技术领域
[0001] 本
发明属于发
电机励磁附加控制相关领域，具体地说是一种基于柔性励磁系统的无功阻尼控制器及参数整定方法。
背景技术
[0002] 基于常规励磁系统的电
力系统稳定器(PSS)是抑制电力系统低频振荡的一种有效且经济的方法，但随着现代电力系统的发展，电力系统低频振荡
风险呈现模式多样化的特点，要求励磁控制具备同时抑制不同模式低频振荡的稳定控制要求。
[0003] 传统单通道电力系统稳定器，如目前广泛使用的PSS2B，由于参数整定的局限性，难以在低频段、中频段和高频段同时提供多种模式的强阻尼。虽然PSS4B能解决多个频段的低频振荡同时抑制问题，但PSS4B的三个通道存在耦合作用、互相影响，控制器参数的整定设计复杂，不易于现场应用。
发明内容
[0004] 针对上述
现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于柔性励磁系统的无功阻尼控制器及参数整定方法，以提升励磁控制对电力系统多模式低频振荡的全效抑制作用。
[0005] 为达到上述目的，所述无功阻尼控制器采用的一个技术方案为：一种基于柔性励磁系统的无功阻尼控制器，其包括：
[0006] 双路
信号输入端，其分别用于接受表征机组运行状态的转速信号和电功率信号；
[0007]
加速功率信号合成环节，其用于将转速信号和电功率信号合成处理成能表征机组功率振荡的加速功率信号；
[0008]
带通滤波环节，其用于将加速功率信号中非预定
频率信号滤除，得到预定
频率范围内的加速功率滤波信号；
[0009] 移相增益与输出
限幅环节，其用于提供加速功率滤波信号与振荡阻尼
控制信号之间的
相位差、增益比例，并对输出的振荡阻尼控制信号作限幅处理；
[0010] 控制信号输出端，其用于响应加速功率滤波信号而提供振荡阻尼控制信号。
[0011] 随着电力
电子技术的发展，基于全控型器件的柔性励磁系统已具备商业投运条件，其采用
电压源型换流器配合直流斩波器的结构，能通过斩波
电路实现现有励磁系统功能，同时还能通过电压源型换流器调节与三相机端交流侧交换的
无功功率，以提供额外阻尼控制通道。利用该阻尼通道设计的低频振荡无功阻尼控制器，既能代替电力系统稳定器向全频段低频振荡提供阻尼，也可利用其与PSS通道相互独立的优势，单独设计针对特定频段的阻尼提升策略，提升励磁控制对电力系统多模式低频振荡的全效抑制作用。
[0012] 进一步的，所述带通滤波环节的
信号处理步骤包括：加速功率信号分别经过2个超前滞后环节后相减，并经过1个比例环节，得到加速功率滤波信号。
[0013] 进一步的，所述加速功率信号合成环节的信号处理步骤包括：
[0014] 转速信号通过2个隔直环节形成待合成转速信号；
[0015] 电功率信号通过隔直环节和一阶滞后环节形成待合成电功率信号；
[0016] 待合成转速信号与待合成电功率信号相加，得到计算机械功率信号；
[0017] 待合成电功率信号与经过陷波
滤波器过滤后的计算机械功率信号相减，得到加速功率信号。
[0018] 所述无功阻尼控制器采用的另一个技术方案为：一种基于柔性励磁系统的无功阻尼控制器，其包括：
[0019] 双路信号输入端，其分别用于接受表征机组运行状态的转速信号和电功率信号；
[0020] 加速功率信号合成环节，其用于将转速信号和电功率信号合成处理成能表征机组功率振荡的加速功率信号；
[0021] 移相增益与输出限幅环节，其用于提供加速功率信号与振荡阻尼控制信号之间的
相位差、增益比例，并对输出的振荡阻尼控制信号作限幅处理；
[0022] 控制信号输出端，其用于响应加速功率信号而提供振荡阻尼控制信号。
[0023] 进一步的，所述加速功率信号合成环节的信号处理步骤包括：
[0024] 转速信号通过2个隔直环节形成待合成转速信号；
[0025] 电功率信号通过隔直环节和一阶滞后环节形成待合成电功率信号；
[0026] 待合成转速信号与待合成电功率信号相加，得到计算机械功率信号；
[0027] 待合成电功率信号与经过陷波滤波器过滤后的计算机械功率信号相减，得到加速功率信号。
