一种与低励限制功能相协调的电力系统稳定器配置方法与流程

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种与低励限制功能相协调的电力系统稳定器配置方法。
背景技术：
：低励限制(UEL)作为励磁系统中一项重要的辅助功能，其作用在于到防止发电机因进相过深而失稳，防止定子铁芯端部过热和降低发电机失磁保护误动的风险。UEL按接入励磁系统方式的不同可划分为叠加型和选择型2种类型，前者目前应用更为广泛。UEL以机组实时有功Pt，无功Qt和机端电压Ut为输入变量。根据Pt和Ut计算获得的实时的UEL无功边界值QVR，将QVR与Qt的差值信号经过一个超前—滞后环节输出至励磁系统电压叠加点。电力系统低频振荡是振荡频率在0.1～2Hz范围内的电气量的持续振荡现象，在弱联系、远距离、重负荷输电线路上更容易出现。低频振荡产生的主要原因是现代电力系统采用的快速且高放大倍数励磁系统使电力系统原有的正阻尼减弱甚至出现负阻尼。电力系统稳定器(PSS)已经被证实为一种抑制低频振荡的有效手段，并且已经广泛应用于现代电力系统中。PSS的基本原理是引入母线频率变化信号、加速功率信号、轴滑差值信号、电磁功率差值信号中的一种或几种，通过控制环节补偿励磁系统的相位滞后特性，产生一个附加的阻尼转矩以抑制低频振荡。《电力系统稳定器整定实验导则》(DL/T1231‐2013)中规定了工程上基于相位补偿法确定PSS参数的整定方法。因为UEL和PSS的输出信号均输出至励磁系统电压叠加点，二者在机组受扰动态过程中均参与励磁调节而相互影响，传统的PSS参数无法起到理想的效果，现场已发生多起因UEL作用使得电力系统动态稳定性恶化的案例。技术实现要素：本发明的目的是提供一种与低励限制功能相协调的电力系统稳定器配置方法，构建并求解考虑低励限制动作时新增电力系统稳定器的超前‐滞后环节时间常数的优化数学模型，该优化数学模型的构建避免了低励限制投入对系统动态稳定性的恶化作用。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种与低励限制功能相协调的电力系统稳定器配置方法，所述方法包括以下步骤：(1)设置基于低励限制边界线的发电机典型进相运行工况点集合；(2)考虑低励限制未动作时传统电力系统稳定器PSS1投入的情况，基于单机‐无穷大系统Heffron‐Phillips模型，确定PSS1经过励磁环节产生的电磁转矩增量信号相对于PSS输入信号的开环传递函数GX(s)；(3)考虑低励限制动作时新增电力系统稳定器PSS2投入的情况，基于单机‐无穷大系统扩展Heffron‐Phillips模型，确定PSS2经过励磁环节产生的电磁转矩增量信号相对于PSS2输入信号的开环传递函数G′X(s)；(4)利用传递函数GX(s)和G′X(s)，构建PSS2的超前‐滞后环节时间常数的优化数学模型并求解。优选的，所述步骤(1)中设置基于低励限制边界线的发电机典型进相运行工况点集合包括2个工况点；针对发电机通过联系阻抗jXe接入无穷大容量的母线构成的单机‐无穷大系统，以发电机额定视在功率SN和额定电压UN为基准值，定义工况点1的有功功率P1、无功功率Q1、机端电压U1和联系电抗Xe1为：P1＝0.5pu，Q1＝‐0.1+QVR1pu，U1＝1.0pu，Xe1＝0.4pu；其中，QVR1为根据已知的低励限制边界线函数，QVR＝f(P,U)，将P1和U1带入后计算的值；定义工况点2的有功功率P2、无功功率Q2、机端电压U2和联系电抗Xe2为：P2＝1pu，Q2＝‐0.1+QVR2pu，U2＝1.0pu，Xe2＝0.2pu；其中，QVR2为根据已知的低励限制边界线函数，QVR＝f(P,U)，将P2和U2带入后计算的值。优选的，所述步骤(2)中考虑低励限制未动作时传统电力系统稳定器PSS1投入的情况，基于单机‐无穷大系统Heffron‐Phillips模型，确定PSS1经过励磁环节产生的电磁转矩增量信号相对于PSS输入信号的开环传递函数GX(s)为：GX(s)＝K2G(s)GPSS1(s)(1)式(1)中，G(s)＝K3KA/(1+K3K6KA+sK3KT′d0)，GPSS1(s)为PSS1的传递函数，KA为励磁系统主环放大倍数，T′d0为直轴暂态开路时间常数，K、K2、K3和K6皆为Heffron‐Phillips模型中根据 系统工况和发电机参数计算获得的系数。