基于matlab的发电机组UEL与PSS协调控制方法与流程

基于matlab的发电机组uel与pss协调控制方法
技术领域
1.本发明涉及电力系统稳定运行方法技术领域，是一种基于matlab的发电机组uel与pss协调控制方法。


背景技术：

2.由于电网发展迅速，仅仅装有电力系统稳定器不能完全满足电网安全稳定运行。继而出现了励磁系统另一个重要的辅助环节—低励磁限制器(under excitation limiter，uel)。当发电机处于长线供电且送电功率较轻时，或受端负荷突然减小时，系统的电压会升高，发电机可能会进入发出有功功率，吸收无功功率的运行状态，即进相运行状态。uel的作用是，在此工况下，避免定子过热，避免发电机的工况超出稳定运行极限。目前，当uel参数整定不合理时，常常会干扰电力系统稳定器(power system stabilizer，pss)的特性，从而给系统稳定造成不利影响。这种现象在国内外都有发生，因此对pss和uel的协调配合问题展开研究。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于matlab的发电机组uel与pss协调控制方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效提高电力系统的稳定性。
4.本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种基于matlab的发电机组uel与pss协调控制方法，包括以下步骤：
5.1)建立发电机励磁系统数学模型；
6.2)建立发电机励磁系统主环小信号模型；
7.3)构建励磁系统元件的传递函数；
8.4)建立uel数学模型；
9.5)根据uel和pss模型建立扩展heffron-phillips模型；
10.6)分析uel对pss动作效果、系统阻尼的影响以及uel作用频段对pss的影响；
11.7)根据分析结果，制定uel与pss的协调控制策略。
12.下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
13.上述步骤1)包括以下子步骤：
14.11)略去同步发电机的定子电阻、定子电流的直流分量以及阻尼绕组的作用，并认为在小干扰中发电机的转速变化很小；
15.12)将发电机并网运行简化，画出单机－无穷大系统的同步发电机矢量图，即建立发电机励磁系统数学模型。
16.上述步骤2)包括以下子步骤：
17.21)对单机－无穷大系统，发电机采用传统三阶heffron-phillips模型；
18.22)建立单机-无穷大系统的自并励励磁系统模型，即发电机励磁系统主环小信号模型。
19.上述步骤3)包括以下子步骤：
20.31)采用一阶惯性环节近似描述电压测量比较单元，因此测量比较单元的传递函数可以表示为：
[0021][0022]
式中，ku—发电机端电压与励磁电压之比，即发电机的放大倍数；tu—测量比较单元的时间常数(s)，数值范围通常为0.02s至0.06s；
[0023]
32)采用放大系数为ka的一阶惯性环节描述综合放大单元，综合放大单元的传递函数表示为：
[0024][0025]
式中ka—电压放大系数；ta—综合放大单元的时间常数(s)；在电子型调节器中，综合放大单元是由运算放大器组成，由于运算放大器响应快，ta≈0。此外，综合放大有一定工作范围,输出电压为：
[0026]usmin
≤us≤u
smax
[0027]
33)采用经典pid控制方式描述自动电压调节器，所述调节器传递函数表示为：
[0028][0029]
式中k
p
—励磁调节器的放大系数；ti—励磁调节器的积分时间常数(s)；td—励磁调节器的微分时间常数(s)。
[0030]
上述步骤4)包括以下子步骤：
[0031]
41)uel的第一个模块为最低励磁限制曲线，曲线斜率为ku，以发电机的有功功率p
t
、无功功率q
t
以及机端电压u
t
为输入量，输出量为uel控制环节的控制量δs；
[0032]
42)第二个模块为uel控制环节，主要包括比例-积分型和领先-滞后型。
[0033]
上述步骤5)包括以下子步骤：
[0034]
51)励磁系统采用带有pss和uel辅助环节的控制模型，即在发电机采用传统三阶heffron-phillips模型的基础上加入pss和uel环，得到扩展后的heffron-phillips模型；
[0035]
52)系统模型补充加入pss和uel的状态方程，即扩展后的heffron-phillips模型，其公式如下：
[0036]
δpe＝-k1δδ-k2δe
′q[0037]
δs＝k7δδ+k8δe
′q[0038]
k7、k8的计算公式为：
[0039]
[0040][0041][0042]
上述步骤6)包括以下子步骤：
[0043]
61)通过电压阶跃仿真实验分析uel对pss的动作效果的影响；
[0044]
对以下四种情况做－4％电压阶跃仿真试验：(a)不加uel，不加pss；(b)加uel，不加pss；(c)不加uel，加pss；(d)既加uel，又加pss；
[0045]
62)分析uel对系统阻尼的影响；