[0028] 本发明设“带通滤波环节”，是针对低频的特定频段，如0.1-0.5Hz；不设“带通滤波环节”，是针对低频的全频段，如0.1-2.5Hz。
[0029] 所述无功阻尼控制器的参数整定方法，其采用的一个技术方案为：无功阻尼控制器的参数整定方法，其包括步骤：
[0030] 1)根据机组参数与典型配置方法整定加速功率信号合成环节参数；
[0031] 2)根据无功阻尼控制器作用频段范围设计带通滤波环节参数；
[0032] 3)建立柔性励磁系统无功阻尼通道的理论无补偿相频特性数学模型，记GQ(s)；
[0033] 4)以无功阻尼控制器移相环节控制参数为未知量，建立无功阻尼控制器补偿特性数学模型，记GQω(s)；
[0034] 5)以整定频段范围内阻尼转矩最大化、其余频段不提供负阻尼为目标，建立补偿后相频特性数学模型的目标函数，利用智能
算法求取无功阻尼控制器移相环节控制参数的最优解；
[0035] 6)建立包含柔性励磁系统无功阻尼控制器的发电机系统
状态空间方程，利用根轨迹法求得临界增益；
[0036] 7)根据目标频段内期望阻尼比，在临界增益范围内根据柔性励磁系统理论阻尼比计算公式确定无功阻尼控制器的增益。
[0037] 所述无功阻尼控制器的参数整定方法，其采用的另一个技术方案为：无功阻尼控制器的参数整定方法，其包括步骤：
[0038] 1)根据机组参数与典型配置方法整定加速功率信号合成环节参数；
[0039] 2)建立柔性励磁系统无功阻尼通道的理论无补偿相频特性数学模型，记GQ(s)；
[0040] 3)以无功阻尼控制器移相环节控制参数为未知量，建立无功阻尼控制器补偿特性数学模型，记GQω(s)；
[0041] 4)以整定频段范围内阻尼转矩最大化、其余频段不提供负阻尼为目标，建立补偿后相频特性数学模型的目标函数，利用智能算法求取无功阻尼控制器移相环节控制参数的最优解；
[0042] 5)建立包含柔性励磁系统无功阻尼控制器的发电机系统状态空间方程，利用根轨迹法求得临界增益；
[0043] 6)根据目标频段内期望阻尼比，在临界增益范围内根据柔性励磁系统理论阻尼比计算公式确定无功阻尼控制器的增益。
[0044] 作为上述参数整定方法的进一步补充，所述的柔性励磁系统无功阻尼通道的理论无补偿相频特性数学模型为：
[0045]
[0046] 其中，
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]
[0053] 式中，xqΣ＝xq+xS,xdΣ＝xd+xS,x'd∑＝x'd+xS，xS＝xT+xline为系统
变压器电抗和线路电抗之和，xd为发电机d轴同步电抗，xq为发电机q轴同步电抗，x'd为发电机d轴暂态电抗，Vt0发电机机端初始电压，Vtd0发电机机端初始电压d轴分量，Vtq0为发电机机端初始电压d轴分量，itd0为发电机机端初始
电流d轴分量，itq0为发电机机端初始电流q轴分量，E'q0为发电机q轴暂态电势初始值，T′d0为励磁绕组时间常数，KA为自动电压调节器(AVR)的比例增益，s为频域传递函数的数学算子。
[0054] 作为上述参数整定方法的进一步补充，所述智能算法采用粒子群算法，所述补偿后相频特性数学模型的目标函数和约束设计如下，其中TQi为移相环节控制时间参数：
[0055]
[0056] 式中，Tmin、Tmax分别为TQi的最小值和最大值。
[0057] 作为上述参数整定方法的进一步补充，所述的柔性励磁系统理论阻尼比计算公式为：
[0058]
[0059] 其中，TJ为
转子惯性时间常数，ω0为系统运行
角速度；
[0060] KD、KS分别为系统的阻尼转矩系数和同步转矩系数，由柔性励磁系统小干扰转矩偏差方程得到，柔性励磁系统小干扰转矩偏差方程为：
[0061]
[0062] 式中，
[0063]
[0064] 式中，δ0为发电机功角初始值；ΔTe为柔性励磁系统的电磁转矩偏差，Δω为转速偏差，Δδ为功角偏差，GPω(s)为PSS传递函数，GQω(s)为无功阻尼控制器补偿特性数学模型，Vs表示无穷大
母线电压。
[0065] 本发明具有的有益效果在于：
