使用電力系統(tǒng)分析程序?qū)?lì)磁參數(shù)的整定

王 琳,翟曉佳

(1.中電投華北電力工程有限公司,山西 太原 030001;2.山西太原供電局,山西太原 030001)

使用電力系統(tǒng)分析程序?qū)?lì)磁參數(shù)的整定

王 琳1,翟曉佳2

(1.中電投華北電力工程有限公司,山西 太原 030001;2.山西太原供電局,山西太原 030001)

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)整定的結(jié)果直接影響發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí),參數(shù)整定是進(jìn)行勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試、建模的重要環(huán)節(jié),針對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和建模提出了參數(shù)預(yù)整定和采用電力系統(tǒng)分析程序進(jìn)行參數(shù)整定的方法,解決了現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題,將勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)建模和測(cè)試有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。

勵(lì)磁系統(tǒng);參數(shù);測(cè)試;建模

0 引言

隨著全國(guó)聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)擴(kuò)能的要求,目前全國(guó)電力系統(tǒng)正在進(jìn)行發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS(Power System Stabilizer)試驗(yàn),采用勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)測(cè)參數(shù)要求參數(shù)的準(zhǔn)確性,同時(shí)要求對(duì)實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化不僅是進(jìn)行參數(shù)測(cè)試的必要條件,也是電網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)。目前,山西省正在運(yùn)行機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的接線種類(lèi)雖然繁多,不同接線方式、不同勵(lì)磁控制校正環(huán)節(jié)給現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化都帶來(lái)很大的工作量。利用電力系統(tǒng)分析計(jì)算程序搭建模型可以在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前進(jìn)行參數(shù)預(yù)整定。

1 勵(lì)磁控制校正環(huán)節(jié)分類(lèi)

勵(lì)磁控制的校正環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制功能。校正環(huán)節(jié)一般有串聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)、并聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)、軟反饋校正環(huán)節(jié)和勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。PID調(diào)節(jié)器又稱(chēng)PID控制器,是比例P(Proportional)、積分I(Integral)、微分D(Differential or Derivative)控制的簡(jiǎn)稱(chēng)。

1.1 串聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)

串聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)模型見(jiàn)圖1。K V設(shè)置為1時(shí)校正環(huán)節(jié)由兩級(jí)超前滯后環(huán)節(jié)組成,KV設(shè)置為零時(shí)校正環(huán)節(jié)帶純積分環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)[1]。

圖1 串聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)

1.2 并聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)

并聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)模型見(jiàn)圖2。

圖2 并聯(lián)型PID校正環(huán)節(jié)

1.3 軟反饋校正環(huán)節(jié)

軟反饋校正環(huán)節(jié)模型見(jiàn)圖3。軟反饋環(huán)節(jié)輸入信號(hào)在靜止勵(lì)磁系統(tǒng)中為調(diào)節(jié)器輸出U R,在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中可以是勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)電流信號(hào)Uie,或者發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓U f。軟反饋環(huán)節(jié)輸出信號(hào)加到電壓相加點(diǎn)或者PID校正環(huán)節(jié)的輸出。

圖3 軟反饋校正環(huán)節(jié)

1.4 勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)

勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)用以減少勵(lì)磁機(jī)等效時(shí)間常數(shù)。勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)為發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓或勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)電流信號(hào),反饋到PID校正環(huán)節(jié)的輸出,見(jiàn)圖4。

圖4 勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)

2 PID調(diào)節(jié)原理

目前,山西省發(fā)電廠在役機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器多采用圖1、圖2的PID數(shù)學(xué)模型。在PID調(diào)節(jié)器作用下,對(duì)誤差信號(hào)分別進(jìn)行比例、積分、微分控制。調(diào)節(jié)器的輸出作為被控對(duì)象的輸入控制量。

PID參數(shù)的整定就是合理地選擇 PID 3個(gè)參數(shù)。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面考慮問(wèn)題,3個(gè)參數(shù)的作用如下。

a)比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差STR(Steady-State Error)。比例參數(shù)K P的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。隨著KP的增大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快,調(diào)節(jié)精度越高,但是系統(tǒng)易產(chǎn)生超調(diào),穩(wěn)定性變差,甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。K P取值過(guò)小,調(diào)節(jié)精度降低,響應(yīng)速度變慢,調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng),使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能變壞。

b)在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入 “積分項(xiàng)”。積分作用參數(shù)T i的一個(gè)最主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。T i越大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快,但T i也不能過(guò)大,否則在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。若Ti過(guò)小,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除,影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。另外,在控制系統(tǒng)的前向通道中只要有積分環(huán)節(jié)總能做到穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。從相位的角度來(lái)看一個(gè)積分環(huán)節(jié)就有90°的相位延遲,也許會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

c)在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分 (即誤差的變化率)成正比關(guān)系。微分作用參數(shù) T d的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,其主要作用是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化,對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但 T d不能過(guò)大,否則會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng),延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間,并且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。

