具有新型PSS的勵(lì)磁系統(tǒng)建模與仿真
楚文斌1，劉覺(jué)民1，劉軍志1，譚立新2
(1湖南大學(xué)電氣與信息I程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082;
2湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410200)
摘要：結(jié)合實(shí)際運(yùn)行I_況，在MATLAB環(huán)境下，準(zhǔn)確建立大型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)模型，包括采樣單元、控制單元和功率單元等模型。以勵(lì)磁調(diào)節(jié)器PlD控制為主控制，以新型電力統(tǒng)穩(wěn)定器(Pss)為輔助控制，并在暫態(tài)條件下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：PlD+Pss控制的勵(lì)磁系統(tǒng)具有滿意阻尼特性，克服r普通勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在抑制低頻振蕩等方面存在的不足，使發(fā)電機(jī)的抗擾動(dòng)能力、抑制低頻振蕩故障恢復(fù)等性能優(yōu)于單純的PID控制勵(lì)磁系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī)；勵(lì)磁系統(tǒng)；電力系統(tǒng)穩(wěn)定器
中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673_6540(2009)12 0006-04
O 引 言
勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性有著直接影響。常規(guī)勵(lì)磁凋節(jié)器采用PID控制方式，控制簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，得到了非常廣泛的應(yīng)用【1】。但單純的按機(jī)端電壓偏差進(jìn)行的PID控制方式，無(wú)法提供令人滿意的阻尼特性，特別是用于控制大型的發(fā)電機(jī)機(jī)組時(shí)，阻尼特性差，會(huì)產(chǎn)生自發(fā)的低頻振蕩，威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Pss)主要用于抑制干擾后的功率振蕩，在系統(tǒng)短路故障瞬間的暫態(tài)過(guò)程中使勵(lì)磁電壓上升速度變快，加快發(fā)電機(jī)端電壓的恢復(fù)。基于MATLAB平臺(tái)，建立大型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)模型，采用PID+新型Pss作為控制單元，在外加擾動(dòng)和三相短路暫態(tài)條件下，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
1 勵(lì)磁系統(tǒng)模型
同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)如圖1所示，由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和Pss、發(fā)電機(jī)等組成。
同步發(fā)電機(jī)輸出電壓、電流經(jīng)電壓互感器和電流互感器輸入到信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，送人A／D轉(zhuǎn)換通道；同時(shí)，勵(lì)磁電壓、電流經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊變換后送人A／D芯片。微機(jī)cPu對(duì)采樣的結(jié)果進(jìn)行控制算法運(yùn)算，得到結(jié)果輸出脈寬調(diào)制(PwM)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)町控硅的觸發(fā)極，通過(guò)控制勵(lì)磁電流大小來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓。Pss采集發(fā)電機(jī)電功率偏差和轉(zhuǎn)速偏差，經(jīng)過(guò)信號(hào)變換及處理等，與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器
的輸出經(jīng)限幅環(huán)節(jié)共同調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓。故障監(jiān)測(cè)和LcD顯示模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)的輸入和輸出。
1．1數(shù)據(jù)采樣單元模型
