發(fā)電機低勵限制參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

劉思宇， 劉 青， 謝 歡

[1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 河北 保定 071003;2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司 電力科學(xué)研究院(華北電力科學(xué)研究院有限責任公司)， 北京 100045]

發(fā)電機低勵限制參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

劉思宇1， 劉 青1， 謝 歡2

[1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 河北 保定 071003;2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司 電力科學(xué)研究院(華北電力科學(xué)研究院有限責任公司)， 北京 100045]

隨著電網(wǎng)對電壓穩(wěn)定性要求的不斷提高，對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)輔助環(huán)節(jié)的研究也更加深入。介紹了低勵限制的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)及參數(shù)整定?；贛ATLAB軟件建立單機-無窮大系統(tǒng)模型，設(shè)置不同低勵限制增益以及不同的發(fā)電機進相深度，通過電磁轉(zhuǎn)矩與角速度的相位滯后關(guān)系分析低勵限制動作后的系統(tǒng)阻尼特性，并應(yīng)用電力系統(tǒng)分析綜合程序搭建自定義勵磁系統(tǒng)模型，從時域上分析低勵限制增益以及不同進相深度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明： 在一定范圍內(nèi)，低勵限制增益越小，小干擾穩(wěn)定性越好；增益越大，無功功率被抬高的速度越快。發(fā)電機在進相較深的工況下更容易在低勵限制動作后發(fā)生振蕩。

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)； 低勵限制； 進相； 小干擾穩(wěn)定性

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不斷擴大，以及遠距離超高壓線路的不斷增多，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求逐漸提高。大型發(fā)電機組根據(jù)電網(wǎng)的需求應(yīng)當具備隨時進相的能力，以便及時吸收電網(wǎng)中過剩的無功功率，改善系統(tǒng)電壓過高的狀況。低勵限制(Under Excitation Limiter， UEL)作為發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)輔助環(huán)節(jié)之一，在滿足系統(tǒng)進相的前提下，要保證足夠的進相深度維持系統(tǒng)穩(wěn)定、安全的運行[1-2]。在勵磁水平較低時，能夠及時動作，避免發(fā)電機定子電流過大而導(dǎo)致繞組過熱，威脅機組運行[3]。

文獻[4-6]提出設(shè)置低勵限制器的幾個要求： 滿足定子端部熱穩(wěn)定限制要求、滿足靜態(tài)穩(wěn)定限制、滿足失磁保護整定要求、滿足機端電壓與廠用電電壓的限制。確定UEL的參數(shù)要根據(jù)以上因素決定的最小值再留有一定的裕度。UEL在使用中還要注意與其他輔助環(huán)節(jié)及保護的配合。文獻[7]提出UEL在與電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizers, PSS)配合時，若參數(shù)整定不當會影響PSS的作用，惡化系統(tǒng)阻尼，引發(fā)系統(tǒng)振蕩。文獻[8]對其原因作出了解釋，并提出UEL與PSS的配合方案。文獻[9]提出根據(jù)UEL的靜態(tài)性能應(yīng)與失磁保護協(xié)調(diào)配合的原則來設(shè)置UEL曲線。文獻[10]通過模型系數(shù)隨系統(tǒng)工況的變化分析了疊加型UEL對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響。

近年來，國內(nèi)外均有因UEL參數(shù)整定不當或與其他輔助環(huán)節(jié)配合不當而使發(fā)電機失穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生[11]。巴西某電廠曾因UEL的參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致無功功率觸發(fā)UEL動作后，又切換回勵磁主環(huán)，如此反復(fù)從而使有功功率大幅度振蕩[12]。我國四川也出現(xiàn)過類似情況[13]，外界的小擾動觸發(fā)UEL動作，在UEL動作后系統(tǒng)的大幅波動使UEL與勵磁主環(huán)控制不斷切換，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩失穩(wěn)。分析事故案例發(fā)現(xiàn)，UEL與勵磁主環(huán)不斷切換的原因與UEL動作后的系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性有關(guān)，若穩(wěn)定性好則振蕩幅度會逐漸減小直至穩(wěn)定；若穩(wěn)定性不好，振蕩幅度過大則會導(dǎo)致無功功率從UEL環(huán)跳出，觸發(fā)勵磁主環(huán)控制，如此在UEL與勵磁主環(huán)之間來回切換而發(fā)生振蕩。針對該問題，本文主要討論UEL增益以及不同進相深度對UEL動作后系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響?；贛ATLAB軟件，建立Heffron-Philips模型，通過頻域上電磁轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機角速度的相位關(guān)系，分析不同情況下系統(tǒng)的阻尼特性，并通過PSASP軟件在時域上進行仿真驗證。