[0066] (1)通过调节机端无功注入向发电机提供新的低频振荡阻尼控制通道，该通道与电力系统稳定器相互独立，不会影响各自单独作用时的阻尼效果。
[0067] (2)提出的无功阻尼控制器一方面结合机组特性，采用合成加速功率信号作为输入，提高对功率振荡的响应性能；另一方面，采用
带通滤波器减弱非目标频段对控制器参数设计的影响，以实现对特定频段的阻尼提升。
[0068] (3)提出全套可用于工程应用的控制器参数整定方法，提出适用于柔性励磁系统无功阻尼通道参数整定的理论无补偿特性数学模型以及理论阻尼比计算公式，并将智能算法引入无功阻尼控制器参数设计，通过设置合理的目标函数和边界条件，在补偿频段范围内实现了相位全补偿，且保证对其他频段的阻尼效果不产生负作用。
附图说明
[0069] 图1为本发明具体实施方式中基于柔性励磁系统的单机无穷大系统结构图；
[0070] 图2为本发明具体实施方式中柔性励磁系统转矩相量关系图；
[0071] 图3为本发明具体实施方式中含带通滤波器的低频振荡无功阻尼控制器结构图；
[0072] 图4为本发明具体实施方式中不含带通滤波器的低频振荡无功阻尼控制器结构图；
[0073] 图5为本发明具体实施方式中粒子群算法
流程图；
[0074] 图6为本发明具体实施方式中柔性励磁系统的阻尼效果图。
[0075] 附表说明
[0076] 表1为图1中符号说明；
[0077] 表2为图3中符号说明；
[0078] 表3为加速功率信号合成典型参数配置；
[0079] 表4为图4中符号说明。
具体实施方式
[0080] 下面结合
实施例和
说明书附图来对本发明进行进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。在本发明的精神和
权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何
修改和变更，都落入本发明的保护范围。
[0081] 柔性励磁系统拓扑以及控制关系如图1所示，其采用电压源型换流器配合H桥直流斩波电路结构，通过斩波装置实现包括电力系统稳定器(PSS)在内的现有励磁系统功能，通过AC/DC整流装置与三相机端交流侧交换无功功率，以提供低频振荡的无功阻尼控制通道。图1中的符号定义见表1。
[0082] 表1图1中的符号说明
[0083]
[0084] 柔性励磁系统转矩相量关系如图2所示，其中ΔTe1为励磁系统中AVR提供的电磁转矩；ΔTPSS为励磁系统中PSS提供的电磁转矩；ΔTe2为常规励磁系统的电磁转矩；ΔTe为柔性励磁系统的电磁转矩，由ΔTe2和ΔTQ合成；ΔTQ为无功阻尼控制器提供的电磁转矩。显而易见的，当无功阻尼控制器提供的电磁转矩ΔTQ与Δω同相位，且在第一象限时，无功阻尼控制器能够最大程度地向系统提供正阻尼。无功阻尼控制器参数设计要求即尽可能地使ΔTQ与Δω同相位，才能实现无功阻尼控制器的最优补偿。
[0085] 实施例1
[0086] 如图3所示的一种针对0.1Hz-0.5Hz频段的基于柔性励磁系统的无功阻尼控制器，其包括：
[0087] 双路信号输入端110、120，其分别用于接受表征机组运行状态的转速信号108和电功率信号109；
[0088] 加速功率信号合成环节140，其用于将转速信号108和电功率信号109合成处理成能表征机组功率振荡的加速功率信号107；
[0089] 带通滤波环节150，其用于将加速功率信号107中非预定频率信号滤除，得到预定频率范围内的加速功率滤波信号106；
[0090] 移相增益与输出限幅环节160，其用于提供加速功率滤波信号106与振荡阻尼控制信号105之间的相位差、增益比例，并对输出的振荡阻尼控制信号105作限幅处理；
[0091] 控制信号输出端130，其用于响应加速功率滤波信号106而提供振荡阻尼控制信号105。
[0092] 所述带通滤波环节150的信号处理步骤包括：加速功率信号107分别经过2个超前滞后环节后相减，并经过1个比例环节，得到加速功率滤波信号106。
[0093] 所述加速功率信号合成环节140的信号处理步骤包括：转速信号108通过2个隔直环节141、142形成待合成转速信号143；
