（电气工程专业论文）pss在丰满发电厂的应用研究.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 电力系统稳定器是同步发电机励磁控制系统中的一个部分，它通过把相关信号 传递到电压调节器来抑制机组之间的低频振荡，对电力系统的安全稳定运行有着至 关重要的作用。论文通过对p s s 的基本原理分析及电力系统稳定器的国内外研究动 态的调查，对丰满发电厂p s s 进行了分析，指出了原来存在的问题和论述了问题解 决方法，并介绍了新型p s s 的原理和实现方法，进而提出了未来丰满发电厂p s s 的发展方向和对发电厂p s s 发展的意义。 关键词：低频振荡，电力系统稳定器，应用，分析，发展 a b s t r a c t p s si sap a r to fe x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fs y n c h r op o w e rp l a n t i ts u p p r e s s e sl o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o na m o n gt h eg e n e r a t o r sb yo u t p u t t i n gt h er e l a t i n gs i g n st oa e r a n d i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es a f ep o w e rp r o d u c e b yt h ea n a l y s i so fb a s i ct h e o r yo fp s s a n dt h ei n v e s t i g a t i o no ft h er e s e a r c ho fp s sa l lo v e rt h ew o r l da n dt h ea n a l y s i so fp s so f f e n g m a np o w e rp l a n t ，t h i sd i s s e r t a t i o np o i n t so u tt h ee x i t i n gp r o b l e m sa n dh o wt os o l v e i t i tt e l l sa b o u tt h en e w p s sa n db r i n g sf o r w a r dt h et e n d e n c yo fp s so ff e n g m a np o w e r p l a n ti nt h ef u t u r e t h i si sm e a n i n gf o rt h ed e v e l o p m e n to fp s so fp o w e rp l a n t s q i uy i q i n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f a ix i na n ds o n gw e i x i n k e yw o r d s ：l o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o n ，p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ，a p p l i c a t i o n s ， a n a l y s i s ，d e v e l o p m e n t 华北电力大学工程硕上专业学位论文 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文 p s s 在丰满发电厂的应用研 究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者签名：盟日 期： 2 竺墨：兰：2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力工业是建立在现代电力能源转换、传输、分配科学技术基础上的高度集中的社 会化大生产，是供给国民经济能源的基础行业，也是关系城乡人民生活的公用事业。电 力工业具有高度的自动化和发、供、用同时完成的特点。发电、输电、配电和用户组成 一个统一的电网运行系统，任何一个环节出了事故，都会影响整个电网的安全稳定运行。 严重的事故则会使电网运行中断，甚至导致电网的崩溃和瓦解，造成长时间、大面积的 停电，直接影响到工农业生产和人民生活的正常进行，给予社会造成重大的经济损失， 影响社会的安定，损害党和政府以及企业的形象。所以电力安全生产不仅是经济问题， 也是政治问题。为此，我国电力工业一直坚持“安全第一，预防为主 的方针，并从电 网的技术管理、规程制度建设、职工思想行为的规范和职业道德的建设等方面着手，采 取一系列措施，加强和改进安全管理工作台，努力提高电力生产安全的水平。 