發(fā)電機外部故障切除后勵磁調(diào)節(jié)器動態(tài)特性仿真研究

段俊東，陳家林,2，謝蕓卉

（1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，焦作 454000;2.國網(wǎng)河南省電力公司安陽供電公司，安陽 455000）

在電力系統(tǒng)中，勵磁調(diào)節(jié)器是同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的重要組成部分，其實質(zhì)上是一個閉環(huán)比例調(diào)節(jié)器[1-3]，它的輸入量為發(fā)電機機端電壓或線路電壓，輸出量是勵磁機的勵磁電流或線路電流。當系統(tǒng)出現(xiàn)事故時，控制發(fā)電機的勵磁控制方式是一種既經(jīng)濟又有效的手段，因此勵磁調(diào)節(jié)器的性能將在很大程度上影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[4-7]。

目前同步發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)一般采用自動電壓調(diào)節(jié)器AVR和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS相結(jié)合的方式[8-9]。AVR是利用對機端電壓的負反饋來保證電壓調(diào)節(jié)的精度，PSS是通過在勵磁系統(tǒng)中引入轉(zhuǎn)速、頻率等信號，增加系統(tǒng)阻尼來抑制系統(tǒng)振蕩。文獻[10]指出可將非線性勵磁控制器的輸出與AVR的輸出選用并聯(lián)接入方式；文獻[11]在反饋線性化法設(shè)計的非線性勵磁調(diào)節(jié)器中引入電壓偏差信號，以改善電壓調(diào)節(jié)精度；文獻[12-13]改進了勵磁系統(tǒng)的電壓閉環(huán)控制，引入功角變化量作為偏差信號來修正偏差方程，但其阻尼系數(shù)與很多參數(shù)有關(guān)，很難確定。上述研究都沒有考慮自動勵磁系統(tǒng)中電流測量值對勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)整特性的影響。

本文首先對自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中電流的引入方式進行了分析；然后在Matlab/Simulink下分別建立發(fā)電機單機運行和并網(wǎng)運行的仿真模型，對比分析兩種仿真模型下勵磁調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性；并利用戴維南等效電路對勵磁調(diào)節(jié)器中的電流進行了分析；最后結(jié)合數(shù)字仿真進行了驗證。

1 自動勵磁系統(tǒng)中電流的引入方式

圖1為自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理框圖，圖2為標準勵磁系統(tǒng)模型中的發(fā)電機電壓與電流測量回路的傳遞函數(shù)[14]。圖2中，US為發(fā)電機定子電壓相量；IS為發(fā)電機定子電流相量；RS為調(diào)差單元的有功電流補償系數(shù)；Xc為調(diào)差單元的無功電流補償系數(shù)；KS和KR為檢測環(huán)節(jié)放大倍數(shù)；τR為檢測環(huán)節(jié)時間常數(shù)；UREF為發(fā)電機電壓給定值；UERR為電壓偏差。

由圖1和圖2可看出，自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)引入電流測量值的方式，即電流測量值是發(fā)電機定子電流通過電流互感器并經(jīng)過調(diào)差單元以阻抗上的壓降的形式被引入到自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。通過改變阻抗（RS＋jXC）的大小可以使引入的電流測量值的大小發(fā)生改變。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，電流測量值經(jīng)調(diào)差單元作用到勵磁系統(tǒng)中，將對發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的性能造成影響。

圖1 自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理框圖Fig.1 Block diagram of the principle of automatic excitation control system

圖2 電壓信號測量與負載電流補償模塊Fig.2 Module of voltage signal measurement and load current compensation

2 發(fā)電機單機運行和并網(wǎng)運行故障切除后勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)整特性

2.1 數(shù)學模型的建立

同步發(fā)電機的數(shù)學模型為

勵磁系統(tǒng)的數(shù)學模型如圖3所示。圖中:Eef為勵磁機出口電壓；K為各檢測環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)；τ為各檢測環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。

圖3 勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型Fig.3 Mathematical model of excitation system

