抽水蓄能機組的加速功率型PSS的參數(shù)整定研究

楊曉霞，王紅宇

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抽水蓄能機組的加速功率型PSS的參數(shù)整定研究

楊曉霞，王紅宇

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206）

由于以電功率信號為單輸入的傳統(tǒng)PSS存在嚴重的無功反調(diào)現(xiàn)象，該文研究了加速功率型PSS在抽水蓄能機組中的應(yīng)用及其參數(shù)整定方法，分別在發(fā)電和抽水工況下，以及工況轉(zhuǎn)換過程中，對附加PSS前后的系統(tǒng)響應(yīng)進行了仿真及對比分析，結(jié)果表明該方法的正確性和有效性。加速功率型PSS在提供良好的阻尼的同時，可以有效地抑制無功反調(diào)。

無功反調(diào)；加速功率型PSS；抽水蓄能機組；參數(shù)整定

0 前言

隨著我國電網(wǎng)的不斷擴大，對電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性的要求不斷提高。抽水蓄能電站可以起到削峰填谷的作用，同時其起動靈活、迅速，負荷跟蹤性能好，可作為緊急事故備用，并具有調(diào)頻、調(diào)相的功能，是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和供電質(zhì)量的有效手段之一。

低頻振蕩的穩(wěn)定性是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的先決條件之一，為抑制低頻振蕩，目前最有效的措施是采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）。但采用電功率作為單輸入信號的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，會使得系統(tǒng)的無功功率出現(xiàn)不被容許的反調(diào)；而以轉(zhuǎn)速偏差作為輸入信號的PSS，理論上不存在“反調(diào)”，但轉(zhuǎn)速信號不易得到，且對發(fā)電機扭振極為敏感，使軸系扭振現(xiàn)象更加嚴重，故未得到廣泛應(yīng)用。為了改善這種情況，提出了加速功率型PSS，其不但具有良好的阻尼特性，而且對無功反調(diào)的抑制作用顯著[1]；但目前，關(guān)于參數(shù)整定方法的文章大部分都是針對以電功率為輸入的PSS[2]，對于加速功率型PSS的研究較少[3]，更鮮有文章是詳細討論將加速功率型PSS應(yīng)用于抽水蓄能電站時的參數(shù)整定方法。文獻[4]通過分析運行工況對Phillips-Heffron模型各系數(shù)及阻尼系數(shù)的影響，針對抽水蓄能電機工作的特點，得到其PSS的參數(shù)選擇方法，但該文獻未考慮無功反調(diào)的問題，且也未涉及參數(shù)具體的計算方法。

PSS參數(shù)的整定是影響其性能好壞的主要因素，而抽水蓄能機組與普通發(fā)電機組相比，運行工況多，工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜。本文在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立了系統(tǒng)仿真模型。根據(jù)抽水蓄能機組的運行特點，運用單點最優(yōu)法和兩點最優(yōu)法對加速功率型PSS的參數(shù)進行整定，并與功率方向器件相結(jié)合，最后分別在發(fā)電工況和抽水工況下，尤其是工況轉(zhuǎn)換過程中，對附加PSS前后的抽水蓄能機組和系統(tǒng)穩(wěn)定性進行詳細地仿真和討論分析。

1 加速功率型PSS模型及工作原理

目前，在國內(nèi)，以－Δe為輸入的PSS得到了比較廣泛的應(yīng)用，但其缺點是存在無功反調(diào)現(xiàn)象，尤其是在大型水電機組中，由于其機械功率變化快速，無功反調(diào)現(xiàn)象更加嚴重[5]。為了防止這種無功反調(diào)現(xiàn)象，應(yīng)用于大型水電機組時，可采用加速功率型PSS，除有功功率外，還附加轉(zhuǎn)速信號，其原理框圖如圖1所示[6]，輸入信號的獲取方法在文獻[7]中有較為詳細的闡述。

圖1 加速功率型PSS結(jié)構(gòu)

根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方程，有

采用標幺值表示，且在轉(zhuǎn)速變化較小時，可以用功率代替轉(zhuǎn)矩，

寫成偏差形式，對其進行拉氏變換并移相，得到

為了濾除噪聲信號和軸系扭振，將該信號通過低通濾波器(S)，

其中，低通濾波器的表達式為

該信號可以近似跟蹤機械功率的積分。則加速功率的積分為

式中，Δa、Δm、Δe分別表示電機的加速功率、機械功率和電功率的偏差信號，為電機的慣性時間常數(shù)。

直接以轉(zhuǎn)速信號作為PSS的輸入信號，會使得電機的軸系扭振現(xiàn)象嚴重，而加速功率型PSS對轉(zhuǎn)速信號進行高頻濾波后再作為輸入量，即可消除軸系扭振的影響。另外，由于以加速功率作為輸入信號，計及了機械功率變化的影響，從而可以有效地抑制有功功率增減時的無功反調(diào)[7]。

