柔性勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)功阻尼控制器參數(shù)整定方法及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

張建承 張?zhí)鹛?熊鴻韜 韓 兵 蘇成豐

柔性勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)功阻尼控制器參數(shù)整定方法及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

張建承1張?zhí)鹛?熊鴻韜1韓 兵3蘇成豐4

（1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院 杭州 310014 2. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074 3. 南京南瑞繼保電氣有限公司 南京 211102 4. 溫州百丈漈水力發(fā)電廠 溫州 325300）

該文提出基于模型實(shí)測(cè)校核的柔性勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)功阻尼控制器參數(shù)整定方法。通過(guò)線性化方法構(gòu)建包含柔性勵(lì)磁系統(tǒng)的Philips-Heffron模型，得到發(fā)電機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）控制通道和無(wú)功阻尼控制通道的復(fù)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型，開(kāi)展影響控制器參數(shù)整定因素的量化分析。通過(guò)實(shí)測(cè)PSS控制通道的無(wú)補(bǔ)償相頻特性對(duì)復(fù)轉(zhuǎn)矩模型進(jìn)行校核，在校核模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)阻尼轉(zhuǎn)矩相位校正要求對(duì)無(wú)功阻尼控制器的超前滯后等控制參數(shù)進(jìn)行整定。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，整定后的無(wú)功阻尼控制器顯著提升了發(fā)電機(jī)對(duì)有功振蕩的阻尼抑制效果，驗(yàn)證了柔性勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)功阻尼控制技術(shù)的有效性，為進(jìn)一步發(fā)揮柔性勵(lì)磁系統(tǒng)雙通道控制優(yōu)勢(shì)應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)寬頻振蕩問(wèn)題奠定良好的基礎(chǔ)。

柔性勵(lì)磁系統(tǒng) 無(wú)功阻尼控制器 復(fù)轉(zhuǎn)矩模型 參數(shù)整定方法 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

0 引言

勵(lì)磁系統(tǒng)是一種向同步發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流的裝置，它能通過(guò)控制相對(duì)較小的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁能量實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)及其所在大系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，包括電壓穩(wěn)定控制和低頻振蕩抑制，被譽(yù)為“電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的靈魂”[1]。目前，主要通過(guò)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stability, PSS）——一種在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)中施加的附加控制功能實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻振蕩的抑制。PSS能大幅提升電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。但隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)振蕩向多源化、多頻段耦合方向發(fā)展[2-3]，對(duì)振蕩抑制技術(shù)提出了更高的要求。

在大受端電網(wǎng)中，由于開(kāi)機(jī)規(guī)模減小等原因，區(qū)域電網(wǎng)阻尼削弱，在此背景下系統(tǒng)擾動(dòng)易激發(fā)調(diào)速器負(fù)阻尼，進(jìn)而在區(qū)域電網(wǎng)引發(fā)持續(xù)低頻振蕩[2]。在水電富集地區(qū)，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在一定條件下呈現(xiàn)明顯的超低頻段負(fù)阻尼特性，引發(fā)電網(wǎng)超低頻振蕩問(wèn)題[4-7]。電力系統(tǒng)電力電子化的發(fā)展，使得因電力電子裝置控制參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)不匹配引發(fā)的低頻振蕩問(wèn)題日益突出，如高鐵牽引供電網(wǎng)中多次發(fā)生的車(chē)網(wǎng)耦合低頻振蕩等[8]。隨著大規(guī)模新能源并網(wǎng)運(yùn)行，同步電源占比不斷減小，電網(wǎng)強(qiáng)度下降，進(jìn)一步增加了新型電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩的風(fēng)險(xiǎn)[9-10]。此外，新能源場(chǎng)站、柔性直流輸電和靜止無(wú)功發(fā)生器等電力電子設(shè)備應(yīng)用的增加還帶來(lái)了次同步/超同步諧振等寬頻振蕩問(wèn)題[11-15]。

