發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限制協(xié)調(diào)配合優(yōu)化分析

萬(wàn)雄彪，陳晶，吳水軍

（云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司，昆明 650217）

0 前言

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中附加的各種勵(lì)磁限制功能對(duì)于提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，確保發(fā)電機(jī)等主設(shè)備可靠運(yùn)行具有十分重要的影響。低勵(lì)限制（under excitation limiter，UEL）、V/f限制（V/flimiter）和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（power system stabilizers，PSS）是現(xiàn)代勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中普遍配置并且具有重要影響的輔助功能[1-3]。低勵(lì)限制作為發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作前的重要一環(huán)，對(duì)于提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定至關(guān)重要，同時(shí)可避免發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)定子電流偏高而造成的定子繞組及鐵芯端部過(guò)熱。頻率降低時(shí)，V/f限制能確保發(fā)電機(jī)、變壓器等磁通不至增大太多，防止鐵芯中渦流損耗增加，鐵芯發(fā)熱。PSS則能提高電力系統(tǒng)阻尼，抑制低頻振蕩，確保系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性[4-5]。

發(fā)電機(jī)機(jī)組接入大電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)一般不會(huì)發(fā)生低勵(lì)限制與V/f限制間配置沖突問(wèn)題，但對(duì)于小地區(qū)孤網(wǎng)二者如不進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，則可能會(huì)造成孤網(wǎng)內(nèi)電壓崩潰致使孤網(wǎng)瓦解，或造成發(fā)電機(jī)、變壓器磁通增加，發(fā)熱嚴(yán)重，甚至燒毀主設(shè)備。云南山區(qū)較多，地域發(fā)展不平衡，局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，發(fā)生因送出線路跳閘造成局部電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)孤網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)因高頻動(dòng)作風(fēng)機(jī)全部切除后，孤網(wǎng)處于低頻低壓狀態(tài)，由于低勵(lì)限制與V/f限制配合失當(dāng)，最后造成電壓崩潰孤網(wǎng)瓦解。

對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器附加限制功能研究主要側(cè)重于低勵(lì)限制與PSS協(xié)調(diào)控制，文獻(xiàn)[1-2]研究表明UEL作用頻段與PSS配合不當(dāng)會(huì)造成機(jī)組阻尼弱化，當(dāng)UEL提供負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩時(shí)，低勵(lì)限制曲線斜率越低，UEL作用頻段越低，系統(tǒng)時(shí)域動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性越好。文獻(xiàn)[3]基于擴(kuò)展Heffron-Phillips模型，利用頻率響應(yīng)法，畫出勵(lì)磁系統(tǒng)分別加入PSS與UEL開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖，分析UEL與PSS作用頻段，給出UEL參數(shù)設(shè)置方法以便與PSS協(xié)調(diào)配合。文獻(xiàn)[4、5]研究UEL各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定影響，并針對(duì)幾組UEL參數(shù)分析UEL與PSS協(xié)調(diào)配合效果，給出UEL參數(shù)優(yōu)化方案?，F(xiàn)有研究已經(jīng)對(duì)UEL工作方式與特性、以及參數(shù)整定方案與PSS協(xié)調(diào)優(yōu)化方面做了很多工作，但現(xiàn)有工作側(cè)重于接入主網(wǎng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限制與PSS協(xié)調(diào)控制研究方面，對(duì)于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部各限制功能在孤網(wǎng)模式下如何協(xié)調(diào)優(yōu)化方面缺乏研究[6]。

本文分析UEL與V/f限制勵(lì)磁控制模型，針對(duì)含有新能源地區(qū)孤網(wǎng)可能出現(xiàn)低頻低壓運(yùn)行方式進(jìn)行分析，以提高孤網(wǎng)電壓為首要目標(biāo)，分析UEL與V/f限制作用過(guò)程，優(yōu)化UEL與V/f限制參數(shù)配置，給出如何通過(guò)合理參數(shù)設(shè)計(jì)提高孤網(wǎng)電壓支撐能力。利用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件搭建含風(fēng)電場(chǎng)地區(qū)孤網(wǎng)模型，對(duì)系統(tǒng)分別開展仿真計(jì)算分析，驗(yàn)證所提出參數(shù)設(shè)定方法合理性與準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 UEL模型

