水电一次调频引发的超低频振荡及参数优化
沈进阳,龚开清，周 斌
【摘 要】研究基于单机无穷大扩展模型,对相位和水电调速控制系统的阻尼系数进行分析。分析发现,在一次调频过程中,不仅存在由水锤效应引起的反调现象,而且一次调频参数选取得不恰当时,调速控制系统所产生的负阻尼转矩,加剧系统的功率振荡。研究通过对系统阻尼比的分析来调整调速器参数,避免出现负阻尼,以减小低频振荡发生的概率；通过建立仿真模型,分别验证了不恰当参数引起的强迫振荡和负阻尼振荡,以及合理参数下的减幅振荡。研究为水电机组的频率振荡问题提供了依据。 【期刊名称】电力学报 【年(卷),期】2018(033)005 【总页数】7
【关键词】强迫振荡;负阻尼振荡;阻尼比;反调 学科分类号：47040
0 引言
低频振荡问题一直是电力系统研究的热点,低频振荡包括强迫振荡和负阻尼振荡。若系统阻尼不足,当电力系统的扰动频率与系统频率接近或相同时,则会引发强迫振荡。若系统为负阻尼状态时,此时的电力系统扰动则会引起负阻尼振荡。强迫振荡可通过加设PSS稳定控制器来加以改善,但还是不能避免低频振荡问题的发生。低频振荡产生的原因有两方面,一是机组侧,二是电网侧,虽然电力系统的扰动不易控制,但是机组侧可通过整定调速器和原动机参数来增大阻尼,减小发生低频振荡的概率。
近年来对于低频振荡问题的研究很多,文献[1]对于强迫振荡的共振机制做了详细分析;文献[2]基于广域测量系统对负阻尼振荡和强迫振荡进行了判别分析;文献[3]分析了调速系统的不同模态对电网低频振荡的影响;文献[4]研究了汽轮机一次调频实验引发的对低频振荡的现象。
一般考虑低频振荡问题,主要是研究励磁系统的增益和快速反应,而对于水轮机及其调速系统对整个系统影响的研究较少。随着云贵川地区越来越多的大型水电站的建立,水电作为送端或者受端区域的常规机组所引起的低频振荡不容忽视。而调速参数的选择对整个系统的低频振荡影响很大,故水电调速系统以及水轮机对整个系统低频振荡的影响还需进一步研究。文献[5]分析了由尾水管压力脉动引起的频率不稳定问题;文献[6]通过特征根法比较,分析发现调速系统对整个系统的动态影响不能忽视。所以对一次调频的参数进行优化选择,对于整个系统的阻尼及稳定控制很有益处。
本文通过相位以及阻尼系数分析了水轮机及其调速系统的参数对整个系统阻尼转矩的影响,并通过系统阻尼比分析来优化调速参数,最后通过仿真验了证参数选择的合理性。
1 一次调频对系统影响的机理分析
1.1 一次调频引起的反调现象
在电网侧扰动初期,由于水流具有较大的惯性,导水机构的开度会向着功率扰动相反的方向开启,这种现象叫作水锤效应。水电调速系统线性化模型如图1所示[7,8],GT为机械液压放大模块,GS为水轮机模块等效模型,Gp为发电机一阶模型,调速器采用PI调节方式。
图1中其中Ty为接力器响应时间常数,Tw为水流惯性时间常数,H为机组惯性
时间常数,KP、KI分别为PI调速器的比例系数、积分系数。取典型参数KP=3,KI=1,Tw=1,Ty=0.1,永态转差系数bp=0.033。可得到阶跃扰动ΔPL下,机械功率ΔPm的输出情况如图2。
由图2可看出在扰动初期调速系统输出的机械功率输出为负值,这将严重影响频率的瞬间响应。所以选择合适的水流惯性时间常数,减小水锤效应引发的危害至关重要。
1.2 通过相位分析水轮机及其调速系统对系统的影响
由图1可知水轮机及其调速部分如图1中虚线部分。为简化模型,令bp=0,可得到水轮机及其调速系统的简化模型如图3。
已知各个环节的传递函数,现分析各个环节的相位滞后情况,将s=jω代入各个环节的传递函数可得PID环节滞后的相位φ1,机械液压环节滞后的相位φ2,水轮机滞后相位φ3、φ4分别见式(1)和(2)。 (1)
当时，水轮机的滞后相位为φ3；当时，水轮机的滞后相位为φ4： (2)
取1.1节中典型参数可得各个环节随频率变化滞后的相位图如图4所示。 由图4可知,水轮机发生了较大的相位滞后,图中给出了PI环节和液压放大模块以及水轮机环节叠加之后滞后的相位。可见,在经过水轮机较大的相位滞后，可达到200°左右。由于Δw作用于调速系统是负反馈,所以相位叠加之后调速系统将对转子转矩产生同相位的转矩,即负阻尼转矩。所以水轮机调速系统对系统稳定性不利,有必要对其参数进行整定。
1.3 通过阻尼系数分析水轮机及调速系统对系统的影响
水电一次调频引发的超低频振荡及参数优化
