發(fā)電機勵磁限制協調配合優(yōu)化分析

萬雄彪，陳晶，吳水軍

（云南電力試驗研究院(集團)有限公司，昆明 650217）

0 前言

發(fā)電機勵磁調節(jié)器中附加的各種勵磁限制功能對于提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平，確保發(fā)電機等主設備可靠運行具有十分重要的影響。低勵限制（under excitation limiter，UEL）、V/f限制（V/flimiter）和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（power system stabilizers，PSS）是現代勵磁調節(jié)器中普遍配置并且具有重要影響的輔助功能[1-3]。低勵限制作為發(fā)電機失磁保護動作前的重要一環(huán)，對于提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定至關重要，同時可避免發(fā)電機進相運行時定子電流偏高而造成的定子繞組及鐵芯端部過熱。頻率降低時，V/f限制能確保發(fā)電機、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)電機機組接入大電網運行時一般不會發(fā)生低勵限制與V/f限制間配置沖突問題，但對于小地區(qū)孤網二者如不進行協調優(yōu)化，則可能會造成孤網內電壓崩潰致使孤網瓦解，或造成發(fā)電機、變壓器磁通增加，發(fā)熱嚴重，甚至燒毀主設備。云南山區(qū)較多，地域發(fā)展不平衡，局部電網結構薄弱，發(fā)生因送出線路跳閘造成局部電網孤網運行，當孤網內風電場因高頻動作風機全部切除后，孤網處于低頻低壓狀態(tài)，由于低勵限制與V/f限制配合失當，最后造成電壓崩潰孤網瓦解。

對發(fā)電機勵磁調節(jié)器附加限制功能研究主要側重于低勵限制與PSS協調控制，文獻[1-2]研究表明UEL作用頻段與PSS配合不當會造成機組阻尼弱化，當UEL提供負阻尼轉矩時，低勵限制曲線斜率越低，UEL作用頻段越低，系統(tǒng)時域動態(tài)響應特性越好。文獻[3]基于擴展Heffron-Phillips模型，利用頻率響應法，畫出勵磁系統(tǒng)分別加入PSS與UEL開環(huán)傳遞函數波特圖，分析UEL與PSS作用頻段，給出UEL參數設置方法以便與PSS協調配合。文獻[4、5]研究UEL各參數對系統(tǒng)穩(wěn)定影響，并針對幾組UEL參數分析UEL與PSS協調配合效果，給出UEL參數優(yōu)化方案。現有研究已經對UEL工作方式與特性、以及參數整定方案與PSS協調優(yōu)化方面做了很多工作，但現有工作側重于接入主網發(fā)電機勵磁限制與PSS協調控制研究方面，對于勵磁調節(jié)器內部各限制功能在孤網模式下如何協調優(yōu)化方面缺乏研究[6]。

本文分析UEL與V/f限制勵磁控制模型，針對含有新能源地區(qū)孤網可能出現低頻低壓運行方式進行分析，以提高孤網電壓為首要目標，分析UEL與V/f限制作用過程，優(yōu)化UEL與V/f限制參數配置，給出如何通過合理參數設計提高孤網電壓支撐能力。利用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件搭建含風電場地區(qū)孤網模型，對系統(tǒng)分別開展仿真計算分析，驗證所提出參數設定方法合理性與準確性。

1 系統(tǒng)網絡模型

1.1 UEL模型

UEL模型采用現場普遍使用的以四段直線表示低勵限制邊界，如圖1所示，該模型主要輸入量為有功功率PT、無功功率QT機端電壓UT，四段直線構成折線型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，TUEL1為超前環(huán)節(jié)時間常數，TUEL2為滯后環(huán)節(jié)時間常數。

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，經過計算得到與V/f限制值之間偏差作為調節(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，TVf1為超前環(huán)節(jié)時間常數，TVf2為滯后環(huán)節(jié)時間常數。