1 UEL的實現(xiàn)原理及建模

UEL的實現(xiàn)主要是以UEL曲線為依據(jù)。曲線的設(shè)計應(yīng)考慮文獻[4-6]提出的要求，并根據(jù)不同的發(fā)電機類型以及其他輔助限制環(huán)節(jié)進行配合整定。折線型UEL在國內(nèi)大型機組中應(yīng)用十分廣泛[14]，因此本文以折線型動作曲線為例，分析UEL的實現(xiàn)原理。當發(fā)電機輸出的無功功率低于限制曲線邊界值時，UEL動作，抬高無功功率，使其返回到正常運行區(qū)，如圖1所示。

圖1 UEL曲線模型

本文建立單增益加限幅的UEL模型，通過采集發(fā)電機機端電壓及有功功率，根據(jù)UEL曲線查出此運行點下最大允許的無功功率，以此作為無功功率的參考值，與測得的發(fā)電機無功功率作差，將偏差值經(jīng)過放大增益以及限幅輸出，如圖2所示。

圖2 低勵限制數(shù)學(xué)模型

在圖2中：Pt、Qt分別為發(fā)電機輸出的有功功率和無功功率；Ut為發(fā)電機端電壓；Q=f(P,Ut)為UEL曲線；KUEL為UEL的動作增益；UUELmax為UEL輸出上限；UUELmin為UEL輸出下限；UUEL為UEL的輸出。

UEL的輸出將與勵磁系統(tǒng)主環(huán)控制相互配合，如圖3所示。勵磁系統(tǒng)主環(huán)控制是以發(fā)電機機端電壓為輸入的恒電壓控制，UEL輸出需要與其經(jīng)過高通竟比門比較來決定UEL是否動作。當主環(huán)控制信號高于UEL時，UEL不起作用，發(fā)電機勵磁電壓仍由勵磁主環(huán)的電壓調(diào)節(jié)器控制；當主環(huán)控制信號低于UEL時，控制系統(tǒng)切斷電壓調(diào)節(jié)器信號，由UEL信號控制發(fā)電機勵磁電壓[15]，即UEL動作。只有當發(fā)電機無功功率進相很深時，UEL才會動作，代替勵磁主環(huán)控制，增加勵磁電壓，減少發(fā)電機吸收的無功功率，以達到無功功率不超過UEL曲線邊界值的目的。

圖3 勵磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

在圖3中：Ut為發(fā)電機機端電壓；Uref為電壓參考值；T1為勵磁調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)；T2為勵磁調(diào)節(jié)器的滯后時間常數(shù)；KAVR為勵磁調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)；UUEL為低勵限制的輸出；UAmax為勵磁電壓輸出上限；UAmin為勵磁電壓輸出下限；EFD為勵磁電壓。

2 頻域分析

2.1 Heffron-Philips模型的建立

同步發(fā)電機采用常規(guī)的三階模型，勵磁系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)較為簡單且應(yīng)用廣泛的自并勵勵磁交流系統(tǒng)[16]，UEL采用上述單增益加限幅模型，將UEL環(huán)節(jié)加入到單機-無窮大系統(tǒng)中可得Heffron-Philips模型,如圖4所示[17-18]。

圖4 單機-無窮大系統(tǒng)Heffron-Philips模型

上述Heffron-Philips模型略去了同步電機的定子電阻、定子電流的直流分量，以及阻尼繞組的作用，其在小擾動下的線性化狀態(tài)方程可由式(1)～式(4)表示。

(1)

(2)

(3)

ΔUt=K5Δδ+K6ΔEq′

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中:Δω——發(fā)電機轉(zhuǎn)速的偏差量；TJ——發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量； Δδ——發(fā)電機功角的偏差量； ΔEq′——暫態(tài)電動勢的偏差量；ω0——發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速；Td0′——發(fā)電機定子開路勵磁繞組的時間常數(shù)；

ΔEfd——發(fā)電機勵磁電壓的偏差量；

K1-K6——單機-無窮大系統(tǒng)Heffron-Philips模型定義的與發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)有關(guān)的系數(shù)；

