一种柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制方法及装置
阅读说明：本技术 一种柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制方法及装置 (Amplitude-limiting voltage-variable reactive power coordination control method and device for flexible excitation system ) 是由 楼伯良 彭宇维 张建承 熊鸿韬 华文 毛承雄 张甜甜 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制方法及装置,属于发电机励磁控制系统技术领域。本发明考虑系统电压、功角和限幅释放时间,构成可变限幅的切换判据,当系统电压、功角偏移量超出参考值后,提高定子侧无功注入与转子侧励磁电压的水平,实现双通道电压功角稳定控制。如此,本发明在传统励磁系统的基础上实现了双通道阻尼与暂态电压支撑的效果,其中整流器在机端无功注入的时间常数小,提高了无功补偿的快速性,励磁侧无功支撑的惯性时间常数大、容量高,提高了系统运行的稳定性。(The invention discloses a variable amplitude limiting voltage reactive power coordination control method and device of a flexible excitation system, and belongs to the technical field of excitation control systems of generators. The invention considers the system voltage, the power angle and the amplitude limiting release time to form a switching criterion of variable amplitude limiting, and after the system voltage and the power angle offset exceed reference values, the level of the stator side reactive injection and the rotor side excitation voltage is improved, thereby realizing the stable control of the dual-channel voltage power angle. Therefore, the invention realizes the effect of double-channel damping and transient voltage support on the basis of the traditional excitation system, wherein the time constant of the rectifier at the machine end for reactive injection is small, the rapidity of reactive compensation is improved, the inertia time constant of the excitation side reactive support is large, the capacity is high, and the stability of the system operation is improved.)
技术领域
本发明属于发电机励磁控制系统技术领域，更具体地，涉及一种柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制方法及装置。
背景技术