电力系统是一个非线性、多维、动态大系统。随着大型电力系统互联的发展以及各 种新设备的使用，在使发电和输电更经济、高效的同时，也增加了电力系统的规模和复 杂性，从而暴露出很多威胁电力系统安全、经济、稳定运行的动态问题( 如电力系统低 频振荡、汽轮机和发电机的次同步扭转振荡) ：另一方面，随着微型计算机和现代控制 理论的不断进展，各种先进的控制方法也在电力系统控制方面得到了广泛应用。 自2 0 世纪2 0 年代始电力工作者就已认识到电力系统稳定问题并将其作为系统安全 运行的重要方面加以研究。近几十年来，世界各地发生了多起由于电力系统失稳导致的 大停电事故，这些事故造成了巨大的经济损失和社会影响，同时也反映出研究电力系统 稳定的重要意义。随着电网的发展，电力系统失稳的形态更加复杂：暂念稳定曾是早期 电力系统稳定的主要问题，随着电网互联的不断发展、新技术和新控制手段的不断应用 以及运行负荷水平越来越重，电压失稳、频率失稳和振荡失稳成为电力系统失稳的更常 见现象。 大机组和大电网的互联己成为现代电力系统发展的必然趋势。它的形成和发展 将给电力稳定性是电力系统运行的重要问题，如果大型电力系统的稳定性遭到破 坏，就可能造成一个或数个大区域停电，使他们一时陷于瘫痪和混乱状态，严重者 甚至危及全国，给人们生活国民经济造成灾难性损失。国外，美国、加拿大、法国、 同本等国家和地区都有过惨痛教训，这些事故已经成为典型稳定事故，具有代表性： 在国内，虽然稳定问题的出现比较晚，但近年来发生次数明显增多且造成的损失巨 大，对人民，活和社会造成的危害是不能用数字表达的。因此，稳定问题引起了电 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 力工作者的广泛关注并投入力量进行研究取得了大量的科研成果。 长期以来，我国电网建设落后于电源建设，并且现代化大机组的高放大倍数快速励 磁系统的采用，振荡现象更加明显。随着三峡工程的建设和西电东送工程的逐步实施， 低频振荡问题将会逐步提上议事日程。电力市场的发展增加了运行条件的不可预知性。 为了保证系统的安全稳定运行，有效地抑制低频振荡，研制开发实用的电力系统稳定装 置成为当务之急。随着电力系统规模的扩大，超高压输电线路的增长，大容量机组和快 速励磁装置的投运，使得电力系统的阻尼特性趋于恶化，影响电力系统稳定性。为了抑 制因负阻尼而产生的低频振荡，安装电力系统稳定是一种简单而实用的方法，目前广泛 应用的是p s s 。 电力系统稳定器自上世纪五六十年代在前苏联、美国应用以来，经过几十年的发展， p s s 技术得到了广泛的应用和发展，p s s 技术也越来越成熟。但是，随着电网的发展， 客观上对p s s 提出更高的要求，各种新型p s s 百花齐放，为p s s 更好的适应电力系统 的发展提供了强有力的理论支持，p s s 会为电网的稳定作出更大的贡献。 1 2 电力系统稳定器研究现状 电力系统稳定器自上世纪五六十年代在前苏联、美国应用以来，经过几十年的发展， p s s 技术得到了广泛的应用和发展，p s s 技术也越来越成熟。 1 9 9 6 年，方思立、朱方电力系统稳定器的原理及其应用对p s s a 的设计提供了 原理性论述并对新型p s s 进行了简单的介绍。 2 0 0 2 年，a v d h e s hs h a r m a 、m l k o t h r a i ( ( i n t e l l i g e n td u a li n p u tp o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ) ) 论述了智能双输入p s s 的构成并进行了分析。 2 0 0 3 年，w e n x i nl i u 、g a n e s h k v e n a y a g a m o o r t h y 、d o n a l dc w u n s c hi i ( ( a d a p t i v en e u r a ln e t w o r kb a s e dp o w e rs y s t e ms t a b i l i z e rd e s i g n ) ) 提出了以神经网络为基 础p s s 的设计思路。 2 0 0 4 年，浙江大学江全元基于极大极小原理的电力系统稳定器的设计中应用两 空间遗传算法求解优化问题的控制参数。 2 0 0 5 年，郝正航励磁机时间常数对电力系统动态稳定性的影响对p s s 在快速 励磁中的作用给予了肯定，确认了有p s s 的快速励磁系统的优点。 2 0 0 5 年，李建辉基于遗传算法的神经网络自适应控制器的研究提出了一种基于 遗传算法的神经网络自适应控制器的设计方法。 