作后，无功功率进入迟相死区(通常整定为0.02p.u.)时，SSCL2标志位至0，AVR由定子电流限制转换成恒无功控制，其中QREF即为迟相侧死区QZONE1，Q为无功功率测量值，UA为电压控制主环输出，KQ为恒无功控制增益。T1～T4为恒无功控制的时间常数。
图5为SCL模块采用恒无功控制特性曲线，如图5所示，针对增加恒定零无功控制模块的测试结果表明：在与图3相同工况下，系统尽管避免了之前控制器切换导致的振荡或电压崩溃，但最终系统所处的状态却是机组无功功率接近于零，而发电机定子电流(额定电流为10190A)却反而达到1.25p.u，远大于1.1p.u的长期允许运行值。从网源协调控制的角度而言，无论是对于发电机组还是系统电压稳定均是极其不利的。
图3和图5曲线显示定子电流随发电机励磁电流变化近似为V型曲线。图6给出了系统电压恒定时发电机不同负载对应的系统侧V型曲线，定子电流最小值出现在系统电压功率因数等于1处。当系统处于迟相区域时，定子电流随发电机机端电压降低而减少，该区域属于SCL限制可稳定运行理论区域；而在系统处于进相区域时，定子电流随发电机机端电压降低而增加，SCL限制在该区域没有可稳定运行的平衡点。
如图6所示的单机无穷大系统情况下的发电机V型曲线图，V型曲线会随着系统电压下降或有功功率超发而向上整体移动，而对应定子电流限制参考值的横线I却固定不动，通常为1.05～1.1p.u，这可能导致两者相交于没有足够稳定裕度的点，甚至是没有交点。SCL所采用的发电机零无功控制对应无穷大系统已运行于深度进相侧。
为了克服目前SCL控制所存在的问题，本发明提出的改进策略可在识别出系统经过V型曲线极值点后切换成以此时无功功率为参考值的恒无功控制。由于实际AVR无法测量系统无穷大处电压和电流，如何基于发电机机端电压和电流信息可靠识别图6中V型曲线极值点成为改善定子电流限制涉网特性的关键。
如图7所示为本发明实施例提供的一种发电机励磁调节器的定子电流限制方法的流程图，该方法包括：
步骤S701，获取发电机功率因数角；
步骤S702，根据发电机有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗确定外功角，所述外功角为机端电压向量相对于系统电压向量的夹角；
步骤S703，判断所述外功角不小于功率因数角时，将发电机励磁调节器的定子电流限制转换为恒无功控制。
需要说明的是，步骤S701和步骤S702分别用于得到发电机功率因数角和外功角，并用于在步骤S703中做出判断，因此，本发明的技术方案旨在得到发电机功率因数角和外功角后进行判断，而对步骤S701和步骤S702的实现顺序不做限定，两者亦可同步执行。
如图8所示，为本发明实施例提供的SCL模块中优化的恒无功控制，考虑到V型曲线有功功率P恒定和系统无穷大处功率因数等于1，对于图8所示系统，可联立如下等式：
结合图9所示的发电机相量图，即外功率因数角时，系统运行在B点，此时向量ΔU与U角度垂直，可联立如下等式：
ΔU＝tan(δ2)*U＝It*Xs (4)
综上等式(3)和等式(4)，可得如下等式。
即当发电机功率因数角等于机端电压Ut相对于系统电压U的夹角，即外功角δ2时，定子电流达到V型曲线对应最小值。无穷大系统处于迟相侧时，而当处于进相侧时，
一般AVR均实时计算功率因数角本发明实施例中外功角δ2则采用如下公式计算：
其中，δ2为外功角，P有功功率，Q无功功率，Ut机端电压，Xs系统阻抗，所述系统阻抗由涉网试验测得。
需要说明的是，尽管系统阻抗Xs可在涉网试验时实测获得，为涉网试验实测值的1.5倍，通常取值在0.2-0.4p.u，但根据发电机接入系统位置的不同以及系统运行方式的变化，系统阻抗在运行中一定程度也是时变的。在针对实际系统应用时，需考虑Xs如何整定的问题。
本发明实施例中，Xs整定在现场实测值基础上选择偏大50％，这主要是基于如下三点考虑：
a.发电机运行在系统侧V型曲线迟相侧对于系统和机组均更为有利；