UEL模型采用現(xiàn)場(chǎng)普遍使用的以四段直線表示低勵(lì)限制邊界，如圖1所示，該模型主要輸入量為有功功率PT、無(wú)功功率QT機(jī)端電壓UT，四段直線構(gòu)成折線型UEL不同區(qū)段可寫成

式中：KU為每段直線斜率，C為每段直線截距。

圖1 UEL模型

圖1中KUEL為UEL放大倍數(shù)，TUEL1為超前環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，TUEL2為滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。

1.2 V/f 模型

V/f模型輸入量為端電壓Ut、與頻率成正比的電壓UFeq，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到與V/f限制值之間偏差作為調(diào)節(jié)量。

模型如下圖所示：

圖2 V/f 模型

圖2中kVf為V/f放大倍數(shù)，TVf1為超前環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，TVf2為滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。

1.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型采用單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，發(fā)電機(jī)采用三階實(shí)用模型，以計(jì)及勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程，勵(lì)磁系統(tǒng)為靜止勵(lì)磁系統(tǒng)并采用一階慣性環(huán)節(jié)表示，如圖3所示。利用框圖和力矩-角度關(guān)系分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的Hellfon-Philips擴(kuò)展模型（簡(jiǎn)稱H-P模型）[7-8]，可以清晰分析UEL與V/f限制作用過(guò)程。不考慮PSS作用，包括UEL與V/f限制模型的擴(kuò)展H-P模型如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖中K1—K10公式為：

上述式中：Uto為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，Udo、Uqo為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓直軸、交軸分量，Ido、Iqo為發(fā)電機(jī)機(jī)端電流直軸、交軸分量，Xd、Xq為發(fā)電機(jī)直軸、交軸同步電抗，X’d、X’q為發(fā)電機(jī)直軸、交軸暫態(tài)電抗，Xe為系統(tǒng)聯(lián)系電抗，Ku和C分別為低勵(lì)限制折線斜率和截距。

圖4 擴(kuò)展H-P模型

2 UEL和V/f限制作用機(jī)理分析

2.1 UEL作用過(guò)程

如圖4中所示，UEL輸入量為功角變化量δ以及發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢(shì)反饋量，最后輸出電磁轉(zhuǎn)矩MUEL,本文重點(diǎn)分析UEL和V/f限制在共同作用下對(duì)機(jī)端電壓影響分析，其與PSS之間輸出轉(zhuǎn)矩交互影響不再單獨(dú)展開分析。通過(guò)圖與K7與K8公式可知，對(duì)一個(gè)確定的發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁系統(tǒng)而言（穩(wěn)定運(yùn)行工況點(diǎn)），UEL產(chǎn)生的發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢(shì)不僅與低勵(lì)限制整定曲線有關(guān)，即受限制折線斜率Ku和截距C影響，同時(shí)還受其自身數(shù)學(xué)模型參數(shù)KUEL、TUEL1、TUEL2影響，其中任一參數(shù)的改變均會(huì)影響到UEL的輸出[9-10]。UEL主要作用是通過(guò)提高發(fā)電機(jī)勵(lì)磁水平抬高機(jī)端電壓防止發(fā)電機(jī)進(jìn)相過(guò)深以至失去穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)整定的低勵(lì)限制參數(shù)，即折線斜率Ku和截距C對(duì)一機(jī)組可認(rèn)為是確定的。此時(shí)，UEL輸出主要受放大倍數(shù)KUEL及超前滯后時(shí)間常數(shù)TUEL1、TUEL2影響，通過(guò)合理整定參數(shù)不僅可以優(yōu)化UEL輸出快慢以及輸出大小，并且通過(guò)與V/f模型的參數(shù)協(xié)調(diào)控制，可以提高系統(tǒng)電壓，防止孤網(wǎng)電壓崩潰。

2.2 V/f 限制作用過(guò)程

與UEL分析過(guò)程類似，V/f限制主要防止轉(zhuǎn)子過(guò)熱，其整定值K為一確定值時(shí)，在穩(wěn)定運(yùn)行工況下，其輸出僅受其自身數(shù)學(xué)模型中參數(shù)kVf、TVf1、TVf2影響，其中任一參數(shù)的改變均會(huì)影響到V/f的輸出。