2 0 0 6 年，许敬涛电力系统稳定器p s s 2 a 模型研究和彭炜东电力系统稳定器 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( p s s ) 及其在三峡机组的应用分析了电力系统稳定器p s s 2 a 模型的原理和实现方法， 通过实验证明了它的功熊。 2 0 0 7 年，刘杨名等电力系统稳定器调参现状与研究从工程和研究的角度介绍了 p s s 参数整定的方法，并对其未来的发展进行了展望，认为从软硬件配置、系统运行、 在线调参性能等方面尚需投入更多研究。 到目前为止p s s 仍是抑制低频振荡十分有效且经济的手段之一。但是，随着电网的 发展，客观上对p s s 提出更高的要求，各种新型p s s 百花齐放，为p s s 更好的适应电 力系统的发展提供了强有力的理论支持，也使p s s 为电网的稳定作出更多的贡献成为可 能。 现有在实际中运用的p s s 多为固定参数，只在某种条件下发挥作用比较有效，又或 是全面考虑重点不够突出。如果要想p s s 做到各种方式都能做到最优，必然要使它的参 数在各种振荡模式下具有自适应性，即能够识别各种工况并自动地改变参数设置以达到 全工况最优，p s s 实现智能化。要作到这一点，国内外许多学者应用各种新兴的科学方 法对其进行了研究，提出了许多新方法。 目前为止计算方法主要有： 1 、相位补偿法 相位补偿法是一种频域设计方法，其物理概念明确、现场调试容易，得到广泛的应 用。这种方法是根据p s s 的原理产生的，它不是优化方法。其核心是如何建立系统分析 模型、如何确定补偿相位和p s s 的增益。围绕这些核心问题，相位补偿法也在不断发展 和完善之中。 2 、优化方法 优化方法是在相位补偿法的基础上发展起来的，这类算法可以转化为数学问题进行 计算，分为线性规划法、非线性规划法和全局优化方法。 2 1 线性规划法 文献 8 】提出了结合系统特征值灵敏度和线性规划算法的p s s 参数优化方法。这种方 法以p s s 增益之和为目标函数，以特征值实部和虚部的移动范围和各p s s 参数的上下界 为不等式约束条件。这种方法是最早用于p s s 参数优化的方法之。缺点：该方法得到 的常常为局部最优解，而非全局最优解，最终解依赖于初始解的选取。 2 2 梯度类非线性优化方法 文献 9 】中，以加装p s s 后系统特征值中最接近虚轴的复数特征值的实部为目标函 数。以特征值灵敏度为梯度信息进行计算。这种方法人为地引入加权系数来调整各特征 值在目标函数中的重要程度，如果加权系数不同，则会对优化结果产生很大影响。因此 在使用中也有一定局限性。 2 3 全局优化法 基于线性规划和非线性规划算法的缺点，许多学者采用了全局优化方法对p s s 参数 1 华北电力大学工程硕上专业学位论文 进行优化。 ( 1 ) 遗传算法 遗传算法是一种并行的随机搜索优化算法，以系统阻尼比为目标函数，通过优化p s s 参数求系统阻尼比的最大值。它将p s s 参数优化问题的求解表示为“染色体”的适者生存 过程，通过“染色体”代与代之间的复制、交叉和变异等操作，最终收敛到最佳个体，从 而得至i j p s s 的最优参数。缺点：存在超级个体，导致遗传种群缺乏多样性而过早收敛。 如果为避免过早收敛采取减小选择压或加大变异概率又会导致收敛太慢，甚至无法收 敛，从而使遗传算法搜索效率低下。 ( 2 ) 进化策略 这种方法优化p s s 参数的原理也和遗传算法类似，优化的目标函数为系统阻尼比，问 题的解为p s s 参数。区别表现在进化规则、选择方法、算子和解的表示方法。 ( 3 ) 进化规划 进化规划在优化的目标函数和解方面与遗传算法类似，但也有差别：首先，在p s s 参数的进化规划中不需要编码和译码；其次，进化规划不采用交叉算子，变异是其主要 算子。 ( 4 ) 禁忌搜索 禁忌搜索方法是对局部域搜索的一种扩展，是一种全局逐渐寻优算法，它是对人类 智力过程的一种模拟。通过引入一个灵活的存贮结构和相应得禁忌准则来避免迂回搜 索，同时通过藐视准则免除一些被禁忌的优良状态，从而保证多样化的有效搜索以最终 实现全局优化。用于p s s 的参数优化时，其目标函数可以为系统特征值实部绝对值，也 可以是系统阻尼比，这和其他优化算法基本是相同的。 ( 5 ) 粒子群优化( p s o ) 方法 这种群智能方法是基于模拟鸟群捕食行为的启发式搜索方法。原始模型为：当所有 的鸟意识到自己当前位茕与食物的距离，则最有效的搜索方法是搜寻目前离食物最近的 鸟的周围区域。根据这种启示，粒子群算法用于解决实际优化问题。其本质上是一种多 代理算法，研究由简单个体组成的群落与环境以及个体之间的互动行为。与遗传算法类 似，它是一种群体的行为优化工具。优点：对于p s s 参数优化问题，把系统阻尼比作为 优化目标函数，p s o 算法简单，容易实现，同时又是一种智能化方法。适合于科学研究。 ( 6 ) 模拟退火算法 这种方法的出发点是物理中固态物质的退火过程与一般组合优化问题间的相似性。 在某一初温下，伴随温度参数的不断下降，结合概率突跳性在解空间中随机寻找系统阻 尼比( 目标函数) 的全局最优解，即在局部最优解中概率性地跳出并最终区域全局最优。 