优选的，所述步骤(3)中考虑低励限制动作时新增电力系统稳定器PSS2投入的情况，基于单机‐无穷大系统扩展Heffron‐Phillips模型，确定PSS2经过励磁环节产生的电磁转矩增量信号相对于PSS2输入信号的开环传递函数G′X(s)为：G′X(s)＝K2G(s)GPSS2(s)/(1-G(s)GUEL(s)K8)(2)式(2)中，G(s)＝K3KA/(1+K3K6KA+sK3KT′d0)；GUEL(s)为UEL的传递函数，GPSS2(s)为PSS2的传递函数，K、K2、K3、K6和K8皆为为扩展Heffron‐Phillips模型中根据系统工况和发电机参数计算获得的系数。优选的，所述步骤(4)中利用传递函数GX(s)和G′X(s)，构建PSS2的超前‐滞后环节时间常数的优化数学模型和求解方法包括如下步骤：4‐1确定PSS2的超前滞后环节的传递函数；4‐2构造计算时间常数T1′、T2′、T3′和T4′的优化数学模型；4‐3采用粒子群优化算法求解优化数学模型。进一步地，所述步骤(4‐1)包括：确定PPSS2的超前滞后环节的传递函数为(1+T1's)/(1+T2's)*(1+T3's)/(1+T4's)，其中，T1′、T2′、T3′、T4′为时间常数。进一步地，所述步骤(4‐2)中构建计算时间常数T1′、T2′、T3′和T4′的优化数学模型如下式所示：式(3)中，Tj′为PSS2的超前滞后环节时间常数，fi为振荡频率点，取值范围为0.1～2Hz；为典型进相运行工况点1时，考虑低励限制未启动时传统电力系统稳定器PSS1作用下，开环传递函数GX(s)在0.1～2Hz频率范围内对应的相位值序列；为典型进相运行工况点1时，考虑低励限制动作时新增电力系统稳定器PSS2作用下，开环传递函数G′X(s)在0.1～2Hz频率范围内对应的相位值序列；为典型进相运行工况点 2时，考虑低励限制未启动时传统电力系统稳定器PSS1作用下，开环传递函数GX(s)在0.1～2Hz频率范围内对应的相位值序列；为典型进相运行工况点2时，考虑低励限制启动时新增电力系统稳定器PSS2作用下，开环传递函数G′X(s)在0.1～2Hz频率范围内对应的相位值序列；fmk为PSS超前滞后环节的中心频率，PSS1对应的2个中心频率分别为：和PSS2对应的2个中心频率分别为：和和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果：1、本发明提供的技术方案通过发电机典型进相运行工况点集合的设置，考虑了低励限制动作时新增电力系统稳定器对发电机大负荷方式和小负荷方式不同运行工况的适应性，保证在运行方式发生变化时仍发挥理想的效果；2、本发明提供的技术方案考虑了新增电力系统稳定器对整个低频振荡频段的有效覆盖，对不同振荡模式均可提供有效阻尼；3、本发明提供的技术方案具有操作简单方便，实用性强的优点。附图说明图1为本发明中所提出技术方案的流程图；图2为不包含UEL的单机无穷大系统Heffron‐Phillips模型；图3为本发明中包含UEL的单机无穷大系统扩展Heffron‐Phillips模型；图4为本发明中工况1条件下UEL动作前后PSS1提供电磁转矩相频特性对比图；图5为本发明中工况2条件下UEL动作前后PSS1提供电磁转矩相频特性对比图；图6为本发明中工况1条件下PSS1和PSS2提供电磁转矩的相频特性对比图；图7为本发明中工况2条件下PSS1和PSS2提供电磁转矩的相频特性对比图。具体实施方式下面结合具体实例对本发明进行详细说明。