CN103475291A - 一种发电机在电力***暂态过程中的全过程励磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力***领域的励磁控制方法，具体涉及一种发电机在电力***暂态过程中的全过程励磁控制方法。该方法采用全过程励磁控制装置进行控制，包括下述步骤：（1）将发电机在电力***暂态过程划分为五阶段；（2）分别确定五阶段的判断方法；（3）对五阶段分别进行励磁控制。本发明提供的方法能在短路发生到转子角摆到最大值期间尽可能快、尽可能大的增加励磁；从转子角从最大值摆动到最小值期间迅速强行减磁，能有效减小转子角第一摆的摆幅，增强***的暂态稳定性。

Description

一种发电机在电力***暂态过程中的全过程励磁控制方法

技术领域

本发明涉及电力***领域的励磁控制方法，具体涉及一种发电机在电力***暂态过程中的全过程励磁控制方法。

背景技术

同步发电机的励磁控制作为一种提高电力***暂态稳定性的重要方法，一直备受重视。在输电***出现故障并通过故障元件而将清除故障的暂态扰动中，机端电压会很低。此时自动电压调节器（AVR）可以通过提高励磁电压增大制动转矩，提高暂态稳定性。因此，高顶值励磁电压的高起始响应励磁***应运而生。但是随着保护和开关动作越来越迅速，故障切除时间已经降低到0.1s的水平。由于励磁***时间常数和转子绕组时间常数的制约，励磁电流和制动转矩很难在这么短的时间内显著增长，对暂态稳定的影响甚微。

随着控制理论的发展，科研工作者们也提出了一些新的用于提高暂态稳定性的励磁控制方法，如最优变目标控制、非线性多变量控制、非线性自适应控制、变结构控制等。然而，这些控制方法普遍存在着计算复杂、不能适应***运行状态的变化、对电力***的简化和假设不合理等问题。

从短路故障切除到转子角摆到第一摆最大值的这段时间内，强行励磁能够对暂态稳定起到正面作用。一般情况下，这段时间远大于从故障切除到机端电压升高到额定值的时间。而目前的高顶值励磁电压和高起始响应励磁***只在故障切除到机端电压升高到额定值的这段时间发挥作用。因此，强行励磁在提高暂态稳定方面还有很大潜力。如果能在短路发生到转子角摆到最大值期间尽可能快、尽可能大的增加励磁；从转子角从最大值摆动到最小值期间迅速强行减磁，就能有效减小转子角第一摆的摆幅，增强***的暂态稳定性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种发电机在电力***暂态过程中的全过程励磁控制方法，该方法能在短路发生到转子角摆到最大值期间尽可能快、尽可能大的增加励磁；从转子角从最大值摆动到最小值期间迅速强行减磁，能有效减小转子角第一摆的摆幅，增强***的暂态稳定性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种发电机在电力***暂态过程中的全过程励磁控制方法，其改进之处在于，所述方法采用全过程励磁控制装置进行控制，所述方法包括下述步骤：

（1）将发电机在电力***暂态过程划分为五阶段；

（2）分别确定五阶段的判断方法；

（3）对五阶段分别进行励磁控制。

优选的，所述全过程励磁控制装置的启动和退出通过逻辑控制器实现；

所述全过程励磁控制装置包括五阶段励磁控制模块、加法器、电力***稳定器PSS和自动电压调节器AVR；所述五阶段励磁控制模块的输出电压、电力***稳定器PSS的输出电压以及外部电源的电压一起输入到加法器中得到参考电压；参考电压输入到自动电压调节器AVR中进行调节后输入到发电机中；

所述全过程励磁控制装置进行控制时监测发电机电压、有功功率和角速度。

优选的，所述步骤（1）中，五阶段分别如下：

①第一阶段：从短路发生到短路切除；第一阶段的持续时间为0.06s～0.1s；

②第二阶段：从短路切除的时刻到转子角摆到最大值的时刻；第二阶段存在本地振荡和区域间振荡两种模式，前者对应的时间为0.4s～0.8s，后者对应的时间为1s～2.5s；第二阶段增大发电机制动矩，抑制转子角的摆动；

