發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角控制及其在電力系統(tǒng)中的作用研究.pdf

1、當(dāng)今，節(jié)能減排、清潔化利用能源勢(shì)在必行，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行和控制提出了更高的要求，在以資源充分優(yōu)化與配置為目標(biāo)的前提下，如何改變傳統(tǒng)方法所帶來的弊端，如何實(shí)現(xiàn)分布自治、全局統(tǒng)籌是亟待解決的問題，分散與集中已成為當(dāng)今電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制面臨的主要矛盾。本文就如何抑制低頻振蕩、提高暫穩(wěn)性能，實(shí)現(xiàn)新的負(fù)荷跟蹤機(jī)制，以及自動(dòng)潮流實(shí)現(xiàn)等問題，提出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角相對(duì)不變的控制的新思路，并以此為核心，開展對(duì)這些問題的深入研究與探索，符合當(dāng)今電力系統(tǒng)發(fā)展形勢(shì)

2、，具有重要的理論意義和工程價(jià)值。
　　目前電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)主要通過比較發(fā)電機(jī)與相鄰發(fā)電機(jī)的相對(duì)位置和速度來提供阻尼，這種機(jī)制決定了相鄰的成員可以比較容易的維持相對(duì)位置，但是相距更遠(yuǎn)的發(fā)電機(jī)就只能起間接的作用。由此，隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，假使不同區(qū)域間的發(fā)電機(jī)間發(fā)生振蕩時(shí)，就很難通過這種模式來平息。如果設(shè)法將每個(gè)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子角都在全球時(shí)鐘定位系統(tǒng)(GPS)確定的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中固定下來，就可保證區(qū)域間發(fā)電機(jī)組的相對(duì)位置不變，振蕩

3、發(fā)生后自然容易平息。這是本研究當(dāng)初欲達(dá)到的目的。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子角控制對(duì)提高暫穩(wěn)裕度也有顯著效果，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)有的運(yùn)行方式下，每個(gè)發(fā)電機(jī)的絕對(duì)轉(zhuǎn)子角都在不斷變化，大擾動(dòng)后就不可能根據(jù)角度量測(cè)進(jìn)行控制，發(fā)電機(jī)只能靠電網(wǎng)重新拉入同步。當(dāng)系統(tǒng)中全面實(shí)施轉(zhuǎn)子角控制時(shí)，所有發(fā)電機(jī)都會(huì)精確的保持額定轉(zhuǎn)速并運(yùn)行在各自的角度目標(biāo)附近。發(fā)生擾動(dòng)后，發(fā)電機(jī)即可根據(jù)本地信息，根據(jù)控制規(guī)則，通過汽門操作或電氣制動(dòng)加速或減速，向事故前目標(biāo)值回歸。從而在不

4、依賴遠(yuǎn)程量測(cè)的前提下使系統(tǒng)回歸有序狀態(tài)，恢復(fù)穩(wěn)定。
　　為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)子角控制的可行性及相應(yīng)自動(dòng)負(fù)荷跟蹤的機(jī)制，在山東大學(xué)動(dòng)模試驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)的動(dòng)模試驗(yàn)。試驗(yàn)表明:(1)現(xiàn)有的測(cè)量精度和控制技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子角控制，并且可以同時(shí)指定多個(gè)發(fā)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)子角，也不存在能控性/能觀性/穩(wěn)定性問題。(2)發(fā)電機(jī)并入運(yùn)行于定轉(zhuǎn)子角模式的電網(wǎng)后，轉(zhuǎn)子角亦隨之固定下來，此外，如果電網(wǎng)在大擾動(dòng)后暫時(shí)變?yōu)樽冾l變角度模式，也可以在頻率偏差較小時(shí)，很方

5、便的重新啟動(dòng)定角度模式。(3)電網(wǎng)中多種模式（定功率/僅有一次調(diào)頻/定角度）的發(fā)電機(jī)可以并列運(yùn)行，在負(fù)荷快速增長(zhǎng)或者大擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)都會(huì)參與調(diào)節(jié)，但調(diào)整結(jié)束后負(fù)荷增量?jī)H由定角度機(jī)組分擔(dān)。定角度機(jī)組越多，則調(diào)整過程中發(fā)電機(jī)角度滯后越少。此外，如果運(yùn)行于定轉(zhuǎn)子角模式的發(fā)電機(jī)到達(dá)出力上限，該機(jī)就會(huì)失去維持角度的能力，但相鄰的發(fā)電機(jī)可在負(fù)荷增長(zhǎng)時(shí)提供支援，因此系統(tǒng)頻率仍可維持不變。
　　由于勵(lì)磁會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)在負(fù)荷增加后顯

