采用高壓側(cè)電壓控制改善系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性
摘要：研究了一種先進(jìn)的高壓側(cè)電壓控制器（HSVC），它通過在常規(guī)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制中添加附加控制的方法來改善電力系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性。介紹了HSVC的原理和實(shí)現(xiàn)方法。將HSVC的仿真結(jié)果與常規(guī)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）進(jìn)行了比較，表明HSVC可以提高電力系統(tǒng)大擾動(dòng)穩(wěn)定性和小信號(hào)穩(wěn)定性。這種方法實(shí)現(xiàn)方便、可靠，而且不需要從升壓變壓器高壓側(cè)反饋任何信號(hào)。
關(guān)鍵詞：角度穩(wěn)定性 高壓側(cè)電壓控制 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器
關(guān)鍵詞：角度穩(wěn)定性 高壓側(cè)電壓控制 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器
1 引言
電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題有角度（功角）穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定三個(gè)方面。角度穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)中互聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)維持同步運(yùn)行的能力。角度不穩(wěn)定一種是由于缺少同步轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角逐步增大；另一種是由于缺少有效阻尼轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子增幅振蕩。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的基本任務(wù)是維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定值，同時(shí)又是電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中最重要和基本的手段。過去數(shù)十年特別是近年來，電力科技工作者在常規(guī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）[1] 的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了多種性能優(yōu)良的勵(lì)磁系統(tǒng)和附加勵(lì)磁控制器。其中有提高暫態(tài)穩(wěn)定的高頂值快速勵(lì)磁和強(qiáng)行勵(lì)磁，為增強(qiáng)阻尼的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）[2]，利用電流補(bǔ)償電壓下降的線路電壓降落補(bǔ)償器（LDC）[3]，利用高壓側(cè)電壓作為反饋信號(hào)的電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器（PSVR）[4,5]等。
本文對(duì)一種先進(jìn)的高端電壓控制控制器（HSVC）[6]進(jìn)行了研究，這種控制器不需要任何高壓端反饋信號(hào)（即不需要測量升壓變壓器高壓側(cè)電壓）便可控制升壓變壓器的高端電壓。其控制性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性比常規(guī)勵(lì)磁控制更好。
2 高壓側(cè)電壓控制器及其原理
新型的高壓側(cè)電壓控制器的思路是在傳統(tǒng)的勵(lì)磁系統(tǒng)中引入對(duì)無功電流的補(bǔ)償，控制主變高壓側(cè)的電壓基本恒定。高壓側(cè)電壓控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2是應(yīng)用高壓側(cè)電壓控制器的一個(gè)簡單電力系統(tǒng)。
圖1中，Q為發(fā)電機(jī)所發(fā)無功；Xdr為設(shè)定的電壓下降特性，即電壓隨無功電流變化的斜率；Iq0對(duì)應(yīng)于額定無功電流；n為升壓變壓器變比。圖1、2中，Vg為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓；VH為升壓變壓器高壓側(cè)電壓；Vs為無窮大系統(tǒng)母線電壓；Xt為升壓變壓器電抗；Xe為線路電抗。
如果高壓側(cè)電壓預(yù)定為VHref，則發(fā)電機(jī)端電壓 Vg可控制為
Vg=VHref+(Xt-Xdr)Iq (1)
Vg=VHref+(Xt-Xdr)Iq (1)
其中Iq=Q/Vg，這時(shí)高壓側(cè)電壓實(shí)際為
VH的特性曲線如圖3所示。可以看出，高壓側(cè)電壓隨無功電流的增加而下降。對(duì)于設(shè)定的目標(biāo)VHref，可以控制VH隨著設(shè)定的Xdr的變化而變化。
為了使VH在特定的無功電流(Iq0 )情況下等于VHref，我們可采用基于Iq0的補(bǔ)償控制，將無功電流較大時(shí)的VH保持在一個(gè)較高值。Vg控制為