[0046]
uel提供阻尼的模型，分析电磁转矩δm
uel
与转速δω的相位关系；
[0047]
63)分析uel作用频段对pss的影响；
[0048]
以δu
ref
为输入量，δpe为输出量，分别求得带有uel和不带uel两种情况的δpe/δu
ref
，并做bode图。
[0049]
本发明所述基于matlab的发电机组uel与pss协调控制方法，对比分析uel对pss的动作效果影响。pss对振荡抑制效果的好与坏，主要从uel向系统提供阻尼的性质来决定，当提供负的阻尼时，避免uel的作用频段与pss重叠，从而提高pss对振荡抑制效果；当提供阻正的阻尼时，尽量uel的作用频段与pss相一致，从而也能提高pss的作用效果。通过仿真软件和对比验证了当uel向系统提供负的阻尼转矩时，系统的稳定性由ku减小，uel的作用频段减小，系统的稳定性提高。
附图说明
[0050]
附图1为本发明的方法流程图。
[0051]
附图2为发电机励磁系统数学模型。
[0052]
附图3为发电机励磁系统主环小信号模型。
[0053]
附图4为综合放大单元的传递函数。
[0054]
附图5a为uel数学模型。
[0055]
附图5b为uel数学模型，比例-积分型。
[0056]
附图5c为uel数学模型，领先-滞后型。
[0057]
附图6为扩展后的heffron-phillips模型。
[0058]
附图7为uel提供阻尼的模型。
[0059]
附图8为开环传递函数。
[0060]
附图9为不同情况的uel的作用频段对pss的影响。
具体实施方式
[0061]
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
[0062]
本发明，如无特别说明，图1至图9记载的参数均为本领域现有公知的参数。
[0063]
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
[0064]
实施例：如附图1所示，该基于matlab的发电机组uel与pss协调控制方法，包括以下步骤：
[0065]
1)建立发电机励磁系统数学模型；
[0066]
2)建立发电机励磁系统主环小信号模型；
[0067]
3)构建励磁系统元件的传递函数；
[0068]
4)建立uel数学模型；
[0069]
5)根据uel和pss模型建立扩展heffron-phillips模型；
[0070]
6)分析uel对pss动作效果、系统阻尼的影响以及uel作用频段对pss的影响；
[0071]
7)根据分析结果，制定uel与pss的协调控制策略。
[0072]
所述步骤1)包括以下子步骤：
[0073]
11)略去同步发电机的定子电阻、定子电流的直流分量以及阻尼绕组的作用，并认为在小干扰中发电机的转速变化很小；
[0074]
12)将发电机并网运行简化，画出单机－无穷大系统的同步发电机矢量图(见图2)，即建立发电机励磁系统数学模型。
[0075]
上述步骤2)包括以下子步骤：
[0076]
21)对单机－无穷大系统，发电机采用传统三阶heffron-phillips模型；
[0077]
22)建立单机-无穷大系统的自并励励磁系统模型，即发电机励磁系统主环小信号模型(见图3)。
[0078]
所述步骤3)包括以下子步骤：
[0079]
31)电压测量比较单元由测量变压器、整流滤波电路及测量比较电路组成。其中电压测量的整流滤波电路略有延时，可用一阶惯性环节来近似描述。比较电路一般认为无延时。因此测量比较单元的传递函数可以表示为：
[0080][0081]
式中，ku—发电机端电压与励磁电压之比，即发电机的放大倍数；tu—测量比较单元的时间常数(s)，数值范围通常为0.02s至0.06s；
[0082]
32)采用放大系数为ka的一阶惯性环节描述综合放大单元，传递函数表示为：
[0083][0084]
式中ka—电压放大系数；ta—综合放大单元的时间常数(s)；在电子型调节器中，综合放大单元是由运算放大器组成，由于运算放大器响应快，ta≈0。此外，综合放大有一定工作范围,输出电压为：
[0085]usmin
≤us≤u
smax
[0086]
因此，综合放大单元的传递函数可表示成如图4所示的模型。
[0087]
33)采用经典pid控制方式描述自动电压调节器，所述调节器传递函数表示为：
[0088][0089]
式中k
p
—励磁调节器的放大系数；ti—励磁调节器的积分时间常数(s)；td—励磁调节器的微分时间常数(s)。
[0090]
所述步骤4)包括以下子步骤：
[0091]
41)uel的第一个模块为最低励磁限制曲线，曲线斜率为ku，以发电机的有功功率p
t
、无功功率q
t
以及机端电压u
t
为输入量，输出量为uel控制环节的控制量δs；
[0092]
42)第二个模块为uel控制环节，uel数学模型见图5a，主要包括比例-积分型(见图5b)和领先-滞后型(见图5c)，其中t
uel1
为uel的超前时间常数，t
uel2
为uel的滞后时间常数，k
uel
是uel的放大倍数。
[0093]
所述步骤5)包括以下子步骤：
[0094]
