一种角速度非线性励磁控制器的布点方法
【专利摘要】本发明提出了一种角速度非线性励磁控制器的布点方法。本发明针对的电力系统包含发电机组、负荷、电力网络，其中发电机组又包含发电机、励磁系统、水轮机及其调速系统三部分，分别建立发电机组、负荷、电力网络的线性化方程，进而构建全系统的线性化方程，通过其状态矩阵求取阻尼比，最后确定角速度非线性励磁控制器的最佳布点位置。本发明方法充分发挥确定角速度非线性励磁控制器的最佳布点位置控制效果，提高系统抑制振荡的能力，在电力系统规划层面具有较高的实用价值。
【专利说明】一种角速度非线性励磁控制器的布点方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统控制【技术领域】，尤其是涉及一种角速度非线性励磁控制器的布点方法。
【背景技术】
[0002]就电力系统而言，基于传统的经典控制理论的控制器设计仅针对系统某一特定运行点，无法考虑系统的不确定性因素影响。当系统发生大的扰动，或大规模新能源接入产生大范围波动时，控制器可能无法适应。针对经典控制理论的上述缺点，先进控制理论在电力系统的应用得到了大量的研究。其中，发电机非线性励磁控制器的研究受到了国内外学者的关注，并取得了一定的研究成果。然而，目前的研究仅仅停留在发电机非线性励磁控制器的设计层面，还没有文献涉及非线性励磁控制器布点的相关问题。国内外已经有人做过对PSS和FACTS元件的布点研究，但是还没有涉及到非线性控制器的布点问题。
[0003]假设某电力系统中有η台发电机，现计划在其中的m台发电机上安装非线性励磁控制器，而其他发电机均采用传统励磁机，显然，非线性励磁控制器安装在不同的位置，其控制效果也会不尽相同。为了解决非线性励磁控制器安装在哪台发电机更合适的问题，需要找到一个评判的指标。一方面，该指标能够清晰地揭示出非线性励磁控制器安装在不同的地方，得到的指标值不同；另一方面，该指标能够针对性地反映出非线性励磁控制器的控制效果。控制目标不同的非线性控制器，布点时所选取的评判指标也应当有所区别。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提出一种角速度非线性励磁控制器的布点方法。本发明通过角速度非线性励磁控制器的最佳布点，充分发挥其控制效果，提高系统抑制振荡的能力，在电力系统规划层面具有较高的实用价值。
[0005]本发明针对的电力系统包含发电机组、负荷、电力网络三大部分。其中发电机组又包含发电机、励磁系统、水轮机及其调速系统三部分。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:一种角速度非线性励磁控制器的布点方法，其步骤如下:
[0007]步骤A，选取阻尼比为角速度非线性励磁控制器的评判指标；
[0008]步骤B，建立电力系统的线性模型，通过该模型的状态矩阵求取系统阻尼比；具体过程如下:
[0009]步骤B-1，获取发电机组的线性化方程，其步骤如下；
[0010]步骤B-1-1，获取发电机的线性化方程；
[0011]忽略发电机定子绕组的电磁暂态和励磁系统动态过程，设定汽轮机机械功率恒定，将发电机四阶实用模型在其稳态值线性化，得到发电机的线性化方程:
idM A
-=ω Αω
dt s
= JT^-DAo^-1qwAE1y-1dmAE1d
-[K(u) -、Κι ^K^qm^d - [Km -Wd -尤:)(/(0|]%}
[0012]=丄[δ￡.-AE1 -(X.-Χ'ΛΑ? ]
dt T:, w '丨、d d> ?J
= —[-AE',+(X -X')Alt]
dt ryq q q
iAVd=AE'd-RaAId+X'qMq
\AV=AE'q-X1dAId-RaAIq
[0013]式中，δ是发电机的转子角，ω是发电机的转子角速度，ω3是发电机的同步角速度，E' d，E' q分别是发电机d轴和q轴的暂态电动势，Efq为励磁电动势，Id，Iq分别是发电机d轴和q轴的电流，Ra为定子绕组电阻，Xd, Xq分别是发电机d轴和q轴的同步电抗，
V&Λ' ,分别是发电机d轴和q轴的暂态电抗，Ττ为发电机的惯性时间常数，T' d(l，T' q0分别为发电机d轴和q轴的暂态时间常数，Pffl和D分别为发电机的机械功率和阻尼系数；Vd, Vq分别是机端电压的d轴和q轴分量；Δ表示变量的变化量，所有变量下标带(O)者表不该变量的稳态值；
