高压侧电压控制对单机-无穷大系统稳定性的影响

1、高压侧电压控制对单机-无穷大系统稳定性的影响             高压侧电压控制对单机-无穷大系统稳定性的影响周晓渊1，邱家驹1，陈新琪2（1 浙江大学电机系，浙江 杭州 310027；2浙江省电力试验研究所，浙江 杭州310014）    摘  要：以单机-无穷大系统为例，对HSVC提高系统稳定性的机理作了分析。从变压器阻抗的补偿作用和系统阻尼的改善两个方面论证了高压侧电压控制对单机-无穷大系统静态和动态稳定性的影响，并与机端电压

2、控制作了比较。理论分析表明：与常规的机端电压控制（TVC）相比，HSVC由于能够同时补偿发电机电抗和变压器电抗，因而能更好地补偿系统电抗，进而提高系统静态稳定极限。同样，对阻尼力矩的分析表明：在重负载下，高压侧电压控制在改善系统的动态特性、提高系统的静态稳定极限等方面都明显优于机端电压控制，HSVC能够更好的改善系统的动态特性。通过对具体算例的特征值分析和时域仿真，验证了理论分析的正确性。    关键词：高压侧电压控制；电力系统稳定；单机-无穷大系统1  引言    远方电压控制一词在电力系统稳态分析（潮流计算）中应用已久，

3、它是指调整发电机的无功以保持远方母线而不是发电机母线的电压恒定。高压侧电压控制（High Side Voltage Control，HSVC）的励磁控制方式近几年被提了出来，并在个别地方得以应用15。与常规的机端母线电压控制方式不同，它是以控制发电机机端外某一点如高压母线或升压变压器某一内点的电压为目标，以达到提高电力系统稳定性的目的。HSVC对电力系统稳定性影响的机理缺乏理论分析。本文基于单机-无穷大系统，通过理论分析来研究HSVC对提高系统静态和动态稳定性作用的机理，并以仿真计算验证其正确性。2  机端电压控制方式下系统静态稳定性的回顾    带比率

4、型自动电压调节器（AVR）的单机-无穷大系统如图1所示，发电机机端电压Ut作为AVR的输入信号，AVR的放大倍数为Ke。根据小振荡理论分析可知，单机-无穷大系统当达到下列条件之一时，系统将失去稳定：    （1）系统提供的同步转矩<0，或Ke<Ke,min，此时系统将非周期性失步；    （2）系统阻尼转矩<0，或KeKe,max，此时系统将振荡失步。    图2表示Ke,max和Ke,min与功角d 的关系，图中阴影部分为稳定区域。d lim为极限功角。  

5、0; 设发电机的同步电势为Eq, 同步电抗为xd，Ut=Utq,（Utq为Ut的q轴分量），当不考虑调节系统各中间环节的时间常数时，文献6证明了AVR的作用能将发电机的同步电抗补偿为xx，而xx后面的电势Ex保持不变，即Ex=Ex0。式中    由式(1)可见，同步电抗的补偿程度由放大倍数Ke决定。Ke=0,xx=xd，电势Eq恒定，相当于无AVR；理论上，如Ke=，则 xx=0，相当于保持机端电压恒定。然而，由稳定条件知，Ke的限值为Ke,max，否则，系统将失去稳定。3  高压侧电压控制对稳定性的影响3.1  高压侧电压控制对变压器电抗的补

6、偿作用    图1中，如AVR不取发电机机端电压Ut而取变压器高压母线电压UH作为其控制信号，如虚线所示，则称其为高压侧电压控制。    与机端电压控制的情况类似，设UH=UHq，（UHq为UH的q轴分量），不考虑调节系统各中间环节的时间常数时，有如下关系：    如图4所示，令距离高压母线发电机侧xx处的电势为Ex，可得    取其微分DEx为零即Ex保持恒定的条件是式(7)中方括号内的值为零，由此得出此时，发电机的等效模型是Ex和xx，Ex是xx后面的电势，它保持恒定。显

7、见，在同样的放大倍数Ke之下，与机端电压控制相比，高压侧电压控制不但补偿了xd, 而且还补偿了xT。通过合适地选取Ke，可以使电势恒定点落在发电机机端母线，从而维持机端电压恒定，提高了静稳定极限。3.2  高压侧电压控制对阻尼力矩的影响    一般认为负阻尼是系统产生低频振荡从而导致失去动态稳定的原因。高压侧电压控制对阻尼力矩的影响分析如下：    假设系统在作小振幅的正弦振荡，则系统附加转矩可表示为7整理并取附加转矩虚部，即附加阻尼转矩得    附加阻尼转矩的正负决定式(11)和式(12)方括

8、号中的部分。由于高压母线相对机端更靠近无穷大母线，由Eq引起的高压母线电压变化DUH比机端电压的变化DUt要小，致使K8明显较K6为小，而数值计算表明K7与K5相差不大。图3为仿真计算的TD(HSVC)和TD(UT)随功角增大的变化曲线。    由图中可见，当功角较大时，高压母线电压控制方式下附加阻尼变负的程度比机端电压控制小，这有利于系统的动态稳定性。4  仿真计算4.1  仿真系统    本节以一个单机-无穷大系统为例，通过频域和时域仿真来验证上述的理论分析。    图（1）所示的

9、单机-无穷大系统其参数（标幺值）如下：    发电机的初始运行状况为：    励磁系统相当于PSASP中1型。2种控制方式的仿真中，除输入信号不同外，其余参数包括Ke都相同。4.2  特征值计算    假设电压控制点的位置由机端母线到变压器高压母线移动，机端至控制点的电抗以a ×xT表示。系数a可从01变化。a =0，即控制点在机端母线；a =1，即控制点设在变压器高压母线。    在不同a下，逐步增加发电机功角d 以求取特征值。图5为不同a下系统最大特征

10、值lmax的实部随发电机有功功率的增大而变化的曲线，曲线与横轴的交点可视为静态稳定极限。由图可见，随着a 的增大，即电压控制点由机端母线向变压器高压母线移动，系统的稳定极限将有较大的提高。4.3  时域防真    设发电机功率P0=1.18时系统经受一个冲击，即输电线高压母线出口处发生瞬时性三相短路，0.02s后消除。    图6所示为2种控制方式下的发电机功角摇摆曲线，收敛的曲线对应高压侧电压控制方式，发散的曲线为机端电压控制，前者与后者相比较，其阻尼明显被改善。5  结束语   

11、本文的重点是对单机-无穷大系统高压侧电压控制方式进行理论分析和数值仿真。在作一定的简化后，推导出高压侧控制能有效地补偿发电机和变压器电抗，提高静稳定极限。另一方面，高压侧电压控制通过减缓阻尼力矩的变负能有效地提高在重负荷下系统的动态稳定性，有利于消除低频震荡。对具体例子的特征值分析和暂态仿真说明了结论的正确性。参考文献1      Hitomi Kitamura，Masaru Shimomura，John PaserbaImprovement of voltage stability by the advanced high side volt

12、age control regulatorCProceedings of 2000 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, 16-20 July 2000，Seattle，Washington，USA，20002      Murdoch A，Sanchez-Gasca J J，DAntonio M J，et alExcitation control of high side voltage regulationCProceedings of 2000 IEEE Power Engineer

13、ing Society Summer Meeting，16-20 July 2000，Seattle，Washington，USA，20003      Davies JB，Midford L EHigh side voltage control at manitoba hydro CProceedings of 2000 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，16-20 July 2000，Seattle，Washington，USA，20004   

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