面對(duì)低頻振蕩多源化、寬頻化的挑戰(zhàn)，目前已提出的應(yīng)對(duì)措施包括多頻段電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer, PSS4B）、改進(jìn)型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS-NEW-B）和基于柔性勵(lì)磁系統(tǒng)的雙通道阻尼控制器[16-19]。PSS4B提供了低、中、高三個(gè)頻段的阻尼輸出通道，解決了PSS2B低頻段抑制能力不足的問(wèn)題，但工程應(yīng)用中存在控制器參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)整定難，經(jīng)典參數(shù)不具備普遍適用性等問(wèn)題[16]。PSS-NEW-B在PSS2B雙信號(hào)單通道的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化信號(hào)處理環(huán)節(jié)，增加低頻段的阻尼增益，有效提升對(duì)低頻段的抑制效果[17-18]。但無(wú)論是PSS4B還是PSS-NEW-B均為通過(guò)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的單通道來(lái)抑制振蕩，受限于單控制通道阻尼守恒原理，難以較好地兼顧對(duì)超低頻振蕩和高頻段振蕩的抑制效果。

柔性勵(lì)磁系統(tǒng)是一種基于IGBT的新型勵(lì)磁系統(tǒng)，能拓展現(xiàn)有的勵(lì)磁控制通道，在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制的基礎(chǔ)上新增定子側(cè)無(wú)功控制通道，可實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子雙通道阻尼控制，豐富同步機(jī)組抑制低頻振蕩的手段[19]。文獻(xiàn)[20]和文獻(xiàn)[21]分別通過(guò)在無(wú)功阻尼控制通道應(yīng)用帶通濾波器和采用PSS-NEW-B信號(hào)處理環(huán)節(jié)，利用雙通道差異化協(xié)調(diào)配置雙阻尼控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻振蕩全頻段阻尼的整體提升。但上述針對(duì)柔性勵(lì)磁系統(tǒng)雙通道阻尼控制的研究尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，特別是無(wú)功阻尼控制通道的有效性及其控制特性尚未得到實(shí)際工程的驗(yàn)證。因此，本文基于柔性勵(lì)磁系統(tǒng)百丈漈電廠示范工程開(kāi)展了柔性勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)功阻尼控制器（Reactive Power Damping Controller, RPDC）的參數(shù)整定方法及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，提出基于模型實(shí)測(cè)校核的參數(shù)整定方法，首次在實(shí)際機(jī)組中實(shí)現(xiàn)無(wú)功阻尼控制的功率振蕩抑制效果，驗(yàn)證了無(wú)功阻尼控制策略及參數(shù)整定方法的有效性。

1 柔性勵(lì)磁系統(tǒng)控制原理

柔性勵(lì)磁系統(tǒng)功率部分由采用IGBT全控器件的前級(jí)電壓源型換流器和后級(jí)直流斬波器構(gòu)成，前后級(jí)之間通過(guò)中間直流電容連接，電壓源型換流器的交流側(cè)通過(guò)勵(lì)磁變連接至發(fā)電機(jī)機(jī)端出口，直流斬波器輸出通過(guò)發(fā)電機(jī)碳刷集電環(huán)與轉(zhuǎn)子繞組相連，整體形成了自并勵(lì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，其拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 柔性勵(lì)磁系統(tǒng)拓?fù)?/p>

柔性勵(lì)磁系統(tǒng)的前級(jí)電壓源換流器采用交直軸解耦控制實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制[21]。其中，為了穩(wěn)定控制柔性勵(lì)磁系統(tǒng)的中間直流電壓，建立了基于有功電流控制分量構(gòu)成的中間直流電壓控制外環(huán)，如圖2a所示。在中間直流電壓穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上，后級(jí)直流斬波器通過(guò)斬波控制實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電壓的快速控制，并通過(guò)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（Automatic Voltage Regulator, AVR）實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的閉環(huán)控制，如圖2b所示。此外，在前級(jí)有功電流控制回路中還引入了以直流斬波器控制占空比為前饋信號(hào)的前饋控制回路，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

