基于電磁耦合的電網定向電壓勵磁自適應調控

張鑫，李甲駿，李世昌，王江淮，雷文煥

(1.河北張河灣蓄能發電有限責任公司， 河北 石家莊 050022；2.北京四方繼保自動化股份有限公司， 北京 100084)

0 引言

大型的水電機組的勵磁控制能夠維持發電極端的電壓，保證同步發電機的穩定運行，這是電網經濟運行的基本條件。隨著我國用電量的增大，發電機單機的容量和電網規模也在隨之擴大，因此電力系統的安全穩定面臨著嚴峻的考驗[1-2]。水電機組中的勵磁系統能夠在系統故障狀態時，迅速強力將勵磁電壓迅速上升至頂值電壓，在強力時勵磁機最大穩定電壓與發電機額定轉子電壓的比大概在1.8-2之間，如果涉及遠距離空間的情況下，這個數值可以提高到3-4[3]。在傳統的勵磁調控方法中，一般使用PID模糊調控，在發電機組單機容量比較大的時候，會由于一些不確定的因素，使得系統的參數不準確，導致電壓上升的時間比較慢，影響電網供電結果[4-5]。提高勵磁的控制功能是維持電力系統的穩定最經濟有效的手段，因此本文研究有一定的實用價值。

1 基于電磁耦合的電網定向電壓勵磁自適應調控方法研究

1.1 建立水電機組勵磁數學模型

水電機組中的定向電壓勵磁調控主要通過控制勵磁電壓來調節發電機端電壓[6]，經過簡化后的勵磁系統結構,如圖1所示。

圖1 發電機勵磁系統結構

同步發電機勵磁系統不僅要維持電壓穩定，還需要對機組的無功發送進行調節[7-8]。勵磁系統主要包括直流勵磁和交流勵磁兩種形式，結構主要包括勵磁調節器(AVR)和電力系統穩定器等，發電機勵磁系統接收到調節系統的控制信號，并提供勵磁電流給發電機轉子，在這過程中的傳遞函數,如式(1)。

(1)

式中,Ef表示勵磁機傳送給發電機的勵磁電壓;UR表示勵磁調節器的輸出電壓;KE表示自勵系數，當勵磁狀態為他勵時，KE的值為1;SE表示飽和系數，飽和程度越高，系數越大；TE表示勵磁機的時間常數;AVR負責接收電壓測量信號，并將誤差信號轉換為控制信號，對比較電路的測量,如式(2)。

UC=|UT+(Rc+jxc)IT|

(2)

整流濾波電路的測量,如式(3)。

(3)

式中,UC表示調差后的輸出電壓;UT表示發電機端電壓;IT表示定子電流;Rc表示調差電阻;xc表示調差電抗;KR表示電壓比例系數;TR表示測量時間常數。在實際的勵磁模型中，還包括補償電路(PSS)[9-10]，能夠補償相位偏差，PSS的傳遞函數,如式(4)。

(4)

式中,KPSS表示電路中的增益系數;Tsr表示測量時間常數;TW表示隔直環節時間常數。在傳遞過程中，一般情況下會有1-4個超前滯后的環境相連，因此具有不同的時間常數。將上述模型進行組合，便能得到勵磁系統數學模型。勵磁系統數學模型,如圖2所示。

圖2 勵磁系統數學模型

1.2 設計電磁耦合結構

為了實現電網定向電壓勵磁的自適應調控，需要構建電磁耦合結構。本文將永磁同步發電機與普通電勵磁電機相結合，使得轉子上的永磁體提供勵磁磁通，且定子上也會通過直流勵磁繞組產生一定的磁通[10-11]，實現在氣隙中的合成。定子結構,如圖3所示。

圖3 勵磁定子結構

由圖3可知，定子具有三相對稱繞組結構，被環形直流勵磁繞組分成兩部分，兩端鐵芯通過背軛在機械和電磁上連接，極端上由同極磁體和鐵磁極交錯排列。當磁極展開后直流勵磁電流存在3種情況。3種情況下的合成氣隙磁場,如圖4所示。

圖4(a)表示勵磁電流為0時氣隙磁場的分布;圖4(b)表示勵磁電流大于0時氣隙磁場的分布;圖4(c)表示勵磁電流小于0時氣隙磁場的分布。當勵磁電流為0時，只有永磁體磁場存在;大于0時，鐵芯級和永磁體磁場方向是相同的，這樣增強了軸向磁場，導致氣隙內的有效軸向磁場減弱[12-13];小于0時則相反，這種電磁耦合結構能夠在發電機工作過程中能夠感應到AVR反饋系數的變化，為勵磁調控奠定基礎。至此完成電磁耦合結構的設計。

(a)

(c)