上述方法对p s s 的参数优化提供了新的思路，但它们都是基于一个假设：系统运行时受 到的扰动较小，可以将系统线性化，其本质是一种小干扰稳态分析方法。电力系统是一 个典型的非线性系统，当系统在运行中受到人的扰动而发生振荡时，系统响应包含有大 - 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 量的非线性分量，这些非线性分量有时会影响至u p s s 控制器的性能。因此，基于电力系 统非线性模型设计的控制器是今后一个研究的热点 7 】。 1 3 本文的主要内容 本文首先阐述了电力系统稳定的严重性和保证系统稳定重要意义，然后综述了 p s s 的历史和发展情况，接下来分析了低频振荡的原理、发电厂电力系统模型和电 力系统稳定器的原理，在上述基础上对丰满发电厂的电力系统稳定器进行了深入的 分析，最后对丰满发电厂电力系统稳定器进行了展望。 通过对丰满发电厂电力系统稳定器具体情况的分析研究，指出丰满发电厂电力 系统稳定器存在的问题，以国内外先进的科技技术为指导，提出丰满发电厂电力系 统稳定器未来的发展趋势，进而确定出水电厂电力系统稳定器的发展方向。 华北电力大学工程硕： 专业学位论文 2 1 低频振荡原理 第二章电力系统稳定器 发电机电磁力矩可分为同步力矩和阻尼力矩，同步力矩与a 8 同相位，阻尼力 矩与a r o 同相位。如果同步力矩不足，将发生滑行失步；阻尼力矩不足，将发生振 荡失步( 1 ) 。 振荡按性质分为减幅、等幅、增幅振荡三种情况。减幅振荡发生在阻尼大于零 的系统。系统阻尼大于零时，不会发生自发振荡，干扰后振荡逐渐衰减。当系统某 一频率与振源频率相同时发生强制性低频振荡，属于共振的范畴。等幅振荡及增幅 振荡发生在阻尼小于或等于零的系统。系统阻尼小于零时可产生自发振荡，振荡幅 值逐渐增大。由于系统的非线性，振荡幅值增大到一定程度后呈现为等幅值形式。 低频振荡产生的原因： a ) 系统在负阻尼时产生的自发性振荡： b ) 系统受到扰动时，由于阻尼较弱导致振荡长久不能平息； c ) 系统振荡模式与系统中某种功率波动的频率相同，由于阻尼弱，功率波动在联络 线上得到放大： d ) 电机转速变化引起的电磁力矩变化和电气回路耦合产生的机电振荡。 为简化计算，以单机系统为例。其中，忽略励磁系统及原动机动态过程，发电 机采用经典二阶模型，电势e 为常数，鼍中包括也，则 发电机转子运动方程为： 乃万= 圪一忍一d 6 ( 2 1 ) 其中p e = e u s i n f i x , ：对r 1 、讲行绻件化考虑p m = 0 ，则有： 厶5 + d a a + k 醯z 0 ( 2 2 ) 其中k - e u c o s f i o x x ；有( 2 ) 的特征方程 乃盖2 + d 2 专鬈0( 2 3 ) ( 2 3 ) 的根为 五。岿( 一d d 2 4 7 j 鬈) 辑= 口彩( 2 4 ) 这两个根是简单系统在某运行方式下的固有属性，表明了a 8 的变化特点和趋 势。为了迸一步说明，( 2 3 ) 采用如下标准形式 名2 十2 雩酰名争域盘o ( 2 5 ) 其中 ( o 。一自然振荡频率，c o 。= 4 k t j ，为阻尼为零时的振荡频率； 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 毛一阻尼比，毛= d 2 c t j 。 特征根的另一种形式 五2 = ( 一善- + 4 1 一毒2 = 口，国 ( 2 6 ) 可得到如下重要关系 o j = , a 2 + 国2 ， 手= 一叫彩l ( 2 7 ) 一般，t j = 5 1 2 s = ( 5 1 2 ) o b ( p u ) ，= 3 1 4 r a d s 取e u e o s 6 0 = 0 5 1 ，x = 0 2 5 5 ( p u ) ，可得n = 0 0 0 5 - 0 0 5 ( p u ) ，故5 0 h z 系统振荡频率为0 2 2 5 h z ，称之为低 频振荡。为使低频振荡得以较快平息，通常g = o 1 0 3 。 d e m e l l o 等运用阻尼转矩的概念对单机无穷大系统低频振荡现象进行了机 理分析和解释，指出其根本原因是由于系统产生了负阻尼作用，抵消了系统的固有 正阻尼，使得系统总阻尼很小或为负值。这使人们对低频振荡的认识有了很大提高， 以后的研究工作大多是在此基础上进行的( 2 ) ，对于多机系统低频振荡的机理分析 基本上就是单机无穷大系统在概念上的推广。但对于多机系统而言，不仅是增加了 几台发电机，重要的在于系统状态通过网络紧密耦合，每台机都与其他机组发生或 多或少的联系，而单机系统只与等效的无穷大系统相关联。一个多机系统会出现多 个不同频率的振荡，每一个频率的振荡称为一个的频振荡模式，也称为机电振荡模 式。这种模式是与发电机转子运动和电磁回路相关的，只是由于发电机组的惯性比 较大，因此表现为低频特性。 