基于廣域測(cè)量的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制方法

盧建剛,戴 月,曾凱文,李世明,龍建平,李德忠

(1.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心,廣東 廣州 510600;2.湖南大唐先一科技有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

電力生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)主要地位,電力需求量日益增長(zhǎng),為快速擴(kuò)展電力系統(tǒng)容量[1],通過(guò)汽輪發(fā)電與水利發(fā)電等各類(lèi)型電源,組建容量較大的電力系統(tǒng),但該電力系統(tǒng)的不確定度較高[2]。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制屬于提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵手段,其中各類(lèi)型的發(fā)電機(jī)中,對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制的研究較少,為此需研究汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制方法,為提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性提供新思路[3-4]。

余洋等[5]通過(guò)雙線性聚合溫控負(fù)荷模型與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁模型,構(gòu)造發(fā)電機(jī)勵(lì)磁協(xié)調(diào)控制數(shù)學(xué)模型,通過(guò)反推控制原理,針對(duì)協(xié)調(diào)控制數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁協(xié)調(diào)控制策略,依據(jù)雙曲正切原理,研究勵(lì)磁電壓微分估計(jì)方法,減少控制策略計(jì)算量,該方法可有效跟蹤發(fā)電機(jī)的各被控量,完成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制;荊立坤等[6]設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)自適應(yīng)勵(lì)磁控制器,利用高增益擾動(dòng)觀測(cè)器,估計(jì)控制器內(nèi)的擾動(dòng),利用改進(jìn)樽海鞘群算法優(yōu)化控制器參數(shù),該方法可有效控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁,令發(fā)電機(jī)受到擾動(dòng)后,迅速恢復(fù)穩(wěn)定。但這2種方法均無(wú)法獲取發(fā)電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù),影響發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的實(shí)時(shí)性。

廣域測(cè)量系統(tǒng)是以相量測(cè)量單元為底層,完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7]。為此,提出基于廣域測(cè)量的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制方法,提升勵(lì)磁反步控制效果。

1 汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制方法

1.1 基于WAMS的控制原理

汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)勵(lì)磁反步控制原理。廣域測(cè)量系統(tǒng)(wide area measurement system,WAMS)包含3部分,分別是同步相量測(cè)量單元(phasor measurement unit,PMU)、通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)中心?；赪AMS的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制原理如圖2所示。

圖2 反步控制原理

PMU首先通過(guò)GPS提供的同步時(shí)間信號(hào),對(duì)測(cè)量的汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行加時(shí)標(biāo)操作,實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量;再利用通信網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)測(cè)量的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)至監(jiān)測(cè)中心,監(jiān)測(cè)中心依據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù),建立汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制模型;最后針對(duì)該模型,利用反步法,設(shè)計(jì)汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制器,通過(guò)徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)逼近功能,估計(jì)控制器內(nèi)的擾動(dòng),對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償,提升勵(lì)磁反步控制效果。WAMS可實(shí)時(shí)得到汽輪發(fā)電機(jī)的廣域動(dòng)態(tài)信息,從汽輪發(fā)電機(jī)的全局角度,對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)與勵(lì)磁反步控制,提升汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.2 基于廣域測(cè)量的汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

WAMS中PMU內(nèi)GPS接收器負(fù)責(zé)給出1 PPS的時(shí)間標(biāo)簽信號(hào);經(jīng)過(guò)帶通濾波器實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量電力信號(hào)傳感器采集的汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù);經(jīng)由采樣脈沖發(fā)生器,分成數(shù)列脈沖序列,令其符合時(shí)間與頻率的同步性,并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器,實(shí)施采集的汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換[8];通過(guò)防混疊濾波器使汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)頻域混疊情況不再發(fā)生;通過(guò)微處理器求解模數(shù)轉(zhuǎn)換后的汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的相量值,采用對(duì)稱(chēng)分量法獲取汽輪發(fā)電機(jī)相量值的正序分量。

通過(guò)相量描繪汽輪發(fā)電機(jī)電壓與電流等運(yùn)行數(shù)據(jù)的理想信號(hào),測(cè)量相量必須測(cè)量汽輪發(fā)電機(jī)幅值與相角,隨機(jī)2個(gè)相量在相同時(shí)間下,測(cè)量獲取的相角差是兩地功角。