如图1所示，本发明提出一种与低励限制功能相协调的电力系统稳定器配置方法，包括：(1)设置基于低励限制边界线的发电机典型进相运行工况点集合；(2)考虑低励限制未动作时传统电力系统稳定器PSS1投入的情况，基于单机‐无穷大系统 Heffron‐Phillips模型，确定PSS1经过励磁环节产生的电磁转矩增量信号相对于PSS输入信号的开环传递函数GX(s)；(3)考虑低励限制动作时新增电力系统稳定器PSS2投入的情况，基于单机‐无穷大系统扩展Heffron‐Phillips模型，确定PSS2经过励磁环节产生的电磁转矩增量信号相对于PSS2输入信号的开环传递函数G′X(s)；(4)利用传递函数GX(s)和G′X(s)，构建PSS2的超前‐滞后环节时间常数的优化数学模型并求解。具体通过以下具体实施例中的计算均按照该流程执行：图2所示为基于K1～K6系数的单机无穷大系统Heffron-Phillips模型，该模型的推导过程及其模型系数K1～K6表达式见文献《电力系统稳定性及发电机励磁控制》(刘取著，《中国电力出版社》出版，2007年)相关章节；图3所示为基于K1～K8系数且含UEL的单机无穷大系统Heffron-Phillips模型，该模型是在原Heffron-Phillips模型的基础上考虑UEL动作时的调节作用推导获得的，这里给出图2中扩展Heffron-Phillips模型新增系数K7和K8的表达式如下：式中Ud0和Uq0为稳态运行点的机端电压直轴和交轴分量；Id0和Iq0为扰动前机端电流直轴和交轴分量；x′d为发电机直轴暂态电抗；xq为发电机交轴电抗；xe为系统联系电抗；Ku和C分别为为低励限制线斜率和截距。令G3(s)＝K3/(1+sK3T′d0)，GAVR(s)＝KA/(1+sTE)，并记图1中虚线框内传递函数为G(s)，则：电力系统中广泛采用以静止励磁系统为代表的快速励磁系统，该类励磁系统时间常数一 般小于0.1秒，可取TE＝0，则：在基于K1～K6系数的不包含UEL的单机无穷大系统Heffron-Phillips模型中电磁转矩信号相对于PSS1输入信号的开环传递函数为：GX(s)＝K2G(s)GPSS1(s)(8)式中GPSS1(s)为PSS1的传递函数，G(s)＝K3KA/(1+K3K6KA+sK3KT′d0)，KA为励磁系统主环放大倍数，T′d0为直轴暂态开路时间常数，其他参数为Heffron-Phillips模型中根据系统工况和发电机参数计算获得的系数。在基于K1～K8系数的包含UEL的单机无穷大系统扩展Heffron-Phillips模型中电磁转矩信号相对于PSS输入信号的开环传递函数为：G′X(s)＝K2G(s)GPSS2(s)/(1-G(s)GUEL(s)K8)(9)式中G(s)＝K3KA/(1+K3K6KA+sK3KT′d0)；GUEL(s)为UEL的传递函数，GPSS2(s)为PSS2的传递函数，KA为励磁系统主环放大倍数，T′d0为直轴暂态开路时间常数，其他参数为扩展Heffron-Phillips模型中根据系统工况和发电机参数计算获得的系数。以某典型单机无穷大系统作为算例，该系统基本参数如表1所示。表1发电机参数表项目值发电机额定视在功率SN(MVA)639.5发电机额定有功功率PN(MW)550发电机额定无功功率QN(MVar)326.35发电机直轴同步电抗xd(pu.)1.627发电机直轴暂态电抗x′d(pu.)0.523发电机交轴同步电抗xq(pu.)1.16发电机转子惯性时间常数TJ(s)8.4发电机直轴暂态开路时间常数T′d0(s)10发电机阻尼系数D(pu.)2.0发电机励磁系统参数为：KA＝39.575；TE＝0.01s；UEL控制环节参数为：KH＝10；TH1＝0.2s； TH2＝2s；设UEL不动作时的PSS1和UEL动作时的PSS2均采用为以电磁功率信号为输入的PSS1A型，其传递函数表达式为：GPSS(s)＝sKQSTQ(1+sT1)(1+sT3)/(1+sTQ)/(1+sT2)/(1+sT4)；已知PSS1的参数为：KQS＝10；TQS＝6s；TQ＝6s；T1＝0.15s；T2＝0.04s；T3＝0.5s；T4＝0.04s。PSS2的参数为：K′QS＝10；T′QS＝6s；T′Q＝6s；超前滞后环节时间常数T′1、T′2、T′3、T′4为待求量。