使用電力系統(tǒng)分析程序對勵磁參數(shù)的整定

王 琳,翟曉佳

(1.中電投華北電力工程有限公司,山西 太原 030001;2.山西太原供電局,山西太原 030001)

使用電力系統(tǒng)分析程序對勵磁參數(shù)的整定

王 琳1,翟曉佳2

(1.中電投華北電力工程有限公司,山西 太原 030001;2.山西太原供電局,山西太原 030001)

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)整定的結果直接影響發(fā)電機、電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,同時,參數(shù)整定是進行勵磁系統(tǒng)參數(shù)測試、建模的重要環(huán)節(jié),針對勵磁系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和建模提出了參數(shù)預整定和采用電力系統(tǒng)分析程序進行參數(shù)整定的方法,解決了現(xiàn)場參數(shù)調(diào)整時間長的問題,將勵磁系統(tǒng)參數(shù)建模和測試有機地結合起來。

勵磁系統(tǒng);參數(shù);測試;建模

0 引言

隨著全國聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)擴能的要求,目前全國電力系統(tǒng)正在進行發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)測試和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS(Power System Stabilizer)試驗,采用勵磁系統(tǒng)實測參數(shù)要求參數(shù)的準確性,同時要求對實測參數(shù)進行優(yōu)化;勵磁系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化不僅是進行參數(shù)測試的必要條件,也是電網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)。目前,山西省正在運行機組勵磁系統(tǒng)的接線種類雖然繁多,不同接線方式、不同勵磁控制校正環(huán)節(jié)給現(xiàn)場參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化都帶來很大的工作量。利用電力系統(tǒng)分析計算程序搭建模型可以在現(xiàn)場試驗前進行參數(shù)預整定。

1 勵磁控制校正環(huán)節(jié)分類

勵磁控制的校正環(huán)節(jié)實現(xiàn)勵磁調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制功能。校正環(huán)節(jié)一般有串聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)、并聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)、軟反饋校正環(huán)節(jié)和勵磁機時間常數(shù)補償環(huán)節(jié)。PID調(diào)節(jié)器又稱PID控制器,是比例P(Proportional)、積分I(Integral)、微分D(Differential or Derivative)控制的簡稱。

1.1 串聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)

串聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)模型見圖1。K V設置為1時校正環(huán)節(jié)由兩級超前滯后環(huán)節(jié)組成,KV設置為零時校正環(huán)節(jié)帶純積分環(huán)節(jié),實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)[1]。

圖1 串聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)

1.2 并聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)

并聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)模型見圖2。

圖2 并聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)

1.3 軟反饋校正環(huán)節(jié)

軟反饋校正環(huán)節(jié)模型見圖3。軟反饋環(huán)節(jié)輸入信號在靜止勵磁系統(tǒng)中為調(diào)節(jié)器輸出U R,在勵磁機勵磁系統(tǒng)中可以是勵磁機磁場電流信號Uie,或者發(fā)電機磁場電壓U f。軟反饋環(huán)節(jié)輸出信號加到電壓相加點或者PID校正環(huán)節(jié)的輸出。

圖3 軟反饋校正環(huán)節(jié)

1.4 勵磁機時間常數(shù)補償環(huán)節(jié)

勵磁機時間常數(shù)補償環(huán)節(jié)用以減少勵磁機等效時間常數(shù)。勵磁機時間常數(shù)補償環(huán)節(jié)的輸入信號為發(fā)電機磁場電壓或勵磁機磁場電流信號,反饋到PID校正環(huán)節(jié)的輸出,見圖4。

圖4 勵磁機時間常數(shù)補償環(huán)節(jié)

2 PID調(diào)節(jié)原理

目前,山西省發(fā)電廠在役機組勵磁調(diào)節(jié)器多采用圖1、圖2的PID數(shù)學模型。在PID調(diào)節(jié)器作用下,對誤差信號分別進行比例、積分、微分控制。調(diào)節(jié)器的輸出作為被控對象的輸入控制量。

PID參數(shù)的整定就是合理地選擇 PID 3個參數(shù)。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面考慮問題,3個參數(shù)的作用如下。

a)比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差STR(Steady-State Error)。比例參數(shù)K P的作用是加快系統(tǒng)的響應速度,提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。隨著KP的增大,系統(tǒng)的響應速度越快,調(diào)節(jié)精度越高,但是系統(tǒng)易產(chǎn)生超調(diào),穩(wěn)定性變差,甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。K P取值過小,調(diào)節(jié)精度降低,響應速度變慢,調(diào)節(jié)時間加長,使系統(tǒng)的動靜態(tài)性能變壞。

b)在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入 “積分項”。積分作用參數(shù)T i的一個最主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。T i越大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快,但T i也不能過大,否則在響應過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。若Ti過小,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除,影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。另外,在控制系統(tǒng)的前向通道中只要有積分環(huán)節(jié)總能做到穩(wěn)態(tài)無靜差。從相位的角度來看一個積分環(huán)節(jié)就有90°的相位延遲,也許會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

c)在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的微分 (即誤差的變化率)成正比關系。微分作用參數(shù) T d的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能,其主要作用是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化,對偏差變化進行提前預報。但 T d不能過大,否則會使響應過程提前制動,延長調(diào)節(jié)時間,并且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。