利用旋轉(zhuǎn)相量表示法描繪汽輪發(fā)電機(jī)的相量,隨著時(shí)間延長(zhǎng),汽輪發(fā)電機(jī)相量的相位角呈旋轉(zhuǎn)變化,且旋轉(zhuǎn)具備一定的周期性[9-10],在隨機(jī)時(shí)刻t時(shí),汽輪發(fā)電機(jī)相量為

(1)

式中:ω為汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度;X為汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)內(nèi)的有效信號(hào)值;j為虛數(shù);φ為汽輪發(fā)電機(jī)初相角。

通過(guò)旋轉(zhuǎn)相量表示法可獲取PMU測(cè)量得到的汽輪發(fā)電機(jī)相量,汽輪發(fā)電機(jī)相量?jī)?nèi)包含電流、勵(lì)磁電壓與轉(zhuǎn)子角速度等運(yùn)行數(shù)據(jù)。

為令PMU測(cè)量的汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)可用于后續(xù)勵(lì)磁反步控制中,需對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理,具體步驟如下:

a.汽輪發(fā)電機(jī)部分運(yùn)行數(shù)據(jù)變更成標(biāo)幺值,PMU測(cè)量獲取的汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)都是有名值,在勵(lì)磁反步控制中,需要部分?jǐn)?shù)據(jù)是標(biāo)幺值[11]。為此需按照汽輪發(fā)電機(jī)額定容量、額定電壓等參數(shù),獲取汽輪發(fā)電機(jī)的電壓、電流基值,將其變更成標(biāo)幺值形式。

b.求解角度。汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制過(guò)程中,需對(duì)定子電壓與電流展開(kāi)Park變換[12],計(jì)算d、q和x、y坐標(biāo)間空間角度,前者為轉(zhuǎn)子位置,后者為定子繞組位置。令汽輪發(fā)電機(jī)功角是δ,功率因數(shù)角是ψ,對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓U1與機(jī)端電流I1展開(kāi)Park變換,即

(2)

式中:ud、uq分別為d軸、q軸的汽輪發(fā)電機(jī)電壓;id、iq分別為d軸、q軸的汽輪發(fā)電機(jī)電流。

1.3 汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制數(shù)學(xué)模型

(3)

(4)

通過(guò)建立汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制數(shù)學(xué)模型,得到勵(lì)磁反步控制的控制變量,即勵(lì)磁繞組電壓v=uf。

1.4 汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制器設(shè)計(jì)

o=e2+ξe1

(5)

(6)

(7)

若F2(X2)為準(zhǔn)確可知的,那么選取合理的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制器v′,可令ρ達(dá)到合理的性能指標(biāo)。

F1(X1)與F2(X2)不符合線性參數(shù)條件,為令汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制器符合線性參數(shù)條件,需利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近F1(X1)與F2(X2)。

以高斯基函數(shù)φ為RBF網(wǎng)絡(luò)函數(shù),令權(quán)值是W,誤差是ε,RBF網(wǎng)絡(luò)算法為

(8)

式中:z為RBF網(wǎng)絡(luò)輸入,即汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù);j′為節(jié)點(diǎn)編號(hào);cj′、bj′為φ的中心向量、基寬;h=[hj′]為φ的輸出;y為RBF輸出,即F1(X1)與F2(X2)的逼近結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證本文提出的基于廣域測(cè)量的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制方法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性,以圖1的汽輪發(fā)電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。該汽輪發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 汽輪發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置

該汽輪發(fā)電機(jī)通過(guò)雙回輸電線,線路電壓等級(jí)是220 kV,線路長(zhǎng)200 km。利用本文方法在有功調(diào)節(jié)、無(wú)功調(diào)節(jié)與暫態(tài)過(guò)程3種應(yīng)用場(chǎng)景下反步控制該汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁,應(yīng)用各場(chǎng)景時(shí)分別設(shè)置100 ms、400 ms、800 ms的恒定時(shí)滯,故障開(kāi)始時(shí)間均為1 s。