励磁系统是同步发电机的重要组成成分，对于维持发电机稳定运行具有重要作用，发电机励磁系统可以维持发电机机端电压，实现并列运行的发电机间无功功率的合理分配，并且可以提高电力系统的稳定性。选择合适的励磁方式对于保证励磁系统性能具有重要作用。目前同步发电机多采用自并励励磁方式，其励磁电源取自发电机机端，经励磁变压器及可控硅整流器供给发电机励磁，励磁响应时间短，对发电机端电压的调节速度快，对提升系统小干扰稳定性和大干扰稳定性能力突出，另外，由于其功率单元没有旋转部件，轴系短，轴承座少，故对减少机组振动和扭振十分有利。但是，常规的自并励励磁系统采用晶闸管整流，晶闸管属于半控器件，只能维持直流电压稳定，不能向机端反馈无功；另外，常规励磁系统在面临低频振荡等问题时，抑制振荡的效果有限。针对于目前各地电网中新能源占比不断提升的情况，提出的柔性励磁系统采用全控器件IGBT三电平整流，H桥斩波，能够为机端提供无功注入，且定转子侧通过直流连接，解耦控制。
综合而言，常规励磁系统的AVR+PSS控制策略具有明显的工程优势，但由于其无功支撑通道仅有一条，难以应对新能源占比过高时电网电压的功角振荡抑制问题。柔性励磁系统提供了双通道无功注入，但常规最优控制策略的限幅固定，限制了设备的能力。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制方法及装置，旨在结合柔性励磁系统在阻尼抑制和暂态支撑方面的优势，提出一种智能变限幅控制策略，该策略对传统的限幅方式做出改进，同时考虑系统电压、功角和限幅释放时间，构成可变限幅的切换判据，当系统电压、功角偏移量超出参考值后，提高定子侧无功注入与转子侧励磁电压的水平，实现双通道电压功角稳定控制，从而提高系统运行可靠性，提高系统稳定运行水平。
为实现上述目的，本发明提供了一种柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制方法，包括以下步骤：
S1，设置系统的控制变量的初始限幅值，所述控制变量包括无功注入和励磁电压；S2，采集系统电压和功角，当判断系统处于扰动状态时，将所述控制变量的限幅值切换为第一限幅值，并以切换后的限幅值对所述控制变量进行限幅处理；其中，所述第一限幅值大于所述初始限幅值，所述系统处于扰动状态指的是：系统电压偏移量大于电压偏移参考值或系统功角偏移量大于功角偏移参考值；S3，当系统恢复到稳定状态，或系统处于扰动状态的持续时间超过预设时间时，将所述控制变量的限幅值切换为所述初始限幅值，并以切换后的限幅值对所述控制变量进行限幅处理。
进一步地，所述S2中，当系统处于扰动状态时，将所述控制变量的限幅值切换为第一限幅值，具体为：当系统处于扰动状态时，根据系统电压和功角的偏移量，建立模糊控制规则，以此确定第一限幅值；并将所述控制变量的限幅值切换为第一限幅值。
进一步地，所述S1还包括：设置系统的控制变量的初始权矩阵R0；所述S2中，以切换后的限幅值对所述控制变量进行限幅处理，具体为：确定第一限幅值后，根据极小值原理，结合控制变量的权矩阵R，求解得到系统的最优控制变量；其中，Umax为第一限幅值，k为正整数。
进一步地，若实际的控制变量超过第一限幅值时，以所述第一限幅值作为最优控制变量；否则，以实际的控制变量作为最优控制变量。
进一步地，所述预设时间为2～5s。
另一方面，为实现上述目的，本发明还提供了一种柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制装置，包括：
初始化模块，用于设置系统的控制变量的初始限幅值，所述控制变量包括无功注入和励磁电压；
第一切换模块，用于采集系统电压和功角，当判断系统处于扰动状态时，将所述控制变量的限幅值切换为第一限幅值，并以切换后的限幅值对所述控制变量进行限幅处理；其中，所述第一限幅值大于所述初始限幅值，所述系统处于扰动状态指的是：系统电压偏移量大于电压偏移参考值或系统功角偏移量大于功角偏移参考值；
第二切换模块，用于当系统恢复到稳定状态，或系统处于扰动状态的持续时间超过预设时间时，将所述控制变量的限幅值切换为所述初始限幅值，并以切换后的限幅值对所述控制变量进行限幅处理。
进一步地，所述第一切换模块，还用于当系统处于扰动状态时，根据系统电压和功角的偏移量，建立模糊控制规则，以此确定第一限幅值；并将所述控制变量的限幅值切换为第一限幅值。
