发电机励磁低励限制与PSS协调控制研究

刘国华，王 啸，赫卫国

（国网电力科学研究院，江苏 南京 210003）

发电机励磁低励限制与PSS协调控制研究

刘国华，王 啸，赫卫国

（国网电力科学研究院，江苏 南京 210003）

电网系统故障时发电机励磁系统辅助控制环节之间的协调配合对励磁系统调节会产生一定影响。结合励磁系统主环及低励限制、PSS环节模型，通过仿真系统阶跃扰动等方法分析了励磁低励限制和PSS控制之间的协调工作特性，为优化励磁系统限制环节模型参数提供参考。

励磁系统；电力系统稳定器；低励限制；系统阻尼比

励磁控制系统是同步发电机的重要组成部分，能够提高电力系统的静态和动态稳定性，在暂态过程中能够加速电网电压的恢复［1］。励磁控制系统在电网或者发电机自身发生故障时，存在励磁系统主控制环节与辅助控制环节、以及辅助控制环节之间同时发生作用的时刻，此时正是电网稳定性受到威胁或者发电机本体安全受到潜在威胁的时刻，因此深入研究励磁系统多个辅助环节共同作用过程中的协调控制问题，找到并选择合适的参数实现励磁系统辅环之间的协调控制，可以保证在电网出现故障或者发电机自身发生故障时，励磁系统能够最大程度地为电网的安全稳定以及发电机的安全做出最大的贡献。

1 仿真系统模型及励磁模型

针对励磁系统辅助环节的协调控制，首先建立电力系统模型、励磁系统及各辅助环节控制模型，然后通过matlab仿真运算得出系统的响应曲线，由此开展深入分析。

1.1 系统模型

系统计算模型采用两机无穷大系统模型，如图1所示。

1.2 励磁系统主控制模型

发电机励磁系统控制模型包含了励磁系统主控制环节和各励磁辅助控制环节，控制模型如图2所示。

图1 两机无穷大系统模型

图2 励磁系统控制模型

图2中：Ut为发电机定子电压；Kp为比例环节参数；Uref为定子电压参考值；Ki为积分环节参数；Uf为励磁电压；Kd为微分环节参数；URmax为励磁电压上限；Tr为电压测量时间常数；URmin为励磁电压下限；Ta为励磁系统自身时间常数；Uuel为欠励限制输出；Upss为PSS输出；Uoel为过励限制输出；Uc为调差输出。

1.3 励磁PSS控制模型

PSS控制环节采用双输入三阶模型，实现对电力系统低频振荡的抑制，控制模型如图3所示。

图3 励磁PSS控制模型

图3 中：P为发电机有功功率；ω为发电机机械转速；Tw1～Tw3为隔直环节时间常数；T1～T6为超前滞后环节时间常数；T7为惯性环节时间常数；T8～T9为斜坡环节时间常数；M、N为斜坡函数阶数；KS1～KS3为比例放大倍数。

1.4 励磁低励限制模型［2］

低励限制功能的主控制环节设计为一阶超前滞后，其作用方式为在AVR主环基础上进行叠加，以无功的偏差作为输入，低励限制动作设定值与机端电压平方成正比。

图4中：Qts为发电机无功功率；Tqc2为超前滞后时间常数；Qcref为欠励限制参考值；Qcmax为欠励限制输出上限；Kqc为比例放大倍数；Uuel为欠励限制输出；Tqc1为超前滞后时间常数。

图4 励磁低励限制模型

2 低励限制与PSS协调控制分析

本文通过设置系统参数，分别建立一般性系统和弱联系系统，再将励磁控制器的低励限制功能和PSS控制功能设置为未投入和投入两种工况，结合仿真做发电机机端电压阶跃试验，模拟系统发生波动，观察不同低励限制参数下系统的响应特性，从而分析励磁系统低励限制与PSS控制的协调关系。

2.1 一般性系统低励限制与PSS协调控制

将系统设置为一般性系统，在G1机组机端做阶跃试验，分析如下。

a.G1和G2机组低励限制和PSS均未投入时系统阻尼比：G1机组为0.146，G2机组为0.107，区域间（线路）为0.118。

b.仅G1机投入低励限制和PSS时系统阻尼比：当低励参数为Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30时，G1机组为0.399，G2机组为0.145，区域间（线路）为0.235；当低励参数为Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10时，G1机组为0.381，G2机组为0.143，区域间（线路）为0.208；当低励参数为Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30时，G1机组为0.403，G2机组为0.145，区域间（线路）为0.219。

c.比较2台发电机都投入PSS以及G1机低励动作与否的工况，由于G1机低励限制动作，当低励参数为Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30时，G1机阻尼比有所降低（－0.057），G2机阻尼比也有所降低（－0.055），区域间（线路）阻尼比同样有所降低（－0.010）；当低励参数为Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10时，G1机阻尼比有所降低（－0.050），G2机阻尼比也有所降低（－0.109），区域间（线路）阻尼比同样有所降低（－0.007）；当低励参数为Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30时，G1机阻尼比有所降低（－0.044），G2机阻尼比也有所降低（－0.054），区域间（线路）阻尼比同样有所降低（－0.0045）。

通过以上数据，可以得出如下结论。

a.与未投入低励限制和PSS的工况相比，不管低励限制是否投入以及低励参数设置为哪组参数，只要投入机组PSS功能，对应发电机组阻尼比都会有很大幅度地提高，线路阻尼比在2台机都投入PSS时达到最大。由于低励限制的动作，G1和G2机阻尼比都有一定程度地下降，当低励参数采用Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30对系统阻尼比影响较小。

b.低励限制与PSS能够在较大范围内保持协调工作，低励限制动作使系统阻尼比有所降低，但是系统阻尼比没有因为低励限制参数的变化而变化很大，只是对系统无功功率的动态特性有较大影响。