2.2 仿真模型的建立

本文為了研究勵磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機單機運行和并網(wǎng)時的調(diào)整特性，利用自并勵靜止晶閘管整流勵磁系統(tǒng)，建立了發(fā)電機單機運行和并網(wǎng)運行兩種仿真模型，發(fā)電機單機運行和并網(wǎng)運行時的示意見圖4和圖5。

圖4 發(fā)電機單機運行示意Fig.4 Schematic of generator's unit operation

圖5 發(fā)電機并網(wǎng)運行示意Fig.5 Schematic of generator's grid connected operation

在圖4中，變壓器的高壓側(cè)接入了動態(tài)負載，建立發(fā)電機單機運行模型。在圖5中，變壓器的高壓側(cè)接入可近似認為無窮大系統(tǒng)的電源，建立發(fā)電機并網(wǎng)運行模型。當發(fā)電機單機運行時，將發(fā)電機作為平衡節(jié)點，進行潮流計算，在給定動態(tài)負載下確定了發(fā)電機的機械輸入功率和勵磁輸入電壓。當發(fā)電機并網(wǎng)運行時，將發(fā)電機作為PV節(jié)點，無窮大系統(tǒng)作為平衡節(jié)點，進行潮流計算，確定了發(fā)電機的無功功率和勵磁輸入電壓。

在仿真過程中，以單相接地短路、兩相短路、兩相接地短路和三相接地短路4種故障類型分別進行仿真。鑒于仿真結(jié)果受故障類型的影響不明顯，故以三相接地短路仿真結(jié)果為例做典型說明。以0.1~0.2 s作為故障時間，確保在第一搖擺周期不失穩(wěn)。

2.3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果選取發(fā)電機定子電流響應(yīng)曲線、機端電壓響應(yīng)曲線、功角響應(yīng)曲線和勵磁電壓響應(yīng)曲線這4個量進行對比研究。仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6（a）可見，當發(fā)電機單機運行故障切除后，發(fā)電機定子電流幾乎沒有振蕩，在0.22 s后恢復(fù)穩(wěn)定；當發(fā)電機并網(wǎng)運行故障切除后，發(fā)電機定子電流出現(xiàn)振蕩，振蕩幅值明顯，持續(xù)時間較長。

由圖6（b）可見，當發(fā)電機單機運行故障切除后，發(fā)電機端電壓出現(xiàn)振蕩，振蕩幅值不明顯，在0.6 s后恢復(fù)穩(wěn)定；當發(fā)電機并網(wǎng)運行故障切除后，發(fā)電機端電壓出現(xiàn)振蕩，振蕩幅值明顯，持續(xù)時間較長。

圖6 發(fā)電機單機運行和并網(wǎng)運行系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.6 Response curves of generator's unit operation and grid-connected operation system

由圖6（c）可見，當發(fā)電機單機運行故障切除后，發(fā)電機功角沒有出現(xiàn)振蕩；當發(fā)電機并網(wǎng)運行故障切除后發(fā)電機功角出現(xiàn)振蕩，振蕩幅值明顯，持續(xù)時間較長。

由圖6（d）可見，當發(fā)電機單機運行故障切除后，發(fā)電機勵磁電壓出現(xiàn)振蕩，振蕩幅值不明顯，在0.7 s后恢復(fù)穩(wěn)定；當發(fā)電機并網(wǎng)運行故障切除后，發(fā)電機勵磁電壓出現(xiàn)振蕩，振蕩幅值明顯，持續(xù)時間較長。

綜上所述，勵磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機單機運行和并網(wǎng)運行時的調(diào)整特性不同，且在發(fā)電機并網(wǎng)運行故障切除后，發(fā)電機端電壓、功角、勵磁電壓均出現(xiàn)振蕩，振蕩幅值明顯，持續(xù)時間較長。

