基于廣域測量的汽輪發(fā)電機勵磁反步控制方法

盧建剛,戴 月,曾凱文,李世明,龍建平,李德忠

(1.廣東電網(wǎng)電力調度控制中心,廣東 廣州 510600;2.湖南大唐先一科技有限公司,湖南 長沙 410007)

0 引言

電力生產(chǎn)在國民經(jīng)濟中占據(jù)主要地位,電力需求量日益增長,為快速擴展電力系統(tǒng)容量[1],通過汽輪發(fā)電與水利發(fā)電等各類型電源,組建容量較大的電力系統(tǒng),但該電力系統(tǒng)的不確定度較高[2]。發(fā)電機勵磁反步控制屬于提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵手段,其中各類型的發(fā)電機中,對于汽輪發(fā)電機勵磁反步控制的研究較少,為此需研究汽輪發(fā)電機勵磁反步控制方法,為提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性提供新思路[3-4]。

余洋等[5]通過雙線性聚合溫控負荷模型與發(fā)電機勵磁模型,構造發(fā)電機勵磁協(xié)調控制數(shù)學模型,通過反推控制原理,針對協(xié)調控制數(shù)學模型,設計發(fā)電機勵磁協(xié)調控制策略,依據(jù)雙曲正切原理,研究勵磁電壓微分估計方法,減少控制策略計算量,該方法可有效跟蹤發(fā)電機的各被控量,完成發(fā)電機勵磁控制;荊立坤等[6]設計發(fā)電機自適應勵磁控制器,利用高增益擾動觀測器,估計控制器內的擾動,利用改進樽海鞘群算法優(yōu)化控制器參數(shù),該方法可有效控制發(fā)電機勵磁,令發(fā)電機受到擾動后,迅速恢復穩(wěn)定。但這2種方法均無法獲取發(fā)電機的運行數(shù)據(jù),影響發(fā)電機勵磁控制的實時性。

廣域測量系統(tǒng)是以相量測量單元為底層,完成數(shù)據(jù)實時采集的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[7]。為此,提出基于廣域測量的汽輪發(fā)電機勵磁反步控制方法,提升勵磁反步控制效果。

1 汽輪發(fā)電機勵磁反步控制方法

1.1 基于WAMS的控制原理

汽輪發(fā)電機結構如圖1所示。

圖1 汽輪發(fā)電機結構

根據(jù)汽輪發(fā)電機結構,設計勵磁反步控制原理。廣域測量系統(tǒng)(wide area measurement system,WAMS)包含3部分,分別是同步相量測量單元(phasor measurement unit,PMU)、通信網(wǎng)絡與監(jiān)測中心。基于WAMS的汽輪發(fā)電機勵磁反步控制原理如圖2所示。

圖2 反步控制原理

PMU首先通過GPS提供的同步時間信號,對測量的汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù)進行加時標操作,實現(xiàn)汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù)實時測量;再利用通信網(wǎng)絡傳輸實時測量的汽輪機發(fā)電機運行數(shù)據(jù)至監(jiān)測中心,監(jiān)測中心依據(jù)發(fā)電機運行數(shù)據(jù),建立汽輪發(fā)電機勵磁控制模型;最后針對該模型,利用反步法,設計汽輪發(fā)電機勵磁反步控制器,通過徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡的參數(shù)逼近功能,估計控制器內的擾動,對其進行補償,提升勵磁反步控制效果。WAMS可實時得到汽輪發(fā)電機的廣域動態(tài)信息,從汽輪發(fā)電機的全局角度,對其進行監(jiān)測與勵磁反步控制,提升汽輪發(fā)電機運行穩(wěn)定性。

1.2 基于廣域測量的汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù)采集與預處理

WAMS中PMU內GPS接收器負責給出1 PPS的時間標簽信號;經(jīng)過帶通濾波器實時跟蹤測量電力信號傳感器采集的汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù);經(jīng)由采樣脈沖發(fā)生器,分成數(shù)列脈沖序列,令其符合時間與頻率的同步性,并啟動A/D轉換器,實施采集的汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù)模數(shù)轉換[8];通過防混疊濾波器使汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù)頻域混疊情況不再發(fā)生;通過微處理器求解模數(shù)轉換后的汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù)的相量值,采用對稱分量法獲取汽輪發(fā)電機相量值的正序分量。