③第三阶段：转子角从最大值摆动到最小值的时段；转子角摆过最大值，意味着制动转矩已经超过原动机的驱动转矩，第三阶段降低制动转矩，减小转子角回摆的幅度；

④第四阶段：转子角后续摆动过程，这个过程为3～6个摆动周期的时间；

⑤第五阶段：转子角振荡平息阶段，电力***进入故障后的静态稳定状态。

优选的，所述步骤（2）中，电力***正常运行时，转子角速度ω_g等于电网侧的角速度ω_v，即Δω＝ω_g-ω_v＝0；

五阶段的判断方法如下：

当转子角速度大于电网侧的角速度，即Δω＞0时，功角增加，第一阶段开始；功角一直增加到Δω＝0时，功角达到最大值，第二阶段结束；Δω随即小于0，进入第三阶段；当Δω再次等于0时，功角达到最小值，第三阶段结束，之后进入第四阶段，功角后续摆动，直到摆动停止后进入第五阶段。

优选的，所述步骤（3）中，对五阶段进行励磁控制包括：

在第一阶段开始到第二阶段结束，在全过程励磁控制装置中装设限幅器；或在自动电压调节器AVR的电压参考点上附加正的参考电压，增加励磁；所述正的参考电压的范围为10%-20%的发电机的额定电压；

在第三阶段，切除正的参考电压，在自动电压调节器AVR的电压参考点上附加负的参考电压，减少励磁；负参考电压的取值范围为发电机额定电压的-10%～-20%；

在第四阶段和第五阶段，附加的参考电压均退出，由电力***稳定器PSS、自动电压调节器AVR进行励磁控制。

较优选的，附加正的参考电压的启动条件是：当发电机的转速、机端电压和有功功率变动且超过限值（限值的参考值为：在短时间(例如0.1s)内，转速上升3%，机端电压下降20%，有功功率下降25%）时，将正的参考电压附加到自动电压调节器AVR的电压参考点上；附加正的参考电压的退出条件是：当发电机侧的角速度差小于电网侧角速度，切除正的参考电压。

附加负的参考电压的启动条件是：当发电机侧的角速度差小于电网侧角速度时，将负的参考电压附加到自动电压调节器AVR的电压参考点上；附加负的参考电压的退出条件是：当发电机侧的角速度差大于电网侧角速度时，切除负的参考电压。

优选的，所述全过程励磁控制装置在发电机暂态过程中动作一次，即作用于发电机故障后功角的第一摆。

优选的，所述发电机采用同步发电机。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、把暂态过程分为五个阶段进行励磁控制能够有效抑制***在故障后的振荡幅值和时间，大幅提高电力***的暂态稳定性。与快关汽门等传统的提高电网大干扰稳定性方法相比，虽然全过程励磁控制的效果与其基本相同，但它的经济性和安全性都更优。与最优变目标控制、非线性多变量控制、非线性自适应控制、变结构控制等繁琐的非线性控制策略相比，全过程励磁控制具有原理清晰、控制规律简单、鲁棒性强、效果明显和容易实现的优点。实际工程应用时，在快关汽门、电阻制动、切机、静止无功补偿等众多措施中，应该优先选择全过程励磁控制，因为它不仅投资小，效益高，而且对发电机、锅炉和汽机的冲击最小。

2、全过程励磁控制简单、可靠、容易并且便于工程应用，是一种短期快速而又经济有效的办法。

3、本发明提供的发电机在电力***暂态过程中的全过程励磁控制方法，能在短路发生到转子角摆到最大值期间尽可能快、尽可能大的增加励磁；从转子角从最大值摆动到最小值期间迅速强行减磁，能有效减小转子角第一摆的摆幅，增强***的暂态稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的发电机在电力***暂态过程中的全过程励磁控制方法流程图；

图2是本发明提供的暂态过程的五个阶段的示意图；

图3是本发明提供的具体实施例的全过程励磁控制装置的模型图；

图4是本发明提供的全过程励磁控制的控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的发电机在电力***暂态过程中的全过程励磁控制方法采用全过程励磁控制装置进行控制。

该方法的流程图如图1所示，包括下述步骤：

（1）将发电机在电力***暂态过程划分为五阶段，本发明提供的暂态过程的五个阶段的示意图如图2所示：

在暂态过程中，发电机的机端电压、功角、有功功率和转速都在不断变化，对励磁的要求也会相应发生变化，本发明把暂态过程划分为五个阶段，分别如下：

①第一阶段：

这个阶段是从短路发生到短路切除。一般情况下，这个阶段只有0.06s～0.1s。

②第二阶段：

这个阶段是指从短路切除的时刻到转子角摆到最大值的时刻。第二阶段存在本地振荡和区域间振荡两种模式，前者对应的时间较短，约为0.4s～0.8s，后者对应的时间约为1.0s～2.5s。这个阶段需要增大制动矩，抑制转子角的摆动。