3 基于戴維南定理的并網(wǎng)發(fā)電機等效電路分析

為了分析發(fā)電機并網(wǎng)運行時勵磁調(diào)節(jié)器中電流的變化特性，根據(jù)戴維南定理得到了并網(wǎng)發(fā)電機的等效電路，如圖7所示，圖8為其關(guān)系矢量。圖中，E˙G為發(fā)電機電勢矢量；E˙S為系統(tǒng)電勢矢量；U˙OC為開路等效電壓；XG為發(fā)電機內(nèi)部等效電抗；XS為系統(tǒng)等效電抗；回路等效電流即為發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的測量電流。

圖7 戴維南等效電路Fig.7 Thevenin's equivalent circuit

圖8 矢量關(guān)系Fig.8 The relationship of vectors

由圖8可知，開路等效電壓為

根據(jù)矢量分析可知，當E˙G與E˙S同相時，有

式中：fG和fS分別為發(fā)電機和系統(tǒng)頻率；θ0為發(fā)電機與系統(tǒng)的初相差；ωs為轉(zhuǎn)差角頻率。

發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的回路總電抗為

其中XS≈0，故Zin≈XG，因此發(fā)電機并網(wǎng)瞬間回路電流為

綜上所述，回路電流是一個幅值振蕩的交流電流，近似值為開路電壓與回路電抗之比，其振蕩特性與功角振蕩特性相同，該值的引入會加劇發(fā)電機與系統(tǒng)間的振蕩。

4 仿真驗證

為驗證當發(fā)電機與系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩時，電流測量值引入勵磁調(diào)節(jié)器后會加劇發(fā)電機與系統(tǒng)間的振蕩這一結(jié)論，仿真模型采用發(fā)電機固定勵磁電壓的方式，即將上述中的固定。由于幾乎不變，此時勵磁調(diào)節(jié)器中的電流變化不明顯。與發(fā)電機自動勵磁調(diào)壓方式進行對比分析，仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9（a）可見，當故障切除后，在固定勵磁控制條件下運行的發(fā)電機其定子電流振蕩效果明顯弱于采用自動勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機。

由圖9（b）可見，當故障切除后，在固定勵磁控制條件下運行的發(fā)電機其機端電壓沒有出現(xiàn)振蕩，在自動勵磁控制條件下運行的發(fā)電機其機端電壓出現(xiàn)明顯振蕩，且持續(xù)時間較長。

由圖9（c）可見，當故障切除后，在固定勵磁控制條件下運行的發(fā)電機其功角振蕩效果明顯弱于采用自動勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機。

綜上所述，當故障切除后，在固定勵磁電壓條件下運行的發(fā)電機，其勵磁電壓為恒定電壓，而其定子電流、機端電壓和功角振蕩效果明顯弱于采用自動勵磁調(diào)壓系統(tǒng)的發(fā)電機。說明當發(fā)電機與系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，電流測量值被引入到勵磁控制系統(tǒng)后會加劇發(fā)電機與系統(tǒng)間的振蕩。

圖9 發(fā)電機固定勵磁運行和自動勵磁運行系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.9 Response curves of generator's fixed excitation operation and automatic excitation operation

5 結(jié)論

（1）通過仿真結(jié)果表明，勵磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機單機運行和并網(wǎng)運行故障切除后兩種調(diào)整特性表現(xiàn)不同，且勵磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機單機運行時的調(diào)整特性比發(fā)電機并網(wǎng)運行時的調(diào)整特性好。

（2）利用戴維南定理進行理論分析可知，當發(fā)電機與系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩時，引入勵磁調(diào)節(jié)器中的電流為幅值振蕩的交流電流，近似為開路電壓與回路電抗之比，其振蕩特性與功角振蕩特性相同。該值的引入會加劇發(fā)電機與系統(tǒng)間的振蕩。

（3）通過比較固定勵磁和自動勵磁兩種勵磁控制方式，發(fā)現(xiàn)加裝自動勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)電機在一定程度上對系統(tǒng)低頻振蕩有助增的效果，還需進一步研究。

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