具有新型PSS的励磁系统建模与仿真

楚文斌¹，刘觉民¹，刘军志¹，谭立新²

    (1湖南大学电气与信息I程学院，湖南长沙410082;

    2湖南信息职业技术学院，湖南长沙410200)

    摘要：结合实际运行I_况，在MATLAB环境下，准确建立大型同步发电机励磁系统模型，包括采样单元、控制单元和功率单元等模型。以励磁调节器PlD控制为主控制，以新型电力统稳定器(Pss)为辅助控制，并在暂态条件下进行仿真，仿真结果表明：PlD+Pss控制的励磁系统具有满意阻尼特性，克服r普通励磁调节器在抑制低频振荡等方面存在的不足，使发电机的抗扰动能力、抑制低频振荡故障恢复等性能优于单纯的PID控制励磁系统。

    关键词：同步发电机；励磁系统；电力系统稳定器

    中图分类号：TM341  文献标识码：A文章编号：1673_6540(2009)12 0006-04

O  引  言

    励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对电力系统运行的可靠性和稳定性有着直接影响。常规励磁凋节器采用PID控制方式，控制简单且易于实现，得到了非常广泛的应用^【1】。但单纯的按机端电压偏差进行的PID控制方式，无法提供令人满意的阻尼特性，特别是用于控制大型的发电机机组时，阻尼特性差，会产生自发的低频振荡，威胁电力系统的稳定性。电力系统稳定器(Pss)主要用于抑制干扰后的功率振荡，在系统短路故障瞬间的暂态过程中使励磁电压上升速度变快，加快发电机端电压的恢复。基于MATLAB平台，建立大型同步发电机励磁系统模型，采用PID+新型Pss作为控制单元，在外加扰动和三相短路暂态条件下，对励磁系统进行仿真。

1  励磁系统模型

    同步发电机励磁系统如图1所示，由励磁调节器和Pss、发电机等组成。

同步发电机输出电压、电流经电压互感器和电流互感器输入到信号转换模块，送人A／D转换通道；同时，励磁电压、电流经信号转换模块变换后送人A／D芯片。微机cPu对采样的结果进行控制算法运算，得到结果输出脉宽调制(PwM)信号，驱动町控硅的触发极，通过控制励磁电流大小来调节励磁电压。Pss采集发电机电功率偏差和转速偏差，经过信号变换及处理等，与励磁调节器

的输出经限幅环节共同调节励磁电压。故障监测和LcD显示模块实时监测和显示系统的输入和输出。

1．1数据采样单元模型

建立机端电压、电流测量模块。励磁调节器中需要采样的电量有三相机端线电压和线电流、励磁电压、励磁电流共8路信号，分别采用直流采样和交流采样。每路信号测量电路都分为两个部分，模拟变换部分和A／D转换部分。对于每路信号的模拟变换部分，都存在滤波电路，因此存在延时，用一阶惯性环节1／(1+Ts)来近似描述，A／D转换部分将模拟量转换为数字量，可以用一个放大环节描述，放大系数：

K_AD=2ⁿ/V_ref

式中：n——A/D转换器的位数；

     V_ref——A/D转换器的参考电压。

     A/D转换部分模型如图2所示。

 

三相机端电压和三相机端电流共6路信号采用交流采样。采样数据处理单元用软件来实现，采用16点傅里叶算法对交流采样数据进行处理，电压、电流实部的差分方程展开并进行z变换，可得电压实部和虚部的传递函数，从而可求出有功功率、无功功率和无功电流。

l.2控制单元模型

控制单元是调节器的核心。大型发电机组的励磁系统要具有满意的阻尼特性，以防止出现低频振荡，通常采用PID+Pss控制。P1D单元包括调差部分和PID控制部分。调差部分需考虑到发电机组的并联运行^[1]，调差部分的输入、输出关系为：

式中：U’_ref——机端电压给定值；

  ——调差系数；

I_Q——无功电流值；

U_ref——PID控制器给定值

PID控制器的传递函数为：

  