2 PSS參數(shù)整定方法

由于高階電力系統(tǒng)不易進行分析和計算，現(xiàn)選取其起主要作用的兩個環(huán)節(jié)，將高階電力系統(tǒng)簡化為二階模型[2]，簡化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)二階簡化模型

通過Matlab的LTI viewer和sisotool工具箱進行分析，可以很方便地得到該電力系統(tǒng)的Bode圖（如圖3所示），其傳遞函數(shù)為

故可知，系統(tǒng)的固有頻率為：=(167.4)1/2=12.94rad/s=2.06Hz。由于系統(tǒng)的阻尼比較小，故有≈=2.06Hz=12.94rad/s。

2.1 單點最優(yōu)法

在Matlab環(huán)境下進行參數(shù)整定，可通過系統(tǒng)的Bode圖，直觀地得到系統(tǒng)的滯后角g和需要整定的補償角度d。若PSS的補償環(huán)節(jié)數(shù)為，需要的補償角度為θ，則每個補償環(huán)節(jié)的補償角度為d=θ/。

設(shè)1=2，且每個相位補償環(huán)節(jié)在=d時需要整定的超前角度為，根據(jù)文獻[3]有

進一步可以得到，

由圖（1）可知，加速功率型PSS在進行相位補償前的信號為轉(zhuǎn)速的偏差信號，為了確保0.1~3Hz內(nèi)，PSS都能起到相位補償?shù)淖饔?，選擇以中心頻率=2.06Hz=12.97rad/s作為整定點，以120o為所需的補償角，根據(jù)式（8）、式（9），可以得到其相位補償環(huán)節(jié)的參數(shù)為1=0.021s，2=0.292s。

單點最優(yōu)法是計算PSS參數(shù)較為傳統(tǒng)的方法，計算方法簡單，但適用性較差，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化或運行工況變化，從而導(dǎo)致振蕩模式變化時，可能需要重新整定PSS參數(shù)。

2.2 兩點最優(yōu)法

設(shè)PSS在1時所需的補償角度為1，在2時的補償角度為2，且同樣有1=2，則可得到

求得后，可以得到

選擇振蕩頻率附近的點可以更好地抑制系統(tǒng)振蕩[3]，故選取1=2Hz=12.56rad/s，2=2.4Hz=15.7rad/s為整定點，以1=(87.9o+30o)/2=58.95o，2=(101o+30o)/2= 65.5o為整定的目標相角，則可得到超前滯后環(huán)節(jié)的參數(shù)為1=0.153s，2=0.006s。

兩點最優(yōu)法相對于單點最優(yōu)法適用頻帶寬。同時，與四點最優(yōu)法和六點最優(yōu)法相比，其有明確的計算公式，參數(shù)整定方法也較為直觀有效。

2.3 其他參數(shù)的選擇

（1）發(fā)電工況

加速功率型PSS選擇隔直環(huán)節(jié)的時間常數(shù)1=2=3=4s，電功率積分時間常數(shù)和補償系統(tǒng)分別為7=4s，s2=7/=0.7，3為功率匹配系統(tǒng)，通常取3=1。軸系扭振信號頻率通常為7~45Hz，而低頻振蕩信號頻率為0.1~3Hz。高頻濾波器應(yīng)保證軸系扭振信號被阻斷，而低頻振蕩信號可以通過。本文中采用典型參數(shù)8=0.6s，9=0.12s，=5，=1。PSS增益取為1=3。

（2）抽水工況

抽水蓄能電機在電動機狀態(tài)下也可能出現(xiàn)負阻尼功率振蕩，若此時PSS仍采用發(fā)電機狀態(tài)下的參數(shù)，則其不但不能提供正阻尼，反而會降低系統(tǒng)阻尼，加劇系統(tǒng)振蕩。在不改變PSS模型的前提下，通過將PSS控制環(huán)取反即將增益乘（－1）的方法，使得電動機狀態(tài)比發(fā)電機狀態(tài)下。PSS增加180o的相位補償角[8,9]，則可實現(xiàn)在兩種工況下，PSS都能夠加強機組的正阻尼，達到抑制低頻振蕩的效果。綜上所述，在抽水工況時，應(yīng)保持PSS其他參數(shù)不變，而增益設(shè)為s1=－3。

在抽水蓄能電站中，可通過采用功率方向型PSS來實現(xiàn)這一要求。功率方向型PSS通過判斷功率的正負，相應(yīng)地改變增益的符號。在常規(guī)PSS上附加功率方向器件即構(gòu)成功率方向型PSS，如圖1所示。

