具有新型PSS的勵磁系統建模與仿真
楚文斌1，劉覺民1，劉軍志1，譚立新2
(1湖南大學電氣與信息I程學院，湖南長沙410082;
2湖南信息職業技術學院，湖南長沙410200)
摘要：結合實際運行I_況，在MATLAB環境下，準確建立大型同步發電機勵磁系統模型，包括采樣單元、控制單元和功率單元等模型。以勵磁調節器PlD控制為主控制，以新型電力統穩定器(Pss)為輔助控制，并在暫態條件下進行仿真，仿真結果表明：PlD+Pss控制的勵磁系統具有滿意阻尼特性，克服r普通勵磁調節器在抑制低頻振蕩等方面存在的不足，使發電機的抗擾動能力、抑制低頻振蕩故障恢復等性能優于單純的PID控制勵磁系統。
關鍵詞：同步發電機；勵磁系統；電力系統穩定器
中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A文章編號：1673_6540(2009)12 0006-04
O 引 言
勵磁系統是同步發電機的重要組成部分，對電力系統運行的可靠性和穩定性有著直接影響。常規勵磁凋節器采用PID控制方式，控制簡單且易于實現，得到了非常廣泛的應用【1】。但單純的按機端電壓偏差進行的PID控制方式，無法提供令人滿意的阻尼特性，特別是用于控制大型的發電機機組時，阻尼特性差，會產生自發的低頻振蕩，威脅電力系統的穩定性。電力系統穩定器(Pss)主要用于抑制干擾后的功率振蕩，在系統短路故障瞬間的暫態過程中使勵磁電壓上升速度變快，加快發電機端電壓的恢復。基于MATLAB平臺，建立大型同步發電機勵磁系統模型，采用PID+新型Pss作為控制單元，在外加擾動和三相短路暫態條件下，對勵磁系統進行仿真。
1 勵磁系統模型
同步發電機勵磁系統如圖1所示，由勵磁調節器和Pss、發電機等組成。
同步發電機輸出電壓、電流經電壓互感器和電流互感器輸入到信號轉換模塊，送人A／D轉換通道；同時，勵磁電壓、電流經信號轉換模塊變換后送人A／D芯片。微機cPu對采樣的結果進行控制算法運算，得到結果輸出脈寬調制(PwM)信號，驅動町控硅的觸發極，通過控制勵磁電流大小來調節勵磁電壓。Pss采集發電機電功率偏差和轉速偏差，經過信號變換及處理等，與勵磁調節器
的輸出經限幅環節共同調節勵磁電壓。故障監測和LcD顯示模塊實時監測和顯示系統的輸入和輸出。
1．1數據采樣單元模型
建立機端電壓、電流測量模塊。勵磁調節器中需要采樣的電量有三相機端線電壓和線電流、勵磁電壓、勵磁電流共8路信號，分別采用直流采樣和交流采樣。每路信號測量電路都分為兩個部分，模擬變換部分和A／D轉換部分。對于每路信號的模擬變換部分，都存在濾波電路，因此存在延時，用一階慣性環節1／(1+Ts)來近似描述，A／D轉換部分將模擬量轉換為數字量，可以用一個放大環節描述，放大系數：
KAD=2n/Vref
式中：n——A/D轉換器的位數；
Vref——A/D轉換器的參考電壓。
A/D轉換部分模型如圖2所示。
三相機端電壓和三相機端電流共6路信號采用交流采樣。采樣數據處理單元用軟件來實現，采用16點傅里葉算法對交流采樣數據進行處理，電壓、電流實部的差分方程展開并進行z變換，可得電壓實部和虛部的傳遞函數，從而可求出有功功率、無功功率和無功電流。
l.2控制單元模型
控制單元是調節器的核心。大型發電機組的勵磁系統要具有滿意的阻尼特性，以防止出現低頻振蕩，通常采用PID+Pss控制。P1D單元包括調差部分和PID控制部分。調差部分需考慮到發電機組的并聯運行[1]，調差部分的輸入、輸出關系為：