圖2 柔性勵(lì)磁系統(tǒng)控制框圖

無(wú)功阻尼控制器則由基于電壓源型換流器的無(wú)功電流控制回路構(gòu)建，如圖2a所示，通過(guò)控制柔性勵(lì)磁系統(tǒng)的無(wú)功功率，向發(fā)電機(jī)定子側(cè)注入無(wú)功來(lái)抑制功率振蕩。工程應(yīng)用中，無(wú)功阻尼控制模型采用勵(lì)磁領(lǐng)域廣泛成熟應(yīng)用的PSS2B模型，如圖3所示。該模型將有功變化量和轉(zhuǎn)速變化量的雙信號(hào)處理合成為加速功率信號(hào)，經(jīng)陷波器過(guò)濾軸系扭振和噪聲信號(hào)后與電磁功率通道合成為能抑制反調(diào)和原動(dòng)機(jī)功率波動(dòng)的發(fā)電機(jī)功率信號(hào)，最后經(jīng)超前滯后環(huán)節(jié)對(duì)相位進(jìn)行校正后，輸出為控制信號(hào)。不同之處在于，常規(guī)PSS的控制目標(biāo)是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電壓，而無(wú)功阻尼控制的目標(biāo)是勵(lì)磁系統(tǒng)向發(fā)電

圖3 無(wú)功阻尼控制器模型框圖

機(jī)定子側(cè)注入的無(wú)功功率。由于針對(duì)不同的控制目標(biāo)和控制通道，因此需要建立柔性勵(lì)磁系統(tǒng)各阻尼控制通道的數(shù)學(xué)模型，分析無(wú)功阻尼控制器的作用機(jī)理及影響阻尼特性的關(guān)鍵因素，為無(wú)功阻尼控制器的參數(shù)整定奠定基礎(chǔ)。

2 無(wú)功阻尼控制通道數(shù)學(xué)模型

以安裝有柔性勵(lì)磁系統(tǒng)的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)為研究對(duì)象，包含柔性勵(lì)磁系統(tǒng)交流側(cè)無(wú)功功率注入的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)線性化數(shù)學(xué)模型如式（1）所示，模型推導(dǎo)及參數(shù)定義參見(jiàn)文獻(xiàn)[20-21]。

基于柔性勵(lì)磁系統(tǒng)線性化數(shù)學(xué)模型，可得其電磁轉(zhuǎn)矩方程為

式中，Δe1為AVR和機(jī)組本身提供的電磁轉(zhuǎn)矩；ΔPSS為通過(guò)PSS控制提供的電磁轉(zhuǎn)矩；ΔQ為通過(guò)無(wú)功阻尼控制器控制提供的電磁轉(zhuǎn)矩。

式（2）中，各部分轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為

式中，A為勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)增益；56和Q3為系統(tǒng)模型在初始穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)處的線性化系數(shù)，具體表達(dá)式為

其中

基于上述柔性勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析，得到包含柔性勵(lì)磁系統(tǒng)交流側(cè)無(wú)功功率注入的改進(jìn)型Philips-Heffron模型如圖4所示。圖4中，Δm、Δe和Δe分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩偏差、電磁轉(zhuǎn)矩偏差和有功功率偏差。由圖4可知，柔性勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)功阻尼控制器通過(guò)三個(gè)作用通道調(diào)節(jié)系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩，從而經(jīng)

圖4 包含無(wú)功阻尼控制器的Philips-Heffron模型

過(guò)控制作用提升電力系統(tǒng)的阻尼轉(zhuǎn)矩：①注入無(wú)功影響系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，產(chǎn)生與系數(shù)Q1相關(guān)的作用通道，其直接向電力系統(tǒng)提供電磁轉(zhuǎn)矩；②系統(tǒng)運(yùn)行工況變化影響定子磁鏈，進(jìn)一步影響勵(lì)磁繞組，產(chǎn)生與Q2相關(guān)的作用通道；③系統(tǒng)電氣量變化作為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)控制勵(lì)磁繞組，產(chǎn)生與Q3相關(guān)的作用通道。

