发电机励磁限制协调配合优化分析

万雄彪，陈晶，吴水军

（云南电力试验研究院(集团)有限公司，昆明 650217）

0 前言

发电机励磁调节器中附加的各种励磁限制功能对于提高电力系统安全稳定运行水平，确保发电机等主设备可靠运行具有十分重要的影响。低励限制（under excitation limiter，UEL）、V/f限制（V/flimiter）和电力系统稳定器（power system stabilizers，PSS）是现代励磁调节器中普遍配置并且具有重要影响的辅助功能[1-3]。低励限制作为发电机失磁保护动作前的重要一环，对于提高电力系统静态稳定至关重要，同时可避免发电机进相运行时定子电流偏高而造成的定子绕组及铁芯端部过热。频率降低时，V/f限制能确保发电机、变压器等磁通不至增大太多，防止铁芯中涡流损耗增加，铁芯发热。PSS则能提高电力系统阻尼，抑制低频振荡，确保系统安全性、稳定性[4-5]。

发电机机组接入大电网运行时一般不会发生低励限制与V/f限制间配置冲突问题，但对于小地区孤网二者如不进行协调优化，则可能会造成孤网内电压崩溃致使孤网瓦解，或造成发电机、变压器磁通增加，发热严重，甚至烧毁主设备。云南山区较多，地域发展不平衡，局部电网结构薄弱，发生因送出线路跳闸造成局部电网孤网运行，当孤网内风电场因高频动作风机全部切除后，孤网处于低频低压状态，由于低励限制与V/f限制配合失当，最后造成电压崩溃孤网瓦解。

对发电机励磁调节器附加限制功能研究主要侧重于低励限制与PSS协调控制，文献[1-2]研究表明UEL作用频段与PSS配合不当会造成机组阻尼弱化，当UEL提供负阻尼转矩时，低励限制曲线斜率越低，UEL作用频段越低，系统时域动态响应特性越好。文献[3]基于扩展Heffron-Phillips模型，利用频率响应法，画出励磁系统分别加入PSS与UEL开环传递函数波特图，分析UEL与PSS作用频段，给出UEL参数设置方法以便与PSS协调配合。文献[4、5]研究UEL各参数对系统稳定影响，并针对几组UEL参数分析UEL与PSS协调配合效果，给出UEL参数优化方案。现有研究已经对UEL工作方式与特性、以及参数整定方案与PSS协调优化方面做了很多工作，但现有工作侧重于接入主网发电机励磁限制与PSS协调控制研究方面，对于励磁调节器内部各限制功能在孤网模式下如何协调优化方面缺乏研究[6]。

本文分析UEL与V/f限制励磁控制模型，针对含有新能源地区孤网可能出现低频低压运行方式进行分析，以提高孤网电压为首要目标，分析UEL与V/f限制作用过程，优化UEL与V/f限制参数配置，给出如何通过合理参数设计提高孤网电压支撑能力。利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建含风电场地区孤网模型，对系统分别开展仿真计算分析，验证所提出参数设定方法合理性与准确性。

1 系统网络模型

1.1 UEL模型

UEL模型采用现场普遍使用的以四段直线表示低励限制边界，如图1所示，该模型主要输入量为有功功率PT、无功功率QT机端电压UT，四段直线构成折线型UEL不同区段可写成

式中：KU为每段直线斜率，C为每段直线截距。

图1 UEL模型

图1中KUEL为UEL放大倍数，TUEL1为超前环节时间常数，TUEL2为滞后环节时间常数。

1.2 V/f 模型

V/f模型输入量为端电压Ut、与频率成正比的电压UFeq，经过计算得到与V/f限制值之间偏差作为调节量。

模型如下图所示：

图2 V/f 模型

图2中kVf为V/f放大倍数，TVf1为超前环节时间常数，TVf2为滞后环节时间常数。

1.3 系统网络模型

系统网络模型采用单机无穷大系统网络模型，发电机采用三阶实用模型，以计及励磁系统动态过程，励磁系统为静止励磁系统并采用一阶惯性环节表示，如图3所示。利用框图和力矩-角度关系分析系统稳定性的Hellfon-Philips扩展模型（简称H-P模型）[7-8]，可以清晰分析UEL与V/f限制作用过程。不考虑PSS作用，包括UEL与V/f限制模型的扩展H-P模型如图4所示。

