加速功率型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)整定方法研究

侯玉強，李威，胡劍琛，邢濤，馬覃峰

（1.國網電力科學研究院，江蘇南京210003；2.海南電網公司，海南?？?70203；3.貴州電網公司電力調度控制中心，貴州 貴陽550002）

電網互聯(lián)使得系統(tǒng)規(guī)模逐步擴大，遠距離、大容量輸電格局以及高頂值倍數(shù)勵磁系統(tǒng)的廣泛應用，導致系統(tǒng)的低頻振蕩問題日益凸顯，甚至成為限制電網傳輸能力的瓶頸[1]。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）作為發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的附加輔助環(huán)節(jié)，通過調節(jié)勵磁輸入產生阻尼轉矩，是抑制系統(tǒng)低頻振蕩，提高系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定及動態(tài)穩(wěn)定最簡單有效的手段[2-3]。目前，PSS在系統(tǒng)中得到普遍應用，是現(xiàn)代勵磁系統(tǒng)不可缺少的功能之一。

以發(fā)電機轉速偏差Δω和電磁功率偏差ΔPe為輸入信號的加速功率型PSS[4-5]，可計及發(fā)電機機械功率變化，被認為可避免機組有功出力快速下降時的無功反調現(xiàn)象[6-8]，因此近年來在系統(tǒng)中應用日益廣泛。然而，某實際電網一起機組停機事故的錄波數(shù)據(jù)表明，即使是加速功率型PSS，在參數(shù)整定不合理情況下仍可能出現(xiàn)無功反調現(xiàn)象。因此，有必要研究典型PSS參數(shù)對無功反調的影響；再者，目前PSS參數(shù)整定研究主要針對單輸入信號型PSS[9-11]，而以加速功率型PSS為代表的雙輸入信號型PSS參數(shù)整定仍主要通過現(xiàn)場實驗或儀器測試的方法反復嘗試[12-14]，迫切需要研究利用數(shù)字仿真手段整定PSS參數(shù)的方法。

1 加速功率型PSS原理

加速功率型PSS的典型傳遞函數(shù)框圖如圖1所示。其中，Δω、ΔPe為雙輸入信號；Ts1為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)，以模擬采樣或信號轉換導致的延遲，一般取0.02 s；Tw1~Tw4為隔直時間常數(shù)；Tp1～Tp6為超前滯后時間常數(shù)；Ka為PSS增益；Ks為功率匹配系數(shù)，通常取1.0；Kp、Tp分別為補償系數(shù)及電磁功率積分時間常數(shù)；Tp8、Tp9為陷波器時間常數(shù)，主要用于過濾軸系扭振和噪聲，通常取Tp8=0.2 s，Tp9=0.1 s。

根據(jù)式（1）所示的發(fā)電機轉子運動方程，可知發(fā)電機轉速偏差Δω表達式，如式（2）所示。

圖1 加速功率型PSS傳遞函數(shù)框圖Fig.1 Transfer functions of accelerating PSS

式中，M為發(fā)電機慣性時間常數(shù)；s為微分算子，ΔPm、ΔPa分別為發(fā)電機機械功率偏差和加速功率偏差。

忽略阻尼D，并將ΔPm通過G（s）函數(shù)以過濾軸系扭振和噪聲，整理后得：

由式（3）可知，加速功率的積分正比于轉速偏差Δω′，其表達式如式（4）所示。

通過對Δω′的相位進行校正，可使補償后的勵磁系統(tǒng)提供正阻尼。由式（4）可知，與僅以ΔPe作為輸入信號的功率型PSS相比，加速功率型PSS計及了發(fā)電機機械功率變化。因此，普遍認為加速功率型PSS可有效抑制無功反調。

2 PSS參數(shù)對無功反調作用的影響分析

我國某實際電網發(fā)生的一起機組停機事故中，因磨煤機故障，機組出力大幅快速下降。期間由于機組PSS動作，造成發(fā)電機無功功率（或電流）增加，機端電壓上升。停機事故過程中發(fā)電機有功功率、電流及頻率曲線如圖2所示。

為了在不明顯降低PSS阻尼特性的前提下，盡量減小無功反調作用，同時為PSS參數(shù)整定提供方向性指導，本文通過時域仿真方法，以機組汽門快關故障為例，詳細分析了典型PSS參數(shù)變化對無功反調作用的影響。下述分析中每次僅改變PSS的某一參數(shù)而保持其他參數(shù)不變。

