發電機勵磁低勵限制與PSS協調控制研究

劉國華，王 嘯，赫衛國

（國網電力科學研究院，江蘇 南京 210003）

發電機勵磁低勵限制與PSS協調控制研究

劉國華，王 嘯，赫衛國

（國網電力科學研究院，江蘇 南京 210003）

電網系統故障時發電機勵磁系統輔助控制環節之間的協調配合對勵磁系統調節會產生一定影響。結合勵磁系統主環及低勵限制、PSS環節模型，通過仿真系統階躍擾動等方法分析了勵磁低勵限制和PSS控制之間的協調工作特性，為優化勵磁系統限制環節模型參數提供參考。

勵磁系統；電力系統穩定器；低勵限制；系統阻尼比

勵磁控制系統是同步發電機的重要組成部分，能夠提高電力系統的靜態和動態穩定性，在暫態過程中能夠加速電網電壓的恢復［1］。勵磁控制系統在電網或者發電機自身發生故障時，存在勵磁系統主控制環節與輔助控制環節、以及輔助控制環節之間同時發生作用的時刻，此時正是電網穩定性受到威脅或者發電機本體安全受到潛在威脅的時刻，因此深入研究勵磁系統多個輔助環節共同作用過程中的協調控制問題，找到并選擇合適的參數實現勵磁系統輔環之間的協調控制，可以保證在電網出現故障或者發電機自身發生故障時，勵磁系統能夠最大程度地為電網的安全穩定以及發電機的安全做出最大的貢獻。

1 仿真系統模型及勵磁模型

針對勵磁系統輔助環節的協調控制，首先建立電力系統模型、勵磁系統及各輔助環節控制模型，然后通過matlab仿真運算得出系統的響應曲線，由此開展深入分析。

1.1 系統模型

系統計算模型采用兩機無窮大系統模型，如圖1所示。

1.2 勵磁系統主控制模型

發電機勵磁系統控制模型包含了勵磁系統主控制環節和各勵磁輔助控制環節，控制模型如圖2所示。

圖1 兩機無窮大系統模型

圖2 勵磁系統控制模型

圖2中：Ut為發電機定子電壓；Kp為比例環節參數；Uref為定子電壓參考值；Ki為積分環節參數；Uf為勵磁電壓；Kd為微分環節參數；URmax為勵磁電壓上限；Tr為電壓測量時間常數；URmin為勵磁電壓下限；Ta為勵磁系統自身時間常數；Uuel為欠勵限制輸出；Upss為PSS輸出；Uoel為過勵限制輸出；Uc為調差輸出。

1.3 勵磁PSS控制模型

PSS控制環節采用雙輸入三階模型，實現對電力系統低頻振蕩的抑制，控制模型如圖3所示。

圖3 勵磁PSS控制模型

圖3 中：P為發電機有功功率；ω為發電機機械轉速；Tw1～Tw3為隔直環節時間常數；T1～T6為超前滯后環節時間常數；T7為慣性環節時間常數；T8～T9為斜坡環節時間常數；M、N為斜坡函數階數；KS1～KS3為比例放大倍數。

1.4 勵磁低勵限制模型［2］

低勵限制功能的主控制環節設計為一階超前滯后，其作用方式為在AVR主環基礎上進行疊加，以無功的偏差作為輸入，低勵限制動作設定值與機端電壓平方成正比。

圖4中：Qts為發電機無功功率；Tqc2為超前滯后時間常數；Qcref為欠勵限制參考值；Qcmax為欠勵限制輸出上限；Kqc為比例放大倍數；Uuel為欠勵限制輸出；Tqc1為超前滯后時間常數。

圖4 勵磁低勵限制模型

2 低勵限制與PSS協調控制分析

本文通過設置系統參數，分別建立一般性系統和弱聯系系統，再將勵磁控制器的低勵限制功能和PSS控制功能設置為未投入和投入兩種工況，結合仿真做發電機機端電壓階躍試驗，模擬系統發生波動，觀察不同低勵限制參數下系統的響應特性，從而分析勵磁系統低勵限制與PSS控制的協調關系。

2.1 一般性系統低勵限制與PSS協調控制

將系統設置為一般性系統，在G1機組機端做階躍試驗，分析如下。

a.G1和G2機組低勵限制和PSS均未投入時系統阻尼比：G1機組為0.146，G2機組為0.107，區域間（線路）為0.118。

b.僅G1機投入低勵限制和PSS時系統阻尼比：當低勵參數為Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機組為0.399，G2機組為0.145，區域間（線路）為0.235；當低勵參數為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10時，G1機組為0.381，G2機組為0.143，區域間（線路）為0.208；當低勵參數為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機組為0.403，G2機組為0.145，區域間（線路）為0.219。

c.比較2臺發電機都投入PSS以及G1機低勵動作與否的工況，由于G1機低勵限制動作，當低勵參數為Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機阻尼比有所降低（－0.057），G2機阻尼比也有所降低（－0.055），區域間（線路）阻尼比同樣有所降低（－0.010）；當低勵參數為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10時，G1機阻尼比有所降低（－0.050），G2機阻尼比也有所降低（－0.109），區域間（線路）阻尼比同樣有所降低（－0.007）；當低勵參數為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機阻尼比有所降低（－0.044），G2機阻尼比也有所降低（－0.054），區域間（線路）阻尼比同樣有所降低（－0.0045）。