进一步地，所述初始化模块，还用于设置系统的控制变量的初始权矩阵R0；所述第一切换模块，还用于确定第一限幅值后，根据极小值原理，结合控制变量的权矩阵R，求解得到系统的最优控制变量；其中，Umax为第一限幅值，k为正整数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)常规的二次型最优控制，在大扰动情况下，无功注入受到最大值的限制；而事实上，励磁变完全能够承受短时间大的冲击，适时放开限幅，有利于充分利用设备的能力，提高综合性能。基于此，本发明提供了一种柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制方法，考虑系统电压、功角和限幅释放时间，构成可变限幅的切换判据，当系统电压、功角偏移量超出参考值后，提高定子侧无功注入与转子侧励磁电压的水平，实现双通道电压功角稳定控制。如此，本发明在传统励磁系统的基础上实现了双通道阻尼与暂态电压支撑的效果，其中整流器在机端无功注入的时间常数小，提高了无功补偿的快速性，励磁侧无功支撑的惯性时间常数大、容量高，提高了系统运行的稳定性。
(2)本发明在模糊控制的框架下，能够在不同的扰动程度下根据模糊规则实时改变权矩阵和实际限幅值，实现自适应控制。
(3)本发明考虑到当系统长时间处于低电压状态时，无功注入限幅不能够长时间放开，因此当系统处于低电压状态的持续时间超过预设时间后，自动过渡到小限幅状态，保障设备的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的柔性励磁系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的采用模糊规则的可变限幅控制器结构图；
图4为本发明实施例提供的低电压穿越过程的限幅控制中系统电压、系统功角、无功注入限幅值和励磁电压限幅值的变化曲线图；
图5为本发明实施例提供的模糊控制效果图；其中，(a)为三维视图，(b)为功角偏移ΔPeo与电压偏移ΔUt关系图，(c)为限幅值Umax与电压偏移ΔUt关系图，(d)为限幅值Umax与功角偏移ΔPeo关系图；
图6为本发明实施例提供的柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制装置的框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例提供的柔性励磁系统结构示意图。其由励磁变压器，三相整流器，直流电容，H桥斩波电路，发电机励磁绕组组成。其中，励磁系统连接励磁变压器低压侧，机端连接励磁变压器高压侧，发电机通过励磁变压器给励磁系统提供三相交流电，发电机机端通过主变压器连接电网。整流器可以采用全控器件(如：IGBT和IGCT等)的两电平、三电平、多电平结构，以实现将三相交流电整流成直流电输出，H桥斩波电路可以根据需要选择两电平或三电平等结构。整流器直流侧与直流电容相连，H桥斩波电路得到高频交流输出，H桥斩波电路可以通过占空比得到不同的交流励磁电压，由于发电机转子绕组可以等效为大电感，励磁电流为直流。当系统电压功角发生变化时，柔性励磁系统通过三相整流器与H桥斩波器两个电力电子通道为电网提供无功支撑。
图2为本发明实施例提供的柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制方法的流程图，该控制方法包括操作S1-操作S3。
操作S1，设置系统的控制变量的初始限幅值，所述控制变量包括无功注入和励磁电压。具体地：
针对系统稳定运行时的条件，给出无功注入和励磁电压的初始限幅值，且数值大小是根据实际工程中的系统参数具体确定的。除此之外，根据实际情况，还会设置系统的越限参考值，包括时间参考值、电压参考值与功角参考值；权矩阵，包括状态变量的初始权矩阵Q0与控制变量的初始权矩阵R0。
操作S2，采集系统电压和功角，当判断系统处于扰动状态时，将所述控制变量的限幅值切换为第一限幅值，并以切换后的限幅值对所述控制变量进行限幅处理；其中，所述第一限幅值大于所述初始限幅值，所述系统处于扰动状态指的是：系统电压偏移量大于电压偏移参考值或系统功角偏移量大于功角偏移参考值。具体地：
当系统处于稳定状态时，即系统电压偏移量不大于电压偏移参考值且系统功角偏移量不大于功角偏移参考值时，如图3所示，系统仅存在一些微小的扰动可能使电压功角出现小幅度波动，此时采用小限幅值，且一般不会达到限幅，相当于无约束条件下的最优控制：
u＝-R-1(t)BT(t)P(t)x*(t)
其中，u为控制变量，R为控制变量权矩阵，P为黎卡提方程的解，X为状态变量。