2.2 弱系统下低励限制与PSS协调控制

将系统设置为弱系统，在G1机组机端做阶跃试验，分析如下。

a.G1和G2机组未投入低励均投入PSS时系统的阻尼比：G1机组为0.239，G2机组为0.328，区域间（线路）为0.364。

b.仅G1机投低励限制和PSS时系统的阻尼比：当低励参数为Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30时，G1机组为0.314，G2机组为0.101，区域间（线路）为0.103；当低励参数为Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10时，G1机组为0.309，G2机组为0.105，区域间（线路）为0.103；当低励参数为Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30，G1机组为0.302，G2机组为0.105，区域间（线路）为0.102。

c.比较2台机组都投入PSS以及G1机低励动作与否的工况，由于G1机组低励动作，当低励参数为Kqc＝10，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30时，G1机组的阻尼比有所增加（0.079），G2机组的阻尼比也有所增加（0.051），区域间（线路）阻尼比有所降低（－0.042）；当低励参数为Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝10时，G1发电机组阻尼比有所增加（0.076），G2发电机组阻尼比也有所增加（0.015），区域间（线路）阻尼比有所降低（－0.042）；当低励参数为Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30时，G1发电机组阻尼比有所增加（0.066），G2发电机组阻尼比也有所增加（0.053 8），区域间（线路）阻尼比有所增加（0.027）。

通过以上数据，可以得出如下结论。

a.在投入PSS后，相应机组的阻尼都变为了强阻尼，区域间的阻尼在2台机都投入PSS时变为强阻尼；在G1机低励限制动作后，G1和G2发电机阻尼比有一定幅度提高，区域间（线路）的阻尼比只在低励参数为Kqc＝30，Tqc1＝0.9，Tqc2＝30时才有所增加，其他两个参数都将区域间的阻尼比减弱。

b.低励限制与PSS控制协调总体良好，低励限制的动作在一定程度上提高了各发电机组的阻尼比，低励参数的变化对低励限制与PSS之间的协调配合影响不大，在该弱系统条件下，可以较大范围调整低励限制参数。

3 结束语

本文针对在电力系统故障期间发电机励磁系统辅助环节共同作用过程中的协调控制问题，通过建立系统仿真模型、励磁系统控制模型及限制环节模型并设置相关参数，采用仿真计算方法，系统分析了励磁低励限制、PSS动作时对系统的影响以及相互间的协调关系，可为优化发电机励磁系统限制模型参数设置等工作提供参考。

［1］ 蒋 亮，朱向荣.励磁控制系统在改善电力系统稳定性中发挥的重要作用［J］.机械制造与自动化，2006，35（6）：163－164.

［2］ 李文峰，陶向宇.电力系统稳定性计算用励磁系统数学模型的完善［J］.大电机技术，2012，（3）：55－58.

［3］ 陈冬霞.大电网低频振荡研究及其最新进展［J］.东北电力技术，2012，33（11）：33－37.

［4］ 邓 玲，桂 实，王正风，等.同步发电机数学模型物理含义解析［J］.东北电力技术，2012，33（12）：5－10.

［5］ 韩新华，赵 琰，邓 玮，等.电力系统无功优化模型与算法的研究与发展［J］.东北电力技术，2011，32（3）：34－36.

［6］ 盛 超，张俊峰.励磁附加控制对电力系统稳定器的影响实例分析［J］.广东电力，2011，24（11）：109－112.

［7］ 丁志东，刘国海.同步发电机励磁对稳定性影响的研究［J］.大电机技术，2007（9）：60－64.

［8］ 张绍楠，张艳丽，万叶财，等.变电站电压无功控制中模糊控制器的设计［J］.东北电力技术，2011，32（7）：16－19.

［9］ 何开教，方鸽飞.发电机励磁系统调节参数对电力系统动态电压稳定的影响［J］.机电工程，2012，9（1）：94－96.

［10］ 黄 梅，韩慧云.基于电力系统运行参数的PSS优化［J］.中国电力，2007，40（5）：19－22.

［11］ 姜 甄，张志亮.同步发电机励磁控制对电力系统稳定性影响［J］.咸宁学院学报，2012，32（6）：22－23.

［12］ 王 青，刘肇旭.发电机低励限制功能的设置原则［J］.电力系统保护与控制，2011，39（6）：55－60.

［13］ 丁 傲，谢 欢.发电机励磁调节器低励限制协调控制分析［J］.电网技术，2012，36（8）：193－198.

［14］ 孙孜平，高春如.自动励磁调节器整定计算的探讨［J］.电力系统自动化，2003，27（3）：68－71.

Study on the Coordination Control Between under Excitation Limiter and PSS Control

LIU Guo⁃hua，WANG Xiao，HE Wei⁃guo
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210003，China）

The coordination control of generator excitation limiters has an important impact on the power grid when the power grid breaks down.The paper designs the excitation system control model of master and additional limiter.According to simulation result，the paper analyses the coordination control between under excitation limiter and PSS.In the meantime，the paper provides the reference for typical parameter of excitation limiter.

Excitation system；PSS；Under excitation limiter；Damping ratio

TM31；TM301.2

A

1004－7913（2015）02－0057－03

刘国华（1972—），男，硕士，高级工程师，从事电力系统自动化及发电机励磁控制研究设计工作。

2014－11－28）