[0094] 电功率信号109通过隔直环节144和一阶滞后环节145形成待合成电功率信号146；
[0095] 待合成转速信号143与待合成电功率信号146相加，得到计算机械功率信号147；
[0096] 待合成电功率信号146与经过陷波滤波器148过滤后的计算机械功率信号147相减，得到加速功率信号107。
[0097] 通过设计所述带通滤波器参数使控制输出在0.1Hz～0.5Hz频率段内起主要作用，并滤除其他频率的干扰。
[0098] 图3各环节的控制参数定义见表2。
[0099] 表2图3中的控制参数说明
[0100] 符号 含义 符号 含义ω 发电机转速信号 N 陷波滤波器阶数
Pe 发电机电功率信号 T 带通滤波器时间常数
TQW1 转速通道隔直时间常数 R 半径系数
TQW2 转速通道隔直时间常数 KQs1 移相增益环节增益
TQW3 电功率通道隔直时间常数 TQ1 移相增益环节时间常数
KQs2 功率转速转换环节增益 TQ2 移相增益环节时间常数
TQ7 功率转速转换环节时间常数 TQ3 移相增益环节时间常数
KQs3 合成机械功率信号增益 TQ4 移相增益环节时间常数
TQ8 陷波滤波器时间常数 TQ5 移相增益环节时间常数
TQ9 陷波滤波器时间常数 TQ6 移相增益环节时间常数
M 陷波滤波器阶数 Qcon 无功功率控制信号
K 带通滤波器比例增益
[0101] 上述无功阻尼控制器的具体参数整定过程如下：
[0102] (1)TQW1-TQW4均设置为典型参数4，KQS2按照机组含
原动机的转子惯性时间常数Tj的倒数设置。加速功率信号合成典型参数配置见表3。
[0103] 表3加速功率信号合成典型参数配置
[0104]符号 数值 符号 数值
TQw1 5s TQ9 0.1s
TQw2 5s KQs2 5/TJ
TQw3 5s KQs3 1
TQw4 0.0s M 5
TQ7 5s N 1
TQ8 0.5s
[0105] TJ为转子惯性时间常数
[0106] (2)针对无功阻尼控制器作用频段范围0.1Hz～0.5Hz，根据如下公式设计滤波器(即滤波环节)参数：
[0107]
[0108]
[0109] 式中，R表示补偿系数，决定了带通的宽度，一般选择1.2。根据确定的频率段选择中心频率为0.1Hz，计算得到T＝1.45，K＝66。
[0110] (3)建立柔性励磁系统无功阻尼通道的理论无补偿特性数学模型如下，并以0.01Hz频率间隔离散化，记GQ(jωd)；
[0111]
[0112] 其中，
[0113]
[0114]
[0115]
[0116]
[0117]
[0118]
[0119] 式中，xqΣ＝xq+xS,xdΣ＝xd+xS,x'd∑＝x'd+xS，xS＝xT+xline为系统变压器电抗和线路电抗之和，xd为发电机d轴同步电抗，xq为发电机q轴同步电抗，x'd为发电机d轴暂态电抗，Vt0发电机机端初始电压，Vtd0发电机机端初始电压d轴分量，Vtq0为发电机机端初始电压d轴分量，itd0为发电机机端初始电流d轴分量，itq0为发电机机端初始电流q轴分量，E'q0为发电机q轴暂态电势初始值，Vs为无穷大母线电压，δ0为发电机功角初始值，T′d0为励磁绕组时间常数，KA为AVR比例增益。
[0120] (4)以无功阻尼控制器移相环节控制参数为未知量，建立无功阻尼控制器补偿特性数学模型，包含加速功率信号合成环节140中的1个隔直环节和1个一阶惯性环节、以及移相增益与输出限幅环节160中的移相环节，并以0.01Hz频率间隔离散化，记GQω(jωd)。
[0121] (5)以在0.1Hz～0.5Hz频段内无功阻尼控制器实现相位全补偿，以实现阻尼转矩最大化、其余频段不提供负阻尼为目标，利用粒子群算法(PSO)计算得到无功阻尼控制器移相环节参数，目标函数表达式为：
[0122]
[0123] 其中，Tmin、Tmax的取值范围是[0.01,5.0]，n为离散点个数。
[0124] 基于粒子群算法求解获得无功阻尼控制器参数，算法流程如图5所示，当y最小时或达到种群最小进化代数时，对应的无功阻尼控制器参数即为最优参数。