图3 系统网络模型

图中K1—K10公式为：

上述式中：Uto为发电机机端电压，Udo、Uqo为发电机机端电压直轴、交轴分量，Ido、Iqo为发电机机端电流直轴、交轴分量，Xd、Xq为发电机直轴、交轴同步电抗，X’d、X’q为发电机直轴、交轴暂态电抗，Xe为系统联系电抗，Ku和C分别为低励限制折线斜率和截距。

图4 扩展H-P模型

2 UEL和V/f限制作用机理分析

2.1 UEL作用过程

如图4中所示，UEL输入量为功角变化量δ以及发电机暂态电势反馈量，最后输出电磁转矩MUEL,本文重点分析UEL和V/f限制在共同作用下对机端电压影响分析，其与PSS之间输出转矩交互影响不再单独展开分析。通过图与K7与K8公式可知，对一个确定的发电机与励磁系统而言（稳定运行工况点），UEL产生的发电机暂态电势不仅与低励限制整定曲线有关，即受限制折线斜率Ku和截距C影响，同时还受其自身数学模型参数KUEL、TUEL1、TUEL2影响，其中任一参数的改变均会影响到UEL的输出[9-10]。UEL主要作用是通过提高发电机励磁水平抬高机端电压防止发电机进相过深以至失去稳定，现场整定的低励限制参数，即折线斜率Ku和截距C对一机组可认为是确定的。此时，UEL输出主要受放大倍数KUEL及超前滞后时间常数TUEL1、TUEL2影响，通过合理整定参数不仅可以优化UEL输出快慢以及输出大小，并且通过与V/f模型的参数协调控制，可以提高系统电压，防止孤网电压崩溃。

2.2 V/f 限制作用过程

与UEL分析过程类似，V/f限制主要防止转子过热，其整定值K为一确定值时，在稳定运行工况下，其输出仅受其自身数学模型中参数kVf、TVf1、TVf2影响，其中任一参数的改变均会影响到V/f的输出。

由于UEL与V/f限制作用量ΔUEL和ΔUVF均可认为是在PSS附加点叠加进去后作用于励磁PID主环，因此在孤网低频低压下UEL与V/f限制有可能会同时动作，如此时二者整定参数不匹配，假设V/f限制输出较大且输出较快，会造成UEL输出被抑制弱化，使得励磁减小将机端电压降低，这将严重影响孤网的长期可靠运行，会造成孤网电压崩溃进而使得孤网瓦解。

3 参数整定

当孤网处于低频低压恶劣运行工况时，以提高电压为首要目标，并考虑发电机转子耐热能力，优化UEL与V/f限制参数，当UEL与V/f限制同时输出时，将UEL输出作为励磁主环叠加点主导输入，在短时间内增加励磁提高机端电压，恢复孤网电压，确保孤网稳定可靠运行。为防止提高电压过程中V/f倍数值持续增加造成的转子过热，也不可使其输出较小。因此在二者共同作用下通过调整参数提高UEL输出响应速度，减缓V/f限制输出，在短时间内提高系统电压，同时也不会造成转子过热而烧坏转子。实际上，考虑到调速器的作用过程，在短时间内通过UEL提高机端电压后，其频率也处于逐渐恢复过程，相应V/f倍数并不会一直增加，这对于电压恢复也是至关重要。