進(jìn)一步量化分析影響無(wú)功阻尼通道和PSS通道的無(wú)補(bǔ)償特性的因素，取三類參數(shù)變量，包括機(jī)組運(yùn)行工況、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)和勵(lì)磁控制參數(shù)。

（1）運(yùn)行工況的影響分析

機(jī)組出力水平、功率因數(shù)和機(jī)端電壓對(duì)無(wú)功阻尼和PSS通道的影響對(duì)比如附圖1～附圖3所示。從相頻特性來(lái)看，機(jī)組運(yùn)行工況對(duì)PSS通道的影響較小，但對(duì)無(wú)功阻尼通道影響較大，且頻率越高相位差別越大，最大可達(dá)30°左右。

（2）發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的影響分析

系統(tǒng)等值阻抗、直軸同步電抗、交軸同步電抗、直軸暫態(tài)電抗和勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)對(duì)無(wú)功阻尼和PSS通道的影響對(duì)比如附圖4～附圖8所示。其中，直軸同步電抗、勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)對(duì)無(wú)功阻尼和PSS通道的無(wú)補(bǔ)償特性影響較小，交軸同步電抗和直軸暫態(tài)電抗僅對(duì)無(wú)功阻尼通道的相頻特性有較大影響，而系統(tǒng)等值阻抗對(duì)無(wú)功阻尼和PSS通道的相頻特性均有明顯的影響。考慮交軸同步電抗和直軸暫態(tài)電抗的取值存在20%誤差，對(duì)無(wú)功阻尼通道的相頻特性的影響最大也達(dá)到30°左右。

（3）勵(lì)磁控制參數(shù)的影響分析

勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)增益對(duì)無(wú)功阻尼和PSS通道的相頻特性均有一定的影響，勵(lì)磁動(dòng)態(tài)增益對(duì)阻尼通道特性的影響分析如附圖9所示。其中對(duì)PSS通道主要影響低頻段的相位，對(duì)無(wú)功阻尼通道則主要影響中高頻段的相位，最大影響均在10°左右。

3 基于模型實(shí)測(cè)校核的參數(shù)整定方法

基于前文的柔性勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及影響無(wú)功阻尼通道無(wú)補(bǔ)償相頻特性的量化分析，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，無(wú)功阻尼控制器的參數(shù)整定試驗(yàn)分為三個(gè)步驟，無(wú)功阻尼通道校核建模、無(wú)功阻尼控制器參數(shù)整定以及阻尼控制能力驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖5所示。

3.1 校核建模

由第2節(jié)對(duì)不同阻尼通道無(wú)補(bǔ)償相頻特性的量化分析可知，無(wú)功阻尼通道的轉(zhuǎn)矩特性相較PSS通道更易受到機(jī)組運(yùn)行工況、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)及勵(lì)磁控制參數(shù)的影響。因此在開(kāi)展無(wú)功阻尼控制器參數(shù)整時(shí)，應(yīng)通過(guò)合理選取機(jī)組運(yùn)行工況、準(zhǔn)確辨識(shí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，以提高參數(shù)整定的有效性。其中，在機(jī)組運(yùn)行工況方面，有功出力建議取80%，無(wú)功出力取0，機(jī)端電壓取實(shí)際均值，以獲取相對(duì)平均的相頻特性保證參數(shù)整定后的魯棒性。在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)方面，系統(tǒng)等值阻抗、交軸同步電抗、直軸暫態(tài)電抗以及勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)增益應(yīng)通過(guò)實(shí)測(cè)模型校核，以盡量減小參數(shù)誤差造成的無(wú)補(bǔ)償相頻特性偏移。最后通過(guò)實(shí)測(cè)PSS無(wú)補(bǔ)償相頻特性對(duì)模型的電氣參變量進(jìn)行總的校核。