通過以上數據，可以得出如下結論。

a.與未投入低勵限制和PSS的工況相比，不管低勵限制是否投入以及低勵參數設置為哪組參數，只要投入機組PSS功能，對應發電機組阻尼比都會有很大幅度地提高，線路阻尼比在2臺機都投入PSS時達到最大。由于低勵限制的動作，G1和G2機阻尼比都有一定程度地下降，當低勵參數采用Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30對系統阻尼比影響較小。

b.低勵限制與PSS能夠在較大范圍內保持協調工作，低勵限制動作使系統阻尼比有所降低，但是系統阻尼比沒有因為低勵限制參數的變化而變化很大，只是對系統無功功率的動態特性有較大影響。

2.2 弱系統下低勵限制與PSS協調控制

將系統設置為弱系統，在G1機組機端做階躍試驗，分析如下。

a.G1和G2機組未投入低勵均投入PSS時系統的阻尼比：G1機組為0.239，G2機組為0.328，區域間（線路）為0.364。

b.僅G1機投低勵限制和PSS時系統的阻尼比：當低勵參數為Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機組為0.314，G2機組為0.101，區域間（線路）為0.103；當低勵參數為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10時，G1機組為0.309，G2機組為0.105，區域間（線路）為0.103；當低勵參數為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30，G1機組為0.302，G2機組為0.105，區域間（線路）為0.102。

c.比較2臺機組都投入PSS以及G1機低勵動作與否的工況，由于G1機組低勵動作，當低勵參數為Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1機組的阻尼比有所增加（0.079），G2機組的阻尼比也有所增加（0.051），區域間（線路）阻尼比有所降低（－0.042）；當低勵參數為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10時，G1發電機組阻尼比有所增加（0.076），G2發電機組阻尼比也有所增加（0.015），區域間（線路）阻尼比有所降低（－0.042）；當低勵參數為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時，G1發電機組阻尼比有所增加（0.066），G2發電機組阻尼比也有所增加（0.053 8），區域間（線路）阻尼比有所增加（0.027）。

通過以上數據，可以得出如下結論。

a.在投入PSS后，相應機組的阻尼都變為了強阻尼，區域間的阻尼在2臺機都投入PSS時變為強阻尼；在G1機低勵限制動作后，G1和G2發電機阻尼比有一定幅度提高，區域間（線路）的阻尼比只在低勵參數為Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30時才有所增加，其他兩個參數都將區域間的阻尼比減弱。

b.低勵限制與PSS控制協調總體良好，低勵限制的動作在一定程度上提高了各發電機組的阻尼比，低勵參數的變化對低勵限制與PSS之間的協調配合影響不大，在該弱系統條件下，可以較大范圍調整低勵限制參數。

3 結束語

本文針對在電力系統故障期間發電機勵磁系統輔助環節共同作用過程中的協調控制問題，通過建立系統仿真模型、勵磁系統控制模型及限制環節模型并設置相關參數，采用仿真計算方法，系統分析了勵磁低勵限制、PSS動作時對系統的影響以及相互間的協調關系，可為優化發電機勵磁系統限制模型參數設置等工作提供參考。

［1］ 蔣 亮，朱向榮.勵磁控制系統在改善電力系統穩定性中發揮的重要作用［J］.機械制造與自動化，2006，35（6）：163－164.

［2］ 李文峰，陶向宇.電力系統穩定性計算用勵磁系統數學模型的完善［J］.大電機技術，2012，（3）：55－58.

［3］ 陳冬霞.大電網低頻振蕩研究及其最新進展［J］.東北電力技術，2012，33（11）：33－37.

［4］ 鄧 玲，桂 實，王正風，等.同步發電機數學模型物理含義解析［J］.東北電力技術，2012，33（12）：5－10.

［5］ 韓新華，趙 琰，鄧 瑋，等.電力系統無功優化模型與算法的研究與發展［J］.東北電力技術，2011，32（3）：34－36.

［6］ 盛 超，張俊峰.勵磁附加控制對電力系統穩定器的影響實例分析［J］.廣東電力，2011，24（11）：109－112.

［7］ 丁志東，劉國海.同步發電機勵磁對穩定性影響的研究［J］.大電機技術，2007（9）：60－64.

［8］ 張紹楠，張艷麗，萬葉財，等.變電站電壓無功控制中模糊控制器的設計［J］.東北電力技術，2011，32（7）：16－19.

［9］ 何開教，方鴿飛.發電機勵磁系統調節參數對電力系統動態電壓穩定的影響［J］.機電工程，2012，9（1）：94－96.

［10］ 黃 梅，韓慧云.基于電力系統運行參數的PSS優化［J］.中國電力，2007，40（5）：19－22.

［11］ 姜 甄，張志亮.同步發電機勵磁控制對電力系統穩定性影響［J］.咸寧學院學報，2012，32（6）：22－23.

［12］ 王 青，劉肇旭.發電機低勵限制功能的設置原則［J］.電力系統保護與控制，2011，39（6）：55－60.

［13］ 丁 傲，謝 歡.發電機勵磁調節器低勵限制協調控制分析［J］.電網技術，2012，36（8）：193－198.

［14］ 孫孜平，高春如.自動勵磁調節器整定計算的探討［J］.電力系統自動化，2003，27（3）：68－71.

Study on the Coordination Control Between under Excitation Limiter and PSS Control

LIU Guo?hua，WANG Xiao，HE Wei?guo
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210003，China）

The coordination control of generator excitation limiters has an important impact on the power grid when the power grid breaks down.The paper designs the excitation system control model of master and additional limiter.According to simulation result，the paper analyses the coordination control between under excitation limiter and PSS.In the meantime，the paper provides the reference for typical parameter of excitation limiter.

Excitation system；PSS；Under excitation limiter；Damping ratio

TM31；TM301.2

A

1004－7913（2015）02－0057－03

劉國華（1972—），男，碩士，高級工程師，從事電力系統自動化及發電機勵磁控制研究設計工作。

2014－11－28）