选取固定变化信号，输入到超前滞后环节，保持放大倍数不变，通过调整不同的超前滞后时间系数，可以改变输出响应调节速度。

表1 控制环节参数

在两组参数下，某一固定变化信号输出响应过程如图所示，不同参数下输出过程响应速度不同，因此可以通过调整UEL与V/f限制超前滞后环节时间常数改变其输出响应速度，可以在短时间内提高机端电压，同时也可以防止发电机转子长期过热而造成转子烧毁。

图5 不同控制参数下响应速度

4 算例分析

利用PSCAD/EMTDC软件搭建地区孤网模型，通过仿真送出线路跳闸后形成的孤网状态，频率升高进而造成孤网内风电机组高频脱网，孤网进入低频低压运行状态，通过对孤网内水电机组励磁系统内UEL与V/f限制参数进行调节优化，提高孤网内电压水平，防止因电压过低或机组进相较深以致失磁保护动作等原因造成的机组解列、孤网瓦解等恶劣故障情况出现。

图6为故障过程中孤网系统频率曲线，当唯一送出线路故障后形成孤网，孤网内频率迅速升高，当升高至风电机组高频切机动作值时风电场全部切除，此时孤网内发电机组容量小于负荷造成孤网频率一直降低至某一平衡点。

图6 孤网频率变化曲线

假设发电机组励磁系统辅助限制功能只有V/f限制投入，当孤网内频率升高造成风电场风电机组全部高频切除以后，此时孤网内发电机组发出有功不足以支撑孤网内全部负荷，孤网内处于低频低压状态，此时V/f限制输出控制孤网内V/f为某一参考值，由于处于低频状态，在V/f控制下将机端电压控制在某一低值，使得孤网内电压长期偏低。孤网状态下V/f曲线如下：

图7 V/f 值变化曲线

可见、风电机组脱网瞬间，由于孤网内负荷供求关系破坏，电压会有一突然下降之后由励磁系统调节作用将电压调节至稳定值，但由于V/f限制的投入，在低频状态下将控制机端电压，使得V/f为一设定值（通常设定为1.06），即在图频率稳定运行在43 Hz时，机端电压控制在0.912 p.u，故障过程中V/f曲线如图7所示。

当低励限制与V/f限制全部投入，并且低励限制与伏赫兹限制控制环节参数相同，由于低励限制的投入，励磁系统辅助功能控制对象将不再仅是V/f设定值，而是由V/f与机组实际低励限制特性共同决定，在控制参数相同情况下其输出响应程度受V/f实际值与设定值偏差以及实际进相深度与低励限制特性曲线偏差所决定，假若二者偏差相同，在控制环节设定输出范围情况下，共同叠加在PID主环上之和为0，即辅助限制功能实际不再输出，由励磁装置主环根据系统电压自动调整。

在所计算的孤网模型下，分别设定V/f与UEL两组控制参数，如表2所示。

表2 V/f与UEL控制参数

图8 电压恢复曲线

从图8可知，采用同一套参数对电压提升效果是有限的，并不能完全解决孤网电压偏低的问题，因此需对孤网下励磁辅助功能控制参数进行差异化设置，提高孤网运行能力。如采取采用不同控制参数，通过改变不同限制环节输出响应速度，可以有效提升孤网下电压水平，相比只投入V/f限制或将V/f限制控制参数与低励限制控制参数设置相同而言，改变控制参数可以快速提升机端电压至额定值，防止由于控制参数的作用拉低机端电压造成的孤网电压崩溃瓦解。

5 结束语

分析UEL与V/f限制励磁控制模型，针对含有新能源地区孤网可能出现低频低压运行方式进行分析，以提高孤网电压为首要目标，分析UEL与V/f限制作用过程，优化UEL与V/f限制参数配置，通过改变励磁系统辅助限制功能间控制参数，改变限制环节输出响应速度，提升孤网内电压恢复速度。通过仿真分析验证所提出参数设定方法合理性与准确性，所提出的参数优化方法可以适应于现场，提升机组稳定运行能力，具有十分重大的理论与实际经济效益。