圖5 參數(shù)整定試驗(yàn)流程

經(jīng)辨識(shí)校核的柔性勵(lì)磁系統(tǒng)示范工程試驗(yàn)機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)式（3）建立PSS無(wú)補(bǔ)償相頻特性模型，得到理論P(yáng)SS無(wú)補(bǔ)償相頻特性曲線，并與通過(guò)實(shí)測(cè)獲得的實(shí)際PSS無(wú)補(bǔ)償相頻特性曲線進(jìn)行比較，如圖6所示，實(shí)測(cè)與理論相頻特性基本一致，僅在本機(jī)振蕩點(diǎn)附近有差異，造成上述差異的原因是實(shí)測(cè)采用機(jī)端電壓作為反饋量，測(cè)量相位相對(duì)理論模型在本機(jī)振蕩點(diǎn)更滯后[22-23]。因此判定模型校核通過(guò)，基于式（3）即可建立無(wú)功阻尼通道無(wú)補(bǔ)償特性模型。

表1 柔性勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)組參數(shù)

Tab.1 The parameters of testing generator

圖6 無(wú)補(bǔ)償相頻特性模型校核

3.2 參數(shù)整定

基于3.1節(jié)獲得的無(wú)補(bǔ)償相頻特性，整定無(wú)功阻尼控制器超前滯后環(huán)節(jié)參數(shù)。由圖6可知經(jīng)過(guò)180°相位校正的無(wú)功阻尼通道無(wú)補(bǔ)償相頻特性與PSS無(wú)補(bǔ)償特性相似，因此通過(guò)將無(wú)功阻尼控制器的增益環(huán)節(jié)QS1增加負(fù)號(hào)（如圖3所示），實(shí)現(xiàn)180°相位校正，便于簡(jiǎn)化超前滯后環(huán)節(jié)的參數(shù)整定。

在已知無(wú)補(bǔ)償相頻特性的情況下，無(wú)功阻尼控制器與常規(guī)PSS參數(shù)整定方法相同，可參照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1231《電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則》對(duì)各個(gè)部分參數(shù)進(jìn)行整定，其中超前滯后環(huán)節(jié)整定的主要目標(biāo)為：將無(wú)功阻尼控制通道的阻尼轉(zhuǎn)矩相位補(bǔ)償至90°附近，即小干擾轉(zhuǎn)矩相量落在Δ軸附近，以向系統(tǒng)提供盡可能大的阻尼轉(zhuǎn)矩。由圖4可知，無(wú)功阻尼控制器的傳遞函數(shù)可表示為

結(jié)合式（3）可知，當(dāng)以Δ軸為參考相量時(shí)，柔性勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)功阻尼控制器參數(shù)整定的目標(biāo)函數(shù)為

式中，f為需要分析的頻率；為分析的頻率點(diǎn)數(shù)。

具體約束要求為：在0.1～3Hz范圍內(nèi)，將阻尼轉(zhuǎn)矩相位補(bǔ)償至70°～135°之間，因此可得約束條件為

綜合整定得到的無(wú)功阻尼控制器參數(shù)見(jiàn)表2?？傮w相位校正效果如圖7所示，以本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)重點(diǎn)校核的本機(jī)振蕩頻率點(diǎn)2.1Hz為例，該頻率點(diǎn)無(wú)補(bǔ)償相位為73.5°，校正后相位調(diào)整至90°附近，因此無(wú)功阻尼控制器能提供更大的阻尼轉(zhuǎn)矩以及更好的魯棒性，如圖8所示。圖8中，ΔR0和ΔRc分別為無(wú)功通道經(jīng)無(wú)功阻尼控制器補(bǔ)償前后的轉(zhuǎn)矩。

表2 無(wú)功阻尼控制器整定后參數(shù)