1.3 優化勵磁調節器

在自適應調節過程中，主要使用蟻群算法來完成調控。傳統的蟻群算法會設定參數作為初始值，但是可能會丟失最優解，本文將初始值設定為隨機生成的n條路徑，能夠在更大范圍內篩選，全局搜索最優解。并根據搜索過程中路徑分布均勻度，實現動態的自適應調整信息素濃度，分布均勻度需要通過聚度來衡量[14-15]。當路徑上的螞蟻比較分散時，聚度就比較小，這個時候搜索速度比較慢，且難以強化最優信息。當聚度比較大時，容易早熟停滯。因此要想獲得比較好的調節效果，要掌握好聚度的大小。當有m只螞蟻從某節點x到另外的若干節點中，有r條路徑可以選擇，那么在上一次迭代過程中，這r條路徑上的螞蟻數分別為a1、a2、…、ar，那么節點x的聚度,如式(5)。

(5)

設r條路徑中，有螞蟻經過的路徑數量為s，那么節點x的聚度會隨著s的減少而增大。當聚度過小時，需要對正反饋信息進行強化，增大數量較少的較優路徑被選取上的概率，增大信息素權重；當聚度過大時，要使解多樣化，使較多的路徑被選取上。通過這樣的動態自適應調節，能夠改善蟻群搜索速度，對于勵磁系統的電壓控制效果更佳理想。當節點聚度較大，說明上次迭代過程中，從該節點到另外節點的路徑比較集中，也就是說信息量比較集中，在路徑選擇過程中，螞蟻會考慮信息濃度最高的路徑，因此需要對蟻群路徑轉移進行合理化約束，需要計算能見度,如式(6)。

(6)

式(6)表示的含義是：第k只螞蟻在上次迭代時的路徑為path(k,i)，那么這次迭代時，橫坐標在i時，縱坐標所有點j的能見度。在實際的應用中，設定蟻群總數和信息素等相應數量，隨機生成路徑，對各點的信息素濃度進行調整更新，設置最大迭代次數，計算路線轉移概率，最終提取到最優參數。至此完成基于電磁耦合的電網定向電壓勵磁自適應調控方法的設計。

2 發電機組勵磁仿真實驗

2.1 設計仿真環境

仿真實驗主要對空載階躍、空載短路以及功率因數為0.98時階躍、短路進行實驗。為了更好地檢測本文調控方法的有效性，本文的仿真測試以某電廠為原型，將其在仿真軟件中進行簡化，發電機為水輪機組。系統的結構,如圖5所示。

如圖5結構所示，從A點到D點的電路為500 kV，在仿真中，將D點等值為無窮大的母線，另外變電站C是A送電的主要輸出電，C的總負荷,如式(7)。

PC=(R+jX)+(PL+jQL)

(7)

式中，R+jX表示恒阻抗負荷;PL+jQL表示恒功率負荷。發電機的參數,如表1所示。

圖5 簡化的測試系統結構圖

表1 發電機參數

仿真模型中，勵磁機類型為自并勵可控硅靜止快速勵磁，時間常數為0.04,勵磁的極值為4.7。試驗過程中，設置空載仿真時間為40秒，負載仿真時間為60秒。仿真參數選取水輪機組的實際參數，在空載試驗中，在1秒時施加10%的電壓正向階躍，15秒時施加10%的電壓負向階躍，30秒時令機端三相接地短路，保持這種故障狀態時間為0.1秒；在負載實驗中，令功率因數為0.98,1秒時施加5%正向電壓階躍，12秒時施加10%負向電壓階躍，間隔10秒后施加5%正向電壓階躍回到平衡點，30秒時令機端三相接地短路，保持這種故障狀態時間為0.1秒。上述實驗過程中，分別使用本文設計的調控方法和傳統PID調控方法進行實驗，并將實驗結果進行對比。

2.2 實驗結果對比分析

經過兩組典型的仿真測試，得到兩種調控方法的實驗結果,如圖6所示。

圖6(a)為額定負載情況下，功率因數為0.98時的試驗結果;圖6(b)為空載實驗結果。根據圖6能夠得到實驗結果各項數據的報表,如表2所示。

從得到的實驗結果可以看出，傳統的PID調控方法雖然電壓沒有出現震蕩和超調的情況，但是上升時間較慢，與國標要求的0.6s相差較大，本文設計的調控方法各項性能均達到要求，這是因為電磁耦合過程中能夠感應到AVR的反饋系數，完成了整體參數的調控，且本文調控的阻尼比更大，電壓恢復較快，尤其在短路情況下更加明顯。綜上所述，本文設計的調控方法對于調控電壓方面的性能要優于PID調控方法。

(a)

(b)

表2 實驗結果表

3 總結

電力系統安全穩定運行是發電機組的基本需求，為了保證電力系統在受到外界干擾時，具有較高的抗干擾能力，需要在電網中加入勵磁系統來平衡控制電壓。本文針對勵磁調控方法存在的一些弊端，設計了一種基于電磁耦合的電網定向電壓勵磁自適應調控方法。通過實驗結果表明，本文設計的方法能夠在外界干擾的條件下保證電壓的穩定。但是本文仍然存在一些不足之處，希望在今后的工作中能夠逐步完善。