通過相量描繪汽輪發(fā)電機電壓與電流等運行數(shù)據(jù)的理想信號,測量相量必須測量汽輪發(fā)電機幅值與相角,隨機2個相量在相同時間下,測量獲取的相角差是兩地功角。

利用旋轉相量表示法描繪汽輪發(fā)電機的相量,隨著時間延長,汽輪發(fā)電機相量的相位角呈旋轉變化,且旋轉具備一定的周期性[9-10],在隨機時刻t時,汽輪發(fā)電機相量為

(1)

式中:ω為汽輪發(fā)電機轉子角速度;X為汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù)內的有效信號值;j為虛數(shù);φ為汽輪發(fā)電機初相角。

通過旋轉相量表示法可獲取PMU測量得到的汽輪發(fā)電機相量,汽輪發(fā)電機相量內包含電流、勵磁電壓與轉子角速度等運行數(shù)據(jù)。

為令PMU測量的汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù)可用于后續(xù)勵磁反步控制中,需對其進行預處理,具體步驟如下:

a.汽輪發(fā)電機部分運行數(shù)據(jù)變更成標幺值,PMU測量獲取的汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù)都是有名值,在勵磁反步控制中,需要部分數(shù)據(jù)是標幺值[11]。為此需按照汽輪發(fā)電機額定容量、額定電壓等參數(shù),獲取汽輪發(fā)電機的電壓、電流基值,將其變更成標幺值形式。

b.求解角度。汽輪發(fā)電機勵磁反步控制過程中,需對定子電壓與電流展開Park變換[12],計算d、q和x、y坐標間空間角度,前者為轉子位置,后者為定子繞組位置。令汽輪發(fā)電機功角是δ,功率因數(shù)角是ψ,對汽輪發(fā)電機的機端電壓U1與機端電流I1展開Park變換,即

(2)

式中:ud、uq分別為d軸、q軸的汽輪發(fā)電機電壓;id、iq分別為d軸、q軸的汽輪發(fā)電機電流。

1.3 汽輪發(fā)電機勵磁控制數(shù)學模型

(3)

(4)

通過建立汽輪發(fā)電機勵磁控制數(shù)學模型,得到勵磁反步控制的控制變量,即勵磁繞組電壓v=uf。

1.4 汽輪發(fā)電機勵磁反步控制器設計

o=e2+ξe1

(5)

(6)

(7)

若F2(X2)為準確可知的,那么選取合理的汽輪發(fā)電機勵磁反步控制器v′,可令ρ達到合理的性能指標。

F1(X1)與F2(X2)不符合線性參數(shù)條件,為令汽輪發(fā)電機勵磁反步控制器符合線性參數(shù)條件,需利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡逼近F1(X1)與F2(X2)。

以高斯基函數(shù)φ為RBF網(wǎng)絡函數(shù),令權值是W,誤差是ε,RBF網(wǎng)絡算法為

(8)

式中:z為RBF網(wǎng)絡輸入,即汽輪發(fā)電機運行參數(shù);j′為節(jié)點編號;cj′、bj′為φ的中心向量、基寬;h=[hj′]為φ的輸出;y為RBF輸出,即F1(X1)與F2(X2)的逼近結果。

2 實驗分析

2.1 參數(shù)設置

為了驗證本文提出的基于廣域測量的汽輪發(fā)電機勵磁反步控制方法在實際應用中的有效性,以圖1的汽輪發(fā)電機為實驗對象,進行仿真實驗分析。該汽輪發(fā)電機的參數(shù)設置如表1所示。