1.3 系統(tǒng)網絡模型

系統(tǒng)網絡模型采用單機無窮大系統(tǒng)網絡模型，發(fā)電機采用三階實用模型，以計及勵磁系統(tǒng)動態(tài)過程，勵磁系統(tǒng)為靜止勵磁系統(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-角度關系分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的Hellfon-Philips擴展模型（簡稱H-P模型）[7-8]，可以清晰分析UEL與V/f限制作用過程。不考慮PSS作用，包括UEL與V/f限制模型的擴展H-P模型如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)網絡模型

圖中K1—K10公式為：

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

圖4 擴展H-P模型

2 UEL和V/f限制作用機理分析

2.1 UEL作用過程

如圖4中所示，UEL輸入量為功角變化量δ以及發(fā)電機暫態(tài)電勢反饋量，最后輸出電磁轉矩MUEL,本文重點分析UEL和V/f限制在共同作用下對機端電壓影響分析，其與PSS之間輸出轉矩交互影響不再單獨展開分析。通過圖與K7與K8公式可知，對一個確定的發(fā)電機與勵磁系統(tǒng)而言（穩(wěn)定運行工況點），UEL產生的發(fā)電機暫態(tài)電勢不僅與低勵限制整定曲線有關，即受限制折線斜率Ku和截距C影響，同時還受其自身數學模型參數KUEL、TUEL1、TUEL2影響，其中任一參數的改變均會影響到UEL的輸出[9-10]。UEL主要作用是通過提高發(fā)電機勵磁水平抬高機端電壓防止發(fā)電機進相過深以至失去穩(wěn)定，現場整定的低勵限制參數，即折線斜率Ku和截距C對一機組可認為是確定的。此時，UEL輸出主要受放大倍數KUEL及超前滯后時間常數TUEL1、TUEL2影響，通過合理整定參數不僅可以優(yōu)化UEL輸出快慢以及輸出大小，并且通過與V/f模型的參數協調控制，可以提高系統(tǒng)電壓，防止孤網電壓崩潰。

2.2 V/f 限制作用過程

與UEL分析過程類似，V/f限制主要防止轉子過熱，其整定值K為一確定值時，在穩(wěn)定運行工況下，其輸出僅受其自身數學模型中參數kVf、TVf1、TVf2影響，其中任一參數的改變均會影響到V/f的輸出。

由于UEL與V/f限制作用量ΔUEL和ΔUVF均可認為是在PSS附加點疊加進去后作用于勵磁PID主環(huán)，因此在孤網低頻低壓下UEL與V/f限制有可能會同時動作，如此時二者整定參數不匹配，假設V/f限制輸出較大且輸出較快，會造成UEL輸出被抑制弱化，使得勵磁減小將機端電壓降低，這將嚴重影響孤網的長期可靠運行，會造成孤網電壓崩潰進而使得孤網瓦解。

3 參數整定

當孤網處于低頻低壓惡劣運行工況時，以提高電壓為首要目標，并考慮發(fā)電機轉子耐熱能力，優(yōu)化UEL與V/f限制參數，當UEL與V/f限制同時輸出時，將UEL輸出作為勵磁主環(huán)疊加點主導輸入，在短時間內增加勵磁提高機端電壓，恢復孤網電壓，確保孤網穩(wěn)定可靠運行。為防止提高電壓過程中V/f倍數值持續(xù)增加造成的轉子過熱，也不可使其輸出較小。因此在二者共同作用下通過調整參數提高UEL輸出響應速度，減緩V/f限制輸出，在短時間內提高系統(tǒng)電壓，同時也不會造成轉子過熱而燒壞轉子。實際上，考慮到調速器的作用過程，在短時間內通過UEL提高機端電壓后，其頻率也處于逐漸恢復過程，相應V/f倍數并不會一直增加，這對于電壓恢復也是至關重要。

選取固定變化信號，輸入到超前滯后環(huán)節(jié)，保持放大倍數不變，通過調整不同的超前滯后時間系數，可以改變輸出響應調節(jié)速度。

表1 控制環(huán)節(jié)參數

在兩組參數下，某一固定變化信號輸出響應過程如圖所示，不同參數下輸出過程響應速度不同，因此可以通過調整UEL與V/f限制超前滯后環(huán)節(jié)時間常數改變其輸出響應速度，可以在短時間內提高機端電壓，同時也可以防止發(fā)電機轉子長期過熱而造成轉子燒毀。