加强电力系统的网架结构对防止低频振荡是非常重要的，但系统在不断发展， 不断变化，随时可能发生新的弱联系。因此单纯依靠加强系统结构来防止弱阻尼， 不仅是不经济的，而且实际上几乎不可能，所以必须同时在控制系统采取措施，增 加阻尼，以防止低频振荡。 2 2 发电机一电力系统模型 2 2 1 单机无穷大系统p h i l l i p s - h e f f r o n 模型 在研究电力系统小扰动问题时，通常采用基于同步发电机三阶描述的单机无穷大系 统p h i l l i p s h e f f r o n 线性化模型，该模型以k l - k 为模型系数，一般简称为k l k 6 模型，如图 2 1 所示。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图2 1 k l k 6 模型框图 图中睁一发电机转速，p u ； 江发电机功角，r a d ； 旷发电机额定转速，r a d s ： p m 一原动机输出机械功率，p u ； p 卜发电机电磁输出功率，p u ； t i 一发电机惯性时间常数，s ：； t d 0 一励磁绕组时间常数，s ； e q 一发电机暂态电势，p u ； e f d 一励磁强迫电势，p u ； d 一发电机的机械阻尼系数与电气阻尼系数之和： k 1 - k 仁线性化模型系数，其表达式为 岛= 是+ 荆 咖焘 毛窭掣 毛+ 五 ；墅攀 毛= 亩b 屹一熹屹 k 一矗 其中v 卜发电机机端电压，p u ； v t d 、v t ( 卜_ 机端电压的d ，q 轴分量，p u ； v d 、v q _ 无穷大母线电压v 的d ，q 轴分量，p u ； x d ，x q _ 发电机d ，q 轴同步电抗，p u ； x d 一发电机的直轴暂态电抗，p u ； 华北电力大学- t 程硕士专业学位论文 x 卜机组和系统的联系电抗，p u o 各运行参数均取工作点“0 ”处的值。 v i 一机端电压给定值，p u ； g e ( s 棚磁系统传递函数， 近似取 g = 上r , s + l 其中k 瑚磁系统增益； t 棚磁系统时间常数，s 2 2 2 计及阻尼绕组作用的单机无穷大系统线性化模型 文献 3 建立了一种基于同步发电机五阶描述、计及阻尼绕组作用的单机无穷大系统 线性化模型，它以c 1 c 1 2 为模型系数，简称为c 1 c 1 2 模型，如图2 2 所示。 图2 2 早秽l 尢为大系统线任化c l - c 1 2 模型 图中e d ”，e q ”发电机d ，q 轴次暂态电势，p u ； t d ”，t q ，发电机阻尼绕组时间常数，s ； c 1 一c 1 2 一线性化模型系数，其算式为 q 。罴+ 袅+ 销 铲焘 岛2 舞 c z 垮孚 c ，= 毒 击惭丧_ _ 华北电力大学工程硕上专业学位论文 气t 抵 c ，2 赫 q ；垮等 l 。专x q = 糍 铲鬻 + 工 铲鬻+ q ：= 一千r q i 工：+ 工 其中x d ”，x q ! l 同步发电机d ，q 轴次暂态电抗，p u 。 各运行参数均取工作点“0 ”处的值。 2 2 3 单机无穷大系统三阶非线性模型 电力系统线性化模型适用于系统小扰动情况下的稳定性分析和控制器设计。鉴于电 力系统的非线性和时变性，研究大扰动过程下的稳定性必须使用非线性模型。 基于同步发电机三阶描述的单机无穷大系统非线性模型为 乓2 亩一) 丑= 舞蜘+ 等卜 l 。墅当 式中i d 一发电机定子电流的d 轴分量，p u ； e q 一发电机空载电势，p u ； v 二无穷大母线电压，p u 。 翻 d 只 一 一 扩 艿 m 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 3 稳定控制器原理 发电机振荡时，阻尼力矩包括该振荡在发电机阻尼绕组中感应电流所产生的异步转 矩和机械损耗所产生的阻尼力矩。当系统比较稳固时，上述阻尼力矩可以有效地平息振 荡。只有当系统产生的负阻尼作用较大而抵消正阻尼时，才容易发生低频振荡。影响阻 尼的因素很多，如：a ) 电网结构；b ) 联络线负载；c ) 运行方式；d ) 某些自动调节装置： 静止补偿器，自动电压调节器( ( a v r ) ；e ) 负荷性质等等。针对不同的原因，可以有许多 手段来提高正阻尼或减少负阻尼，像减负荷、减励磁等，但这会减少发电机的出力。综 合考虑，采用控制器是经济而有效的措施。 线性最优控帛i j ( l o e c ) 利用u t ，a p ，等作为附加反馈，使动态过程中u t ， p ，a 的波动最小，从而达到最优控制。国内有的学者提出的非线性最优控制通过 非线性变换使原非线性系统变为线性系统，然后利用最优控制理论进行设计。通过非线 性控制，在理论上可以在不同系统不同运行方式中都能达到最优而无需改变控制器参 数。可以看出，线性最优控制和非线性控制最优都是利用了现代控制理论中的最优控制 的方法，是某种条件下的最佳。国外有些学者认为，电力系统稳定器的设计，应对电力 系统的变化有较大的适应性，而不是某种条件下的最优。