2.1 輸入信號對無功反調作用的影響

圖2 某實際電網停機事故過程中發(fā)電機有功功率、電流及頻率響應曲線Fig.2 Responses of power，current and frequency during generator fast valving

加速功率型PSS可通過設置信號開關INP靈活選擇輸入信號。僅采用發(fā)電機轉速偏差Δω作為輸入信號時，汽門快關過程中發(fā)電機有功功率及無功功率響應曲線如圖3所示。

圖3 采用不同輸入信號時發(fā)電機有功及無功功率曲線Fig.3Generatorpowerandreactivepowerresponsesduring fast valving under different PSS input signals

可見，若能在事故后緊急閉鎖電磁功率輸入，可有效降低因機組出力大幅快速下降造成的無功反調，且對PSS阻尼效果影響不大。

2.2 增益對無功反調作用的影響

理論上講，增益Ka越大，PSS提供的正阻尼越強，抑制系統(tǒng)低頻振蕩的效果越明顯。然而，對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，增益過大可能引起振蕩。

分別取Ka=1.0，3.0和5.0，預想故障后發(fā)電機有功功率及無功功率響應曲線如圖4所示?？梢?，適當提高PSS增益在增強系統(tǒng)阻尼的同時使無功反調作用也隨之增強。建議在不明顯減弱系統(tǒng)阻尼的情況下，適當選擇PSS增益。

圖4 不同PSS增益下發(fā)電機有功及無功功率曲線Fig.4 Generator power and reactive power responses during fast valving under different PSS gains

2.3 補償系數(shù)對無功反調作用的影響

保持Tp不變，并分別取Kp=0.05（華中網同類型不同容量機組參數(shù)）、0.13（華中網同類型同容量機組參數(shù)）和0.6（初始參數(shù)），預想故障后發(fā)電機有功及無功功率響應曲線如圖5所示。

圖5 不同補償系數(shù)時發(fā)電機有功及無功功率曲線Fig.5 Generator power and reactive power responses during fast valving under different compensation coefficients of PSS

可見，適當減少補償系數(shù)有利于降低PSS無功反調作用，且對PSS阻尼效果影響不大。

2.4 隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)對無功反調作用的影響

隔直環(huán)節(jié)用于過濾輸入信號中的直流分量，且使得t趨于∞時，經過該環(huán)節(jié)的輸出為0。輸入信號相同，隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)越小，同一時刻輸出信號的幅值就越小。因此，隔直時間常數(shù)對無功反調也有一定影響。以Tw1為例，分別取Tw1=6.0（原參數(shù)）、2.0，預想故障后發(fā)電機有功及無功功率響應曲線如圖6所示。

可見，減小隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)一定程度上有利于降低無功反調，且對PSS阻尼影響不大。進一步分析可知，采用雙隔直環(huán)節(jié)，同樣能起到有效抑制PSS無功反調的作用。

圖6 不同隔直時間常數(shù)時發(fā)電機有功及無功功率曲線Fig.6 Generator power and reactive power responses during fast valving under different differential block time constants of PSS

2.5 其他參數(shù)對無功反調作用的影響

電磁功率積分時間常數(shù)Tp相當于式（4）中的發(fā)電機慣量M。當M較大時，令Tp略小于M可在降低無功反調作用的同時，減少相應慣性環(huán)節(jié)產生的相位滯后。

減小限幅參數(shù)Vsmax，相當于強行控制PSS輸出限值，雖有利于降低無功反調作用，但同時對PSS提供阻尼效果有一定影響。

3 基于數(shù)字仿真方法整定加速功率型PSS參數(shù)的實現(xiàn)方案

該方法利用頻域分析確定PSS安裝地點，利用時域仿真軟件和MATLAB軟件計算相頻特性，并校核整定方案的有效性。實現(xiàn)方案詳述如下：

1）基于系統(tǒng)頻域分析結果，根據(jù)系統(tǒng)負阻尼或弱阻尼模式的參與因子最大值，確定配置PSS的發(fā)電機組[15]。

2）計算發(fā)電機組在PSS退出條件下，其勵磁系統(tǒng)相頻特性曲線，記為曲線1。

3）根據(jù)曲線1相位滯后情況，整定計算雙輸入信號經過的各超前滯后環(huán)節(jié)時間常數(shù)[16]。

4）整定發(fā)電機轉速偏差Δω信號及發(fā)電機電磁功率偏差ΔPe信號單獨經過的慣性環(huán)節(jié)和隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)。