③第三阶段：

这个阶段是转子角从最大值摆动到最小值的时段。转子角摆过最大值，意味着制动转矩已经超过原动机的驱动转矩，需要降低制动转矩，减小转子角回摆的幅度。

④第四阶段：

这个阶段指转子角后续摆动过程。

在前面三个阶段内，励磁控制的主要作用是提供与角度成正比的同步转矩，防止发电机在第一摆中失去同步，这样做有可能会引入负的阻尼，此时励磁控制应提供足够的阻尼，以平息振荡。

⑤第五阶段：

在这个阶段，振荡逐渐平息，***进入故障后的静态稳定状态。

（2）分别确定五阶段的判断方法：

划分暂态过程五阶段的主要依据是发电机功角。但在工程实际中，发电机功角难以测量，无法直接看到发电机功角是否达到了最大值或最小值。本发明采用转子角速度的积分近似发电机功角。

***正常运行时，转子角速度ω_g等于电网侧的角速度ω_v，即Δω＝ω_g-ω_v＝0。

五阶段的判断方法如下：

当转子角速度大于电网侧的角速度，即Δω＞0时，功角增加，第一阶段开始；功角一直增加到Δω＝0时，功角达到最大值，第二阶段结束；Δω随即小于0，进入第三阶段；当Δω再次等于0时，功角达到最小值，第三阶段结束，之后进入第四阶段，功角后续摆动，直到摆动停止后进入第五阶段。

为了避免频繁強行励磁给同步电机造成冲击，全过程励磁控制只在暂态过程的第一摆发挥作用。为了装置在避免后续摆动中误动作，还增加了同步发电机机端电压和有功功率作为辅助判断信号。只有当电机的电压、功率和角速度都有突然变动，且都超过设定的限值，（限值的参考值为：在短时间(例如0.1s)内，转速上升3%，机端电压下降20%，有功功率下降25%。）时，才认定暂态过程第一阶段开始。

（3）对五阶段分别进行励磁控制：

暂态过程的第一阶段时间非常短，即使是它励磁晶闸管***，励磁电流也很难在这么短的时间内明显增长。特别是当发生发电机近端短路时，发电机与***之间的等值阻抗大大增加，发电机输出功率大幅度减小，励磁电流增加带来的正面效应会进一步减小。但对于远端短路的发电机，高顶值快速励磁可以起到一定的保持***暂态稳定性的作用。

在多数情况下，机端电压在短路故障切除时已经接近额定电压，经过很短的时间，强励就会返回。只有高顶值励磁电压和快速响应的励磁***才能使强励在短时间内发挥明显作用。励磁电压最大值越高，对励磁绕组的绝缘水平和励磁***容量的要求也越高，励磁***的投资就越大。

暂态过程的第二阶段转子角度不断增大，并且这时***与发电机间的等值阻抗大为减小，使得强励的作用大为增强。这个阶段常规的电压调节器可能出现两种情况：

a、多数情况下，短路切除时的发电机电压已相当接近额定电压，只需很短的时间，电压即升到额定值，强励也就随即退出。

b、如果短路切除非常快，例如小于0.07秒，强励倍数又很高，则短路切除时的电压就高于额定电压，励磁控制会进行减小励磁。这将给暂态稳定带来负面作用，这种情况下励磁控制没有起到减小第一摆的作用。

强行励磁应该一直保持到转子达到按区域间模式摆动的最大摆角，也就是让励磁控制产生一个附加的正的与角度成正比的同步转矩。但常规励磁控制，不论对上述哪种情况都不能作到这点。

暂态过程的第三阶段，制动转矩大于驱动转矩，转子向角度减小的方向运动。要避免由于强励继续作用造成过分制动，使反向摆幅增大，以致在第二摆或以后的摆动中失去同步。这时励磁控制应使励磁电流及制动转矩减小，最好是强行减磁，使励磁电压为负值。

如上所述，强行励磁在提高暂态稳定方面还有很大潜力。在确保机端电压不超过安全要求的前提下，根据上述五个阶段的特点，有针对性的对每个阶段采取不同的控制策略，把强励时间延长到转子角摆动到发电机功角第一摆最大值的时刻，然后在从第一摆的最大值到最小值的时段内强行减磁，就能有效减小转子角第一摆的摆幅，增强***的暂态稳定性。