表1 汽輪發(fā)電機的參數(shù)設置

該汽輪發(fā)電機通過雙回輸電線,線路電壓等級是220 kV,線路長200 km。利用本文方法在有功調節(jié)、無功調節(jié)與暫態(tài)過程3種應用場景下反步控制該汽輪發(fā)電機勵磁,應用各場景時分別設置100 ms、400 ms、800 ms的恒定時滯,故障開始時間均為1 s。

2.2 汽輪發(fā)電機電流采集結果

利用本文方法采集不同應用場景時該汽輪發(fā)電機的運行參數(shù),以有功調節(jié)應用場景內汽輪發(fā)電機的d軸、q軸電流為例,汽輪發(fā)電機d軸、q軸電流如圖3所示。

圖3 汽輪發(fā)電機d軸、q軸電流采集結果

根據(jù)圖3可知,本文方法可有效采集汽輪發(fā)電機d軸、q軸電流,且采集的電流與實際電流非常接近,說明本文方法進行汽輪發(fā)電機d軸、q軸電流采集的精度較高。實驗證明,本文方法可精準采集汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù)。

2.3 汽輪發(fā)電機勵磁反步控制結果

根據(jù)《電力工程電氣設計規(guī)范》設置功角最高超調量標準為低于70°,轉子角速度最高超調量標準為低于2 rad/s,q軸暫態(tài)電勢最高超調量標準為低于0.02。利用本文方法反步控制3種應用場景時,汽輪發(fā)電機勵磁反步控制后汽輪發(fā)電機功角、轉子角速度、d軸暫態(tài)電勢變化情況如圖4所示。

圖4 3種應用場景時汽輪發(fā)電機勵磁反步控制結果

根據(jù)圖4可知,3種應用場景時,本文方法均可有效反步控制汽輪發(fā)電機勵磁。3種應用場景下,經(jīng)過本文方法勵磁反步控制后汽輪發(fā)電機功角最高超調量均低于70°,完成反步控制時間均大概控制在2 s以內;汽輪發(fā)電機轉子角速度最高超調量均低于2 rad/s,完成反步控制時間也均大概控制在2 s以內;汽輪機q軸暫態(tài)電勢最高超調量均低于0.02 V,完成反步控制時間均大概控制在1 s以內。綜合分析可知,不同應用場景時,本文方法可有效反步控制勵磁,令功角、轉子角速度及q軸暫態(tài)電勢迅速恢復至恒定值,反步控制超調量較小,具備較優(yōu)的汽輪發(fā)電機勵磁反步控制效果。

2.4 勵磁反步控制前后電網(wǎng)穩(wěn)定情況

分析不同恒定時滯時,各應用場景下應用本文方法勵磁反步控制前后該電網(wǎng)的穩(wěn)定情況,分析結果如表2所示。

表2 應用本文方法勵磁反步控制前后電網(wǎng)穩(wěn)定情況

根據(jù)表2可知,3種應用場景下,不同恒定時滯時,應用本文方法勵磁反步控制后,該電網(wǎng)的穩(wěn)定性均較優(yōu),且出現(xiàn)故障時均無需切機,有效降低故障后電網(wǎng)的切機量;應用本文方法前,汽輪發(fā)電機發(fā)生故障后,電網(wǎng)出現(xiàn)失穩(wěn)情況,隨著恒定時滯的延長,切機數(shù)量也隨之增長。實驗證明,應用本文方法后,可確保電網(wǎng)運行穩(wěn)定性,降低電網(wǎng)切機量。

3 結束語

汽輪發(fā)電機勵磁反步控制屬于提升電力系統(tǒng)有功與無功響應的關鍵方法,有效反步控制汽輪發(fā)電機勵磁,可提升電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。為此研究基于廣域測量的汽輪發(fā)電機勵磁反步控制方法,通過廣域測量系統(tǒng)采集汽輪發(fā)電機運行數(shù)據(jù),并依據(jù)反步法設計汽輪發(fā)電機勵磁反步控制器進行反步控制,通過實驗結果可知,本文方法能夠有效反步控制汽輪發(fā)電機勵磁,令發(fā)電機功角與轉子角速度等迅速恢復至穩(wěn)定狀態(tài)。