式中：U’ref——機端電壓給定值；
 ——調差系數；
IQ——無功電流值；
Uref——PID控制器給定值
PID控制器的傳遞函數為：
式中：KP，KI，KD分別為比例，積分，微分系數。
PID控制器的傳遞函數為Ge(z)。根據上文分析，可以得到控制單元的模型框圖，見圖3。
Pss采用發電機轉速偏差、頻率偏差、加速功率偏差、電功率偏差中的一個或幾個信號(一般為兩個)，經過信號變換及處理作為自動勵磁調節器(AER)的附加輸人，產生阻尼力矩，達到提高電力系統動態穩定性的目的[3]。采用Pss作為輔助控制環節，PSS環節由測量環節、超前一滯后環節和隔直環節構成，如圖4所示。
測量環節用于信號的測量和濾波，信號采集環節由傳感器來完成，它將PSS工作主頻(0 1～3 Hz)范圍內的信號傳進PSS[4]；超前一滯后環節用于相位補償；隔直環節的作用是當信號的變化達到穩態時，Pss的輸出為零。常規Pss以△ω為輸入信號，使用的是超前網絡，超前網絡在高頻段增益變大，所以對發電機扭動振蕩極為敏感，使扭動振蕩更加嚴重；以△Pe作為輸入信號，檢測方便，所需超前角度小，穩定性好，已得到廣泛應用，但存在反調現象；以△ω和△Pe同時為輸入信號，它們可以相互補償，減小反調現象的影響，只通過調節Kω、KP的相對大小，產生相位超前的附加同步轉矩，對電壓調節器產生的相位滯后的電磁轉矩在相位上進行補償[4]。本文以功率偏差△Pe和轉速偏差△ω為輸入信號，Pss的模型如圖5所示。
參考IEEE關于在主頻為0.1~3Hz時，PSS中傳感器和隔直環節的推薦參數【5】（T1=0~0.04,T2=0.5~50）,取T1=0.04，T2=15，Kω=12，Kp=0.4。
1.3功率單元模型
勵磁調節器中的功率單元是三相全控整流橋。由于晶閘管工作是斷續的，因此其輸出和控制信號之間存在時滯。另外，整流變壓器漏感對整流電流的變化起阻礙作用，還需要計及漏抗對晶閘管整流橋的影響【2】。晶閘管斷續控制現象造成輸出平均電壓Ud滯后于晶閘管控制電壓Uc。將傳遞函數展開為泰勒級數，略去高次項得到簡化后的傳遞函數為：
整流變壓器繞組存在漏抗LB，對電流的變化起阻礙作用。調節器采用的是三相橋式全控整流橋，在換相過程中，必然存在兩個共陰極或共陽極的晶閘管同時導通的情況，將在變壓器二相之間產生環流，從而導致Ud平均值的降低，降低的值用△Ud表示。不考慮變壓器漏抗時，輸出的電壓平均值為Ud=1 35U2cosa考慮變壓器漏抗時，導致的壓降為：
式中：XB——變壓器每相折算到二次側的漏電抗；
Id——直流側輸出的平均電流。
勵磁調節器的整流橋采用余弦移相觸發，可以得到功率單元的模型，如圖6所示。整流橋采用三相全控橋，KZ的值為l.35Ues，Ues為發電機勵磁交流電源的線電壓。
1．4參數設置
通過MATLAB／simulink中的模塊，建立勵磁調節器的模型如圖7所示，勵磁系統的仿真模型包括同步發電機模塊、調速器模塊、勵磁調節器模塊、升壓變壓器模塊、三相短路模塊、無窮大系統模塊等。同步發電機輸出的電能經升壓變壓器與無窮大系統并網，用三相短路刀閘用于模擬短路故障。同步發電機模型輸出三相電和發電機參數，通過電機參數分離模塊可獲取發電機的勵磁電流值。勵磁調節器的輸入量為機端交流電壓、電流、勵磁電流和電壓給定；輸入PSS的發電機轉速偏差△ω、電功率偏差△Pe。PSS的輸出和勵磁輸出經限幅環節后送到同步發電機的輸入端Vf。
