一種基於二埠網絡的低頻振蕩勵磁阻尼控制方法與流程

2023-10-09 21:14:19 7

本發明屬於電力系統安全保護技術領域,用於抑制低頻振蕩，具體地說是一種基於二埠網絡的低頻振蕩勵磁阻尼控制方法。

背景技術：

在電力系統中，由低頻振蕩所帶來的危害非常嚴重，為了抑制低頻振蕩，一直以來，人們提出了各種各樣的方法。

專利號為201410233221.3的中國發明專利，根據靜止無功補償器的裝設電壓等級和配置容量對低頻振蕩的抑制效果，提出了一種抑制小水電引起低頻振蕩的無功補償器配置方法。這種方法在實現方式上要求採用專用設備。

專利號為201510492277.5的中國發明專利，針對低頻振蕩問題，通過建立廣域電力系統的傳遞函數數學模型，採用PID參數優化方法，提出了廣域時滯阻尼控制器的參數設計方案。此方案參數設計方法較為複雜。

因此，發明一種不需要專業設備就可以實現並且簡單的抑制低頻振蕩的方法，成為目前亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的，旨在提供一種基於二埠網絡的低頻振蕩勵磁阻尼控制方法，以期能夠解決現有技術所存在的上述問題。

本發明為實現上述目的，所採用的技術方案如下：

一種基於二埠網絡的低頻振蕩勵磁阻尼控制方法，它所採用的控制平臺包括發電機、轉速傳感器和勵磁阻尼控制器，所述發電機的轉速信號輸出埠連接轉速傳感器的信號輸入端，所述轉速傳感器的信號輸出端連接勵磁阻尼控制器的信號輸入端，所述勵磁阻尼控制器的信號輸出端連接發電機的勵磁控制信號輸入端；

該基於二埠網絡的低頻振蕩勵磁阻尼控制方法包括依次進行的以下步驟，

(一)用轉速傳感器檢測發電機的轉速，計算出轉速偏差Δω；

(二)將轉速偏差Δω作為勵磁阻尼控制器的輸入信號；

(三)優化勵磁阻尼控制器的參數，使轉速偏差Δω經過勵磁阻尼控制器自身的傳遞函數G(s)後，生成勵磁電壓控制信號uf；

(四)將勵磁電壓控制信號uf輸入發電機，發電機產生附加電磁轉矩ΔTe′，並且轉速偏差ΔTe′和發電機發生低頻振蕩時所產生的附加電磁轉矩ΔTe形成的總轉矩ΔTeΣ與轉速偏差Δω同相位，使低頻振蕩成為正阻尼模式。

作為限定，所述步驟(三)中優化勵磁阻尼控制器的參數是按以下步驟順序進行：

(三1)構建發電機二埠等值網絡模型，得出勵磁電壓控制信號uf與其形成的定子電流id的轉移導納函數關係表達式，其中，

構建發電機二埠等值網絡模型時，以勵磁電壓控制埠為一個埠並且勵磁電壓控制信號uf和勵磁電流信號if為該埠的電壓和電流，以發電機併網點為另外一個埠並且機端電壓d軸分量ud和機端電流d軸分量id為該埠電壓和電流；

(三2)結合步驟(三1)中所構建的發電機二埠等值網絡模型，構建出發電機併網有端接的二埠等值網絡模型，然後針對構建出的發電機併網有端接的二埠等值網絡模型列寫迴路方程，並得出發電機定子電流運算參數表達式；

(三3)推導出附加電磁轉矩ΔTe′的復頻域表達式；

(三4)推導出勵磁阻尼控制器的待優化參數表達式。

作為進一步限定，所述步驟(三1)按照以下步驟順序進行：

(三1a)繪製發電機d軸電壓等值電路；

(三1b)根據所述發電機d軸電壓等值電路，以勵磁電壓控制埠為一個埠並且勵磁電壓控制信號uf和勵磁電流信號if為該埠的電壓和電流，以發電機併網點為另外一個埠並且機端電壓d軸分量ud和機端電流d軸分量id為該埠電壓和電流，構建發電機二埠等值網絡模型；

(三1c)以Y參數矩陣形式表示所述發電機二埠等值網絡模型，即

通過計算上述矩陣中的Y參數，用轉移導納函數表示出勵磁電壓控制信號uf與其形成的定子電流id的關係：

作為再進一步限定，步驟(三2)按照以下步驟順序進行：

(三2a)繪製發電機併網系統等值網路劃分原理圖；

(三2b)根據所述發電機併網系統等值網路劃分原理圖，結合步驟(三1b)中構建的發電機二埠等值網絡模型，構建發電機併網有端接的二埠等值網絡模型；

(三2c)針對所述發電機併網有端接的二埠等值網絡模型，列寫迴路方程，即得出發電機定子電流運算參數表達式：

作為更進一步限定，所述步驟(三3)按照以下步驟順序進行：

(三3a)將附加電磁轉矩ΔTe′的復頻域形式表示為：

ΔTe'(s)＝ψd0Iq(s)-ψq0Id(s)------------------------(式Ⅱ)；

(三3b)根據勵磁控制不產生q軸電流的原理，有Iq(s)＝0，將所述附加電磁轉矩ΔTe′的復頻域形式表達式代入步驟(三2c)中得出的發電機定子電流運算參數表達式，得出勵磁電壓所產生的附加轉矩的復頻域表達式:

設

則

(式Ⅲ中，KG為在勵磁電壓頻率為ωi下GG(s)造成的幅值增益，為在勵磁電壓頻率為ωi下GG(s)造成的相位變化)。

作為最深一步的限定，所述步驟(三4)按照以下步驟順序進行：

(三4a)寫出勵磁電壓控制信號uf與勵磁阻尼控制器自身傳遞函數G(s)的關係表達式：

Uf(s)＝Δω·G(s)，

則--------------(式Ⅳ)(其中，K和分別為在頻率ωi下GG(s)產生的增益和移相，同時K和分別為阻尼控制器待優化參數)；

(三4b)由式IV與式III結合，得設附加電磁轉矩ΔTe′的優化目標的幅值為Kopt、相位為則

即為勵磁阻尼控制器應優化的參數。

本發明由於採用了上述的方案，其與現有技術相比，所取得的技術進步在於：

(1)本發明採用勵磁控制器作為低頻振蕩阻尼控制的儀器，無需額外新增專用設備；

(2)本發明基於二埠網絡分析方法提出的參數設計方法，物理意義明確，參數設計過程嚴格，參數優化結果準確，並且易於實現。

本發明適用於在電力系統中抑制低頻振蕩。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。

在附圖中：

圖1為本發明中低頻振蕩阻尼控制基本原理向量圖；

圖2為本發明實施例的勵磁阻尼控制實現方法原理圖；

圖3為本發明實施例的發電機d軸電壓等值電路；

圖4為本發明實施例的發電機二埠等值網絡原理圖；

圖5為本發明實施例的發電機併網系統等值網路劃分原理圖；

圖6為本發明實施例的發電機併網有端接的二埠等值網絡原理圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明。應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。

實施例一種基於二埠網絡的低頻振蕩勵磁阻尼控制方法

本實施例採用的控制平臺包括發電機、轉速傳感器和勵磁阻尼控制器，其中，發電機的轉速信號輸出端連接轉速傳感器的信號輸入端，轉速傳感器的信號輸出端連接勵磁阻尼控制器的信號輸入端，勵磁阻尼控制器的信號輸出端連接發電機的勵磁控制信號輸入端。

參照圖2所示的勵磁阻尼控制實現方法原理圖，本實施例所提供的基於二埠網絡的低頻振蕩勵磁阻尼控制方法按照以下步驟進行：

(一)用轉速傳感器檢測發電機的轉速為ω＝100ⅹπ+Aⅹejωit(其中：100ⅹπ為工頻額定轉速；A為轉速偏差信號的幅值，振蕩頻率為ωi＝2π低頻振蕩)，則

轉速偏差信號為Δω＝Aejωit＝0.1ej2πt(其中：A＝0.1，ωi＝1ⅹ2ⅹπ＝2π，t表示時間，單位為秒，j為虛數單位)；

(二)將轉速偏差Δω作為勵磁阻尼控制器的輸入信號；

(三)首先，按以下步驟優化勵磁阻尼控制器的參數：

(三1)構建發電機二埠等值網絡模型，得出勵磁電壓控制信號uf與其形成的定子電流id的轉移導納函數關係表達式，具體實現方式按照以下步驟順序進行：

(三1a)根據發電機勵磁控制只作用於同步坐標d軸網絡，繪製發電機d軸電壓等值電路；

圖3所示是發電機d軸電壓等值電路，其中，ψd、ψq分別為d、q軸磁鏈，ψf為勵磁繞組磁鏈，ψD為d軸阻尼繞組磁鏈；if為勵磁繞組電流，iD為阻尼繞組電流；Xl為定子d軸漏抗，Xad為定子d軸繞組與勵磁繞組互感；Xfl為勵磁繞組電抗；ra為定子電阻；ud為發電機端電壓d軸分量，ω為發電機轉速，uf為勵磁電壓，p為微分算子；

(三1b)根據所述發電機d軸電壓等值電路構建發電機二埠等值網絡模型，圖4所示是發電機二埠等值網絡原理圖，其中，以勵磁電壓控制埠為一個埠並且勵磁電壓控制信號uf和勵磁電流信號if為該埠的電壓和電流，以發電機併網點為另外一個埠並且機端電壓d軸分量ud和機端電流d軸分量id為該埠電壓和電流；

(三1c)以Y參數矩陣形式表示所述發電機二埠等值網絡模型，即其中，s表示拉氏算子，且有

在埠1-1'外加電壓Uf(s)，同時短路埠2-2'，有Ud(s)＝0，則

對於頻率為ωi＝2π的信號，計算得到：

其中，j為虛數單位，

將埠1-1'短路，有Uf(s)＝0，同時在埠2-2'施加電壓Ud(s)，則

對於頻率為ωi＝2π的信號，計算得到：

其中，j為虛數單位，

當二埠沒有外接負載，該二埠稱為無端接的，此時，勵磁電壓控制信號uf與其形成的定子電流id的關係可以表示為轉移導納函數，表達式為：

(三2)結合步驟(三1)中所構建的發電機二埠等值網絡模型，構建出發電機併網有端接的二埠等值網絡模型，然後針對構建出的發電機併網有端接的二埠等值網絡模型列寫迴路方程，並得出發電機定子電流運算參數表達式。具體是按照以下步驟順序進行：