[0014]步骤B-1-2，获取直流励磁系统的线性化方程；
[0015]发电机励磁系统采用可控硅调节器的直流励磁机，其线性化方程如下:
dAE KF + S,⑶ I ATZ
-JJ- =——^——^AEr +—AVr
dtTe Jq Te r
仏=IavrSfSm
dt Ti R Ti F T1 M
[0016]\ , , ,
性=— W￡) +κ^ —丄
dtT1J,川 TfTfTf
?-ψ-Τ^ 坪⑷导 Mg +^,vd 今 vq.dt TrTrTrTrTr
[0017]式中，Vk是直流励磁机的励磁电压，Vf是励磁电压软负反馈环节的输出，Vm是电压测量与负载补偿环节的输出；X。，KA, Ta, Ke, Te, Kf, Tf均是预整定的系统参数，Tk是测量环节时间常数，Se是励磁机饱和系数，Kcd, Kcq是由系统初值得到的系数；
[0018]步骤B-1-3，获取水轮机及其调速系统的线性化方程；
[0019]水轮机调速系统采用离心飞摆式调速器，水轮机及其调速系统的线性化方程如下:
【权利要求】
1.一种角速度非线性励磁控制器的布点方法，其特征在于，包括步骤如下: 步骤A，选取阻尼比为角速度非线性励磁控制器的评判指标； 步骤B，建立电力系统的线性模型，通过该模型的状态矩阵求取系统阻尼比；具体过程如下: 步骤B-1，获取发电机组的线性化方程，其步骤如下； 步骤B-1-1，获取发电机的线性化方程； 忽略发电机定子绕组的电磁暂态和励磁系统动态过程，设定汽轮机机械功率恒定，将发电机四阶实用模型在其稳态值线性化，得到发电机的线性化方程: 'dAS A -=ο) Αω
dt "
-ΟΔ^-/,/?Π!ΔΓ -//(:(1,Δ￡； 爲、-(XUjC -rv)i_wv} dAE' I
= ^r1-AE:,+(Xil-X^)Alll]
(AVi =AE'-R Al, +Χ'Μ I adadg g
\AVg=AE'g-XfdAId-RaAIg 式中，δ是发电机的转子角，ω是发电机的转子角速度，ω3是发电机的同步角速度，Ei d，E' q分别是发电机d轴和q轴的暂态电动势，Efq为励磁电动势，Id，I,分别是发电机d轴和q轴的电流，Ra为定子绕组电阻，Xd, Xq分别是发电机d轴和q轴的同步电抗，X' d，X' q分别是发电机d轴和q轴的暂态电抗，?\为发电机的惯性时间常数，T' d(l，T'㈨分别为发电机d轴和q轴的暂态时间常数，Pffl和D分别为发电机的机械功率和阻尼系数；Vd，Vq分别是机端电压的d轴和q轴分量；Δ表示变量的变化量,所有变量下标带(O)者表示该变量的稳态值； 步骤B-1-2，获取直流励磁系统的线性化方程； 发电机励磁系统采用可控硅调节器的直流励磁机，其线性化方程如下: dAE.K +SI ——JL = _^e+^e ^ +J_AV dtT1.Jq Te r
cIAV, I ΛΤ/ K1 ΛΙ/ K1 Λ1/ -lt=-YAKVR-^-t ^
+1从'—丄岣 dtTlTyjq TlJr " Tr ^ ^-^ = -—AVm + KcvXcAI, - H Al +^AVd+^lAV 、dt TrTrTr q Tr d Tr q 式中，Vk是直流励磁机的励磁电压，Vf是励磁电压软负反馈环节的输出，Vm是电压测量与负载补偿环节的输出；X。，KA, Ta, Ke, Te, Kf, Tf均是预整定的系统参数，Tk是测量环节时间常数，Se是励磁机饱和系数，Kcd, Kcq是由系统初值得到的系数； 步骤B-1-3，获取水轮机及其调速系统的线性化方程； 水轮机调速系统采用离心飞摆式调速器，水轮机及其调速系统的线性化方程如下:
式中，μ是拉力器活塞的位移，?是飞摆套筒与配压阀活塞的位移差，κα，Ke分别为软反馈的增益和硬反馈的增益，K5是飞摆套筒的位移与转速偏差的比例系数，Ts是接力器的时间常数，Ti是软反馈的时间常数，Τω是等值水锤效应时间常数，Kmll是发电机额定功率与系统基准容量之比； 步骤B-1-4，建立状态向量Axgl ； 将发电机组线性化方程中状态变量按顺序组成向量Axgl:
Axgl = [Δ δ, Δ ω, AEi q, AEi d, AVe, AVf, AVm, Δ μ, Δ ζ, ΔΡω]τ 步骤Β-1-5，获取发电机组的线性化方程； 联立发电机的线性化方程、直流励磁系统的线性化方程和水轮机及其调速系统的线性化方程,得到dq坐标系下发电机组的线性化方程:
式中，AVdqg= [AVd, AVq]T, AIdqg= [AId, Λ IJT，4,? 是比较上式与发电机、直流励磁系统、水轮机及其调速系统线性化方程的联立式得到的系数矩阵； 对上式进行坐标变换，得到xy坐标系下发电机组的线性化方程为:
式中，AVg=[八 Vx，^ Vy]τ, Δ Ig = [ Δ Ix, Δ Iy]T, Agl, Bgl, Cgl, Dgl 是由计算得到的系数矩阵； 步骤B-2，获取含角速度非线性励磁控制器的发电机组的线性化方程，其步骤如下； 步骤B-2-1，获取发电机和角速度非线性励磁控制器的复合系统的线性化方程； 由逆系统方法构造的角速度非线性励磁控制器与发电机构成伪线性系统，该复合系统的线性化方程如下:
式中，kB1，kB2为闭环控制器系数，且ΛΕ',表达式如下:
步骤B-2-2，获取水轮机及其调速系统的线性化方程； 含角速度非线性励磁控制器发电机组的水轮机及其调速系统与之前发电机组的调速系统的模型完全相同，其线性化方程的形式也保持不变:
步骤Β-2-3，建立状态向量Axg2 ； 将含角速度非线性励磁控制器发电机组的线性化方程中状态变量按顺序组成向量Δ xg2:
步骤Β-2-4，获取含角速度非线性励磁控制器发电机组的线性化方程； 得到xy坐标系下含角速度非线性励磁控制器发电机组的线性化方程如下:
式中，AVg= [AVx，AVy]T, AIg= [Δ Ix, Λ Iy]T，Ag2，Bg2，Cg2，Dg2 为系数矩阵； 步骤B-3，形成负荷的线性化方程； 负荷节点注入电流与节点电压之间的关系式为:
Ix, Iy分别是节点注入电流的X轴和I轴分量，vx, Vy分别是节点电压的X轴和y轴分量，&>是稳态时负荷所吸收的功率，Viw是稳态时负荷节点电压； 步骤B-4，获取全系统的线性化方程，通过其状态矩阵求取阻尼比； 步骤B-4-1,获取消去负荷节点电流偏差的电力网络方程； xy坐标系下所有节点的注入电流偏差与节点电压偏差之间的电力网络方程如下: Δ I =YAV 式中，Y是通过潮流计算得到的导纳矩阵； 联立负荷的线性化方程与上述网络方程，消去所有负荷节点的电流偏差，电力系统的网络方程具有如下的矩阵形式:
JYguYulJ^vJ AIg^p AVe分别为全部发电机节点注入电流和节点电压偏差组成的向量；△'为其它节点电压偏差组成的向量，YGG) Ygl, Ylg, Yll是分块系数矩阵； 步骤Β-4-2，获取全部发电机组的线性化方程； 联立电力系统中所有发电机组的线性化方程，包括发电机组和含角速度非线性励磁控制器的发电机组，得到全部发电机组的线性化方程:
式中，Xe是所有发电机组状态变量组成的向量，Ae，Bg, Cg, De是根据各发电机组线性化方程得到的系数矩阵； 步骤B-4-3，获取全系统的线性化方程； 联立消去负荷节点电流偏差的电力网络方程和全部发电机组的线性化方程，消去Λ Ie，得到如下矩阵关系式:
式中，
反C是根据Ae，Be，Ce，De计算得到的系数矩阵； 在上式中消去运行向量Ay，得到:
式中，A为全系统的状态矩阵，且占D它，其特征值为Ai= oi+jcoi;系统的阻尼比计算公式如下:
步骤C，比较各种布点情况下系统的最小阻尼比，确定角速度非线性励磁控制器的最佳布点位置； 设电力系统中有η台发电机，计划在m台发电机上安装角速度非线性励磁控制器，其他发电机均采用传统励磁机，总共有C〗种布点组合；对于第i种布点组合，，根据上面的方法得到当前布点情况下系统的阻尼比，分别记为ζ” ，…，，其中t是状态矩阵Ai的阶数，由下式求得系统的最小阻尼；
^ i,min = HlinU1, ζ 2,…，ζ J 对于Cmn种布点组合，得到C:个系统最小阻尼比，分别记为，“.，…，,那么，使得下式成立的第k种布点组合就是角速度非线性励磁控制器的最佳布点实现；
Ck,min - max [Ci micl，<^2,min，…，Jnin } 式中，BBC1。
【文档编号】H02J3/24GK104135018SQ201410380675
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2014年8月4日
【发明者】张凯锋, 刘成, 唐文杰, 潘文静, 戴先中, 孙玉娇, 郭小江, 郭强, 张玉红 申请人:东南大学, 国家电网公司, 中国电力科学研究院, 国网浙江省电力公司