相对于线性最优控制和非线性 控制，p s s 设计简单，效果明显，在电力系统得到了广泛的使用。 1 9 6 9 年，d em e l l o 和c o n c o r d i a 首次运用阻尼转矩的概念对单机无穷大系统低频 振荡现象进行了机理分析和解释，在此基础上，将古典控制理论中的相位补偿原理应用 于设计励磁补偿器。相位补偿是从速度反馈转化而来，可以有效地改善系统的暂态性能， 是系统校正的常用方法之一。所谓补偿，补的是励磁回路的相角滞后。励磁系统对发电 机是非常重要的，它提供的磁场是电机能量传换的媒介并能维持机端电压恒定，但它具 有负阻尼效应，尤其是采用快速励磁的时候。从相位关系上看，a 国超前6 的角度是 9 0 0 ，当采用快速励磁时，若6 以某一频率变化，发电机的电压将与之做相同的变化， 但励磁回路为变压器回路( 励磁回路为一次，系统为二次) ，具有很大的电感，因此励磁 电流i f 滞后励磁电压u f 约9 0 0 ，滞后6 约9 0o ，从而与a 相差1 8 0 0 ，显然，这个力 矩是完全的负阻尼力矩 4 】。 随着电力系统的不断发展和电网的不断扩大，具有快速调节性能的自动控制装置逐 渐增多，如大型发电机快速励磁系统和快速励磁调节器的应用，使励磁控制系统的等效 时间常数大为减小，在远距离、重负荷送电的情况下容易产生负阻尼，从而降低了系统 的阻尼，使系统的稳定性受到影响。励磁系统目前已成为提高电力系统稳定的重要措施， 励磁调节器己由原先主要自动调节发电机电压的自动电压调节器( a v r ) 转变成可根据 系统稳定需要自动调节的自动励磁调节器( a e r ) 。【5 】电力系统稳定器p s s 就是a e r 中的重要组成部分，它采用转速偏差、频率偏差、加速功率、电功率偏差中一个或几个 华北电力大学工程硕士专业学位论文 信号作为a e r 的附加输入信号，产生正阻尼以克服电压调节产生的负阻尼，使a e r 提 供正阻尼，以此达到提高电力系统动静态稳定能力、增强电力系统阻尼，抑制低频振荡 的作用。 典型的p s s 数学模型在i e e es t d 4 2 1 5 中有两种描述，分别为p s s l a 模型和p s s 2 a 模 型，见2 3 和2 4 所示。 测量第一镢第二级隔直 增益跟幅 图2 3p s s l a 模型 图2 4p s s 2 a 模型 在p s s l a 模型中，其输入信号可以是转速、频率、电功率等。目前较多采用电功率 信号，它具有易于测量、不易引入干扰、不会激发轴系扭振等优点。 用电功率作为输入信号的p s s 在原动机功率发生变化时，由于p s s 自己不能区分系 统波动和原动机功率波动，仍然会产生信号作用于励磁系统，造成无功功率波动，这种 现象就叫“反调”。如果反调的影响太大，就需要采取措施。 减少反调的措施包括：减小有功调节速度、调整有功时闭锁p s s 功能、降低p s s 限 幅值和放大倍数等，但这些措施均会直接影响至j j p s s 对系统稳定的贡献。浙江省电力公 司制定的企业标准电力系统稳定器整定试验导则明确规定对于2 0 0 m w 及以上水轮 发电机组不应采用闭锁措施，建议仅仅当机组与系统振荡模式不相关或弱相关时才可采 用电功率信号的p s s 。 p s s 2 a 模型又称为加速功率型p s s ，能够有效解决反调p s s l a 模型带来的反调问题。 其输入信号中，v 1 表示转子角速度，v 2 表示机组的电功率p e ，如下图所示。 它包括以下几部分： 机械功率计算；陷波器；加速功率计算；相位和增益补偿。 华北电力大学工程硕上专业学位论文 a v e ( 1 2 h 。劝 图2 5p s s 2 a 模型 由转子运动方程可知： 一d o ：一a m ，其中埘是加速转矩。出2 h 在同步转速时，转矩与相应的功率的标么值相等，所以： d o ) 协 百2 五f ，其中a p a 是加速功率。经l a p l a c e 变换得： 功= 竺等 若2 h 足够大，则a c 0 羔 入p ea p na p 口a p i n 所以 m + 百j 再i 2 再习再百+ 再西再i 2 再习再否 式中a p m 是机械功率。 由于测量精度、测量的快速性和干扰的问题，角速度的测量一般不用机械测速或传 感器测速的方法。由于= o + d s d t ，小干扰情况下，角速度的测量可转化为功角的测 量。 功角是指发电机转子相对于无穷大电网的角偏差，是反映发电机能量转换的重要 参量。功角分为内角和外角，如下图所示。内负荷角6 i 是指发电机假想转子电动势矢量 e q 和机端电压u t 之间的夹角。外负荷角6 a 是e q 和系统电压u 之间的夹角，6 a 对发电机的 稳定运行有决定性意义。 6 】 图中x e 为发电机外部网络电抗包括变压器电抗和线路电抗，x d 为发电机直轴同步 电抗，x q 为横轴同步电抗。