參數設置：同步發電機容量200 MvA，電壓UN=13．8 kV，轉子類型為隱極，Xd(pu)=1．34，X’d (pu)=0．296，X’’d (pu)=O．252，Xq (pu)=0．474，X’q(pu)=0．243，Xv(pu)=O .18，T’q (s)=1.01，T’’q (s)=O．053，T’’q (s)=O l，RS(pu)=0．002 584 4，H(s)=3．2。高壓側母線電壓為110kV，因此升壓變壓器的原、副邊額定電壓UIN／U2N設置為13．8 kV／110 kV，升壓變壓器的額定容量SN設置為210 kVA，短路電壓UK設置為7．5％。無窮大電源的額定容量SN設置為1 200 MvA，負載設置為500 Mw，額定電壓UN設置為110 kV。發電機機端負荷設置為100Mg，。在勵磁調節器中，模擬變換部分機端電壓、機端電流放大系數KR全部設置為0.005 9(考慮放大裕量)，時間常數TR全部設置為1μs，A／D轉換器的位數n設置為12，A／D轉換器的參考電壓Vref設置為3．3。整流變壓器的漏抗XB設置為13Ω。電壓給定為標幺值輸入。
2仿真結果
simulink中的仿真算法設置為0de23tb，仿真步長都設置為auto。
2．1發電機起勵運行仿真
首先采用單純的按機端電壓偏差進行的PID控制方式進行仿真，得到同步發電機起勵運行的機端電壓波形如圖8所示。從波形可以看出，無PSS控制時，發電機起勵過程中機端電壓幅值伴有輕微波動；而．PSS+PID控制時，發電機從開始運行到機端電壓穩定，起勵過程平穩，經歷的時間約為2．5 s，無振蕩和超調量的出現。
2．2加8％擾動仿真
在起勵后的l0 s時加8％的擾動，得到同步發電機起勵運行的機端電壓波形如圖9所示，從波形可看出單純的PID控制時，受到擾動波動幅值大，約在25 s后趨于穩定，而HD+Pss控制時，其擾動波動幅值小，約在15 s后趨于穩定。
2．3 PID+PSS控制的強勵仿真
仿真結果表明PSS對擾動有很好的抑制作用。而當同步發電機發生三相短路故障時，線路電壓減小，電流增大，在短路瞬間，機端電壓立即減小，將會產生強勵以穩定機端電壓，所以勵磁電流和電壓將會瞬間增大來維持機端電壓平衡。用短路刀閘模擬電力系統短路故障，將短路刀閘的閉合時刻設置在10 s，經過O.1 s后故障切除，得到同步發電機輸出電壓波形如圖10(a)所示，輸出電壓迅速變為零。機端電壓的變化如圖lO(b)所示，發生短路故障時，輸出電壓瞬間變為零，而機端電壓迅速下降到0 4左右，故障切除后，機端電壓迅速回升，經歷的時間約為2 5 s。過渡過程中電壓未出現超調量。
故障的勵磁電流波形如圖10(c)所示，勵磁電流瞬問增大，以維持機端電壓處于恒定水平，當故障切除后又迅速恢復到正常穩定狀態，未出現振蕩和超凋量。
3 結 語
以上利用MATLAB模塊，結合實際運行狀況，建立了數字式同步發電機勵磁調節系統，仿真模型直觀，運行速度快、穩定。
(1)結合實際運行狀況，考慮到機組并網的無功調差環節和整流變壓器漏抗對功率單元的影響，使勵磁系統的模型更加準確。
(2)采用PID+新型Pss控制，克服了常規Pss和PID控制存在的不足，以保證大機組發電機能穩定起勵運行，對于擾動和暫態故障具有較強的抑制和響應能力，能加快發電機端電壓的恢復。維持機端電壓穩定，增強了系統的魯棒性。仿真結果和理論分析相吻合，能滿足大型同步發電機勵磁控制的要求，控制效果優于普通PID控制的勵磁調節器，仿真結果也驗證了勵磁系統設計方法的合理性與可行性，為進行勵磁調節器和Pss的硬件設計打下了良好的基礎。 |