b.系统在接近V型曲线定子电流最小值附近，定子电流随发电机转子电流变化的灵敏度较小；
c.假定有功功率恒定，系统电压的变化主要影响无功功率，因此对功率因数角的影响比对发电机功角的影响更大。
综上，SCL限制切换成恒无功控制的判据为：
如图8所示，当定子电流限制动作后，出现外功角δ2大于等于功率因数角时，SSCL2标志位从1变位至0，AVR由定子电流限制转换成优化的恒无功控制，无功功率的给定值为QSCL2，表示SSCL2变位时刻下发电机无功功率。即本发明实施例中，进行SCL控制过程中，判断所述外功角不小于功率因数角时，获取当前的发电机无功功率值；以获取的当前的发电机无功功率值为目标值，对发电机励磁调节器进行恒无功控制。
此外，本发明还提供一种发电机励磁调节器的定子电流限制装置，如图10所示为本发明公开的发电机励磁调节器的定子电流限制装置的结构框图，该装置包括：
功率因数角获取模块101，用于获取发电机功率因数角；
外功角确定模块102，用于根据发电机有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗确定外功角，所述外功角为机端电压向量相对于系统电压向量的夹角；
控制模块103，用于判断所述外功角不小于功率因数角时，将发电机励磁调节器的定子电流限制转换为恒无功控制。
其中，外功角确定模块102包括：
发电机参数获取单元1021，用于实时获取发电机的有功功率、无功功率、机端电压；
外功角计算单元1022，根据实时获取的有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗以及下式(1)确定外功角；
控制模块103包括：
判断单元1031，用于判断外功角是否不小于功率因数角；
无功功率值获取单元1032，确定外功角不小于功率因数角时，获取当前的发电机无功功率值；
控制单元1033，以获取的当前的发电机无功功率值为目标值，对发电机励磁调节器进行恒无功控制。
本发明实施例一测试试验采用图11所示单机-无穷大系统模型，本实施例中等效的初始系统阻抗Xs为0.315p.u。
发电机初始运行在额定工况，有功出力P0＝300Mw，无功出力Q0＝186Mvar，无穷大系统电压U初始为513kV。采用无穷大系统处电压U突降的方法，在与图5相同工况下，对某厂家AVR装置优化后的定子电流限制环节进行性能测试，测试结果如图12所示。
系统电压跌落初期，发电机在AVR恒电压控制主环作用下强励，定子电流Ig达到13.45kA(1.32p.u)约60秒后，SCL限制动作持续减磁。随着机端电压下降，当系统外功角δ2大于等于发电机机端功率因数角时，励磁调节器转换成恒无功控制，定子电流最终稳定在11.45kA(1.12p.u)，机端电压为0.84p.u。相比图5所示的恒定零无功控制策略，控制效果明显改善。
由图12可见，机端功率因数受发电机无功变的影响远大于系统外功角δ2，该特性对于Xs现场整定却是有益的。采用与图12一致的测试环境，通过扩大AVR调节器Xs整定范围开展测试对比的结果如图13所示。当励磁调节器Xs整定值(0.4p.u)比系统实际值(0.315p.u)大时，发电机定子电流最终稳定在11.56kA(1.134p.u)，系统电压稳定在0.875p.u；而当励磁调节器Xs整定为0.2p.u时，发电机定子电流最终稳定在11.45kA(1.12p.u)，系统电压稳定在0.78p.u。由此可见，现场励磁调节器Xs整定尽量选择比实际系统阻抗更大一些，对于系统稳定和机组安全均会更有利。
本发明基于发电机V型曲线特性分析提出了利用发电机机端功率因数角和系统外功角量识别定子电流最小值的方法，提出了改善定子电流限制涉网特性的优化方法及系统阻抗整定建议，基于某厂家装置的实测结果验证了所提定子电流限制器优化方法的有效性，形成如下结论：
1)励磁调节器SCL辅助限制常规设计方案在系统发生持续低电压动作后，可能既无法保护主设备安全同时还加剧系统电压崩溃。