[0125] (6)建立包含柔性励磁系统无功阻尼控制器的发电机系统状态空间方程，利用根轨迹法求得临界增益。
[0126] 由此状态空间方程分析系统特征根随无功阻尼控制器增益KQP的变化曲线，将首次使得系统出现不稳定特征值的增益设定为临界增益。
[0127] (7)根据目标频段内期望阻尼比，在临界增益范围内选择最终的无功阻尼控制器增益。阻尼比计算公式为：
[0128]
[0129] 式中，TJ为转子惯性时间常数，ω0为系统运行角速度。
[0130] KD、KS分别为系统的阻尼转矩系数和同步转矩系数，由柔性励磁系统小干扰转矩偏差方程得到，柔性励磁系统转矩方程为：
[0131]
[0132] 其中，
[0133]
[0134]
[0135]
[0136] 整定后，无功阻尼控制器投入前后对0.39Hz功率振荡的阻尼抑制效果如图6所示，低频段阻尼
水平显著提升。
[0137] 实施例2
[0138] 本实施例提供一种针对0.1Hz-2.5Hz全频段的基于柔性励磁系统的无功阻尼控制器。将图3所述无功阻尼控制器的带通滤波环节取消，设置为通路，如图4所示，其包括：
[0139] 双路信号输入端110、120，其分别用于接受表征机组运行状态的转速信号108和电功率信号109；
[0140] 加速功率信号合成环节140，其用于将转速信号108和电功率信号109合成处理成能表征机组功率振荡的加速功率信号107；
[0141] 移相增益与输出限幅环节160，其用于提供加速功率信号107与振荡阻尼控制信号105之间的相位差、增益比例，并对输出的振荡阻尼控制信号105作限幅处理；
[0142] 控制信号输出端130，其用于响应加速功率信号107而提供振荡阻尼控制信号105。
[0143] 所述加速功率信号合成环节140的信号处理步骤包括：转速信号108通过2个隔直环节141、142形成待合成转速信号143；
[0144] 电功率信号109通过隔直环节144和一阶滞后环节145形成待合成电功率信号146；
[0145] 待合成转速信号143与待合成电功率信号146相加，得到计算机械功率信号147；
[0146] 待合成电功率信号146与经过陷波滤波器148过滤后的计算机械功率信号147相减，得到加速功率信号107。
[0147] 图4中各环节的控制参数定义见表4。
[0148] 表4图4中的控制参数说明
[0149]
[0150]
[0151] 所述无功阻尼控制器的参数整定过程如下：
[0152] (1)TQW1-TQW4均设置为典型参数4，KQS2按照机组含原动机的转子惯性时间常数Tj的倒数设置。
[0153] (2)建立柔性励磁系统无功阻尼通道的理论无补偿特性数学模型如下，并以0.01Hz频率间隔离散化，记GQ(jωd)；
[0154]
[0155] (3)以无功阻尼控制器移相环节控制参数为未知量，建立无功阻尼控制器补偿特性数学模型，包含加速功率信号合成环节140中的1个隔直环节和1个一阶惯性环节、以及移相增益与输出限幅环节160中的移相环节，并以0.01Hz频率间隔离散化，记GQω(jωd)。
[0156] (4)以在0.1Hz～2.5Hz频段内无功阻尼控制器实现相位全补偿，以实现阻尼转矩最大化、其余频段不提供负阻尼为目标，利用粒子群算法(PSO)计算得到无功阻尼控制器移相环节参数，目标函数表达式为：
[0157]
[0158] 其中，Tmin、Tmax的取值范围是[0.01,5.0]，n为离散点个数。
[0159] 基于粒子群算法求解获得无功阻尼控制器参数，算法流程如图5所示，当y最小时或达到种群最小进化代数时，对应的无功阻尼控制器参数即为最优参数。
[0160] 5)建立包含柔性励磁系统无功阻尼控制器的发电机系统状态空间方程，利用根轨迹法求得临界增益。
[0161] 6)根据目标频段内期望阻尼比，在临界增益范围内选择最终的无功阻尼控制器增益。阻尼比计算公式为：
[0162]
[0163] 式中，TJ为转子惯性时间常数，ω0为系统运行角速度，KD、KS分别为系统的阻尼转矩系数和同步转矩系数。