第一阶段和第二阶段：

为了使强励一直保持到转子角摆动到最大值的时刻，就要在励磁控制中附加一个与转子角成正比的正阻尼转矩。为了实现这一目的，可以把转子角速度的积分近似为转子功角，送至电压调节器进行控制；也可以针对某些特定故障，提前构造出区域间振荡摇摆角的近似信号，从而事先确定励磁控制的增大/减小。在上述方法中，单独存在的强励保持信号有可能会与AVR和PSS的调节信号发生冲突，不能始终把机端电压维持在最高极限值，又容易使机端电压过大，所以必须装设限幅器。

一种更好的办法是，在AVR的电压参考点上附加一个正的参考电压。这样可以解决三个问题。第一，附加正的参考电压，相当于增大了AVR的给定电压，从而使励磁增大，始终把定子电压维持在较高的水平。第二，故障切除后继续增大励磁，必然带来定子过电压，但10%-20%的短时过电压是允许的。所以10%-20%的附加参考电压可以保持定子电压不超过极限值。当然，也可以设置限幅器提高安全性。第三，根据故障信号和转子角速度、功率、电压的变化情况决定附加参考电压投入和退出时机，可以比较准确的控制强励时间，使其作用在第一阶段和第二阶段。

第三阶段：

同样采用第二阶段的控制方法，在第三阶段开始时，退出正的附加参考电压，投入负的附加参考电压，如-0.05p.u.。如果是自并励励磁***，励磁电压迅速下降会使晶闸管工作于逆变状态，产生负励磁电压，形成负的制动转矩。从这一点上来说，自并励励磁***比其他励磁***更适合进行暂态过程的五阶段控制。

第四阶段和第五阶段：

进入第四阶段后，励磁控制的目标就变成提供***阻尼，让转子摆动逐渐衰减。

第五阶段的目标是保证***的静态稳定极限达到最大可能的极限值——事故后的线路功率极限。由于事故使得***切除了线路，事故后的静稳定极限必然会降低。如事故前输出的功率，超过了事故后的静态稳定功率极限，则即使前面的振荡平息了，在进入稳态后，仍然会出现滑行失步或逐渐增幅的振荡，以致失步。

在第四阶段和第五阶段，附加的参考电压都退出，由AVR和PSS进行控制。为了实现上述目的，智能全过程控制必须采用快速响应、高增益的励磁***，同时配备性能良好的，适应性高的PSS。为了使PSS能在故障前后都具有足够的阻尼比，可以在这个阶段短时将PSS的输出限幅增大15%到20%，具体数值需要根据计算结果确定。

实施例

本发明提供的具体实施例的全过程励磁控制装置的模型图如图3所示，全过程励磁控制装置的启动和退出通过逻辑控制器实现；所述全过程励磁控制装置包括五阶段励磁控制模块、加法器、电力***稳定器PSS和自动电压调节器AVR；所述五阶段励磁控制模块的输出电压、电力***稳定器PSS的输出电压以及外部电源的电压一起输入到加法器中得到参考电压；参考电压输入到自动电压调节器AVR中进行调节后输入到发电机中；全过程励磁控制装置进行控制时监测发电机电压、有功功率和角速度。本发明提供的全过程励磁控制的控制逻辑图如图4所示。

控制部分有a和b两个输出，当a为1时，将正的附加参考电压加到AVR的电压参考点上；当b为1时，将负的附加参考电压加AVR的电压参考点上。

附加正参考电压的启动条件是：逻辑控制器检测到发电机的电压及功率有突然变动，超过一定限值，并且角速度偏差亦超过一定限值。此时a为1，并采用反馈使逻辑开关自保持。退出条件是：角速度差小于等于零。此后a为0，从而将附加的正参考电压断开。

附加负参考电压的启动条件是：逻辑控制器检测到a由1变为0，且转速偏差小于一定限值。此时b为1，并采用反馈使逻辑开关自保持。退出条件是：角速度差大于等于零。此后b为0，从而将附加的负参考电压断开，仅由AVR和PSS控制。

由于全过程励磁控制的启动条件比较苛刻，而第三阶段的启动又是建立在第二阶段退出的基础上，因此可有效避免控制装置的误动。同时，模型中还设置了一定的可调参数，用于控制第二阶段和第三阶段的投切条件，使模型具备了较好的自适应能力。