3 參數(shù)的整定

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來(lái)有兩大類(lèi),一是理論計(jì)算整定法,主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn),直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行,且方法簡(jiǎn)單、易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。采用電力系統(tǒng)計(jì)算程序可以將上述兩種方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,既可以保證參數(shù)調(diào)整的準(zhǔn)確性,又可以減少現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間[3]。

以某自并勵(lì)機(jī)組為例 (PI調(diào)節(jié)),PID控制器采用并聯(lián)型PID,計(jì)算用主要參數(shù)見(jiàn)表1,調(diào)節(jié)器參數(shù)見(jiàn)表2,其中,發(fā)電機(jī)飽和系數(shù)等部分參數(shù)采用折算后參數(shù),仿真采用電力系統(tǒng)分析綜合程序,調(diào)節(jié)器模型采用12型,計(jì)算相關(guān)用參數(shù)可以采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)或廠家提供原始參數(shù),采用實(shí)測(cè)參數(shù)可以提高仿真精度,同時(shí),完成測(cè)試及參數(shù)調(diào)整工作。

表1 計(jì)算用發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁變參數(shù)

表2 計(jì)算用仿真參數(shù)

通過(guò)典型參數(shù)或者采用理論計(jì)算參數(shù)法進(jìn)行仿真計(jì)算,選定一組或多組參數(shù),進(jìn)而通過(guò)實(shí)際工程檢驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,因采用仿真程序參數(shù)的調(diào)整不受現(xiàn)場(chǎng)條件限制,可以節(jié)省機(jī)組空轉(zhuǎn)時(shí)間,降低燃料消耗,同時(shí),根據(jù)需要進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化。圖5、圖6是采用不同PID參數(shù)的仿真效果,因采用 PI調(diào)節(jié),仿真可只調(diào)整PI參數(shù),需采用PID調(diào)節(jié)時(shí)調(diào)整微分環(huán)節(jié)方法同。

根據(jù)仿真選用K P=60,K I=20參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校核試驗(yàn),實(shí)測(cè)波形圖見(jiàn)圖7,參數(shù)比對(duì)見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算及仿真參數(shù)比較

4 結(jié)論

a)采用電力系統(tǒng)計(jì)算程序?qū)ID參數(shù)調(diào)整可以減少現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的時(shí)間,增加參數(shù)的選擇范圍。

b)采用電力系統(tǒng)計(jì)算程序進(jìn)行PID參數(shù)整定,要求提前參數(shù)的準(zhǔn)備及計(jì)算,要求提供的參數(shù)準(zhǔn)確。

圖5 不同K P對(duì)仿真效果的影響

圖6 不同K I對(duì)仿真效果的影響

圖7 發(fā)電機(jī)空載5%階躍測(cè)試波形

c)采用電力程序進(jìn)行PID參數(shù)整定可以配合勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù)實(shí)測(cè)及建模工作進(jìn)行,尤其對(duì)參數(shù)優(yōu)化是有力的工具。

[1] 浙江省電力試驗(yàn)研究院.GB/T 7409.2—2008 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究用模型[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008:5-6.

[2] 黃忠霖.控制系統(tǒng)Matlab計(jì)算及仿真 [M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004:322-323.

[3] 竺士章.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005:170-176.

Using PSASP to Tune the Parameters of Excitation System

WANG Lin1,ZHAIXiao-jia2
(1.CPINorth China Power Engineering Co.,Ltd,Taiyuan,Shanxi 030001,China;2.Taiyuan Power Supp ly Company,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

The tuned parameters of generator excitation system have direct influence on the safeoperation of generator and power grid.A t the same time,parameter tuning plays an important ro le in parametric test and modeling.A ccording to excitation system modeling and its parameters tuning,themethod of parameters p resetting and adjustment using PSASPw as introduced.The excitation system modeling and parameters testing w ere combined.The problem of needing too much time for excitation system parameters tuning in fie ld was resolved,and parametersmodeling and testing cou ld be combined effectively.

excitation system;parameters;testing;modeling

TN761+.11

A

1671-0320(2010)05-00059-03

2010-07-05,

2010-07-28

王 琳 (1974-),男,山西汾陽(yáng)人,1996年畢業(yè)于東北電力學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),工程師,從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè);

翟曉佳 (1985-),女,山西大同人,2008年畢業(yè)于華北電力大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),助理工程師,從事變電運(yùn)行專(zhuān)業(yè)。