2)发电机机端功率因数角等于系统外功角时，发电机定子电流达到V型曲线对应的最小值。
3)恒定子电流控制方式在V型曲线左侧没有稳定运行的平衡点，SCL限制应配置恒无功切换功能。
4)V型曲线底部区域，定子电流随无功电压的灵敏度较小，系统阻抗Xs整定应尽量选择比实际值大一些。
本发明在国内外主流励磁调节器定子电流限制建模仿真及涉网性能测试基础上，详细分析了现有典型定子电流限制器动作后对发变组和系统电压稳定的影响及其存在的隐形缺陷，并设计和提出了定子电流限制涉网特性优化方法，最后实际AVR装置的测试结果验证了所提方法的有效性和应用价值。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种发电机励磁调节器的定子电流限制方法，其特征在于，所述的方法包括：
获取发电机功率因数角；
根据发电机有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗确定外功角，所述外功角为机端电压向量相对于系统电压向量的夹角；
判断所述外功角不小于功率因数角时，将发电机励磁调节器的定子电流限制转换为恒无功控制；其中，
判断所述外功角不小于功率因数角时，获取当前的发电机无功功率值；
以获取的当前的发电机无功功率值为目标值，对发电机励磁调节器进行恒无功控制。
2.如权利要求1所述的发电机励磁调节器的定子电流限制方法，其特征在于，所述的获取发电机功率因数角包括：获取由发电机励磁调节器实时计算的发电机功率因数角。
3.如权利要求1所述的发电机励磁调节器的定子电流限制方法，其特征在于，所述的根据发电机有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗确定外功角包括：
实时获取发电机的有功功率、无功功率、机端电压；
根据实时获取的有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗以及下式(1)确定外功角；
其中，δ2为外功角，P有功功率，Q无功功率，Ut机端电压，Xs系统阻抗，所述系统阻抗由涉网试验测得。
4.如权利要求3所述的发电机励磁调节器的定子电流限制方法，其特征在于，所述的系统阻抗取值为涉网试验实测值的1.5倍。
5.一种发电机励磁调节器的定子电流限制装置，其特征在于，所述的装置包括：
功率因数角获取模块，用于获取发电机功率因数角；
外功角确定模块，用于根据发电机有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗确定外功角，所述外功角为机端电压向量相对于系统电压向量的夹角；
控制模块，用于判断所述外功角不小于功率因数角时，将发电机励磁调节器的定子电流限制转换为恒无功控制；其中，所述的控制模块包括：
判断单元，用于判断所述外功角是否不小于功率因数角；
无功功率值获取单元，确定所述外功角不小于功率因数角时，获取当前的发电机无功功率值；
控制单元，以获取的当前的发电机无功功率值为目标值，对发电机励磁调节器进行恒无功控制。
6.如权利要求5所述的发电机励磁调节器的定子电流限制装置，其特征在于，所述的获取发电机功率因数角包括：获取由发电机励磁调节器实时计算的发电机功率因数角。
7.如权利要求5所述的发电机励磁调节器的定子电流限制装置，其特征在于，所述的外功角确定模块包括：
发电机参数获取单元，用于实时获取发电机的有功功率、无功功率、机端电压；
外功角计算单元，根据实时获取的有功功率、无功功率、机端电压以及系统阻抗以及下式(1)确定外功角；
其中，δ2为外功角，P有功功率，Q无功功率，Ut机端电压，Xs系统阻抗，所述系统阻抗由涉网试验测得。
8.如权利要求7所述的发电机励磁调节器的定子电流限制装置，其特征在于，所述的系统阻抗取值为涉网试验实测值的1.5倍。
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