计算步骤(1)中两种工况的扩展Heffron-Phillips模型参数分别为：工况1：P＝0.5SN(319.75MW)，Q＝-0.1SN+QVR|P＝0.5pu＝-0.3SN(-191.8Mvar)，U＝1.0pu，Xe＝0.2pu；K1＝0.7092；K2＝0.7217；K3＝0.3957；K4＝0.7967；K5＝0.0039；K6＝0.2460；K7＝0.0054；K8＝-1.1963；(Ud0＝0.4450；Uq0＝0.8635；Id0＝-0.0252；Iq0＝0.3836；xe＝0.4pu)；工况2：P＝1.0SN(639.5MW)，Q＝-0.1SN+QVR|P＝1.0pu＝-0.1SN(-63.95Mvar)，U＝1.0pu，Xe＝0.4pu；K1＝0.7891；K2＝0.9135；K3＝0.4554；K4＝1.0085；K5＝-0.0761；K6＝0.3360；K7＝0.0602；K8＝-0.9395；(Ud0＝0.6270；Uq0＝0.7687；Id0＝0.3568；Iq0＝0.0.5405；xe＝0.2pu)。将已求得模型参数代入式(8)和式(9)(以GPSS1(s)代替式中GPSS2(s))可得工况1和工况2下UEL是否动作时PSS1提供电磁转矩的相频特性分别如图3和图4所示。根据图3和图4可见，PSS1在UEL不动作时能够为系统提供合适的阻尼，但UEL动作时PSS1提供电磁转矩的相位较UEL不动作时超前很多，需整定PSS2；为使PSS2在UEL动作后尽可能达到PSS1在UEL动作之前的控制效果，首先应使PSS2和PSS1所提供转矩的相位尽可能接近。利用传递函数GX(s)和G′X(s)，构造确定PSS2的超前-滞后环节时间常数的优化数学模型和求解方法，包含如下步骤：1)PSS1超前滞后环节传递函数为：(1+T1s)/(1+T2s)*(1+T3s)/(1+T4s)；PSS2的超前滞后环节的传递函数为：(1+T1's)/(1+T2's)*(1+T3's)/(1+T4's)，时间常数T1、T2、T3、T4为已知量，时间常数T1′、T2′、T3′、T4′为待求量。2)构造计算时间常数T1′、T2′、T3′、T4′的优化数学模型如下：式(10)中Tj′为PSS2的超前滞后环节时间常数。fi为振荡频率点，取值范围为0.1～2Hz。为典型进相运行工况点1时，考虑低励限制未动作时传统电力系统稳定器PSS1作用下，开环传递函数GX(s)在0.1～2Hz频率范围内对应的相位值序列；为典型进相运行工况点1时，考虑低励限制动作时新增电力系统稳定器PSS2作用下，开环传递函数G′X(s)在0.1～2Hz频率范围内对应的相位值序列。为典型进相运行工况点2时，考虑低励限制未动作时传统电力系统稳定器PSS1作用下，开环传递函数GX(s)在0.1～2Hz频率范围内对应的相位值序列；为典型进相运行工况点2时，考虑低励限制动作时新增电力系统稳定器PSS2作用下，开环传递函数G′X(s)在0.1～2Hz频率范围内对应的相位值序列。式(3)中fmk为PSS超前滞后环节的中心频率，PSS1对应有2个中心频率为：PSS2对应有2个中心频率为：3)采用粒子群优化算法，求解式(10)中的优化问题，设置粒子群规模为PSOsize＝50，微粒的维数为PSOxvs＝4，加速因子为c1＝c2＝2.05；惯性常数w＝0.5；设置粒子的初始位置为PSS1的参数，最大迭代次数为MAXiter＝50；最大迭代误差为MAXerr＝0.001；交叉概率为Pcros＝0.2。计算结果为：T′1＝0.3525；T′2＝0.01s；T′3＝0.2825；T′4＝9.0399；将所得参数代入式(8)和(9)中计算可得工况1和工况2下到PSS2在UEL动作时提供电磁转矩和PSS1在UEL不动作时提供电磁转矩的相频特性对比图如图5和图6所示，可见PSS2相位补偿环节时间常数满足相位补偿要求。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，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。当前第1页1 2 3