3 參數(shù)的整定

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來有兩大類,一是理論計算整定法,主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型,經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,主要依賴工程經(jīng)驗,直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行,且方法簡單、易于掌握,在工程實際中被廣泛采用。采用電力系統(tǒng)計算程序可以將上述兩種方法進行有機結合,既可以保證參數(shù)調(diào)整的準確性,又可以減少現(xiàn)場試驗的風險和時間[3]。

以某自并勵機組為例 (PI調(diào)節(jié)),PID控制器采用并聯(lián)型PID,計算用主要參數(shù)見表1,調(diào)節(jié)器參數(shù)見表2,其中,發(fā)電機飽和系數(shù)等部分參數(shù)采用折算后參數(shù),仿真采用電力系統(tǒng)分析綜合程序,調(diào)節(jié)器模型采用12型,計算相關用參數(shù)可以采用現(xiàn)場實測參數(shù)或廠家提供原始參數(shù),采用實測參數(shù)可以提高仿真精度,同時,完成測試及參數(shù)調(diào)整工作。

表1 計算用發(fā)電機和勵磁變參數(shù)

表2 計算用仿真參數(shù)

通過典型參數(shù)或者采用理論計算參數(shù)法進行仿真計算,選定一組或多組參數(shù),進而通過實際工程檢驗進行驗證,因采用仿真程序參數(shù)的調(diào)整不受現(xiàn)場條件限制,可以節(jié)省機組空轉時間,降低燃料消耗,同時,根據(jù)需要進行參數(shù)的優(yōu)化。圖5、圖6是采用不同PID參數(shù)的仿真效果,因采用 PI調(diào)節(jié),仿真可只調(diào)整PI參數(shù),需采用PID調(diào)節(jié)時調(diào)整微分環(huán)節(jié)方法同。

根據(jù)仿真選用K P=60,K I=20參數(shù)進行現(xiàn)場校核試驗,實測波形圖見圖7,參數(shù)比對見表3。

表3 計算及仿真參數(shù)比較

4 結論

a)采用電力系統(tǒng)計算程序對PID參數(shù)調(diào)整可以減少現(xiàn)場試驗的時間,增加參數(shù)的選擇范圍。

b)采用電力系統(tǒng)計算程序進行PID參數(shù)整定,要求提前參數(shù)的準備及計算,要求提供的參數(shù)準確。

圖5 不同K P對仿真效果的影響

圖6 不同K I對仿真效果的影響

圖7 發(fā)電機空載5%階躍測試波形

c)采用電力程序進行PID參數(shù)整定可以配合勵磁系統(tǒng)的參數(shù)實測及建模工作進行,尤其對參數(shù)優(yōu)化是有力的工具。

[1] 浙江省電力試驗研究院.GB/T 7409.2—2008 同步電機勵磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究用模型[S].北京:中國標準出版社,2008:5-6.

[2] 黃忠霖.控制系統(tǒng)Matlab計算及仿真 [M].北京:國防工業(yè)出版社,2004:322-323.

[3] 竺士章.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)試驗[M].北京:中國電力出版社,2005:170-176.

Using PSASP to Tune the Parameters of Excitation System

WANG Lin1,ZHAIXiao-jia2
(1.CPINorth China Power Engineering Co.,Ltd,Taiyuan,Shanxi 030001,China;2.Taiyuan Power Supp ly Company,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

The tuned parameters of generator excitation system have direct influence on the safeoperation of generator and power grid.A t the same time,parameter tuning plays an important ro le in parametric test and modeling.A ccording to excitation system modeling and its parameters tuning,themethod of parameters p resetting and adjustment using PSASPw as introduced.The excitation system modeling and parameters testing w ere combined.The problem of needing too much time for excitation system parameters tuning in fie ld was resolved,and parametersmodeling and testing cou ld be combined effectively.

excitation system;parameters;testing;modeling

TN761+.11

A

1671-0320(2010)05-00059-03

2010-07-05,

2010-07-28

王 琳 (1974-),男,山西汾陽人,1996年畢業(yè)于東北電力學院電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè),工程師,從事電力系統(tǒng)繼電保護專業(yè);

翟曉佳 (1985-),女,山西大同人,2008年畢業(yè)于華北電力大學自動化專業(yè),助理工程師,從事變電運行專業(yè)。