51)励磁系统采用带有pss和uel辅助环节的控制模型，即在发电机采用传统三阶heffron-phillips模型的基础上加入pss和uel环，得到扩展后的heffron-phillips模型(见图6)；
[0095]
52)系统模型补充加入pss和uel的状态方程，即扩展后的heffron-phillips模型，其公式如下：
[0096]
δpe＝-k1δδ-k2δe
′q[0097]
δs＝k7δδ+k8δe
′q[0098]
k1～k6的计算同如下，k7、k8的计算公式为：
[0099][0100][0101][0102]
所述步骤6)包括以下子步骤：
[0103]
61)通过电压阶跃仿真实验分析uel对pss的动作效果的影响；
[0104]
对以下四种情况做－4％电压阶跃仿真试验：(a)不加uel，不加pss；(b)加uel，不加pss；(c)不加uel，加pss；(d)既加uel，又加pss；
[0105]
62)分析uel对系统阻尼的影响；
[0106]
uel提供阻尼的模型(见图7)，分析电磁转矩δm
uel
与转速δω的相位关系；
[0107][0108]
δm
uel
＝g
x
(s)δw
[0109]
将s＝jωd带入g
x
(s)中，可得
[0110]gx
(jωd)＝g
x
∠φ
x
＝r
x
+ji
x
[0111]
δu
uel
的输入点与δu
pss
的输入点为同一点，由上可见，当i
x
》0时，设uel在功率相加点提供的转矩为δm
uel1
，此时90
°
》φ1》－90
°
，δm
uel1
在纵轴上的分量δm
uel2-d
相位上与δ
ω同向。δu
uel
输入电压调节器后，经过电压调节器及励磁系统的滞后，可以产生正的阻尼转矩，有助于抑制振荡。当i
x
《0时，设uel在功率相加点提供的转矩为δm
uel2
，此时－90
°
》φ2》-270
°
，δm
uel2
在纵轴上的分量δm
uel2-d
相位上与δω反向。δu
uel
产生负的阻尼转矩，有助于助长振荡。
[0112]
63)分析uel作用频段对pss的影响；
[0113]
以δu
ref
为输入量，δpe为输出量，分别求得带有uel和不带uel两种情况的δpe/δu
ref
，并做bode图。
[0114]
uel作用频段的含义是：对如图8所示的开环传递函数，分别求得带有uel和不带uel两种情况的δpe/δu
ref
并做bode图。由于uel近似于稳态控制，其作用频段较低，因此取0.01hz至10hz的幅频特性bode图幅频特性曲线分析，两条曲线没重合的部分为uel的作用频段。
[0115]
对于自并励励磁系统，uel和pss的作用量δu
uel
和δu
pss
在电压相加点相叠加后作用于励磁系统主环。uel的作用频段不同，则在电压相加点处uel对pss的影响不同，下面分情况讨论几种情况下uel对pss的影响，不同情况的uel的作用频段对pss的影响如图9所示。
[0116]
若uel向系统提供正的阻尼转矩。当uel的作用频段远远低于pss的作用频段，uel_1所示，uel有时助长pss的作用，有时削弱pss的作用；若pss和uel的作用频段接近(为方便说明，取uel和pss的频率一致)，uel_2所示，uel会助长pss的作用效果。
[0117]
若uel向系统提供负的阻尼转矩。若uel的作用频段远远低于pss的作用频段，uel_3所示，uel有时助长pss的作用，有时削弱pss的作用；若pss和uel的作用频段接近(为方便说明，取uel和pss的频率一致)，如uel_4所示，uel会削弱pss的作用效果。
[0118]
已知pss的作用是增加系统阻尼，抑制震荡，若uel严重削弱pss的作用，则不利于系统稳定。因此，整定参数时，若uel向系统提供负阻尼，uel的作用频段应尽量避免和pss重叠，以尽可能小的削弱pss的作用效果；若uel向系统提供的是正阻尼，uel的作用频段应尽量与pss相一致，以助长pss的作用效果。已知pss主要抑制0.1hz至2hz频段的振荡，根据上述分析可知，当uel提供正的阻尼转矩时，主要作用频段应尽可能包含0.1hz至2hz；当uel提供负的阻尼转矩时，主要作用频段应尽可能避开0.1hz至2hz。
[0119]
步骤7)根据分析结果，制定uel与pss的协调控制策略。
[0120]
本发明提出一种基于matlab的发电机组uel与pss协调控制方法，通过对比分析uel对pss的动作效果影响，虽然uel对无功和电压的升高效果比较明显，但对振荡没有抑制作用，可知加入uel严重影响了pss对振荡抑制效果，破坏系统稳定性。pss对振荡抑制效果的好与坏，主要从uel向系统提供阻尼的性质来决定，当提供负的阻尼时，避免uel的作用频段与pss重叠，从提高pss对振荡抑制效果；当提供阻正的阻尼时，尽量uel的作用频段与pss相一致，从而也能提高pss的作用效果。通过仿真软件(matlab)和对比验证了当uel向系统提供负的阻尼转矩时，系统的稳定性由ku减小，uel的作用频段减小，系统的稳定性提高。
[0121]
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。