3 仿真實例

以響水澗抽水蓄能電站為例，由抽水蓄能機組與變壓器、輸電線路、負荷、標準電壓源等構(gòu)成單機-無限大系統(tǒng)，在Matlab中建立模型如圖4所示[10,11]。

同步電機參數(shù)為：N=250MVA，N=15.75kV，N=50Hz；d=1.132，d'=0.291，d''=0.227，q=0.731，q''=0.218，l=0.118；d0'=12.065s，d0''=0.189s，q0''=0.493s；s=0.00198；=3.01s，極對數(shù)=12。勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)：a=100；a=0.05s。

3.1 發(fā)電工況

3.1.1 功率變動

（1）以－Δe為輸入的傳統(tǒng)PSS

圖（5）為加裝以-Δe為輸入的傳統(tǒng)PSS的抽水蓄能機組輸入功率由0.4p.u.增大到1p.u.時，輸出有功和無功功率的響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，未附加PSS時，系統(tǒng)有功功率經(jīng)過五個周波的振蕩后方達到穩(wěn)定，而在加入PSS后僅需一個周期即可達到穩(wěn)定，但卻導(dǎo)致系統(tǒng)無功出現(xiàn)較嚴重的反調(diào)問題，機組端電壓下降，對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生不良影響，嚴重時甚至可能引起發(fā)電機進相運行或失磁，以及保護裝置的誤動作等。

圖（6）為發(fā)電機輸入功率發(fā)生同樣變化時，附加加速功率型PSS時的系統(tǒng)響應(yīng)。加速功率型PSS在加快有功功率穩(wěn)定的同時，對無功反調(diào)也起到了良好的抑制作用，如表1所示，無論是反調(diào)的峰值還是最終的穩(wěn)態(tài)值都得到了良好的改善，有效地減少了對機組和系統(tǒng)的不利影響。另外，在有功功率增大的始端和末端兩點，由于機械功率的變化率Δm相對較大，故存在兩處略為明顯的無功波動。

圖4 抽水蓄能機組仿真模型

3.1.2 電壓擾動

圖（7）是在=1s時電壓小擾動（10%）下電功率e的響應(yīng)曲線。在裝有PSS后，系統(tǒng)的正阻尼得以加強，從而系統(tǒng)振蕩時間大大縮短，振蕩幅值也明顯下降。

圖7 加速功率型PSS

系統(tǒng)穩(wěn)定判斷條件為：abs(e(+Δ)－e())/Δ≤c，其中，Δ=0.1s，在得到首個滿足條件的時間點后，再判斷之后的1s是否也滿足該條件，若仍滿足，則認為該時間為系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)所需時間。由于不同工況下，功率變化幅度區(qū)別較大，故選擇不同的值，在該工況下，取=5*10-4。

圖（8）為=1s時電機機端發(fā)生三相接地短路故障，在=1.1s時將故障切除的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。穩(wěn)定判斷依據(jù)同上，但該工況下=2*10-2。系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)所需的時間如表2所示，可見，加速功率型PSS對短路故障引起的振蕩也起到了良好的抑制作用，從而使機組可以更快地恢復(fù)正常運行，減輕短路對機組和系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響。

圖8 加速功率型PSS

3.2 抽水工況

3.2.1 功率變動

（1）以－Δe為輸入的傳統(tǒng)PSS

圖（9）為抽水工況下附加傳統(tǒng)PSS的抽水蓄能機組，電機參考功率由－0.4p.u.變化至－1p.u.時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，無功功率亦存在明顯的“反調(diào)現(xiàn)象”，與不加裝PSS時相差最大達到約0.195p.u.。且與發(fā)電工況對比可以得到，在發(fā)電機發(fā)出功率和電動機消耗功率增大時，無功反調(diào)的趨勢基本一致，不同之處在于，未加裝PSS時，發(fā)電機有功功率增長前后，無功功率變化較小，而電動機的無功功率則出現(xiàn)較為明顯的增大。

（2）加速功率型PSS

圖（10）為抽水工況時采用加速功率型PSS后系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。同樣，無功功率反調(diào)也得到了良好的抑制，同時系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了明顯的改善，在有功功率變化至1p.u.后，僅需原來一半左右的時間即可達到穩(wěn)定?？梢?，功率方向型的PSS，在發(fā)電工況和抽水工況下都能提供良好的正阻尼。此時，有功功率的穩(wěn)定判斷依據(jù)中，取=4×10-3。