为了避免频繁強行励磁给同步电机和锅炉汽机造成冲击，整个暂态过程中，全过程励磁控制只动作一次，即只作用于故障后功角的第一摆。

本发明提供的发电机在电力***暂态过程中的全过程励磁控制方法将暂态过程分为五个阶段，在不同的时间阶段，在PSS的输出端附加不同的参考电压值。从第一阶段开始到第二阶段结束，附加一个正参考电压，尽可能快、尽可能大的增加励磁；第三阶段切除附加参考电压，附加反向参考电压；第四和第五阶段使用PSS平息振荡。全过程励磁控制简单、可靠、容易并且便于工程应用，是一种短期快速而又经济有效的办法。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种发电机在电力***暂态过程中的全过程励磁控制方法，其特征在于，所述方法采用全过程励磁控制装置进行控制，所述方法包括下述步骤：

（1）将发电机在电力***暂态过程划分为五阶段；

（2）分别确定五阶段的判断方法；

（3）对五阶段分别进行励磁控制。

2.如权利要求1所述的全过程励磁控制方法，其特征在于，所述全过程励磁控制装置的启动和退出通过逻辑控制器实现；

所述全过程励磁控制装置包括五阶段励磁控制模块、加法器、电力***稳定器PSS和自动电压调节器AVR；所述五阶段励磁控制模块的输出电压、电力***稳定器PSS的输出电压以及外部电源的电压一起输入到加法器中得到参考电压；参考电压输入到自动电压调节器AVR中进行调节后输入到发电机中；

所述全过程励磁控制装置进行控制时监测发电机电压、有功功率和角速度。

3.如权利要求1所述的全过程励磁控制方法，其特征在于，所述步骤（1）中，五阶段分别如下：

①第一阶段：从短路发生到短路切除；第一阶段的持续时间为0.06s～0.1s；

②第二阶段：从短路切除的时刻到转子角摆到最大值的时刻；第二阶段存在本地振荡和区域间振荡两种模式，前者对应的时间为0.4s～0.8s，后者对应的时间为1s～2.5s；第二阶段增大发电机制动矩，抑制转子角的摆动；

③第三阶段：转子角从最大值摆动到最小值的时段；转子角摆过最大值，意味着制动转矩已经超过原动机的驱动转矩，第三阶段降低制动转矩，减小转子角回摆的幅度；

④第四阶段：转子角后续摆动过程，这个过程为3～6个摆动周期的时间；

⑤第五阶段：转子角振荡平息阶段，电力***进入故障后的静态稳定状态。

4.如权利要求1所述的全过程励磁控制方法，其特征在于，所述步骤（2）中，电力***正常运行时，转子角速度ω_g等于电网侧的角速度ω_v，即Δω＝ω_g-ω_v＝0；

五阶段的判断方法如下：

当转子角速度大于电网侧的角速度，即Δω＞0时，功角增加，第一阶段开始；功角一直增加到Δω＝0时，功角达到最大值，第二阶段结束；Δω随即小于0，进入第三阶段；当Δω再次等于0时，功角达到最小值，第三阶段结束，之后进入第四阶段，功角后续摆动，直到摆动停止后进入第五阶段。

5.如权利要求1所述的全过程励磁控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中，对五阶段进行励磁控制包括：

在第一阶段开始到第二阶段结束，在全过程励磁控制装置中装设限幅器；或在自动电压调节器AVR的电压参考点上附加正的参考电压，增加励磁；所述正的参考电压的范围为10%-20%的发电机的额定电压；

在第三阶段，切除正的参考电压，在自动电压调节器AVR的电压参考点上附加负的参考电压，减少励磁；负参考电压的取值范围为发电机额定电压的-10%～-20%；

在第四阶段和第五阶段，附加的参考电压均退出，由电力***稳定器PSS、自动电压调节器AVR进行励磁控制。

6.如权利要求5所述的全过程励磁控制方法，其特征在于，附加正的参考电压的启动条件是：当发电机的转速、机端电压和有功功率变动且超过限值时，将正的参考电压附加到自动电压调节器AVR的电压参考点上；附加正的参考电压的退出条件是：当发电机侧的角速度差小于电网侧角速度，切除正的参考电压。

附加负的参考电压的启动条件是：当发电机侧的角速度差小于电网侧角速度时，将负的参考电压附加到自动电压调节器AVR的电压参考点上；附加负的参考电压的退出条件是：当发电机侧的角速度差大于电网侧角速度时，切除负的参考电压。

7.如权利要求1所述的全过程励磁控制方法，其特征在于，所述全过程励磁控制装置在发电机暂态过程中动作一次，即作用于发电机故障后功角的第一摆。

8.如权利要求1-7中任一项所述的全过程励磁控制方法，其特征在于，所述发电机采用同步发电机。

Images