Tab.2 The setting parameters of RPDC

圖7 無(wú)功阻尼通道相位補(bǔ)償

圖8 本機(jī)振蕩頻率點(diǎn)復(fù)轉(zhuǎn)矩相位校正

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及仿真驗(yàn)證

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，開(kāi)展不投入和投入無(wú)功阻尼控制器試驗(yàn)，通過(guò)負(fù)載階躍試驗(yàn)驗(yàn)證無(wú)功阻尼控制的阻尼控制效果。圖9a為不投入無(wú)功阻尼控制器時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，反映了機(jī)組的自然阻尼性能。由圖可知，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的本機(jī)振蕩頻率為2.14Hz，振蕩次數(shù)為4次左右，有功振蕩衰減阻尼比為0.12。圖9b為投入無(wú)功阻尼控制器時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，圖示結(jié)果表明有功振蕩次數(shù)減少至1.5次左右，阻尼比提升效果明顯，達(dá)到0.22，且振蕩頻率基本保持不變，表明無(wú)功阻尼控制器提供的轉(zhuǎn)矩相量在Δ軸附近，未對(duì)同步轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生明顯影響，佐證了參數(shù)整定的正確性。

圖9 無(wú)功阻尼控制器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)錄波

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)比單獨(dú)投入PSS和同時(shí)投入PSS、RPDC，進(jìn)一步驗(yàn)證RPDC和PSS的共同作用，如圖10所示。由圖10結(jié)果可知，僅投入PSS時(shí)有功衰減阻尼比為0.19，同時(shí)投入RPDC和PSS時(shí)，阻尼比提升至0.25，證明RPDC和PSS能同時(shí)發(fā)揮作用，提供更強(qiáng)的功率振蕩抑制能力。不同工況阻尼比測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

圖10 無(wú)功阻尼控制與PSS配合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)錄波

表3 不同工況阻尼比測(cè)試結(jié)果

Tab.3 Testing results of damping ratios in different conditions

4.2 仿真驗(yàn)證

由于現(xiàn)場(chǎng)僅能校驗(yàn)本機(jī)振蕩頻率點(diǎn)附近的阻尼效果，因此，本文通過(guò)在Simulink中建立如圖11所示的包含柔性勵(lì)磁系統(tǒng)的單機(jī)無(wú)窮大模型校驗(yàn)柔性勵(lì)磁系統(tǒng)在其他低頻振蕩頻段的阻尼提升能力。仿真中，通過(guò)改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量激發(fā)不同大小的系統(tǒng)振蕩頻率，等效校驗(yàn)不同振蕩頻率下柔性勵(lì)磁系統(tǒng)的阻尼控制能力。在0.6～2.5Hz下有功振蕩抑制效果的仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。仿真結(jié)果表明所整定的控制器能有效提升系統(tǒng)低頻振蕩全頻段的阻尼水平。此外，通過(guò)進(jìn)一步應(yīng)用帶通濾波器或采用PSS-NEW-B信號(hào)處理方式還可針對(duì)性提升超低頻段的阻尼水平[20-21]，限于篇幅本文不再重復(fù)驗(yàn)證。

圖11 柔性勵(lì)磁系統(tǒng)仿真主回路原理

表4 不同頻段阻尼效果仿真計(jì)算結(jié)果

Tab.4 The simulation results of damping ratio improved in different frequencies

5 結(jié)論

柔性勵(lì)磁系統(tǒng)采用IGBT解耦拓?fù)?，突破了常?guī)勵(lì)磁技術(shù)控制維度單一的限制，在快速控制勵(lì)磁電壓的基礎(chǔ)上，還能通過(guò)勵(lì)磁變壓器向發(fā)電機(jī)注入交流無(wú)功，為實(shí)現(xiàn)無(wú)功阻尼控制提供了硬件基礎(chǔ)。本文通過(guò)理論分析揭示了柔性勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)功阻尼控制的作用機(jī)理及其通道特性，相對(duì)常規(guī)PSS控制其更易受到機(jī)組運(yùn)行工況、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)及勵(lì)磁控制參數(shù)變化的影響，需要準(zhǔn)確獲取無(wú)功通道模型才能實(shí)現(xiàn)阻尼控制參數(shù)的魯棒性整定。為此，本文提出了模型實(shí)測(cè)校核的無(wú)功阻尼控制器參數(shù)整定方法，通過(guò)模型實(shí)測(cè)校核建立無(wú)功阻尼通道的復(fù)轉(zhuǎn)矩模型，獲取相應(yīng)的無(wú)補(bǔ)償相頻特性，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展無(wú)功阻尼控制器的參數(shù)整定。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的有效性，同時(shí)也是首次通過(guò)工程應(yīng)用實(shí)證了無(wú)功阻尼控制理論的有效性，實(shí)現(xiàn)了理論研究向工程應(yīng)用的重要突破，為進(jìn)一步發(fā)揮柔性勵(lì)磁系統(tǒng)雙通道控制優(yōu)勢(shì)，解決系統(tǒng)振蕩的復(fù)雜化、寬頻化問(wèn)題打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