圖5 不同控制參數下響應速度

4 算例分析

利用PSCAD/EMTDC軟件搭建地區(qū)孤網模型，通過仿真送出線路跳閘后形成的孤網狀態(tài)，頻率升高進而造成孤網內風電機組高頻脫網，孤網進入低頻低壓運行狀態(tài)，通過對孤網內水電機組勵磁系統(tǒng)內UEL與V/f限制參數進行調節(jié)優(yōu)化，提高孤網內電壓水平，防止因電壓過低或機組進相較深以致失磁保護動作等原因造成的機組解列、孤網瓦解等惡劣故障情況出現。

圖6為故障過程中孤網系統(tǒng)頻率曲線，當唯一送出線路故障后形成孤網，孤網內頻率迅速升高，當升高至風電機組高頻切機動作值時風電場全部切除，此時孤網內發(fā)電機組容量小于負荷造成孤網頻率一直降低至某一平衡點。

圖6 孤網頻率變化曲線

假設發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)輔助限制功能只有V/f限制投入，當孤網內頻率升高造成風電場風電機組全部高頻切除以后，此時孤網內發(fā)電機組發(fā)出有功不足以支撐孤網內全部負荷，孤網內處于低頻低壓狀態(tài)，此時V/f限制輸出控制孤網內V/f為某一參考值，由于處于低頻狀態(tài)，在V/f控制下將機端電壓控制在某一低值，使得孤網內電壓長期偏低。孤網狀態(tài)下V/f曲線如下：

圖7 V/f 值變化曲線

可見、風電機組脫網瞬間，由于孤網內負荷供求關系破壞，電壓會有一突然下降之后由勵磁系統(tǒng)調節(jié)作用將電壓調節(jié)至穩(wěn)定值，但由于V/f限制的投入，在低頻狀態(tài)下將控制機端電壓，使得V/f為一設定值（通常設定為1.06），即在圖頻率穩(wěn)定運行在43 Hz時，機端電壓控制在0.912 p.u，故障過程中V/f曲線如圖7所示。

當低勵限制與V/f限制全部投入，并且低勵限制與伏赫茲限制控制環(huán)節(jié)參數相同，由于低勵限制的投入，勵磁系統(tǒng)輔助功能控制對象將不再僅是V/f設定值，而是由V/f與機組實際低勵限制特性共同決定，在控制參數相同情況下其輸出響應程度受V/f實際值與設定值偏差以及實際進相深度與低勵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，即輔助限制功能實際不再輸出，由勵磁裝置主環(huán)根據系統(tǒng)電壓自動調整。

在所計算的孤網模型下，分別設定V/f與UEL兩組控制參數，如表2所示。

表2 V/f與UEL控制參數

圖8 電壓恢復曲線

從圖8可知，采用同一套參數對電壓提升效果是有限的，并不能完全解決孤網電壓偏低的問題，因此需對孤網下勵磁輔助功能控制參數進行差異化設置，提高孤網運行能力。如采取采用不同控制參數，通過改變不同限制環(huán)節(jié)輸出響應速度，可以有效提升孤網下電壓水平，相比只投入V/f限制或將V/f限制控制參數與低勵限制控制參數設置相同而言，改變控制參數可以快速提升機端電壓至額定值，防止由于控制參數的作用拉低機端電壓造成的孤網電壓崩潰瓦解。

5 結束語

分析UEL與V/f限制勵磁控制模型，針對含有新能源地區(qū)孤網可能出現低頻低壓運行方式進行分析，以提高孤網電壓為首要目標，分析UEL與V/f限制作用過程，優(yōu)化UEL與V/f限制參數配置，通過改變勵磁系統(tǒng)輔助限制功能間控制參數，改變限制環(huán)節(jié)輸出響應速度，提升孤網內電壓恢復速度。通過仿真分析驗證所提出參數設定方法合理性與準確性，所提出的參數優(yōu)化方法可以適應于現場，提升機組穩(wěn)定運行能力，具有十分重大的理論與實際經濟效益。