寬頻段電力系統(tǒng)穩(wěn)定器研究

劉明群，劉喜泉

(1.云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.三峽集團(tuán)溪洛渡電廠，云南 昭通 657000)

寬頻段電力系統(tǒng)穩(wěn)定器研究

劉明群1，劉喜泉2

(1.云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.三峽集團(tuán)溪洛渡電廠，云南 昭通 657000)

隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越大，電力系統(tǒng)低頻振蕩問題日益突出。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 (PSS)是解決低頻振蕩的有效措施之一，針對目前使用的PSS存在一些不足，筆者對寬頻段的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器進(jìn)行了研究，文中對寬頻段電力系統(tǒng)穩(wěn)定器產(chǎn)生的原因、模型參數(shù)、仿真結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測的準(zhǔn)備工作進(jìn)行了說明，希望對其在工程的應(yīng)用具有借鑒意義。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；寬頻段；低頻振蕩

0 前言

由于電力系統(tǒng)的發(fā)展、互聯(lián)電力系統(tǒng)的出現(xiàn)和擴(kuò)大、快速自動勵磁調(diào)節(jié)器和快速勵磁系統(tǒng)的應(yīng)用，國內(nèi)外不少電力系統(tǒng)出現(xiàn)了低頻功率振蕩，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，成為制約聯(lián)絡(luò)線輸送功率極限提高的最重要因素之一。低頻振蕩的產(chǎn)生的機(jī)理可以參考發(fā)電機(jī)的 Heffron-Philips模型研究和F.Demello和C.Concordia提出的負(fù)阻尼機(jī)理，目前為止是對低頻振蕩給出的最權(quán)威和經(jīng)典的解釋。

根據(jù)低頻振蕩產(chǎn)生的機(jī)理和原因，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的主要措施有：電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、高壓直流控制、可控串補(bǔ)、靜止無功補(bǔ)償器輔助控制等。國際大電網(wǎng)會議第38組35.01.07工作組對各種阻尼振蕩措施進(jìn)行了研究，并依其效果進(jìn)行排序，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器排在首位，其次是HVDC和SVC輔助控制。目前我國50 MW以上的發(fā)電機(jī)組都安裝了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器也成為勵磁調(diào)節(jié)器的標(biāo)準(zhǔn)模塊之一。

目前我國發(fā)電機(jī)組投入的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型主要以PSS—1A、PSS—2A、PSS—2B模型為主，PSS-2A和PSS-2B模型相對于PSS-1A模型的區(qū)別是對機(jī)組的反調(diào)功能抑制明顯，這對于負(fù)荷調(diào)整頻繁的水電機(jī)組尤為重要，這些模型的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對機(jī)組本機(jī)振蕩頻率或者較高頻率的振蕩作用明顯，但是隨著更大規(guī)模的電網(wǎng)規(guī)電網(wǎng)互聯(lián)和更多快速勵磁系統(tǒng)的投入，存在更低頻率的振蕩模式，尤其低頻范圍內(nèi)滯后相位相差較大時，為了保證PSS在低頻段能夠產(chǎn)生足夠的相位移，PSS的隔直時間常數(shù)有時候需要取得較大，使得PSS的幅值在低頻段和高頻段相差較大。如果通過提高PSS裝置直流增益的方法來保證高頻段PSS的阻尼效果，可能會導(dǎo)致低頻段幅值過大，引起發(fā)電機(jī)的無功波動，如果隔直時間常數(shù)取得不夠大，又會出現(xiàn)PSS裝置在低頻段所產(chǎn)生的相位移不夠，不能提供足夠的相位補(bǔ)償角，在系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時，不能提供較大的正阻尼，現(xiàn)有的PSS模型難以滿足系統(tǒng)寬頻段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相位的需要。

1 新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

如何抑制電力系統(tǒng)不同頻段的的低頻振蕩，目前國際上提出新的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型PSS4B，2005年版的IEEC中PSS分類中收錄了PSS4B模型?！锻诫姍C(jī)勵磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究用模型》將PSS劃分為 PSSI(單輸入信號 PSS)、PSSII (加速功率型PSS)和PSSIII(雙輸入信號PSS)。

2000年加拿大魁北克電力局提出來的新的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，它是在PSS2B的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而形成的。它的最大特點(diǎn)在于將轉(zhuǎn)速信號分成低頻、中頻及高頻三個階段，它們都可以單獨(dú)調(diào)節(jié)增益、相位、輸出限幅及濾波器參數(shù)，為不同頻段的低頻振蕩提供合適的阻尼。低頻段是指系統(tǒng)中全部機(jī)組共同波動，即相當(dāng)于頻率飄動的模式(0.04～0.06 Hz)，中頻段指區(qū)域模式 (0.1～1.0 Hz)，高頻段指本地模式 (0.8～4.0 Hz)。因?yàn)橐话惴€(wěn)定器的隔離環(huán)節(jié)在低頻段，總是提供較大相位領(lǐng)先，限制了穩(wěn)定器可提供的正阻尼，有時甚至提供負(fù)阻尼，而PSS4B的相位頻率為零時，可達(dá)到零。在高頻段，一般穩(wěn)定器的增益較大，有可能會令軸扭振蕩加劇，但PSS4B在高頻段可使增益減小，有利于防止振蕩，其性能理論上優(yōu)于一般的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，目前，南瑞電控公司生產(chǎn)的NES6 100勵磁調(diào)節(jié)器也已具備PSS4B功能。