其特性曲線如圖4所示。
如果高壓側(cè)初始設(shè)定值為VHref0，后來又重新設(shè)定為VHref，對(duì)于外部線路電抗Xe，無功電流的變化(△Iq0)隨著新設(shè)定值VHref的變化由式(5)近似給出。
這樣無功電流就可以自動(dòng)地隨 VHref，對(duì)于外部線路電抗Xe，無功電流的變化
(△Iq0 )隨著新設(shè)定值VHref的變化由式(5)近似給出。 的變化而變化，從而獲得要求的 VHref，對(duì)于外部線路電抗Xe，無功電流的變化
(△Iq0 )隨著新設(shè)定值VHref的變化由式(5)近似給出。
變壓器分接頭位置的變化，引起變比和電抗值變化，從而電壓下降率也會(huì)改變，這樣，相鄰并聯(lián)運(yùn)行的各個(gè)發(fā)電機(jī)之間無功分配不平衡。為了防止出現(xiàn)這種情況，需要在HSVC上增加補(bǔ)償函數(shù)，使得當(dāng)分接頭位置改變時(shí)，下降率能保持恒定。這樣基本的控制方程從式(1)變?yōu)槭?8)。
VH同式(2)。
3 HSVC用于改善角度穩(wěn)定性
3.1 接地短路故障下穩(wěn)定性能的比較
為檢驗(yàn)高壓側(cè)電壓控制對(duì)電力系統(tǒng)角度穩(wěn)定的影響，采用電力系統(tǒng)綜合分析程序（PSASP）對(duì)圖5所示的單機(jī)無窮大系統(tǒng)，分別采用常規(guī)AVR和HSVC兩種勵(lì)磁系統(tǒng)控制方式對(duì)系統(tǒng)在接地短路故障下進(jìn)行了仿真。
對(duì)圖5所示的單機(jī)無窮大系統(tǒng)，計(jì)算初始潮流，可得當(dāng)機(jī)端電壓以及無窮大系統(tǒng)電壓都為1.0pu，n為1.05pu時(shí)，VH為1.02381pu。
本文所采用的AVR結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。
本文所采用的 Vgref方程為
對(duì)圖5所示的系統(tǒng)，分別采用常規(guī)AVR和HSVC兩種勵(lì)磁控制方式對(duì)系統(tǒng)在接地短路故障下進(jìn)行了暫態(tài)仿真，分別計(jì)算了三相和兩相接地兩種故障。故障選在變壓器高壓側(cè)，如圖5中k點(diǎn)所示。計(jì)算結(jié)果列于表1。
由表1可知，各種短路情況下采用HSVC控制的極限切除時(shí)間都較采用AVR控制的極限切除時(shí)間長，主繼電保護(hù)裝置能在極限切除時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
圖7為發(fā)生150ms三相接地短路故障時(shí)，分別采用常規(guī)AVR和HSVC兩種勵(lì)磁系統(tǒng)控制方式的仿真結(jié)果（注意，這里不管是使用AVR或HSVC，都沒有使用常規(guī)的PSS）。從圖7可見，發(fā)電機(jī)功角曲線、有功功率、無功功率、機(jī)端電壓、變壓器高壓側(cè)電壓的響應(yīng)曲線都顯示HSVC能很好地提供阻尼，抑制電力系統(tǒng)振蕩。
上述仿真結(jié)果表明，采用高壓側(cè)電壓控制,可以有效地提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)電壓和主變高壓側(cè)電壓能維持在所要求的水平。
3.2 重負(fù)荷下發(fā)生負(fù)荷微小擾動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性能的比較
當(dāng)圖8所示的單機(jī)單負(fù)荷系統(tǒng)帶重負(fù)荷：PL=0.9pu，QL=0.4pu時(shí)，對(duì)系統(tǒng)施加微小的負(fù)荷擾動(dòng)： dp=0.02pu,dq=0.01pu。
圖9為采用HSVC控制和采用常規(guī)AVR控制下的受干擾后的發(fā)電機(jī)功角曲線。從圖9可見，當(dāng)采用常規(guī)AVR控制時(shí)，雖然第一擺沒有失穩(wěn)，但在后繼擺動(dòng)中，系統(tǒng)發(fā)生了振蕩失穩(wěn)；而采用HSVC控制時(shí)，系統(tǒng)只發(fā)生了微小的振蕩，功角基本保持了穩(wěn)定。上述仿真結(jié)果表明，采用高壓側(cè)電壓控制可以有效地提高系統(tǒng)的阻尼水平，增強(qiáng)系統(tǒng)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性。
4 結(jié)束語
本文闡明了先進(jìn)的高壓側(cè)電壓控制器(HSVC)的基本原理，分析了它在增強(qiáng)電力系統(tǒng)角度穩(wěn)定性方面的作用。通過對(duì)簡單電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算，結(jié)果表明， HSVC能夠控制電廠主變壓器高壓側(cè)電壓為給定值，并且使它維持在比常規(guī)的勵(lì)磁控制方法更高的電壓水平，因而縮短了電源和負(fù)荷之間的距離，提高了系統(tǒng)的傳輸能力，改善了電力系統(tǒng)角度穩(wěn)定性。HSVC不需要高壓側(cè)電壓作為反饋信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)。而且HSVC可以安裝在所有的發(fā)電機(jī)上，發(fā)電廠的現(xiàn)有容量可以更好地得到應(yīng)用，因此HSVC在經(jīng)濟(jì)上也具有優(yōu)越性。
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