建立機(jī)端電壓、電流測(cè)量模塊。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中需要采樣的電量有三相機(jī)端線電壓和線電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流共8路信號(hào)，分別采用直流采樣和交流采樣。每路信號(hào)測(cè)量電路都分為兩個(gè)部分，模擬變換部分和A／D轉(zhuǎn)換部分。對(duì)于每路信號(hào)的模擬變換部分，都存在濾波電路，因此存在延時(shí)，用一階慣性環(huán)節(jié)1／(1+Ts)來(lái)近似描述，A／D轉(zhuǎn)換部分將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，可以用一個(gè)放大環(huán)節(jié)描述，放大系數(shù)：
KAD=2n/Vref
式中：n——A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)；
Vref——A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。
A/D轉(zhuǎn)換部分模型如圖2所示。
三相機(jī)端電壓和三相機(jī)端電流共6路信號(hào)采用交流采樣。采樣數(shù)據(jù)處理單元用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用16點(diǎn)傅里葉算法對(duì)交流采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，電壓、電流實(shí)部的差分方程展開(kāi)并進(jìn)行z變換，可得電壓實(shí)部和虛部的傳遞函數(shù)，從而可求出有功功率、無(wú)功功率和無(wú)功電流。
l.2控制單元模型
控制單元是調(diào)節(jié)器的核心。大型發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)要具有滿意的阻尼特性，以防止出現(xiàn)低頻振蕩，通常采用PID+Pss控制。P1D單元包括調(diào)差部分和PID控制部分。調(diào)差部分需考慮到發(fā)電機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行[1]，調(diào)差部分的輸入、輸出關(guān)系為：
式中：U’ref——機(jī)端電壓給定值；
 ——調(diào)差系數(shù)；
IQ——無(wú)功電流值；
Uref——PID控制器給定值
PID控制器的傳遞函數(shù)為：
式中：KP，KI，KD分別為比例，積分，微分系數(shù)。
PID控制器的傳遞函數(shù)為Ge(z)。根據(jù)上文分析，可以得到控制單元的模型框圖，見(jiàn)圖3。
Pss采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差、頻率偏差、加速功率偏差、電功率偏差中的一個(gè)或幾個(gè)信號(hào)(一般為兩個(gè))，經(jīng)過(guò)信號(hào)變換及處理作為自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AER)的附加輸人，產(chǎn)生阻尼力矩，達(dá)到提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的目的[3]。采用Pss作為輔助控制環(huán)節(jié)，PSS環(huán)節(jié)由測(cè)量環(huán)節(jié)、超前一滯后環(huán)節(jié)和隔直環(huán)節(jié)構(gòu)成，如圖4所示。
測(cè)量環(huán)節(jié)用于信號(hào)的測(cè)量和濾波，信號(hào)采集環(huán)節(jié)由傳感器來(lái)完成，它將PSS工作主頻(0 1～3 Hz)范圍內(nèi)的信號(hào)傳進(jìn)PSS[4]；超前一滯后環(huán)節(jié)用于相位補(bǔ)償；隔直環(huán)節(jié)的作用是當(dāng)信號(hào)的變化達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，Pss的輸出為零。常規(guī)Pss以△ω為輸入信號(hào)，使用的是超前網(wǎng)絡(luò)，超前網(wǎng)絡(luò)在高頻段增益變大，所以對(duì)發(fā)電機(jī)扭動(dòng)振蕩極為敏感，使扭動(dòng)振蕩更加嚴(yán)重；以△Pe作為輸入信號(hào)，檢測(cè)方便，所需超前角度小，穩(wěn)定性好，已得到廣泛應(yīng)用，但存在反調(diào)現(xiàn)象；以△ω和△Pe同時(shí)為輸入信號(hào)，它們可以相互補(bǔ)償，減小反調(diào)現(xiàn)象的影響，只通過(guò)調(diào)節(jié)Kω、KP的相對(duì)大小，產(chǎn)生相位超前的附加同步轉(zhuǎn)矩，對(duì)電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的相位滯后的電磁轉(zhuǎn)矩在相位上進(jìn)行補(bǔ)償[4]。本文以功率偏差△Pe和轉(zhuǎn)速偏差△ω為輸入信號(hào)，Pss的模型如圖5所示。
