一种基于二端口网络的低频振荡励磁阻尼控制方法与流程

本发明属于电力系统安全保护技术领域,用于抑制低频振荡，具体地说是一种基于二端口网络的低频振荡励磁阻尼控制方法。

背景技术：

在电力系统中，由低频振荡所带来的危害非常严重，为了抑制低频振荡，一直以来，人们提出了各种各样的方法。

专利号为201410233221.3的中国发明专利，根据静止无功补偿器的装设电压等级和配置容量对低频振荡的抑制效果，提出了一种抑制小水电引起低频振荡的无功补偿器配置方法。这种方法在实现方式上要求采用专用设备。

专利号为201510492277.5的中国发明专利，针对低频振荡问题，通过建立广域电力系统的传递函数数学模型，采用PID参数优化方法，提出了广域时滞阻尼控制器的参数设计方案。此方案参数设计方法较为复杂。

因此，发明一种不需要专业设备就可以实现并且简单的抑制低频振荡的方法，成为目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的，旨在提供一种基于二端口网络的低频振荡励磁阻尼控制方法，以期能够解决现有技术所存在的上述问题。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种基于二端口网络的低频振荡励磁阻尼控制方法，它所采用的控制平台包括发电机、转速传感器和励磁阻尼控制器，所述发电机的转速信号输出端口连接转速传感器的信号输入端，所述转速传感器的信号输出端连接励磁阻尼控制器的信号输入端，所述励磁阻尼控制器的信号输出端连接发电机的励磁控制信号输入端；

该基于二端口网络的低频振荡励磁阻尼控制方法包括依次进行的以下步骤，

(一)用转速传感器检测发电机的转速，计算出转速偏差Δω；

(二)将转速偏差Δω作为励磁阻尼控制器的输入信号；

(三)优化励磁阻尼控制器的参数，使转速偏差Δω经过励磁阻尼控制器自身的传递函数G(s)后，生成励磁电压控制信号u_f；

(四)将励磁电压控制信号u_f输入发电机，发电机产生附加电磁转矩ΔT_e′，并且转速偏差ΔT_e′和发电机发生低频振荡时所产生的附加电磁转矩ΔT_e形成的总转矩ΔT_eΣ与转速偏差Δω同相位，使低频振荡成为正阻尼模式。

作为限定，所述步骤(三)中优化励磁阻尼控制器的参数是按以下步骤顺序进行：

(三1)构建发电机二端口等值网络模型，得出励磁电压控制信号u_f与其形成的定子电流i_d的转移导纳函数关系表达式，其中，

构建发电机二端口等值网络模型时，以励磁电压控制端口为一个端口并且励磁电压控制信号u_f和励磁电流信号i_f为该端口的电压和电流，以发电机并网点为另外一个端口并且机端电压d轴分量u_d和机端电流d轴分量i_d为该端口电压和电流；

(三2)结合步骤(三1)中所构建的发电机二端口等值网络模型，构建出发电机并网有端接的二端口等值网络模型，然后针对构建出的发电机并网有端接的二端口等值网络模型列写回路方程，并得出发电机定子电流运算参数表达式；

(三3)推导出附加电磁转矩ΔT_e′的复频域表达式；

(三4)推导出励磁阻尼控制器的待优化参数表达式。

作为进一步限定，所述步骤(三1)按照以下步骤顺序进行：

(三1a)绘制发电机d轴电压等值电路；

(三1b)根据所述发电机d轴电压等值电路，以励磁电压控制端口为一个端口并且励磁电压控制信号u_f和励磁电流信号i_f为该端口的电压和电流，以发电机并网点为另外一个端口并且机端电压d轴分量u_d和机端电流d轴分量i_d为该端口电压和电流，构建发电机二端口等值网络模型；

(三1c)以Y参数矩阵形式表示所述发电机二端口等值网络模型，即

通过计算上述矩阵中的Y参数，用转移导纳函数表示出励磁电压控制信号u_f与其形成的定子电流i_d的关系：

作为再进一步限定，步骤(三2)按照以下步骤顺序进行：

(三2a)绘制发电机并网系统等值网路划分原理图；

(三2b)根据所述发电机并网系统等值网路划分原理图，结合步骤(三1b)中构建的发电机二端口等值网络模型，构建发电机并网有端接的二端口等值网络模型；

(三2c)针对所述发电机并网有端接的二端口等值网络模型，列写回路方程，即得出发电机定子电流运算参数表达式：

作为更进一步限定，所述步骤(三3)按照以下步骤顺序进行：

(三3a)将附加电磁转矩ΔT_e′的复频域形式表示为：

ΔT_e'(s)＝ψ_d0I_q(s)-ψ_q0I_d(s)------------------------(式Ⅱ)；

(三3b)根据励磁控制不产生q轴电流的原理，有I_q(s)＝0，将所述附加电磁转矩ΔT_e′的复频域形式表达式代入步骤(三2c)中得出的发电机定子电流运算参数表达式，得出励磁电压所产生的附加转矩的复频域表达式:

