9电力系统稳定计算用励磁系统模型的完善

电力系统稳定计算用励磁系统模型的完善李文锋刘增煌朱方陶向宇候俊贤濮钧晁晖赵红光(中国电力科学研究院系统所，北京100192)ModificationofExcitationSystemModelsforPowerSystemStabilityCalculationLIWenFengLiuZengHuangZhuFangTaoXiangyuHouJunxianPuJunChaoHuiZhaoHongguang(ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,China)ABSTRACT:ComputerModelssuitableforrepresentationofnewerdigital-basedexcitationsystemsinstabilityprogramsareprensentinthispaper.Afterconsideringthedifferenttypesofexcitationsystemsnowinservice,themodifiedExcitationSystemModelsareanaddendumforstabillitycalculationmodelsissuedin1994inChina.ParallPIDModelsandnonwinduplimitsareadded,ThyristorbridgesmodelsandUEL(Under-excitationlimiter)ModelsaremodifiedinthenewExcitationSystemModels.KEYWORDS:ExcitationsystemModels；PowerSystem;StabilityCalculation;ModelIdentification摘要：在已有的电力系统稳定计算用励磁系统模型库的基础上，结合励磁系统的调研和参数测定工作，对1994年提出的励磁系统模型进行了4个方面的改进与完善；增加了并联PID控制；增加了PID控制的限幅环节；对原有可控硅整流器模型进行了补充修订；对低励限制环节（UEL）的限制曲线设置进行了修改。关键词：励磁系统；电力系统；稳定计算；参数测试0引言1968年，IEEE提出了用直流励磁机模型进行模拟的交流励磁机数学模型[1]。为准确模拟交流励磁机带电感负荷时响应，1981年、1992年IEEE更新了提出的交流励磁机数学模型，并对整流器换向作用进行了模拟[2][3]。1990年代以后改进励磁控制的数模工作一直在进行[4]。我们国家在20世纪80年代以前的电力系统分析计算中，发电机的模拟基本采用Eq’恒定的模型，没有励磁系统模型。80年代初，中国电力科学研究院开发了两种励磁模型，不但能模拟一般的直流励磁机励磁系统，也可模拟自并励和它励可控硅励磁系统[10]。中国电机工程学会大电机专委会励磁分委员会，在1989年成立了励磁系统数学模型专家小组，对当时我国现役的大型发电机励磁系统的数学模型进行了深入、广泛的研究，在1991年发表了适用于我国电力系统稳定计算的励磁系统数学模型[6]。此后,中国电力科学研究院结合励磁系统的调研和参数测定工作，于1994年提出了一组更为通用的新型励磁系统模型[7]，共10种。新型励磁模型吸取了IEEE模型的精华，在模型表达上采用高阶的传递函数配合可变的类型选择变量，使同一个模型可以模拟更多的励磁系统，并增加了过励限制、过励保护和低励磁限制功能，以适应中长过程计算的需要。IEEE在1996年也新增了部分数字式励磁系统的数学模型[5]，我国改进励磁模型的工作一直在进行[8][9][11]。1现有励磁控制系统模型在使用中发现的问题在实际工作中发现，1994年提出的励磁模型，仍有需要改进的方面。1994年提出的励磁系统模型在使用中发现的主要问题包括：（1）原励磁系统模型的主控制环节，都采用串联PID控制。现场部分设备采用并联PID控制，在将并联的传递函数转换为转换串联方式时，无法考虑支路限幅等小环节，也存在部分并联PID不能等效转化为串联PID的问题。（2）原励磁系统模型中，当超前滞后环节表述为比例-积分环节时，应设置软限幅；（3）实际低励限制有多种不同实现形式，并且有多种与AVR主环的配合方式，现有的低励限制模型不能完全满足需要。为此，结合励磁系统的调研和参数测定工作，对1994年的励磁系统模型进行了4个方面的改进与完善：(1)增加了并联PID控制(2)增加了PID控制的限幅环节(3)对原有可控硅整流器模型进行了补充修订(4)对低励限制环节的限制曲线设置进行了修改2现有励磁控制系统模型的改进与完善2.1增加并联PID控制为了使发电机端电压静差可能小，要求调压器采用较大的放大倍数，而这种情况下，仍能保证系统稳定的一个较简便的方法，就是在电压调节器中设置动态校正器。动态校正的作用主要是使结构不稳定的系统变为结构稳定的系统；使结构稳定的系统在保证稳定性的条件下，得到较高的允许最大放大倍数以提高电压调节的准确度；以及在保证稳定性的条件下获得较好的动态品质。动态校正器可分为串联校正器及并联校正器。在发电机电压调节器中，领先—滞后校正（又称暂态增益降低）、比例积分校正（可称静态增益放大）的使用很广泛。在一定条件下，并联校正器可转化为串联校正器，但不满足条件时则无法转换，例如：一种并联校正的表达式为：IPDKKKss(1)串联校正的表达式为：3124111VTsTsKKTsTs(2)并联校正环节与串联校正环节的转化：当满足条件240PDIKKK时，公式(1)可等效地转化为公式(2)，此时取KV=0T4=0当不满足240PDIKKK时，公式(1)不可等效地转化为公式(2)。因此，需要增加并联PID校正模型。