式中：K_P，K_I，K_D分别为比例，积分，微分系数。

PID控制器的传递函数为G_e(z)。根据上文分析，可以得到控制单元的模型框图，见图3。

Pss采用发电机转速偏差、频率偏差、加速功率偏差、电功率偏差中的一个或几个信号(一般为两个)，经过信号变换及处理作为自动励磁调节器(AER)的附加输人，产生阻尼力矩，达到提高电力系统动态稳定性的目的^[3]。采用Pss作为辅助控制环节，PSS环节由测量环节、超前一滞后环节和隔直环节构成，如图4所示。

 

测量环节用于信号的测量和滤波，信号采集环节由传感器来完成，它将PSS工作主频(0 1～3 Hz)范围内的信号传进PSS^[4]；超前一滞后环节用于相位补偿；隔直环节的作用是当信号的变化达到稳态时，Pss的输出为零。常规Pss以△ω为输入信号，使用的是超前网络，超前网络在高频段增益变大，所以对发电机扭动振荡极为敏感，使扭动振荡更加严重；以△P_e作为输入信号，检测方便，所需超前角度小，稳定性好，已得到广泛应用，但存在反调现象；以△ω和△P_e同时为输入信号，它们可以相互补偿，减小反调现象的影响，只通过调节Kω、K_P的相对大小，产生相位超前的附加同步转矩，对电压调节器产生的相位滞后的电磁转矩在相位上进行补偿^[4]。本文以功率偏差△P_e和转速偏差△ω为输入信号，Pss的模型如图5所示。

参考IEEE关于在主频为0.1~3Hz时，PSS中传感器和隔直环节的推荐参数^【5】（T₁=0~0.04,T₂=0.5~50）,取T₁=0.04，T₂=15，Kω=12，K_p=0.4。

1.3功率单元模型

    励磁调节器中的功率单元是三相全控整流桥。由于晶闸管工作是断续的，因此其输出和控制信号之间存在时滞。另外，整流变压器漏感对整流电流的变化起阻碍作用，还需要计及漏抗对晶闸管整流桥的影响^【2】。晶闸管断续控制现象造成输出平均电压U_d滞后于晶闸管控制电压U_c。将传递函数展开为泰勒级数，略去高次项得到简化后的传递函数为：

    整流变压器绕组存在漏抗L_B，对电流的变化起阻碍作用。调节器采用的是三相桥式全控整流桥，在换相过程中，必然存在两个共阴极或共阳极的晶闸管同时导通的情况，将在变压器二相之间产生环流，从而导致U_d平均值的降低，降低的值用△U_d表示。不考虑变压器漏抗时，输出的电压平均值为U_d=1 35U₂cosa考虑变压器漏抗时，导致的压降为：

式中：X_B——变压器每相折算到二次侧的漏电抗；

    I_d——直流侧输出的平均电流。

    励磁调节器的整流桥采用余弦移相触发，可以得到功率单元的模型，如图6所示。整流桥采用三相全控桥，K_Z的值为l.35U_es，U_es为发电机励磁交流电源的线电压。

1．4参数设置

    通过MATLAB／simulink中的模块，建立励磁调节器的模型如图7所示，励磁系统的仿真模型包括同步发电机模块、调速器模块、励磁调节器模块、升压变压器模块、三相短路模块、无穷大系统模块等。同步发电机输出的电能经升压变压器与无穷大系统并网，用三相短路刀闸用于模拟短路故障。同步发电机模型输出三相电和发电机参数，通过电机参数分离模块可获取发电机的励磁电流值。励磁调节器的输入量为机端交流电压、电流、励磁电流和电压给定；输入PSS的发电机转速偏差△ω、电功率偏差△P_e。PSS的输出和励磁输出经限幅环节后送到同步发电机的输入端V_f。