设

则

(式Ⅲ中，K_G为在励磁电压频率为ω_i下G_G(s)造成的幅值增益，为在励磁电压频率为ω_i下G_G(s)造成的相位变化)。

作为最深一步的限定，所述步骤(三4)按照以下步骤顺序进行：

(三4a)写出励磁电压控制信号u_f与励磁阻尼控制器自身传递函数G(s)的关系表达式：

U_f(s)＝Δω·G(s)，

则--------------(式Ⅳ)(其中，K和分别为在频率ω_i下G_G(s)产生的增益和移相，同时K和分别为阻尼控制器待优化参数)；

(三4b)由式IV与式III结合，得设附加电磁转矩ΔT_e′的优化目标的幅值为K_opt、相位为则

即为励磁阻尼控制器应优化的参数。

本发明由于采用了上述的方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

(1)本发明采用励磁控制器作为低频振荡阻尼控制的仪器，无需额外新增专用设备；

(2)本发明基于二端口网络分析方法提出的参数设计方法，物理意义明确，参数设计过程严格，参数优化结果准确，并且易于实现。

本发明适用于在电力系统中抑制低频振荡。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明中低频振荡阻尼控制基本原理向量图；

图2为本发明实施例的励磁阻尼控制实现方法原理图；

图3为本发明实施例的发电机d轴电压等值电路；

图4为本发明实施例的发电机二端口等值网络原理图；

图5为本发明实施例的发电机并网系统等值网路划分原理图；

图6为本发明实施例的发电机并网有端接的二端口等值网络原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一种基于二端口网络的低频振荡励磁阻尼控制方法

本实施例采用的控制平台包括发电机、转速传感器和励磁阻尼控制器，其中，发电机的转速信号输出端连接转速传感器的信号输入端，转速传感器的信号输出端连接励磁阻尼控制器的信号输入端，励磁阻尼控制器的信号输出端连接发电机的励磁控制信号输入端。

参照图2所示的励磁阻尼控制实现方法原理图，本实施例所提供的基于二端口网络的低频振荡励磁阻尼控制方法按照以下步骤进行：

(一)用转速传感器检测发电机的转速为ω＝100ⅹπ+Aⅹe^jωit(其中：100ⅹπ为工频额定转速；A为转速偏差信号的幅值，振荡频率为ω_i＝2π低频振荡)，则

转速偏差信号为Δω＝Ae^jωit＝0.1ej^2πt(其中：A＝0.1，ω_i＝1ⅹ2ⅹπ＝2π，t表示时间，单位为秒，j为虚数单位)；

(二)将转速偏差Δω作为励磁阻尼控制器的输入信号；

(三)首先，按以下步骤优化励磁阻尼控制器的参数：

(三1)构建发电机二端口等值网络模型，得出励磁电压控制信号u_f与其形成的定子电流i_d的转移导纳函数关系表达式，具体实现方式按照以下步骤顺序进行：

(三1a)根据发电机励磁控制只作用于同步坐标d轴网络，绘制发电机d轴电压等值电路；

图3所示是发电机d轴电压等值电路，其中，ψ_d、ψ_q分别为d、q轴磁链，ψ_f为励磁绕组磁链，ψ_D为d轴阻尼绕组磁链；i_f为励磁绕组电流，i_D为阻尼绕组电流；X_l为定子d轴漏抗，X_ad为定子d轴绕组与励磁绕组互感；X_fl为励磁绕组电抗；r_a为定子电阻；u_d为发电机端电压d轴分量，ω为发电机转速，u_f为励磁电压，p为微分算子；

(三1b)根据所述发电机d轴电压等值电路构建发电机二端口等值网络模型，图4所示是发电机二端口等值网络原理图，其中，以励磁电压控制端口为一个端口并且励磁电压控制信号u_f和励磁电流信号i_f为该端口的电压和电流，以发电机并网点为另外一个端口并且机端电压d轴分量u_d和机端电流d轴分量i_d为该端口电压和电流；

(三1c)以Y参数矩阵形式表示所述发电机二端口等值网络模型，即其中，s表示拉氏算子，且有

在端口1-1'外加电压U_f(s)，同时短路端口2-2'，有U_d(s)＝0，则

对于频率为ω_i＝2π的信号，计算得到：

其中，j为虚数单位，

将端口1-1'短路，有U_f(s)＝0，同时在端口2-2'施加电压U_d(s)，则

对于频率为ω_i＝2π的信号，计算得到：

其中，j为虚数单位，

当二端口没有外接负载，该二端口称为无端接的，此时，励磁电压控制信号u_f与其形成的定子电流i_d的关系可以表示为转移导纳函数，表达式为：

(三2)结合步骤(三1)中所构建的发电机二端口等值网络模型，构建出发电机并网有端接的二端口等值网络模型，然后针对构建出的发电机并网有端接的二端口等值网络模型列写回路方程，并得出发电机定子电流运算参数表达式。具体是按照以下步骤顺序进行：

