采用高压侧电压控制改善系统的角度稳定性
摘要：研究了一种先进的高压侧电压控制器（HSVC），它通过在常规的发电机励磁系统的控制中添加附加控制的方法来改善电力系统的角度稳定性。介绍了HSVC的原理和实现方法。将HSVC的仿真结果与常规的自动电压调节器（AVR）进行了比较，表明HSVC可以提高电力系统大扰动稳定性和小信号稳定性。这种方法实现方便、可靠，而且不需要从升压变压器高压侧反馈任何信号。
关键词：角度稳定性 高压侧电压控制 自动电压调节器
关键词：角度稳定性 高压侧电压控制 自动电压调节器
1 引言
电力系统稳定性问题有角度（功角）稳定、电压稳定和频率稳定三个方面。角度稳定性是指电力系统中互联的同步发电机维持同步运行的能力。角度不稳定一种是由于缺少同步转矩，导致发电机转子角逐步增大；另一种是由于缺少有效阻尼转矩，导致转子增幅振荡。发电机励磁控制的基本任务是维持发电机端电压在给定值，同时又是电力系统稳定控制中最重要和基本的手段。过去数十年特别是近年来，电力科技工作者在常规自动电压调节器（AVR）[1] 的基础上，研究开发了多种性能优良的励磁系统和附加励磁控制器。其中有提高暂态稳定的高顶值快速励磁和强行励磁，为增强阻尼的电力系统稳定器（PSS）[2]，利用电流补偿电压下降的线路电压降落补偿器（LDC）[3]，利用高压侧电压作为反馈信号的电力系统电压调节器（PSVR）[4,5]等。
本文对一种先进的高端电压控制控制器（HSVC）[6]进行了研究，这种控制器不需要任何高压端反馈信号（即不需要测量升压变压器高压侧电压）便可控制升压变压器的高端电压。其控制性能、可靠性和经济性比常规励磁控制更好。
2 高压侧电压控制器及其原理
新型的高压侧电压控制器的思路是在传统的励磁系统中引入对无功电流的补偿，控制主变高压侧的电压基本恒定。高压侧电压控制器的结构如图1所示。图2是应用高压侧电压控制器的一个简单电力系统。
图1中，Q为发电机所发无功；Xdr为设定的电压下降特性，即电压随无功电流变化的斜率；Iq0对应于额定无功电流；n为升压变压器变比。图1、2中，Vg为发电机机端电压；VH为升压变压器高压侧电压；Vs为无穷大系统母线电压；Xt为升压变压器电抗；Xe为线路电抗。
如果高压侧电压预定为VHref，则发电机端电压 Vg可控制为
Vg=VHref+(Xt-Xdr)Iq (1)
Vg=VHref+(Xt-Xdr)Iq (1)
其中Iq=Q/Vg，这时高压侧电压实际为
VH的特性曲线如图3所示。可以看出，高压侧电压随无功电流的增加而下降。对于设定的目标VHref，可以控制VH随着设定的Xdr的变化而变化。
为了使VH在特定的无功电流(Iq0 )情况下等于VHref，我们可采用基于Iq0的补偿控制，将无功电流较大时的VH保持在一个较高值。Vg控制为
其特性曲线如图4所示。
如果高压侧初始设定值为VHref0，后来又重新设定为VHref，对于外部线路电抗Xe，无功电流的变化(△Iq0)随着新设定值VHref的变化由式(5)近似给出。
这样无功电流就可以自动地随 VHref，对于外部线路电抗Xe，无功电流的变化
(△Iq0 )随着新设定值VHref的变化由式(5)近似给出。 的变化而变化，从而获得要求的 VHref，对于外部线路电抗Xe，无功电流的变化
(△Iq0 )随着新设定值VHref的变化由式(5)近似给出。
变压器分接头位置的变化，引起变比和电抗值变化，从而电压下降率也会改变，这样，相邻并联运行的各个发电机之间无功分配不平衡。为了防止出现这种情况，需要在HSVC上增加补偿函数，使得当分接头位置改变时，下降率能保持恒定。这样基本的控制方程从式(1)变为式(8)。
VH同式(2)。
3 HSVC用于改善角度稳定性
3.1 接地短路故障下稳定性能的比较
为检验高压侧电压控制对电力系统角度稳定的影响，采用电力系统综合分析程序（PSASP）对图5所示的单机无穷大系统，分别采用常规AVR和HSVC两种励磁系统控制方式对系统在接地短路故障下进行了仿真。
对图5所示的单机无穷大系统，计算初始潮流，可得当机端电压以及无穷大系统电压都为1.0pu，n为1.05pu时，VH为1.02381pu。
本文所采用的AVR结构框图如图6所示。
本文所采用的 Vgref方程为
对图5所示的系统，分别采用常规AVR和HSVC两种励磁控制方式对系统在接地短路故障下进行了暂态仿真，分别计算了三相和两相接地两种故障。故障选在变压器高压侧，如图5中k点所示。计算结果列于表1。
由表1可知，各种短路情况下采用HSVC控制的极限切除时间都较采用AVR控制的极限切除时间长，主继电保护装置能在极限切除时间内动作，保证系统的安全运行。
图7为发生150ms三相接地短路故障时，分别采用常规AVR和HSVC两种励磁系统控制方式的仿真结果（注意，这里不管是使用AVR或HSVC，都没有使用常规的PSS）。从图7可见，发电机功角曲线、有功功率、无功功率、机端电压、变压器高压侧电压的响应曲线都显示HSVC能很好地提供阻尼，抑制电力系统振荡。
上述仿真结果表明，采用高压侧电压控制,可以有效地提高系统的暂态稳定性，发电机电压和主变高压侧电压能维持在所要求的水平。
3.2 重负荷下发生负荷微小扰动时稳定性能的比较
当图8所示的单机单负荷系统带重负荷：PL=0.9pu，QL=0.4pu时，对系统施加微小的负荷扰动： dp=0.02pu,dq=0.01pu。
图9为采用HSVC控制和采用常规AVR控制下的受干扰后的发电机功角曲线。从图9可见，当采用常规AVR控制时，虽然第一摆没有失稳，但在后继摆动中，系统发生了振荡失稳；而采用HSVC控制时，系统只发生了微小的振荡，功角基本保持了稳定。上述仿真结果表明，采用高压侧电压控制可以有效地提高系统的阻尼水平，增强系统的小扰动稳定性。
4 结束语
本文阐明了先进的高压侧电压控制器(HSVC)的基本原理，分析了它在增强电力系统角度稳定性方面的作用。通过对简单电力系统的仿真计算，结果表明， HSVC能够控制电厂主变压器高压侧电压为给定值，并且使它维持在比常规的励磁控制方法更高的电压水平，因而缩短了电源和负荷之间的距离，提高了系统的传输能力，改善了电力系统角度稳定性。HSVC不需要高压侧电压作为反馈信号，便于实现。而且HSVC可以安装在所有的发电机上，发电厂的现有容量可以更好地得到应用，因此HSVC在经济上也具有优越性。
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