6、著改變，所以不能使用直流潮流來計(jì)算負(fù)荷增加后的發(fā)電機(jī)出力。可以在擴(kuò)展對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)的節(jié)點(diǎn)后，由牛頓-拉弗遜法或利用本文自PQ分解法派生的新算法來進(jìn)行潮流計(jì)算。后者和傳統(tǒng)PQ分解法的主要區(qū)別為，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段生成B'陣時(shí)需要考慮到d軸電抗。在迭代階段，還需要在求得各母線電壓修正量后，額外修正B'的部分元素才能求解得到各節(jié)點(diǎn)角度修正量，并進(jìn)一步計(jì)算內(nèi)電勢(shì)大小修正量。計(jì)算實(shí)踐表明，新的潮流算法計(jì)算速度快，收斂性好，可以作為新運(yùn)行模式下優(yōu)化和

7、調(diào)度運(yùn)行的潮流算法。
　　值得注意的是，本文選擇通過汽輪機(jī)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子角控制。這是因?yàn)榻嵌龋邦l率）波動(dòng)的背后是有功的波動(dòng)，所以通過汽輪機(jī)輸出變化來達(dá)到功率平衡是最直截了當(dāng)?shù)淖龇?。但是，通過汽輪機(jī)調(diào)整也有動(dòng)作遲緩、影響調(diào)門壽命等問題。不過應(yīng)該看到，使用汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子角控制并不是唯一的選擇。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，也完全可以通過調(diào)整勵(lì)磁（或協(xié)調(diào)勵(lì)磁與汽輪機(jī)）來達(dá)到控制轉(zhuǎn)子角的目的。只是那時(shí)本文所述的益處和影響將以完全不同的形式來展現(xiàn)而已。從這個(gè)

8、角度講，本文所采取的具體做法和形式并不重要，重要的是背后的想法和這種想法所能帶來的本質(zhì)性變化，這一變化會(huì)實(shí)現(xiàn)分散、就地、自動(dòng)的平衡與控制。當(dāng)然，也會(huì)給傳統(tǒng)的調(diào)度與控制帶來方法和機(jī)制上的改變。
　　綜上，本文具有一定新意的工作主要體現(xiàn)如下:
　　(1)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角控制的新思想?；谶@一思想，給出了使用比例、積分、微分(PID)控制器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子角控制的具體方法。這種方法的主要目的是力圖固定每個(gè)發(fā)電機(jī)在GPS確定的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的位置

9、，從而讓整個(gè)電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組成的隊(duì)形保持不變，并使電網(wǎng)頻率時(shí)刻漸進(jìn)維持在額定頻率上。當(dāng)每一發(fā)電機(jī)組都實(shí)現(xiàn)了這一控制時(shí)，在一定條件下，伴隨擾動(dòng)預(yù)期可實(shí)現(xiàn)發(fā)電與用電的自動(dòng)平衡。
　　(2)轉(zhuǎn)子角控制抑制低頻振蕩的作用機(jī)理。通過該控制器的引入，分析了轉(zhuǎn)子角控制器產(chǎn)生阻尼轉(zhuǎn)矩的特性和轉(zhuǎn)子角控制器的穩(wěn)定性。并進(jìn)一步分析了轉(zhuǎn)子角控制器抑制區(qū)域間振蕩的機(jī)理:由于實(shí)施轉(zhuǎn)子角控制后頻率和角度不再隨機(jī)波動(dòng)，因而就有可能通過本地量測(cè)獲取區(qū)域間振蕩信息，并

10、據(jù)此施加合適的阻尼轉(zhuǎn)矩，最終得到提高區(qū)域間振蕩阻尼比的效果，仿真驗(yàn)證了這一想法的有效性。
　　(3)轉(zhuǎn)子角控制提高暫穩(wěn)性能的作用機(jī)理。進(jìn)一步，分析了汽輪機(jī)調(diào)門操作和電氣制動(dòng)的等效性，給出了轉(zhuǎn)子角控制器在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中提高極限切除時(shí)間的算例，并論證了轉(zhuǎn)子角控制器通過適當(dāng)改變機(jī)械功率增加減速面積的具體機(jī)理。分析了暫穩(wěn)過程中轉(zhuǎn)子角控制器補(bǔ)償模塊的作用和局限性，并給出了多機(jī)系統(tǒng)中通過調(diào)門操作提高極限切除時(shí)間的算例，表明其有效性。

11、　　(4)轉(zhuǎn)子角控制模式下的負(fù)荷跟蹤機(jī)理和動(dòng)模驗(yàn)證。分析了新控制模式下的負(fù)荷跟蹤機(jī)制，并將新的機(jī)制與傳統(tǒng)一次調(diào)頻/自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)配合機(jī)制做了對(duì)比。此外，還分析了負(fù)荷增長(zhǎng)后的增量分配原則。通過動(dòng)模試驗(yàn)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子角控制思想的可行性，并驗(yàn)證了新模式下負(fù)荷自動(dòng)跟蹤的機(jī)制。
　　(5)定轉(zhuǎn)子角控制下的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算。在給定轉(zhuǎn)子角度前提下，分析了實(shí)施轉(zhuǎn)子角控制后潮流計(jì)算與現(xiàn)有潮流計(jì)算不同之處，并以PQ分解法為基礎(chǔ)，派生了新的不需要擴(kuò)展