    参数设置：同步发电机容量200 MvA，电压U_N=13．8 kV，转子类型为隐极，X_d(pu)=1．34，X’_d (pu)=0．296，X’’_d (pu)=O．252，X_q (pu)=0．474，X’_q(pu)=0．243，X_v(pu)=O .18，T’_q (s)=1.01，T’’_q (s)=O．053，T’’_q (s)=O l，R_S(pu)=0．002 584 4，H(s)=3．2。高压侧母线电压为110kV，因此升压变压器的原、副边额定电压U_IN／U_2N设置为13．8 kV／110 kV，升压变压器的额定容量S_N设置为210 kVA，短路电压U_K设置为7．5％。无穷大电源的额定容量S_N设置为1 200 MvA，负载设置为500 Mw，额定电压U_N设置为110 kV。发电机机端负荷设置为100Mg，。在励磁调节器中，模拟变换部分机端电压、机端电流放大系数K_R全部设置为0.005 9(考虑放大裕量)，时间常数T_R全部设置为1μs，A／D转换器的位数n设置为12，A／D转换器的参考电压V_ref设置为3．3。整流变压器的漏抗X_B设置为13Ω。电压给定为标幺值输入。

2仿真结果

    simulink中的仿真算法设置为0de23tb，仿真步长都设置为auto。

2．1发电机起励运行仿真

首先采用单纯的按机端电压偏差进行的PID控制方式进行仿真，得到同步发电机起励运行的机端电压波形如图8所示。从波形可以看出，无PSS控制时，发电机起励过程中机端电压幅值伴有轻微波动；而．PSS+PID控制时，发电机从开始运行到机端电压稳定，起励过程平稳，经历的时间约为2．5 s，无振荡和超调量的出现。

2．2加8％扰动仿真

在起励后的l0 s时加8％的扰动，得到同步发电机起励运行的机端电压波形如图9所示，从波形可看出单纯的PID控制时，受到扰动波动幅值大，约在25 s后趋于稳定，而HD+Pss控制时，其扰动波动幅值小，约在15 s后趋于稳定。

2．3 PID+PSS控制的强励仿真

仿真结果表明PSS对扰动有很好的抑制作用。而当同步发电机发生三相短路故障时，线路电压减小，电流增大，在短路瞬间，机端电压立即减小，将会产生强励以稳定机端电压，所以励磁电流和电压将会瞬间增大来维持机端电压平衡。用短路刀闸模拟电力系统短路故障，将短路刀闸的闭合时刻设置在10 s，经过O.1 s后故障切除，得到同步发电机输出电压波形如图10(a)所示，输出电压迅速变为零。机端电压的变化如图lO(b)所示，发生短路故障时，输出电压瞬间变为零，而机端电压迅速下降到0 4左右，故障切除后，机端电压迅速回升，经历的时间约为2 5 s。过渡过程中电压未出现超调量。

故障的励磁电流波形如图10(c)所示，励磁电流瞬问增大，以维持机端电压处于恒定水平，当故障切除后又迅速恢复到正常稳定状态，未出现振荡和超凋量。

3  结  语

 以上利用MATLAB模块，结合实际运行状况，建立了数字式同步发电机励磁调节系统，仿真模型直观，运行速度快、稳定。

 (1)结合实际运行状况，考虑到机组并网的无功调差环节和整流变压器漏抗对功率单元的影响，使励磁系统的模型更加准确。

 (2)采用PID+新型Pss控制，克服了常规Pss和PID控制存在的不足，以保证大机组发电机能稳定起励运行，对于扰动和暂态故障具有较强的抑制和响应能力，能加快发电机端电压的恢复。维持机端电压稳定，增强了系统的鲁棒性。仿真结果和理论分析相吻合，能满足大型同步发电机励磁控制的要求，控制效果优于普通PID控制的励磁调节器，仿真结果也验证了励磁系统设计方法的合理性与可行性，为进行励磁调节器和Pss的硬件设计打下了良好的基础。