K7、K8——UEL加入勵磁系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)；

Ut0——發(fā)電機機端電壓；

U——無窮大系統(tǒng)母線處母線電壓；

Utd0、Utq0——發(fā)電機機端電壓直、交軸分量；

Id0、Iq0——電樞電流直、交軸分量；

xd、xq——直、交軸同步電抗；

xd′——直軸暫態(tài)電抗；

x1——發(fā)電機外部電抗；

EQ0——發(fā)電機空載電勢；

KU——低勵限制曲線斜率。

2.2 阻尼轉(zhuǎn)矩分析法

在分析同步電機受到小干擾后的動態(tài)過程時，阻尼轉(zhuǎn)矩法能夠較直觀地反映系統(tǒng)的阻尼特性，進而分析出系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由Heffron-Philips模型可將電磁轉(zhuǎn)矩分解為阻尼轉(zhuǎn)矩及同步轉(zhuǎn)矩[8，19]。

ΔMe=ΔMSΔδ+ΔMDsΔδ

(14)

式中：ΔMe——電磁轉(zhuǎn)矩變化量； ΔMS——同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)； ΔMD——阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)； Δδ——發(fā)電機功角變化量。

由發(fā)電機功角和角速度的相位關(guān)系可得出阻尼轉(zhuǎn)矩與同步轉(zhuǎn)矩的相位關(guān)系，如圖5所示。

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩的相量圖

以Δω為輸入，ΔMe2為輸出，由Heffron-Philips模型可得UEL動作后的系統(tǒng)阻尼特性。ΔMe2滯后于Δω的角度越大，其在Δω方向的分量越大，即負阻尼越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差。

2.2.1 不同KUEL下系統(tǒng)的阻尼特性

在MATLAB的Simulink平臺中搭建單機-無窮大系統(tǒng)的Heffron-Philips模型，設(shè)UEL增益分別為0.05、0.1、0.5，畫出轉(zhuǎn)速偏差與電磁轉(zhuǎn)矩偏差的相頻特性Bode圖，如圖6所示。

圖6 不同KUEL下ΔMe2/Δω相頻特性Bode圖

由圖6可知，隨著UEL增益的不斷增大，電磁轉(zhuǎn)矩滯后的相位越來越大，說明其阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)逐漸變大，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。因此，在UEL增益進行整定時需要考慮其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響，過大的增益會使UEL動作后的系統(tǒng)波動幅度增大，甚至發(fā)生增幅振蕩而失穩(wěn)。

2.2.2 不同進相深度下系統(tǒng)的阻尼特性

將UEL增益設(shè)為0.1，改變系統(tǒng)的進相深度，計算出不同的系數(shù)K1～K8，UEL曲線的斜率要隨著進相深度而適當改變，以保證UEL能夠動作。相當于在不同運行工況下做UEL的檢測試驗。轉(zhuǎn)速偏差與電磁轉(zhuǎn)矩偏差的相頻特性Bode圖如圖7所示。

圖7 不同進相深度下ΔMe2/Δω相頻特性Bode圖

由圖7可看出，發(fā)電機進相越深，其吸收的無功功率越大，電磁轉(zhuǎn)矩滯后的角度越大，其在Δω方向的分量越大，即系統(tǒng)阻尼轉(zhuǎn)矩越大，系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性越差。同時也說明，在進相較深的工況下進行UEL的檢測試驗，系統(tǒng)更容易在UEL動作后發(fā)生振蕩。

3 時域分析

3.1 系統(tǒng)模型的建立

圖8 單機-無窮大系統(tǒng)

在PSASP中建立單機-無窮大系統(tǒng)模型，如圖8所示。GEN1為 300MW 的同步發(fā)電機，GEN2為3000MW的發(fā)電機，代替無窮大系統(tǒng)。發(fā)電機GEN1中的同步機采用PASAP提供的6型同步機，勵磁電壓調(diào)節(jié)器調(diào)用自定義模型[20]，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器采用4型PSS，不投入調(diào)速器。無窮大側(cè)發(fā)電機采用6型同步機，不投入勵磁電壓調(diào)節(jié)器、調(diào)速器及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。