參考IEEE關(guān)于在主頻為0.1~3Hz時(shí)，PSS中傳感器和隔直環(huán)節(jié)的推薦參數(shù)【5】（T1=0~0.04,T2=0.5~50）,取T1=0.04，T2=15，Kω=12，Kp=0.4。
1.3功率單元模型
勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的功率單元是三相全控整流橋。由于晶閘管工作是斷續(xù)的，因此其輸出和控制信號(hào)之間存在時(shí)滯。另外，整流變壓器漏感對(duì)整流電流的變化起阻礙作用，還需要計(jì)及漏抗對(duì)晶閘管整流橋的影響【2】。晶閘管斷續(xù)控制現(xiàn)象造成輸出平均電壓Ud滯后于晶閘管控制電壓Uc。將傳遞函數(shù)展開(kāi)為泰勒級(jí)數(shù)，略去高次項(xiàng)得到簡(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)為：
整流變壓器繞組存在漏抗LB，對(duì)電流的變化起阻礙作用。調(diào)節(jié)器采用的是三相橋式全控整流橋，在換相過(guò)程中，必然存在兩個(gè)共陰極或共陽(yáng)極的晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的情況，將在變壓器二相之間產(chǎn)生環(huán)流，從而導(dǎo)致Ud平均值的降低，降低的值用△Ud表示。不考慮變壓器漏抗時(shí)，輸出的電壓平均值為Ud=1 35U2cosa考慮變壓器漏抗時(shí)，導(dǎo)致的壓降為：
式中：XB——變壓器每相折算到二次側(cè)的漏電抗；
Id——直流側(cè)輸出的平均電流。
勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的整流橋采用余弦移相觸發(fā)，可以得到功率單元的模型，如圖6所示。整流橋采用三相全控橋，KZ的值為l.35Ues，Ues為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁交流電源的線電壓。
1．4參數(shù)設(shè)置
通過(guò)MATLAB／simulink中的模塊，建立勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的模型如圖7所示，勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真模型包括同步發(fā)電機(jī)模塊、調(diào)速器模塊、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模塊、升壓變壓器模塊、三相短路模塊、無(wú)窮大系統(tǒng)模塊等。同步發(fā)電機(jī)輸出的電能經(jīng)升壓變壓器與無(wú)窮大系統(tǒng)并網(wǎng)，用三相短路刀閘用于模擬短路故障。同步發(fā)電機(jī)模型輸出三相電和發(fā)電機(jī)參數(shù)，通過(guò)電機(jī)參數(shù)分離模塊可獲取發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流值。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸入量為機(jī)端交流電壓、電流、勵(lì)磁電流和電壓給定；輸入PSS的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差△ω、電功率偏差△Pe。PSS的輸出和勵(lì)磁輸出經(jīng)限幅環(huán)節(jié)后送到同步發(fā)電機(jī)的輸入端Vf。
參數(shù)設(shè)置：同步發(fā)電機(jī)容量200 MvA，電壓UN=13．8 kV，轉(zhuǎn)子類型為隱極，Xd(pu)=1．34，X’d (pu)=0．296，X’’d (pu)=O．252，Xq (pu)=0．474，X’q(pu)=0．243，Xv(pu)=O .18，T’q (s)=1.01，T’’q (s)=O．053，T’’q (s)=O l，RS(pu)=0．002 584 4，H(s)=3．2。高壓側(cè)母線電壓為110kV，因此升壓變壓器的原、副邊額定電壓UIN／U2N設(shè)置為13．8 kV／110 kV，升壓變壓器的額定容量SN設(shè)置為210 kVA，短路電壓UK設(shè)置為7．5％。無(wú)窮大電源的額定容量SN設(shè)置為1 200 MvA，負(fù)載設(shè)置為500 Mw，額定電壓UN設(shè)置為110 kV。發(fā)電機(jī)機(jī)端負(fù)荷設(shè)置為100Mg，。在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中，模擬變換部分機(jī)端電壓、機(jī)端電流放大系數(shù)KR全部設(shè)置為0.005 9(考慮放大裕量)，時(shí)間常數(shù)TR全部設(shè)置為1μs，A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n設(shè)置為12，A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓Vref設(shè)置為3．3。整流變壓器的漏抗XB設(shè)置為13Ω。電壓給定為標(biāo)幺值輸入。
