采用高壓側電壓控制改善系統的角度穩定性
摘要：研究了一種先進的高壓側電壓控制器（HSVC），它通過在常規的發電機勵磁系統的控制中添加附加控制的方法來改善電力系統的角度穩定性。介紹了HSVC的原理和實現方法。將HSVC的仿真結果與常規的自動電壓調節器（AVR）進行了比較，表明HSVC可以提高電力系統大擾動穩定性和小信號穩定性。這種方法實現方便、可靠，而且不需要從升壓變壓器高壓側反饋任何信號。
關鍵詞：角度穩定性 高壓側電壓控制 自動電壓調節器
關鍵詞：角度穩定性 高壓側電壓控制 自動電壓調節器
1 引言
電力系統穩定性問題有角度（功角）穩定、電壓穩定和頻率穩定三個方面。角度穩定性是指電力系統中互聯的同步發電機維持同步運行的能力。角度不穩定一種是由于缺少同步轉矩，導致發電機轉子角逐步增大；另一種是由于缺少有效阻尼轉矩，導致轉子增幅振蕩。發電機勵磁控制的基本任務是維持發電機端電壓在給定值，同時又是電力系統穩定控制中最重要和基本的手段。過去數十年特別是近年來，電力科技工作者在常規自動電壓調節器（AVR）[1] 的基礎上，研究開發了多種性能優良的勵磁系統和附加勵磁控制器。其中有提高暫態穩定的高頂值快速勵磁和強行勵磁，為增強阻尼的電力系統穩定器（PSS）[2]，利用電流補償電壓下降的線路電壓降落補償器（LDC）[3]，利用高壓側電壓作為反饋信號的電力系統電壓調節器（PSVR）[4,5]等。
本文對一種先進的高端電壓控制控制器（HSVC）[6]進行了研究，這種控制器不需要任何高壓端反饋信號（即不需要測量升壓變壓器高壓側電壓）便可控制升壓變壓器的高端電壓。其控制性能、可靠性和經濟性比常規勵磁控制更好。
2 高壓側電壓控制器及其原理
新型的高壓側電壓控制器的思路是在傳統的勵磁系統中引入對無功電流的補償，控制主變高壓側的電壓基本恒定。高壓側電壓控制器的結構如圖1所示。圖2是應用高壓側電壓控制器的一個簡單電力系統。
圖1中，Q為發電機所發無功；Xdr為設定的電壓下降特性，即電壓隨無功電流變化的斜率；Iq0對應于額定無功電流；n為升壓變壓器變比。圖1、2中，Vg為發電機機端電壓；VH為升壓變壓器高壓側電壓；Vs為無窮大系統母線電壓；Xt為升壓變壓器電抗；Xe為線路電抗。
如果高壓側電壓預定為VHref，則發電機端電壓 Vg可控制為
Vg=VHref+(Xt-Xdr)Iq (1)
Vg=VHref+(Xt-Xdr)Iq (1)
其中Iq=Q/Vg，這時高壓側電壓實際為
VH的特性曲線如圖3所示。可以看出，高壓側電壓隨無功電流的增加而下降。對于設定的目標VHref，可以控制VH隨著設定的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的補償控制，將無功電流較大時的VH保持在一個較高值。Vg控制為
其特性曲線如圖4所示。
如果高壓側初始設定值為VHref0，后來又重新設定為VHref，對于外部線路電抗Xe，無功電流的變化(△Iq0)隨著新設定值VHref的變化由式(5)近似給出。
這樣無功電流就可以自動地隨 VHref，對于外部線路電抗Xe，無功電流的變化
(△Iq0 )隨著新設定值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，對于外部線路電抗Xe，無功電流的變化
(△Iq0 )隨著新設定值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改變，這樣，相鄰并聯運行的各個發電機之間無功分配不平衡。為了防止出現這種情況，需要在HSVC上增加補償函數，使得當分接頭位置改變時，下降率能保持恒定。這樣基本的控制方程從式(1)變為式(8)。
VH同式(2)。
3 HSVC用于改善角度穩定性
3.1 接地短路故障下穩定性能的比較
為檢驗高壓側電壓控制對電力系統角度穩定的影響，采用電力系統綜合分析程序（PSASP）對圖5所示的單機無窮大系統，分別采用常規AVR和HSVC兩種勵磁系統控制方式對系統在接地短路故障下進行了仿真。
對圖5所示的單機無窮大系統，計算初始潮流，可得當機端電壓以及無窮大系統電壓都為1.0pu，n為1.05pu時，VH為1.02381pu。
本文所采用的AVR結構框圖如圖6所示。
本文所采用的 Vgref方程為
對圖5所示的系統，分別采用常規AVR和HSVC兩種勵磁控制方式對系統在接地短路故障下進行了暫態仿真，分別計算了三相和兩相接地兩種故障。故障選在變壓器高壓側，如圖5中k點所示。計算結果列于表1。
由表1可知，各種短路情況下采用HSVC控制的極限切除時間都較采用AVR控制的極限切除時間長，主繼電保護裝置能在極限切除時間內動作，保證系統的安全運行。
圖7為發生150ms三相接地短路故障時，分別采用常規AVR和HSVC兩種勵磁系統控制方式的仿真結果（注意，這里不管是使用AVR或HSVC，都沒有使用常規的PSS）。從圖7可見，發電機功角曲線、有功功率、無功功率、機端電壓、變壓器高壓側電壓的響應曲線都顯示HSVC能很好地提供阻尼，抑制電力系統振蕩。
上述仿真結果表明，采用高壓側電壓控制,可以有效地提高系統的暫態穩定性，發電機電壓和主變高壓側電壓能維持在所要求的水平。
3.2 重負荷下發生負荷微小擾動時穩定性能的比較
當圖8所示的單機單負荷系統帶重負荷：PL=0.9pu，QL=0.4pu時，對系統施加微小的負荷擾動： dp=0.02pu,dq=0.01pu。
圖9為采用HSVC控制和采用常規AVR控制下的受干擾后的發電機功角曲線。從圖9可見，當采用常規AVR控制時，雖然第一擺沒有失穩，但在后繼擺動中，系統發生了振蕩失穩；而采用HSVC控制時，系統只發生了微小的振蕩，功角基本保持了穩定。上述仿真結果表明，采用高壓側電壓控制可以有效地提高系統的阻尼水平，增強系統的小擾動穩定性。
4 結束語
本文闡明了先進的高壓側電壓控制器(HSVC)的基本原理，分析了它在增強電力系統角度穩定性方面的作用。通過對簡單電力系統的仿真計算，結果表明， HSVC能夠控制電廠主變壓器高壓側電壓為給定值，并且使它維持在比常規的勵磁控制方法更高的電壓水平，因而縮短了電源和負荷之間的距離，提高了系統的傳輸能力，改善了電力系統角度穩定性。HSVC不需要高壓側電壓作為反饋信號，便于實現。而且HSVC可以安裝在所有的發電機上，發電廠的現有容量可以更好地得到應用，因此HSVC在經濟上也具有優越性。
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