附圖1 有功出力對(duì)阻尼通道特性的影響分析

App.Fig.1 Influence analysis of active power output on damping torque characteristics

附圖2 功率因數(shù)對(duì)阻尼通道特性的影響分析

App.Fig.2 Influence analysis of power factor on damping torque characteristics

附圖3 機(jī)端電壓對(duì)阻尼通道特性的影響分析

App.Fig.3 Influence analysis of generator voltage on damping torque characteristics

附圖4 等值阻抗對(duì)阻尼通道特性的影響分析

App.Fig.4 Influence analysis of system impedance on damping torque characteristics

附圖5 直軸電抗對(duì)阻尼通道特性的影響分析

App.Fig.5 Influence analysis of d-axis reactance on damping torque characteristics

附圖6 交軸電抗對(duì)阻尼通道特性的影響分析

App.Fig.6 Influence analysis of q-axis reactance on damping torque characteristics

附圖7 直軸暫態(tài)電抗對(duì)阻尼通道特性的影響分析

App.Fig.7 Influence analysis of d-axis transient reactance on damping torque characteristics

附圖8 轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)對(duì)阻尼通道特性的影響分析

App.Fig.8 Influence analysis of rotor time constant on damping torque characteristics

附圖9 勵(lì)磁動(dòng)態(tài)增益對(duì)阻尼通道特性的影響分析

App.Fig.9 Influence analysis of excitation dynamic gain on damping torque characteristics

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Parameter Setting Method and Field Application of Reactive Power Damping Controller for Flexible Excitation System

Zhang Jiancheng1Zhang Tiantian2Xiong Hongtao1Han Bing3Su Chengfeng4

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute Hangzhou 310014 China 2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 3. NR Electric Co. Ltd Nanjing 211102 China 4. Wenzhou Baizhangji Hydropower Station Wenzhou 325300 China）

Based on the verified complex torque model, the parameter setting method of reactive power damping controller (RPDC) for flexible excitation system is proposed in this paper. The Philips-Heffron model with flexible excitation system is built by the linearized modeling method, and the small perturbation complex torque models of both PSS control channel and RPDC control channel are deduced. Then, the quantitative analysis of different influencing factors are carried out. The complex torque model is verified by the measured uncompensated phase-frequency characteristic of PSS control channel. Based on the verified complex torque model, the lead-lag parameters of RPDC are adjusted to achieve the maximum damping torque. The field test results show that, using the proposed parameter setting method, the local machine frequency power oscillation can be effectively suppressed by the RPDC, which is also the first time to successfully apply RPDC in practice and lays a good foundation to take the advantage of double damping channels of flexible excitation system for suppressing the wider frequency power oscillation in new power system.

Flexible excitation system, reactive power damping controller, complex torque model, parameter setting method, field application

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211731

TM712

國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司科技項(xiàng)目資助（5211DS19002L）。

2021-10-29

2021-12-11

張建承 男，1988年生，博士，研究方向?yàn)樾滦碗娏ο到y(tǒng)勵(lì)磁控制與機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)技術(shù)。E-mail：jianchengzz@163.com（通信作者）

張?zhí)鹛?女，1995年生，博士研究生，研究方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)與電力系統(tǒng)分析。E-mail：tiantian_z@hust.edu.cn

（編輯 赫蕾）