2.2增加PID控制的限幅环节原励磁系统模型的PID控制部分，当Kv=0时，(1+T1s)/(KV+T2s)变成比例-积分环节，为了防止比例-积分环节的积分饱和现象，励磁控制系统的比例-积分环节中一般采用抗积分饱和法。该方法是在计算U(K)时，首先判断上一时刻的控制量U(k-1)是否已经超出限制范围，若U(K-1)Rmax则只累加负偏差；若U(K-1)-Rmax则只累加正偏差。这种算法可以防止控制量长时间停留在饱和区。在励磁系统模型中，用软限幅环节进行描述。图1软限幅与硬限幅的特性Fig.1windupandNonwinduplimters原PID模型增加软限幅后PID模型图2串联PID模型的增加软限幅Fig.2AddNonwinduplimtertoSeriesPID2.3对原有可控硅整流器模型进行补充修正在自并励励磁系统和它励可控硅励磁系统中，当发电机励磁电流小于等于0时，可控硅整流器不能输出为负电压。因此，对上述两个模型的可控硅整流器模型进行了补充修正。2.4对低励限制环节的限制曲线设置的修改低励限制曲线与发电机定子电压有关，定子电压变化时，限制曲线随之偏移，偏移的深度与定子电压标幺值的平方成正比，公式为：settQUQlim_2limQlim：低励限制实际动作值；Qlim_set：低励限制预先设置值；Ut：目前常用的低励限制型式主要有三种：（1）直线型Q＝K·P＋CK＝tgα一般给定K和C或二点法确定K和C。1212122212QQKPPQQCQPPP（2）圆周型圆心在Q轴上，方程式为，2202202PrQQr)QQ(P一般给定r、Q0，或用两点（P1，Q1）、（P2，Q2）求得220222210212212122210QQProrQQPrQQQQPP21Q由于不同电压水平下容许进相能力是不同的（相同有功），所以应根据电压水平进行修正，直线型2tVCPKQ圆周型22t222t02VrQVQP（3）折线型此为新增加的折线型低励限制。低励限制曲线用五个无功功率值对应五个有功功率值来设定。低励限制整定曲线见表1。图3直线型低励限制Fig.2StraightlinetypeUEL(Under-excitationlimiter)图4圆周型低励限制Fig.4CircumferencetypeUEL(Under-excitationlimiter)图5折线型低励限制Fig.5BrokenlinetpyeUEL(Under-excitationlimiter)表1折线型低励限制整定曲线(机端电压额定)Tab.1ParametersofBrokenlinetpyeUEL(Terminalvoltageisrated)P(p.u.)P1P2P3P4P5Qset(p.u.)Q1Q2Q3Q4Q5注：低励限制整定值采用标幺值，功率基值为发电机视在功率。各分段函数描述如下：If1PPlim_1setQQIf12lim_2121211121setPPPQKPCQQKPPQQCQPPPIf23lim_3232322232setPPPQKPCQQKPPQQCQPPPIf34lim_4343433343setPPPQKPCQQKPPQQCQPPPIf45lim_5454544454setPPPQKPCQQKPPQQCQPPPIf5PPlim_5setQQ图中P和Q分别为发电机的有功功率和无功功率。当发电机的无功出力小于由给定的P--Q曲线确定的最小容许无功时，低励限制器输出一个增励信号，增加发电机的励磁，以增加发电机的无功。3.模型完善的详细说明以自并励励磁系统为例，对励磁系统的改进进行说明。改进后的自并励励磁系统如图6、图7所示：这是励磁变压器由发电机机端取得励磁电源的励磁系统。励磁调节器带有串联PID校正环节(图6)和并联PID校正环节(图7)，Kc为模拟整流器换向压降的系数。调节器的输出电压（即发电机的励磁电压）的限幅值Vrmax和Vrmin与发电机电压成正比，为VT•VRmax和VT•VRmin。VRmax和VRmin分别为发电机端电压为额定值时，励磁调节器的最大输出电压和最小输出电压。图6带有串联PID的自并励励磁系统模型Fig6PotentialSourceExcitationModelwithSeriesPID图7带有并联PID的自并励劢磁系统模型Fig7PotentialSourceExcitationModelwithParallelPID4.结论文章对1994年提出的励磁系统模型进行了4个方面的改进与完善,增加了并联PID控制；增加了PID控制的限幅环节；对原有可控硅整流器模型进行了补充修订；对低励限制环节的限制曲线设置进行了修改。参考文献[1]IEEECommitteeReport,“ComputerRepresentationofExcitationSystems”[R],IEEETrans.onPowerApparatusandSystems,Vol.PAS-87NO.6,PP.1460-1464,June,1968[2]IEEECommitteeReport,“ExcitationSystemModelsforPowerSystemStabilityStudies”[R],IEEETrans.Vol.PAS-100,PP.494-509,February1981[3]IEEERecommendedPracticeofExcitationSystem,“ModelsforPowerSystemStabilityStudies”,IEEEStandard421.51992[S][4]IEEEStd421.1-1996.IEEEStandardDefinitionsforExcitationSystemsforSynchronousMachines(ANSI)[S][5]“ComputerModelsforRepresentationofDigital-BasedExcitat