由于UEL與V/f限制作用量ΔUEL和ΔUVF均可認(rèn)為是在PSS附加點(diǎn)疊加進(jìn)去后作用于勵(lì)磁PID主環(huán)，因此在孤網(wǎng)低頻低壓下UEL與V/f限制有可能會(huì)同時(shí)動(dòng)作，如此時(shí)二者整定參數(shù)不匹配，假設(shè)V/f限制輸出較大且輸出較快，會(huì)造成UEL輸出被抑制弱化，使得勵(lì)磁減小將機(jī)端電壓降低，這將嚴(yán)重影響孤網(wǎng)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，會(huì)造成孤網(wǎng)電壓崩潰進(jìn)而使得孤網(wǎng)瓦解。

3 參數(shù)整定

當(dāng)孤網(wǎng)處于低頻低壓惡劣運(yùn)行工況時(shí)，以提高電壓為首要目標(biāo)，并考慮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子耐熱能力，優(yōu)化UEL與V/f限制參數(shù)，當(dāng)UEL與V/f限制同時(shí)輸出時(shí)，將UEL輸出作為勵(lì)磁主環(huán)疊加點(diǎn)主導(dǎo)輸入，在短時(shí)間內(nèi)增加勵(lì)磁提高機(jī)端電壓，恢復(fù)孤網(wǎng)電壓，確保孤網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。為防止提高電壓過(guò)程中V/f倍數(shù)值持續(xù)增加造成的轉(zhuǎn)子過(guò)熱，也不可使其輸出較小。因此在二者共同作用下通過(guò)調(diào)整參數(shù)提高UEL輸出響應(yīng)速度，減緩V/f限制輸出，在短時(shí)間內(nèi)提高系統(tǒng)電壓，同時(shí)也不會(huì)造成轉(zhuǎn)子過(guò)熱而燒壞轉(zhuǎn)子。實(shí)際上，考慮到調(diào)速器的作用過(guò)程，在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)UEL提高機(jī)端電壓后，其頻率也處于逐漸恢復(fù)過(guò)程，相應(yīng)V/f倍數(shù)并不會(huì)一直增加，這對(duì)于電壓恢復(fù)也是至關(guān)重要。

選取固定變化信號(hào)，輸入到超前滯后環(huán)節(jié)，保持放大倍數(shù)不變，通過(guò)調(diào)整不同的超前滯后時(shí)間系數(shù)，可以改變輸出響應(yīng)調(diào)節(jié)速度。

表1 控制環(huán)節(jié)參數(shù)

在兩組參數(shù)下，某一固定變化信號(hào)輸出響應(yīng)過(guò)程如圖所示，不同參數(shù)下輸出過(guò)程響應(yīng)速度不同，因此可以通過(guò)調(diào)整UEL與V/f限制超前滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)改變其輸出響應(yīng)速度，可以在短時(shí)間內(nèi)提高機(jī)端電壓，同時(shí)也可以防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期過(guò)熱而造成轉(zhuǎn)子燒毀。

圖5 不同控制參數(shù)下響應(yīng)速度

4 算例分析

利用PSCAD/EMTDC軟件搭建地區(qū)孤網(wǎng)模型，通過(guò)仿真送出線路跳閘后形成的孤網(wǎng)狀態(tài)，頻率升高進(jìn)而造成孤網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組高頻脫網(wǎng)，孤網(wǎng)進(jìn)入低頻低壓運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)對(duì)孤網(wǎng)內(nèi)水電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)UEL與V/f限制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化，提高孤網(wǎng)內(nèi)電壓水平，防止因電壓過(guò)低或機(jī)組進(jìn)相較深以致失磁保護(hù)動(dòng)作等原因造成的機(jī)組解列、孤網(wǎng)瓦解等惡劣故障情況出現(xiàn)。

圖6為故障過(guò)程中孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率曲線，當(dāng)唯一送出線路故障后形成孤網(wǎng)，孤網(wǎng)內(nèi)頻率迅速升高，當(dāng)升高至風(fēng)電機(jī)組高頻切機(jī)動(dòng)作值時(shí)風(fēng)電場(chǎng)全部切除，此時(shí)孤網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)組容量小于負(fù)荷造成孤網(wǎng)頻率一直降低至某一平衡點(diǎn)。