3.2.2 電壓擾動

圖（11）為抽水工況下電壓小干擾時的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。在未附加PSS時，系統(tǒng)在經(jīng)過9s后仍存在較小的振蕩，持續(xù)的低頻振蕩導(dǎo)致輸電線功率來回傳輸，影響系統(tǒng)的正常運行，嚴重時甚至?xí)率瓜到y(tǒng)失步；而在附加PSS后，僅需2~4s就可以達到穩(wěn)定，振蕩次數(shù)明顯減少，有效地減輕了對系統(tǒng)的不利影響。

圖11 加速功率型PSS

3.2.3 機端短路

圖（12）為在抽水工況下=1s時發(fā)生三相接地短路故障，在=1.1s時切除故障的系統(tǒng)響應(yīng)。穩(wěn)定判斷依據(jù)與發(fā)電工況時相同。在附加PSS前，系統(tǒng)經(jīng)過9s后振蕩仍未完全平息，而在附加PSS后，僅需要3~5s系統(tǒng)就可以恢復(fù)穩(wěn)定，明顯地改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，有利于抽水蓄能機組和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

圖12 加速功率型PSS

表1 與未安裝PSS時系統(tǒng)無功功率的差值 （單位/p.u.）

3.3 工況轉(zhuǎn)換

抽水蓄能機組相對于普通發(fā)電機組而言，特點是運行工況多且工況轉(zhuǎn)換較為頻繁，因此工況轉(zhuǎn)換過程中機組穩(wěn)定性能的分析尤為重要。

以抽水工況向發(fā)電工況轉(zhuǎn)換為例，從仿真結(jié)果可以得到，由于在工況轉(zhuǎn)換過程中，電機有功功率的數(shù)值經(jīng)歷先減小后增大的過程，故無功的反調(diào)較單運行工況，波動次數(shù)多，且最大變化幅度幾乎達到0.5p.u.，勵磁電流和機組端電壓也產(chǎn)生較為嚴重的波動，對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生較大的沖擊。而加速功率型PSS大大改善了這一現(xiàn)象（如圖14所示），有效地抑制了不可容許的無功反調(diào)；同時，由于與功率方向器件相結(jié)合，PSS在工況轉(zhuǎn)換的過程中也能正常地抑制系統(tǒng)的低頻振蕩，提高穩(wěn)定性能。

4 結(jié)論

本文針對抽水蓄能機組在發(fā)電、抽水工況，分別采用單點、兩點優(yōu)化方法研究了加速功率型PSS參數(shù)整定問題，結(jié)論如下。

（1）單點最優(yōu)法的效果優(yōu)于兩點最優(yōu)法，其原因是仿真中的振蕩頻率與單點最優(yōu)法的整定頻率很接近，單點最優(yōu)法起到了最佳的效果。

（2）由于在電動機狀態(tài)時，抽水蓄能機組相當(dāng)于一個巨大的集中負荷，加重了聯(lián)絡(luò)線負載，使得系統(tǒng)阻尼減弱，抑制低頻振蕩的能力降低。因此，機組在發(fā)電機工況比電動機工況具有更好的穩(wěn)定性能。

表2 不同運行工況下系統(tǒng)所需穩(wěn)定時間 （單位/s）

（3）抽水蓄能機組在發(fā)電工況時，PSS參數(shù)整定方法和一般發(fā)電機相同，在抽水工況時，PSS相位上必須增加180o的補償角，這樣既可加強系統(tǒng)正阻尼，抑制系統(tǒng)低頻振蕩。

（4）在工況轉(zhuǎn)換過程中，無功反調(diào)現(xiàn)象較單運行工況下更為嚴重；加速功率型PSS在為系統(tǒng)提供足夠的正阻尼的同時還可以有效地抑制無功反調(diào)。

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Research on the Parameter Setting Method of PSS Based on PSS2A Model Used in Pumped-storage Units

YANG Xiaoxia, WANG Hongyu

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electrical Power University, Beijing 10206, China)

The traditional PSS with electric power as single input signal has serious reactive power antiregulation problem, so the parameter setting method of PSS based on PSS2A model of IEEE is studied when it is applied to pumped storage units. The system responses are simulated respectively in generation and pumping conditions, as well as the conversion progress of working condition and the results before and after installing PSS are compared, it proves that the method is valid. PSS based on PSS2A model of IEEE can efficiently restrain the atiregulation problem while providing good damping effect.

reactive power antiregulation; PSS based on PSS2A model of IEEE; pumped storage units; parameter setting

TM312

A

1000-3983(2014)01-0072-09

國家科技支撐計劃：大型抽水蓄能機組發(fā)電電動機的機網(wǎng)協(xié)調(diào)運行研究（2011BAF03B02）。

2013-04-28

楊曉霞（1989-），主要研究方向為交流電機狀態(tài)檢測及故障診斷，碩士研究生。

審稿人：孫玉田