為有效補償高頻段勵磁系統(tǒng)相位滯后，并防止PSS相位補償后導致低頻段相位超前，Δω通道隔直時間常數(shù)Tw1、Tw2初值取5～10 s；ΔPe通道Tw3、Tw4初值取3 s。

5）根據(jù)發(fā)電機慣量M計算補償系數(shù)及電磁功率積分時間常數(shù)。考慮無功反調因素，建議取TP=k·M（其中k為略小于1的正數(shù)）。

6）將上述參數(shù)初值代入傳遞函數(shù)相應變量，利用MATLAB計算僅Δω信號工作時PSS傳遞函數(shù)的波特圖，從中提取傳遞函數(shù)的相頻特性曲線，記為曲線2。

7）根據(jù)曲線1和曲線2的相位角差異，對超前滯后環(huán)節(jié)時間常數(shù)進行微調。

一般地，針對特定頻率fm或指定頻段[f1，f2]曲線1與曲線2角度差θ12在10°～30°即可滿足要求。

8）計算雙輸入信號同時工作時PSS傳遞函數(shù)的波特圖，從中提取傳遞函數(shù)的相頻特性曲線，記為曲線3；根據(jù)曲線1和曲線3的相位角差異，對隔直時間常數(shù)Tw3、Tw4進行微調。

由于線性定常系統(tǒng)為單輸入單輸出系統(tǒng)，為實現(xiàn)上述目的，需將雙輸入信號型PSS等值為單輸入信號型PSS。由式（2）可知，不計發(fā)電機機械功率變化和阻尼系數(shù)時，ΔPe基本與-MsΔω同相位。因此，可通過增設一虛擬理想微分環(huán)節(jié)-Ms，將ΔPe信號轉化為Δω信號。等值后的PSS傳遞函數(shù)如圖7所示。

9）采用臨界放大倍數(shù)法[17]獲得PSS的臨界增益Klim。PSS的最佳增益Kopt與PSS輸入信號類型有關，對加速功率型PSS而言，建議取Kopt為臨界增益的1/3。

圖7 等值為單輸入信號的PSS傳遞函數(shù)框圖Fig.7 PSS transfer functions of equivalent single input signal model

4 仿真驗證

依據(jù)上述實現(xiàn)方案，整定機組PSS參數(shù)如表1所示；發(fā)電機無PSS相位補償時勵磁系統(tǒng)的相頻特性曲線、基于PSS原參數(shù)及改進參數(shù)的相頻特性曲線如圖8所示。

表1 機組PSS參數(shù)整定方案Tab.1 PSS parameters setting scheme of unit

圖8 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)相頻特性曲線和PSS傳遞函數(shù)的相頻特性曲線Fig.8 Phase-frequency characteristics of generator excitation system and PSS transfer functions

由圖8可知，與原參數(shù)相比，改進的PSS可在0.3～2.0 Hz較寬頻段內對勵磁系統(tǒng)的相位滯后進行有效補償。

仍以該實際電網機組汽門快關故障為例，不同PSS參數(shù)下發(fā)電機有功及無功功率響應曲線如圖9所示?？梢?，改進的PSS參數(shù)不僅能夠有效阻尼事故后系統(tǒng)功率振蕩，而且，與原PSS參數(shù)相比，其無功反調程度大大降低。

圖9 不同PSS參數(shù)下發(fā)電機有功及無功功率曲線Fig.9 Generator power and reactive power responses during fast valving under different PSS parameters

5 結語

1）加速功率型PSS在參數(shù)不合理的情況下仍可能出現(xiàn)嚴重的無功反調現(xiàn)象；通過正確的參數(shù)整定，可在確保PSS提供有效阻尼的同時降低無功反調的影響。

2）減少補償系數(shù)、隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)或增加隔直環(huán)節(jié)均能一定程度上降低無功反調作用，且對PSS阻尼效果影響不大。

3）在不明顯降低PSS阻尼效果的前提下，減小PSS增益、控制限幅環(huán)節(jié)最大輸出也有利于降低無功反調。

4）對加速功率型PSS而言，抑制反調最有效的方法是快速增減原動機出力時閉鎖PSS的電磁功率信號通道。

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