2.2 汽輪發(fā)電機(jī)電流采集結(jié)果

利用本文方法采集不同應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)該汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù),以有功調(diào)節(jié)應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)的d軸、q軸電流為例,汽輪發(fā)電機(jī)d軸、q軸電流如圖3所示。

圖3 汽輪發(fā)電機(jī)d軸、q軸電流采集結(jié)果

根據(jù)圖3可知,本文方法可有效采集汽輪發(fā)電機(jī)d軸、q軸電流,且采集的電流與實(shí)際電流非常接近,說(shuō)明本文方法進(jìn)行汽輪發(fā)電機(jī)d軸、q軸電流采集的精度較高。實(shí)驗(yàn)證明,本文方法可精準(zhǔn)采集汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.3 汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制結(jié)果

根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)置功角最高超調(diào)量標(biāo)準(zhǔn)為低于70°,轉(zhuǎn)子角速度最高超調(diào)量標(biāo)準(zhǔn)為低于2 rad/s,q軸暫態(tài)電勢(shì)最高超調(diào)量標(biāo)準(zhǔn)為低于0.02。利用本文方法反步控制3種應(yīng)用場(chǎng)景時(shí),汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制后汽輪發(fā)電機(jī)功角、轉(zhuǎn)子角速度、d軸暫態(tài)電勢(shì)變化情況如圖4所示。

圖4 3種應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制結(jié)果

根據(jù)圖4可知,3種應(yīng)用場(chǎng)景時(shí),本文方法均可有效反步控制汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。3種應(yīng)用場(chǎng)景下,經(jīng)過(guò)本文方法勵(lì)磁反步控制后汽輪發(fā)電機(jī)功角最高超調(diào)量均低于70°,完成反步控制時(shí)間均大概控制在2 s以?xún)?nèi);汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度最高超調(diào)量均低于2 rad/s,完成反步控制時(shí)間也均大概控制在2 s以?xún)?nèi);汽輪機(jī)q軸暫態(tài)電勢(shì)最高超調(diào)量均低于0.02 V,完成反步控制時(shí)間均大概控制在1 s以?xún)?nèi)。綜合分析可知,不同應(yīng)用場(chǎng)景時(shí),本文方法可有效反步控制勵(lì)磁,令功角、轉(zhuǎn)子角速度及q軸暫態(tài)電勢(shì)迅速恢復(fù)至恒定值,反步控制超調(diào)量較小,具備較優(yōu)的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制效果。

2.4 勵(lì)磁反步控制前后電網(wǎng)穩(wěn)定情況

分析不同恒定時(shí)滯時(shí),各應(yīng)用場(chǎng)景下應(yīng)用本文方法勵(lì)磁反步控制前后該電網(wǎng)的穩(wěn)定情況,分析結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)用本文方法勵(lì)磁反步控制前后電網(wǎng)穩(wěn)定情況

根據(jù)表2可知,3種應(yīng)用場(chǎng)景下,不同恒定時(shí)滯時(shí),應(yīng)用本文方法勵(lì)磁反步控制后,該電網(wǎng)的穩(wěn)定性均較優(yōu),且出現(xiàn)故障時(shí)均無(wú)需切機(jī),有效降低故障后電網(wǎng)的切機(jī)量;應(yīng)用本文方法前,汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生故障后,電網(wǎng)出現(xiàn)失穩(wěn)情況,隨著恒定時(shí)滯的延長(zhǎng),切機(jī)數(shù)量也隨之增長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)證明,應(yīng)用本文方法后,可確保電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性,降低電網(wǎng)切機(jī)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制屬于提升電力系統(tǒng)有功與無(wú)功響應(yīng)的關(guān)鍵方法,有效反步控制汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁,可提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為此研究基于廣域測(cè)量的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制方法,通過(guò)廣域測(cè)量系統(tǒng)采集汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù),并依據(jù)反步法設(shè)計(jì)汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁反步控制器進(jìn)行反步控制,通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,本文方法能夠有效反步控制汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁,令發(fā)電機(jī)功角與轉(zhuǎn)子角速度等迅速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。