圖6 孤網(wǎng)頻率變化曲線

假設(shè)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)輔助限制功能只有V/f限制投入，當(dāng)孤網(wǎng)內(nèi)頻率升高造成風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組全部高頻切除以后，此時(shí)孤網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)組發(fā)出有功不足以支撐孤網(wǎng)內(nèi)全部負(fù)荷，孤網(wǎng)內(nèi)處于低頻低壓狀態(tài)，此時(shí)V/f限制輸出控制孤網(wǎng)內(nèi)V/f為某一參考值，由于處于低頻狀態(tài)，在V/f控制下將機(jī)端電壓控制在某一低值，使得孤網(wǎng)內(nèi)電壓長(zhǎng)期偏低。孤網(wǎng)狀態(tài)下V/f曲線如下：

圖7 V/f 值變化曲線

可見、風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)瞬間，由于孤網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷供求關(guān)系破壞，電壓會(huì)有一突然下降之后由勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用將電壓調(diào)節(jié)至穩(wěn)定值，但由于V/f限制的投入，在低頻狀態(tài)下將控制機(jī)端電壓，使得V/f為一設(shè)定值（通常設(shè)定為1.06），即在圖頻率穩(wěn)定運(yùn)行在43 Hz時(shí)，機(jī)端電壓控制在0.912 p.u，故障過(guò)程中V/f曲線如圖7所示。

當(dāng)?shù)蛣?lì)限制與V/f限制全部投入，并且低勵(lì)限制與伏赫茲限制控制環(huán)節(jié)參數(shù)相同，由于低勵(lì)限制的投入，勵(lì)磁系統(tǒng)輔助功能控制對(duì)象將不再僅是V/f設(shè)定值，而是由V/f與機(jī)組實(shí)際低勵(lì)限制特性共同決定，在控制參數(shù)相同情況下其輸出響應(yīng)程度受V/f實(shí)際值與設(shè)定值偏差以及實(shí)際進(jìn)相深度與低勵(lì)限制特性曲線偏差所決定，假若二者偏差相同，在控制環(huán)節(jié)設(shè)定輸出范圍情況下，共同疊加在PID主環(huán)上之和為0，即輔助限制功能實(shí)際不再輸出，由勵(lì)磁裝置主環(huán)根據(jù)系統(tǒng)電壓自動(dòng)調(diào)整。

在所計(jì)算的孤網(wǎng)模型下，分別設(shè)定V/f與UEL兩組控制參數(shù)，如表2所示。

表2 V/f與UEL控制參數(shù)

圖8 電壓恢復(fù)曲線

從圖8可知，采用同一套參數(shù)對(duì)電壓提升效果是有限的，并不能完全解決孤網(wǎng)電壓偏低的問(wèn)題，因此需對(duì)孤網(wǎng)下勵(lì)磁輔助功能控制參數(shù)進(jìn)行差異化設(shè)置，提高孤網(wǎng)運(yùn)行能力。如采取采用不同控制參數(shù)，通過(guò)改變不同限制環(huán)節(jié)輸出響應(yīng)速度，可以有效提升孤網(wǎng)下電壓水平，相比只投入V/f限制或?qū)/f限制控制參數(shù)與低勵(lì)限制控制參數(shù)設(shè)置相同而言，改變控制參數(shù)可以快速提升機(jī)端電壓至額定值，防止由于控制參數(shù)的作用拉低機(jī)端電壓造成的孤網(wǎng)電壓崩潰瓦解。

5 結(jié)束語(yǔ)

分析UEL與V/f限制勵(lì)磁控制模型，針對(duì)含有新能源地區(qū)孤網(wǎng)可能出現(xiàn)低頻低壓運(yùn)行方式進(jìn)行分析，以提高孤網(wǎng)電壓為首要目標(biāo)，分析UEL與V/f限制作用過(guò)程，優(yōu)化UEL與V/f限制參數(shù)配置，通過(guò)改變勵(lì)磁系統(tǒng)輔助限制功能間控制參數(shù)，改變限制環(huán)節(jié)輸出響應(yīng)速度，提升孤網(wǎng)內(nèi)電壓恢復(fù)速度。通過(guò)仿真分析驗(yàn)證所提出參數(shù)設(shè)定方法合理性與準(zhǔn)確性，所提出的參數(shù)優(yōu)化方法可以適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)，提升機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行能力，具有十分重大的理論與實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。