3.2 仿真分析

3.2.1 UEL增益對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

基于PSASP中的單機無窮大系統(tǒng)模型，基本參數(shù)如下： 發(fā)電機額定容量Sn=353MVA，Pn=300MW，Xd=2.047p.u.，Xd′=0.2688p.u.，Xd″=0.1618p.u.，Xq=1.93p.u.，Xq′=0.37p.u.，Xq″=0.175p.u.，TJ=8.3s，線路總阻抗X=0.3p.u.，母線基準電壓為230kV。低勵限制參數(shù)如下：PQ曲線斜率=0.8，增益KUEL分別取0.05、0.1、0.5。在系統(tǒng)運行1s后加入電容器使發(fā)電機進相運行，無功功率超出UEL曲線邊界值，分析UEL的作用情況，如圖9～圖12所示。

圖9 不同KUEL的有功功率曲線

圖10 不同KUEL的無功功率曲線

圖11 不同KUEL的勵磁電壓曲線

圖12 不同KUEL的發(fā)電機功角曲線

圖9～圖12顯示了在不同UEL增益情況下，發(fā)電機輸出的有功功率、無功功率、勵磁電壓及功角的變化曲線。經(jīng)分析可知，隨著UEL增益的減小，系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性逐漸提高；但同時增益的減小也使無功功率被抬高的速度減慢。在實際工程當中，既要保證UEL動作后無功功率能夠迅速抬升，又要保證抬升之后系統(tǒng)穩(wěn)定運行。但是，過大的增益還能使有功功率大幅振蕩以致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。因此，UEL增益的整定要考慮到系統(tǒng)運行工況、系統(tǒng)外部阻抗等其他影響穩(wěn)定性的因素。

3.2.2 進相深度

UEL增益KUEL設(shè)定為0.1，通過改變投入電容的容量使得發(fā)電機吸收的無功功率分別為-0.06p.u.，-0.11p.u.，-0.17p.u.，限制曲線的斜率KU隨進相深度不同而適當改變。仿真結(jié)果如圖13～圖16所示。

圖13 不同進相深度的有功功率曲線

圖14 不同進相深度的無功功率曲線

圖15 不同進相深度的勵磁電壓曲線

圖16 不同進相深度的發(fā)電機功角曲線

隨著發(fā)電機進相深度的增加，系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性越來越差，功率波動增多。因此在做UEL的檢測試驗時，首先要保證發(fā)電機在進相較深的情況下能夠穩(wěn)定運行，避免加入UEL后發(fā)生大的波動而觸發(fā)勵磁主環(huán)控制。

4 結(jié) 語

本文基于MATLAB軟件，搭建模型，通過阻尼轉(zhuǎn)矩特性在頻域上分析UEL增益及發(fā)電機不同運行工況對UEL動作后系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響。在PSASP軟件中搭建自并勵勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在時域上分析兩種因素的影響程度，得到了以下結(jié)論：

(1) UEL增益的增大，提高了無功功率越限后被發(fā)電機勵磁系統(tǒng)抬高的速度，但同時增大了系統(tǒng)產(chǎn)生的負阻尼，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此在整定UEL增益時要同時考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抬升無功功率的速度以及系統(tǒng)運行工況等多種因素。

(2) 發(fā)電機在進相較深的工況下，系統(tǒng)阻尼變?nèi)?，小干擾穩(wěn)定性變差。在進相較深時，系統(tǒng)更容易因UEL動作而發(fā)生系統(tǒng)振蕩。因此，在整定UEL參數(shù)時要注意適當?shù)倪M相深度，既要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，又要盡可能地取到參數(shù)整定的準確值。

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Effect of Under Excitation Limiter Parameters on Generator System Stability

LIUSiyu1,LIUQing1,XIEHuan2

[1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. Research Institute, State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., (North China Electric Power Research Institute Co., Ltd.,)， Beijing 100045, China]

With the continuous improvement of voltage stability from grid, the study of excitation system auxiliary link is going deep. The structure and parameters of under excitation limiter were analyzed by using MATLAB to set up single-machine infinite bus system model. By setting different under excitation limiter(UEL) gains and different depth of leading phase and analyzing phase relationship between electromagnetic torque and angular speed, the damping characteristics after UEL active has been proposed. On the time domain, the effects on system stability from gains of UEL and different depth of leading phase were analyzed through PSASP. In conclusion, decrease on the gain of UEL was favour for small signal stability but slow down the speed of reactive power rising. And the deeper leading phase may increase the probability of oscillation by UEL.

under excitation limiter(UEL); leading phase; small signal stability

劉思宇(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)02- 0064- 06

2016-05-09