2仿真結(jié)果
simulink中的仿真算法設(shè)置為0de23tb，仿真步長(zhǎng)都設(shè)置為auto。
2．1發(fā)電機(jī)起勵(lì)運(yùn)行仿真
首先采用單純的按機(jī)端電壓偏差進(jìn)行的PID控制方式進(jìn)行仿真，得到同步發(fā)電機(jī)起勵(lì)運(yùn)行的機(jī)端電壓波形如圖8所示。從波形可以看出，無(wú)PSS控制時(shí)，發(fā)電機(jī)起勵(lì)過(guò)程中機(jī)端電壓幅值伴有輕微波動(dòng)；而．PSS+PID控制時(shí)，發(fā)電機(jī)從開(kāi)始運(yùn)行到機(jī)端電壓穩(wěn)定，起勵(lì)過(guò)程平穩(wěn)，經(jīng)歷的時(shí)間約為2．5 s，無(wú)振蕩和超調(diào)量的出現(xiàn)。
2．2加8％擾動(dòng)仿真
在起勵(lì)后的l0 s時(shí)加8％的擾動(dòng)，得到同步發(fā)電機(jī)起勵(lì)運(yùn)行的機(jī)端電壓波形如圖9所示，從波形可看出單純的PID控制時(shí)，受到擾動(dòng)波動(dòng)幅值大，約在25 s后趨于穩(wěn)定，而HD+Pss控制時(shí)，其擾動(dòng)波動(dòng)幅值小，約在15 s后趨于穩(wěn)定。
2．3 PID+PSS控制的強(qiáng)勵(lì)仿真
仿真結(jié)果表明PSS對(duì)擾動(dòng)有很好的抑制作用。而當(dāng)同步發(fā)電機(jī)發(fā)生三相短路故障時(shí)，線路電壓減小，電流增大，在短路瞬間，機(jī)端電壓立即減小，將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)勵(lì)以穩(wěn)定機(jī)端電壓，所以勵(lì)磁電流和電壓將會(huì)瞬間增大來(lái)維持機(jī)端電壓平衡。用短路刀閘模擬電力系統(tǒng)短路故障，將短路刀閘的閉合時(shí)刻設(shè)置在10 s，經(jīng)過(guò)O.1 s后故障切除，得到同步發(fā)電機(jī)輸出電壓波形如圖10(a)所示，輸出電壓迅速變?yōu)榱�。機(jī)端電壓的變化如圖lO(b)所示，發(fā)生短路故障時(shí)，輸出電壓瞬間變?yōu)榱�，而機(jī)端電壓迅速下降到0 4左右，故障切除后，機(jī)端電壓迅速回升，經(jīng)歷的時(shí)間約為2 5 s。過(guò)渡過(guò)程中電壓未出現(xiàn)超調(diào)量。
故障的勵(lì)磁電流波形如圖10(c)所示，勵(lì)磁電流瞬問(wèn)增大，以維持機(jī)端電壓處于恒定水平，當(dāng)故障切除后又迅速恢復(fù)到正常穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)振蕩和超凋量。
3 結(jié) 語(yǔ)
以上利用MATLAB模塊，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況，建立了數(shù)字式同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，仿真模型直觀，運(yùn)行速度快、穩(wěn)定。
(1)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況，考慮到機(jī)組并網(wǎng)的無(wú)功調(diào)差環(huán)節(jié)和整流變壓器漏抗對(duì)功率單元的影響，使勵(lì)磁系統(tǒng)的模型更加準(zhǔn)確。
(2)采用PID+新型Pss控制，克服了常規(guī)Pss和PID控制存在的不足，以保證大機(jī)組發(fā)電機(jī)能穩(wěn)定起勵(lì)運(yùn)行，對(duì)于擾動(dòng)和暫態(tài)故障具有較強(qiáng)的抑制和響應(yīng)能力，能加快發(fā)電機(jī)端電壓的恢復(fù)。維持機(jī)端電壓穩(wěn)定，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。仿真結(jié)果和理論分析相吻合，能滿足大型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的要求，控制效果優(yōu)于普通PID控制的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的合理性與可行性，為進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和Pss的硬件設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。 |