当系统处于扰动状态时，根据系统电压和功角的偏移量，建立模糊控制规则，以此确定第一限幅值；并将所述控制变量的限幅值切换为第一限幅值。在本实施例中，模糊规则的选取如表1所示。一般而言，电压和功角偏移越大，限幅值的开放程度也越高，其开放程度可参考图5，并结合具体现场情况由工程人员调试得出。需要说明的是，电压功角偏移量都经过了前期标幺化和缩放处理，限幅值Umax给出的是范围(变化趋势)，其具体取值也需要按照工程条件缩放处理后反标幺化得到实际值。
表1模糊规则表
其中，L(Low)表示小，H(High)表示大，MN(MIN)、MX(MAX)表示最小值与最大值，其余为中间值。
在工程应用中，参考实际工程需求，限幅值开放的条件为系统电压或功角由图4中的区间1进入区间2(电压偏移超过0.05pu～0.1pu，功角偏移超过0.01pu～0.05pu)，变限幅启动的条件满足后，当电压偏移极小(L，偏移量0.1pu～0.2pu以内)，有功偏移极小(L，偏移量0.01pu～0.05pu以内)时，限幅值将励磁电压约束至额定励磁电压1.1倍至1.5倍(MN)，将无功注入约束在发电机容量1％～3％以内；当电压偏移极大(H，偏移量0.8pu～1pu)，有功偏移极大(H，0.1pu以上)时，限幅值将励磁电压约束在同步发电机额定励磁电压的2～3倍(MX)，将无功注入约束在同步发电机容量的5％～15％以内(MX)。在上述两个端点值之内的区间，限幅值的变化遵循模糊控制给出的专家规则，函数关系如图5所示。
通过模糊规则表确定第一限幅值后，根据极小值原理，结合控制变量的权矩阵R，求解得到系统的最优控制变量；其中，Umax为第一限幅值，k为正整数。
进一步地，若实际的控制变量超过第一限幅值时，以所述第一限幅值作为最优控制变量；否则，以实际的控制变量作为最优控制变量。
以三相短路故障为例，检测到电压或功角偏移超出参考值，即刻放开小限幅值，转为大限幅值，机端VSC快速注入大量无功，励磁侧强励倍数大幅提高，控制信号将直接达到最大值。此时属于有约束条件下的最优控制，根据极小值原理构造哈密尔顿函数为：
伴随方程为：
最优控制规律：
采用线性最优控制时，在不同的限幅下，选取不同的权矩阵。选取控制变量的权矩阵与控制量限幅成反比，即以匹配间接考虑了限幅对控制量的影响，求出解析解。选取状态变量(电压、功角)的权矩阵与控制量限幅(无功注入)成反比，即根据黎卡提方程，限幅值越大，则Q越小，相当于观测系统对于状态量变化(电压，功角)的灵敏度下降(因为此时状态量的变化幅度提高)，扩大了观测范围；同时R也越小，根据u～R-1的关系，相当于限幅值的提高能够强化控制量(无功注入，励磁电压)，符合客观规律。
操作S3，当系统恢复到稳定状态，或系统处于扰动状态的持续时间超过预设时间时，将所述控制变量的限幅值切换为所述初始限幅值，并以切换后的限幅值对所述控制变量进行限幅处理。具体地：
当故障清除后，电压功角恢复到稳态区间范围内，从大限幅切换回小限幅。当系统完全恢复稳态后，继续保持小限幅，直至下一次扰动出现。
但，需要注意的是，当系统长时间处于低电压状态时，如图4所示。由于功率设备不能长时间处于超负荷运行状态，一般在2～5s内，即便系统电压功角并未恢复，仍然需要将限幅值切换至小限幅，以保障设备安全。
图6为本发明实施例提供的柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制装置的框图。参阅图6，该控制装置600包括初始化模块610、第一切换模块620、第二切换模块630。
初始化模块610例如执行操作S1，用于设置系统的控制变量的初始限幅值，所述控制变量包括无功注入和励磁电压；
第一切换模块620例如执行操作S2，用于采集系统电压和功角，当判断系统处于扰动状态时，将所述控制变量的限幅值切换为第一限幅值，并以切换后的限幅值对所述控制变量进行限幅处理；其中，所述第一限幅值大于所述初始限幅值，所述系统处于扰动状态指的是：系统电压偏移量大于电压偏移参考值或系统功角偏移量大于功角偏移参考值。
第二切换模块630例如执行操作S3，用于当系统恢复到稳定状态，或系统处于扰动状态的持续时间超过预设时间时，将所述控制变量的限幅值切换为所述初始限幅值，并以切换后的限幅值对所述控制变量进行限幅处理。
控制装置600用于执行上述图2所示实施例中的柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图2所示实施例中的柔性励磁系统的变限幅电压无功协调控制方法，此处不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。