由图可知： e=ut j l x 建 u = u t j i x e b 在a o a b 中，令o b = a ，o a = b ， a b - - c ，则 小c o s 气等 l 矧2 6 汁算发电机负荷角的向量图 华北电力大学工程硕上专业学位论文 2 4 小结 本章首先叙述了低频振荡的原理和发电厂一电力系统模型，在此基础上对电力 系统稳定器的原理和数学模型进行了进一步的阐述，为丰满发电厂电力系统稳定器的具 体分析提供了理论依据。 华北电力大学- t 程硕+ 专业学位论文 3 1 概述 第三章丰满厂电力系统稳定器 丰满发电厂是一个具有悠久历史的老厂，素有“水电之母”的美誉。由于其在整 个东北电网所处的位置决定了其一次系统的复杂性，一次系统主接线是双母四分段 带旁路分段，共有八条2 2 0 k v 引出线，是为数不多的比较复杂的变电站，共有主发 电机组1 2 台( 另有五台厂用机组) ，总容量1 0 0 0 2 5 m w 。1 9 9 7 年三期工程投产后， 通过新厂北母线引出联络线引入到老厂变电站东母线。 目前，丰满厂抑制低频振荡主要通过励磁调节系统所带功能之一p s s ，在调 度下达投入指令后，将机组的p s s 功能投入。现阶段投入的机组为十一、二号机( 励 磁调节器为自并励) ，老厂侧机组由于励磁方式为励磁变和直流励磁机励磁，造成 调节时间过长导致p s s 调节周期过长，虽然功能具备，但均未使用。下面以十二号 机为例介绍一下丰满发电厂电力系统稳定器的应用情况。 3 2 十二号机电力系统稳定器 丰满发电厂1 2 号机为哈尔滨电机厂上世纪末水电机组产品，额定容量1 4 m w ， 于一九九七年投产，为自并励励磁系统，励磁调节器为南瑞公司的s j 8 0 0 型，投产 之初没有设计p s s 功能。 3 2 1 十二号机电力系统稳定器初装 二零零一年五月应上级部门要求，在原调节器中加入p s s 功能并进行了现场试验。 所装电力系统稳定器为p s s l a 型，它的输入信号为发电机的负电功率。用电功率作为输 入信号的p s s 在原动机功率发生变化时，由于p s s 自己不能区分系统波动和原动机功率 波动，仍然会产生信号作用于励磁系统，造成无功功率波动，即增加有功功率时，p s s 回路会减磁，而减少有功功率时，p s s 回路会增磁。这种现象就叫“反调”。如果反调的 影响太大，就需要采取措施。而丰满发电厂的情况更为特殊：丰满发电厂1 1 、1 2 号机是 “一洞双机”模式，即一条引水洞供应两台发电机组。当调节一台机组的有功时，会影响 到另一台机组的出力，所以不仅本机出现反调，还会引起另一台机组出现反调。这种 出于p s s 的作用引起的反调危害较大，严重时可能会引起机组进相或失磁。反调现象也 给电站工作人员工作带来很大的困难，丰满发电厂为东北电网内调峰、调频电站，机组 华北电力大学工程硕士专业学位论文 开、停、调功极其频繁，p s s 弓l 起的反调现象使操作人员无所适从。一般来讲，减少反 调的措施包括：减小有功调节速度、闭锁p s s 功能、降低p s s 限幅值和放大倍数等。经 设计部门、厂家和现场技术人员研究，减小有功调节速度、降低p s s 限幅值和放大倍数 等措施在现场实际中无法实现，丰满发电厂最后决定采用调整有功时闭锁p s s 功能的措 施来解决问题，具体方法是：由a g c 和上位机其它方式对有功进行调节操作时，将调有 功指令下发到机组当地控制单元核心p l c 中，由p l c 输出p s s 闭锁令到自动励磁调节器 中，短时闭锁p s s 的输出，待有功调节操作结束后闭锁令解除，p s s 功能自动恢复。实 践证明，采取此项措施后，p s s 的反调现象得到了一定的改善。 下图为1 2 号机试验录波图，其中u a b 为机组电压，p 为机组有功功率，q 为机组无 功功率，u f d 为转子电压。首先可以看出在无p s s ，3 阶跃响应的情况下，a 套功率振 荡波形大约为3 次，有p s s 的情况下，为4 次；b 套功率振荡波形大约为4 5 次，有p s s 的 情况下，减少到2 5 次。可见p s s 的阻尼功率震荡的能力较强，效果明显。 备“：ti 【山靛，乜，o 2 童工p s s 懒龋t 被 图3 1 丰满发电厂1 2 弓机a 套励磁调节器无p s s 3 阶跃录波图 r ： 。 ：， ue -i m o ： ： ，厂、八af _ 、i f ：瓜岳：页- 广甜：试气八 令a 飞 p l 厂f ： 口 m v r i 趴 一 ，m u f o 图3 2 丰满发电厂1 2 号机a 套励磁调节器有p s s 3 阶跃录波图 华北电力大学工程硕士专业学位论文 鲁注：i f * 麓i 山g 1 2b 童工p 8 s ，阶龋求斌啊 图3 3 丰满发电厂1 2 号机b 套励磁调节器无p s s 3 阶跃录波图 w f l c 埘怔囊 u 越豫分圻挽罩t 垃 、 、。一一一一 e 啦5 ! j 一l ， t。 w - f t 一。