(三2a)绘制发电机并网系统等值网路划分原理图，图5所示是发电机并网系统等值网路划分原理图；

(三2b)根据所述发电机并网系统等值网路划分原理图，结合步骤(三1b)中构建的发电机二端口等值网络模型，构建发电机并网有端接的二端口等值网络模型，图6所示是发电机并网有端接的二端口等值网络原理图；

(三2c)针对所述发电机并网有端接的二端口等值网络模型，列写回路方程其中，Z_L(s)＝0.5j。计算得出发电机定子电流运算参数表达式：

(三3)推导出ΔT_e′的复频域表达式，按照以下步骤顺序进行：

(三3a)根据励磁控制不产生q轴电流的原理，有I_q(s)＝0。由发电机的稳态运行点，计算得到ψ_q0＝0.2。

将ΔT_e′的复频域形式表示为ΔT_e'(s)＝ψ_d0I_q(s)-ψ_q0I_d(s)＝-0.2I_d(s)-----------(式Ⅱ)

(三3b)将所述附加电磁转矩ΔT_e′的复频域形式表达式代入式Ⅰ，得出励磁电压所产生的附加转矩的复频域表达式:

ΔT_e'(s)＝-ψ_q0I_d(s)＝-0.2(-0.012845+0.08787j)U_f(s)＝(0.002569-0.01757j)U_f(s)；

定义则

ΔT_e'(s)＝G_G(s)U_f(s)，

将G_G(s)变为指数形式，得到G_G(s)＝0.017756e^-j1.426

因此，对于频率ω_i＝2π的低频振荡，G_G(s)造成的增益K_G为0.017756，相位变化为-1.426(弧度，折合81.7度)，

则

(三4)推导出励磁阻尼控制器的待优化参数表达式，按照以下步骤顺序进行：

(三4a)写出励磁电压控制信号u_f与励磁阻尼控制器自身传递函数G(s)的关系表达式：

U_f(s)＝Δω·G(s)

则

式IV中，K为在频率ω_i＝2π下G_G(s)产生的增益，为在频率ω_i＝2π下G_G(s)产生的移相，同时K和分别为阻尼控制器待优化参数；

(三4b)式Ⅳ与式Ⅲ结合,得由图1原理，并理论计算可知附加电磁转矩ΔT_e′的优化目标的幅值为K_opt＝2、相位为φ_opt＝0.7854，则

即为励磁阻尼控制器应优化的参数；

即，阻尼控制器的传递函数应为G(s)＝112.638e^j2.2114，

然后，使转速偏差Δω经过励磁阻尼控制器自身的传递函数G(s)后，生成励磁电压控制信号u_f；

(四)将励磁电压控制信号u_f输入发电机，发电机产生附加电磁转矩ΔT_e′，并且附加电磁转矩ΔT_e′和发电机发生低频振荡时所产生的附加电磁转矩ΔT_e形成的总转矩ΔT_eΣ与转速偏差Δω同相位，使低频振荡成为正阻尼模式。

本实施例的工作原理如下：

参考图1，发生低频振荡时，伴随发电机转子摆动，产生转子角度偏差Δσ和转速偏差Δω，同时产生附加电磁转矩ΔT_e。当附加电磁转矩ΔT_e与转速偏差Δω之间的夹角大于90°时，附加电磁转矩ΔT_e将对转速偏差Δω产生助增作用。此时的低频振荡呈现负阻尼状态。低频振荡阻尼控制的基本原理，就是通过控制手段，产生附加电磁转矩ΔT_e′，并且使得ΔT_e′与ΔT_e的形成的总转矩ΔT_eΣ与转速偏差Δω同相位，从而使低频振荡成为正阻尼模式。

在小扰动条件下，发电机电磁转矩可以表示为ΔT_e′＝ψ_d0Δi_q-ψ_q0Δi_d(式①)，其中，Δω、ΔT_e分别为发生低频振荡时，伴随发电机转子摆动产生的转速偏差、附加电磁转矩，ψ_d0、ψ_q0分别为发电机定子磁链d、q轴分量稳态值，Δi_d、Δi_q分别为定子电流d、q轴分量增量。

式①表明，定子电流决定附加电磁转矩。因此，各种阻尼控制方法均是通过控制定子电流，从而间接控制附加电磁转矩的幅值和相位，并最终形成阻尼转矩，而发电机励磁控制只作用于坐标d轴网络，因此通过控制d轴定子电流可以间接控制附加电磁转矩的幅值和相位。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。