(三2a)繪製發電機併網系統等值網路劃分原理圖，圖5所示是發電機併網系統等值網路劃分原理圖；

(三2b)根據所述發電機併網系統等值網路劃分原理圖，結合步驟(三1b)中構建的發電機二埠等值網絡模型，構建發電機併網有端接的二埠等值網絡模型，圖6所示是發電機併網有端接的二埠等值網絡原理圖；

(三2c)針對所述發電機併網有端接的二埠等值網絡模型，列寫迴路方程其中，ZL(s)＝0.5j。計算得出發電機定子電流運算參數表達式：

(三3)推導出ΔTe′的復頻域表達式，按照以下步驟順序進行：

(三3a)根據勵磁控制不產生q軸電流的原理，有Iq(s)＝0。由發電機的穩態運行點，計算得到ψq0＝0.2。

將ΔTe′的復頻域形式表示為ΔTe'(s)＝ψd0Iq(s)-ψq0Id(s)＝-0.2Id(s)-----------(式Ⅱ)

(三3b)將所述附加電磁轉矩ΔTe′的復頻域形式表達式代入式Ⅰ，得出勵磁電壓所產生的附加轉矩的復頻域表達式:

ΔTe'(s)＝-ψq0Id(s)＝-0.2(-0.012845+0.08787j)Uf(s)＝(0.002569-0.01757j)Uf(s)；

定義則

ΔTe'(s)＝GG(s)Uf(s)，

將GG(s)變為指數形式，得到GG(s)＝0.017756e-j1.426

因此，對於頻率ωi＝2π的低頻振蕩，GG(s)造成的增益KG為0.017756，相位變化為-1.426(弧度，折合81.7度)，

則

(三4)推導出勵磁阻尼控制器的待優化參數表達式，按照以下步驟順序進行：

(三4a)寫出勵磁電壓控制信號uf與勵磁阻尼控制器自身傳遞函數G(s)的關係表達式：

Uf(s)＝Δω·G(s)

則

式IV中，K為在頻率ωi＝2π下GG(s)產生的增益，為在頻率ωi＝2π下GG(s)產生的移相，同時K和分別為阻尼控制器待優化參數；

(三4b)式Ⅳ與式Ⅲ結合,得由圖1原理，並理論計算可知附加電磁轉矩ΔTe′的優化目標的幅值為Kopt＝2、相位為φopt＝0.7854，則

即為勵磁阻尼控制器應優化的參數；

即，阻尼控制器的傳遞函數應為G(s)＝112.638ej2.2114，

然後，使轉速偏差Δω經過勵磁阻尼控制器自身的傳遞函數G(s)後，生成勵磁電壓控制信號uf；

(四)將勵磁電壓控制信號uf輸入發電機，發電機產生附加電磁轉矩ΔTe′，並且附加電磁轉矩ΔTe′和發電機發生低頻振蕩時所產生的附加電磁轉矩ΔTe形成的總轉矩ΔTeΣ與轉速偏差Δω同相位，使低頻振蕩成為正阻尼模式。

本實施例的工作原理如下：

參考圖1，發生低頻振蕩時，伴隨發電機轉子擺動，產生轉子角度偏差Δσ和轉速偏差Δω，同時產生附加電磁轉矩ΔTe。當附加電磁轉矩ΔTe與轉速偏差Δω之間的夾角大於90°時，附加電磁轉矩ΔTe將對轉速偏差Δω產生助增作用。此時的低頻振蕩呈現負阻尼狀態。低頻振蕩阻尼控制的基本原理，就是通過控制手段，產生附加電磁轉矩ΔTe′，並且使得ΔTe′與ΔTe的形成的總轉矩ΔTeΣ與轉速偏差Δω同相位，從而使低頻振蕩成為正阻尼模式。

在小擾動條件下，發電機電磁轉矩可以表示為ΔTe′＝ψd0Δiq-ψq0Δid(式①)，其中，Δω、ΔTe分別為發生低頻振蕩時，伴隨發電機轉子擺動產生的轉速偏差、附加電磁轉矩，ψd0、ψq0分別為發電機定子磁鏈d、q軸分量穩態值，Δid、Δiq分別為定子電流d、q軸分量增量。

式①表明，定子電流決定附加電磁轉矩。因此，各種阻尼控制方法均是通過控制定子電流，從而間接控制附加電磁轉矩的幅值和相位，並最終形成阻尼轉矩，而發電機勵磁控制只作用於坐標d軸網絡，因此通過控制d軸定子電流可以間接控制附加電磁轉矩的幅值和相位。

最後應說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明權利要求保護的範圍之內。