基于電磁耦合的電網(wǎng)定向電壓勵磁自適應調(diào)控

張鑫，李甲駿，李世昌，王江淮，雷文煥

(1.河北張河灣蓄能發(fā)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(fā)電極端的電壓，保證同步發(fā)電機的穩(wěn)定運行，這是電網(wǎng)經(jīng)濟運行的基本條件。隨著我國用電量的增大，發(fā)電機單機的容量和電網(wǎng)規(guī)模也在隨之擴大，因此電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定面臨著嚴峻的考驗[1-2]。水電機組中的勵磁系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)故障狀態(tài)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(wěn)定電壓與發(fā)電機額定轉(zhuǎn)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(shù)值可以提高到3-4[3]。在傳統(tǒng)的勵磁調(diào)控方法中，一般使用PID模糊調(diào)控，在發(fā)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(tǒng)的參數(shù)不準確，導致電壓上升的時間比較慢，影響電網(wǎng)供電結果[4-5]。提高勵磁的控制功能是維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定最經(jīng)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(wǎng)定向電壓勵磁自適應調(diào)控方法研究

1.1 建立水電機組勵磁數(shù)學模型

水電機組中的定向電壓勵磁調(diào)控主要通過控制勵磁電壓來調(diào)節(jié)發(fā)電機端電壓[6]，經(jīng)過簡化后的勵磁系統(tǒng)結構,如圖1所示。

圖1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)結構

同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)不僅要維持電壓穩(wěn)定，還需要對機組的無功發(fā)送進行調(diào)節(jié)[7-8]。勵磁系統(tǒng)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(diào)節(jié)器(AVR)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)接收到調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制信號，并提供勵磁電流給發(fā)電機轉(zhuǎn)子，在這過程中的傳遞函數(shù),如式(1)。

(1)

式中,Ef表示勵磁機傳送給發(fā)電機的勵磁電壓;UR表示勵磁調(diào)節(jié)器的輸出電壓;KE表示自勵系數(shù)，當勵磁狀態(tài)為他勵時，KE的值為1;SE表示飽和系數(shù)，飽和程度越高，系數(shù)越大；TE表示勵磁機的時間常數(shù);AVR負責接收電壓測量信號，并將誤差信號轉(zhuǎn)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(diào)差后的輸出電壓;UT表示發(fā)電機端電壓;IT表示定子電流;Rc表示調(diào)差電阻;xc表示調(diào)差電抗;KR表示電壓比例系數(shù);TR表示測量時間常數(shù)。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(shù),如式(4)。

(4)

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

圖2 勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型

1.2 設計電磁耦合結構

為了實現(xiàn)電網(wǎng)定向電壓勵磁的自適應調(diào)控，需要構建電磁耦合結構。本文將永磁同步發(fā)電機與普通電勵磁電機相結合，使得轉(zhuǎn)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(chǎn)生一定的磁通[10-11]，實現(xiàn)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(huán)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(nèi)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(fā)電機工作過程中能夠感應到AVR反饋系數(shù)的變化，為勵磁調(diào)控奠定基礎。至此完成電磁耦合結構的設計。

(a)

(c)

1.3 優(yōu)化勵磁調(diào)節(jié)器

在自適應調(diào)節(jié)過程中，主要使用蟻群算法來完成調(diào)控。傳統(tǒng)的蟻群算法會設定參數(shù)作為初始值，但是可能會丟失最優(yōu)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(nèi)篩選，全局搜索最優(yōu)解。并根據(jù)搜索過程中路徑分布均勻度，實現(xiàn)動態(tài)的自適應調(diào)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(yōu)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(diào)節(jié)效果，要掌握好聚度的大小。當有m只螞蟻從某節(jié)點x到另外的若干節(jié)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(shù)分別為a1、a2、…、ar，那么節(jié)點x的聚度,如式(5)。

(5)

設r條路徑中，有螞蟻經(jīng)過的路徑數(shù)量為s，那么節(jié)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(shù)量較少的較優(yōu)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(tài)自適應調(diào)節(jié)，能夠改善蟻群搜索速度，對于勵磁系統(tǒng)的電壓控制效果更佳理想。當節(jié)點聚度較大，說明上次迭代過程中，從該節(jié)點到另外節(jié)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(zhuǎn)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(shù)和信息素等相應數(shù)量，隨機生成路徑，對各點的信息素濃度進行調(diào)整更新，設置最大迭代次數(shù)，計算路線轉(zhuǎn)移概率，最終提取到最優(yōu)參數(shù)。至此完成基于電磁耦合的電網(wǎng)定向電壓勵磁自適應調(diào)控方法的設計。

2 發(fā)電機組勵磁仿真實驗

2.1 設計仿真環(huán)境

仿真實驗主要對空載階躍、空載短路以及功率因數(shù)為0.98時階躍、短路進行實驗。為了更好地檢測本文調(diào)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(fā)電機為水輪機組。系統(tǒng)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(fā)電機的參數(shù),如表1所示。

圖5 簡化的測試系統(tǒng)結構圖

表1 發(fā)電機參數(shù)

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(shù)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(shù)選取水輪機組的實際參數(shù)，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(tài)時間為0.1秒；在負載實驗中，令功率因數(shù)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(tài)時間為0.1秒。上述實驗過程中，分別使用本文設計的調(diào)控方法和傳統(tǒng)PID調(diào)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(jīng)過兩組典型的仿真測試，得到兩種調(diào)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(shù)為0.98時的試驗結果;圖6(b)為空載實驗結果。根據(jù)圖6能夠得到實驗結果各項數(shù)據(jù)的報表,如表2所示。

從得到的實驗結果可以看出，傳統(tǒng)的PID調(diào)控方法雖然電壓沒有出現(xiàn)震蕩和超調(diào)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(diào)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(shù)，完成了整體參數(shù)的調(diào)控，且本文調(diào)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(diào)控方法對于調(diào)控電壓方面的性能要優(yōu)于PID調(diào)控方法。

(a)

(b)

表2 實驗結果表

3 總結

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行是發(fā)電機組的基本需求，為了保證電力系統(tǒng)在受到外界干擾時，具有較高的抗干擾能力，需要在電網(wǎng)中加入勵磁系統(tǒng)來平衡控制電壓。本文針對勵磁調(diào)控方法存在的一些弊端，設計了一種基于電磁耦合的電網(wǎng)定向電壓勵磁自適應調(diào)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(wěn)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。