j i 二? ：二一： l ， 鹩岛2 惜盘jg 伽在柑嘲哳辑t 址豳p s s p i ( t 帔舾町o 彗删； 图3 4 丰满发电厂1 2 号机b 套励磁调节器有p s s 3 阶跃录波图 其次从计算阻尼比看p s s 的阻尼作用。在励磁系统出现负阻尼时，可以用阻尼比 d ，则( 3 1 ) 式可以变为： 雄) ；雠) 一戳蜷 ( 3 2 ) 将( 3 2 ) 式转化为： 渊= 掣一掣) 詈= ( 酬弊，一警3 ， ( 3 3 ) 式中的第一部分为速度信号和电功率信号积分人工合成的机械功率信号，g ( s ) 为斜坡低通滤过器的传递函数，第二部分为电功率信号积分。从上式可以看出， 当g ( s ) = 1 时，为常规的速度信号，g ( s ) = o 时，为常规的电功率信号。 根据( 3 3 ) 式并配以两级超前环节和增益控制构成图3 6 的p s s 电路。机械功率恒 定及参数匹配好的情况下，电功率积分信号与速度信号经两级w a s h o u t 后的值相等但极 性相反，因此合成的机械功率分量为零，p s s 为电功率信号积分的p s s 电路。当机械功 率变化时，速度信号变化很小，而电功率信号积分的变化量很大，合成的机械功率信号 将不再为零，这个信号通过g ( s ) 滤波器并减去电功率积分信号形成加速功率积分信 号，加速功率积分信号的p s s 理论上是没有反调的。因此，此类电力系统稳定器在改变 机械功率时，励磁系统反调作用很小，特别适合水轮发电机组。 首先进行了1 2 号机励磁系统无补偿相频特性测量和p s s 参数整定。试验结果如 下表： p s s 参数整定要使p s s 的作用兼顾联网出现的0 2 h z 左右的区域振荡和1 4 h z 左右 的本机振荡。因此，应该使励磁系统引入p s s 后产生的合成电磁转矩在o 1 h z 2 0h z 的范围内滞后a p e 约6 0 01 2 0 0 。若用( p e 表示励磁系统的滞后相位，用仰表示p s s 的 超前相位，则应该使( p e + q o p 在6 0 0 一1 2 0o 之间。由此用逐步逼近的方法可得1 2 号机组 的p s s 参数和相频特性为： t w l = t w 2 = t w 3 = t 7 = 3 ，k s l = 2 ，k s 2 = 0 4 ，k s 3 = i ，t t = 0 3 ，t 2 = 0 0 3 ，t 3 = 0 3 ，t 4 = 0 0 3 ， 华北电力大学工程硕士专业学位论文 m = 5 ，n = l ，t s = 0 6 ，t 9 ：0 1 2 表3 2 丰满发电厂1 2 号机励磁系统无补偿相频特性 雌妨)母埘辔。)1 - 1 z )彩。) o 1 - 7 0o 9 1 l 71 3 0 o 立9 711 l ol 。s1 2 8 0 3 9 51 11 1 61 9】2 7 0 4掰1 21 2 5 21 2 s 识51 31 3 0 o 61 1 41 柏 0 31 0 11 51 锚 o 8i 0 51 61 3 7 表3 3 丰满发电厂1 2 号机p s s 相频特性和有补偿特性( 计算值) 题 弪)铽“)彩p 擎。)锄+ 瑶，鼢( 。) o 1- 7 0- i i 拿8 1 9 e 29 72 3 3- 1 2 0 3 8 39 5- 1 7 - 1 1 2 4 e |9 5 呻，51 0 4 5 露5拿6一：，l9 9 至 o 6- 1 0 0蓬29 5 。8 o 7- 1 0 19 3 - 9 1 ，7 0 8一1 0 51 3 39 王7 o 9一i 0 61 5 。5- $ 9 1 0- 1 1 e王g 8兮王2 互1一王1 6 2 0 6 - 9 5 。4 至2 - 1 2 5 z t 号 - 1 0 2 1 1 3 一1 3 0 2 ：7 一i 0 ：3 至4 一王4 02 3 3- 1 i 6 i i 5一i 4 62 3 5 - 1 2 2 s 6一1 3 72 3 5一l 王3 5 主7一：3 02 3 蓬- 1 0 6 6 互3 - 1 2 82 3 ，oi 0 三0 1 9- 1 2 72 2 - 1 9 4 4 2 - 1 2 5 2 2 ot 0 3 0 由上表可以看出，在o i h z - 2 0h z 的范围内，有补偿相频特性在8 0 0 - 1 2 2o ，由 p s s 产生的电磁力矩的阻尼分量为正，相位补偿效果较好。 接下来进行了参数校核试验、阻尼效果校核试验和反调试验。 首先对p s s 增益进行了调整。理论上讲，在正确的相位补偿下，p s s 的增益越大， 其提供的j 下阻尼越强，但实际上，如果p s s 的增益过大，也可能引起p s s 调节环振荡， 使系统出现不稳定现象，冈此p s s 实际存在一个最大增益，即临界增益。p s s 的运行 华北电力大学工程硕士专业学位论文 使用的 k s l = 2 增益一般取临界增益的l 3 1 5 ，以留有足够的增益裕度。通过试验可以得出， 是合理的。下图为k s l = 8 时的临界增益图。 阻尼效果校核试验图如下： ；t l 繁餐纛盂奄记囊身葬靛番囊蠢蛲 ：嚣虢鑫铸；