圖1 PSS2B傳遞函數(shù)模型

圖2 PSS4B傳遞函數(shù)模型

圖1、圖2給出了PSS2B和PSS4B的傳遞函數(shù)，PSS2B模型大家已經(jīng)非常熟悉，PSS4B傳遞函數(shù)中參數(shù)說明如下：V1為低頻段的轉(zhuǎn)子角速度；V2為發(fā)電機(jī)有功功率；KL1和KL2為低頻段帶通環(huán)節(jié)函數(shù)的增益、KL為低頻帶增益；TL1、TL2、TL7、TL8為低頻段帶通環(huán)節(jié)函數(shù)的時間常數(shù)；TL3、TL4、TL5、TL6、TL9、TL10、TL11、TL12為低頻段超前滯后環(huán)節(jié)函數(shù)的時間常數(shù)；VLmin和VLmax為低頻帶輸出限幅值；VST、VSTmin、VSTmax分別為PSS4B輸出幅值及其限幅值；KL11、KL17為低頻段帶通環(huán)節(jié)函數(shù)的常數(shù)，一般取1；中頻段 (下標(biāo)I表示)和高頻段 (下標(biāo)H表示)的變量依次類推。

圖3 PSS2B和PSS4B幅頻相頻波特圖對比

2 新型穩(wěn)定器PSS4B仿真研究

對比PSS2B和PSS4B模型，對比其波特圖可以明顯看到，不同的PSS在0.1～5 Hz有非常相似的相頻響應(yīng)的波形，然而PSS4B的增益在關(guān)鍵的區(qū)間模型 (0.1～1)頻率上表現(xiàn)更好。

對ABB公司的UNITROL 6800的勵磁調(diào)節(jié)器的PSS2B和PSS4B模型利用RTDS進(jìn)行了仿真測試，被試機(jī)組有功功率300 MW，無功功率20 Mvar，分別在1.2 Hz、1.0 Hz、0.8 Hz、0.6 Hz、0.4 Hz、0.2 Hz和0.1 Hz的擾動，進(jìn)行3%的定子電壓擾動，在PSS2B模型和PSS4B模型的試驗(yàn)錄波數(shù)據(jù)如圖4、圖5。

圖4 不同頻率擾動下PSS2B模型抑制效果

圖5 不同頻率擾動下PSS4B模型抑制效果

有仿真試驗(yàn)錄波結(jié)果來看，PSS4B對于有功振蕩的抑制效果，尤其是0.6 Hz以下的有功振蕩效果明顯好于PSS2B。

3 現(xiàn)場實(shí)測準(zhǔn)備

對于目前大多數(shù)的勵磁調(diào)節(jié)器具有PSS2B功能，兩個輸入通道都分別對轉(zhuǎn)速和有功功率信號做了檢測，這與新型的PSS4B功能從硬件上來說并無實(shí)質(zhì)性的差別，只需要在軟件上增加區(qū)分頻率的代碼即可實(shí)現(xiàn)PSS4B功能。由于模型中三個頻段的六個傳遞函數(shù)通道是致的，因此可以統(tǒng)一編制子程序來分別調(diào)用。當(dāng)然，改進(jìn)之后的PSS4B模型與傳統(tǒng)的PSS模型在程序中并不沖突，可以共存，電廠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行方式的需要進(jìn)行選擇不同的模型。

1)為了保證試驗(yàn)安全，首先利用頻譜分析儀對傳遞函數(shù)的相頻和幅頻進(jìn)行靜態(tài)測試，確保模型的完好性；

2)首先驗(yàn)證PSS的輸出限制環(huán)節(jié)，將其限制到必要的值，確保不發(fā)生大的不需要的波動；

3)對PSS4B模型和PSS2B模型對不同頻率模式抑制效果的對比；

有關(guān)文獻(xiàn)提及PSS4B模型的參數(shù)可以不用整定，直接帶入驗(yàn)證即可，筆者很不認(rèn)同這個觀點(diǎn)。雖然PSS4B模型將低頻段進(jìn)行了細(xì)分，每個頻段的滯后特性的變化范圍與整個頻段笑了許多，但是，根據(jù)現(xiàn)場無補(bǔ)償相頻特性的測定的情況來看，每個頻段的相位變化范圍甚至達(dá)到30～40°，為了達(dá)到最佳的整定效果，同樣需要現(xiàn)場測試無補(bǔ)償相頻特性，針對每臺機(jī)組具體情況進(jìn)行整定。

從表面上看，PSS4B模型需要設(shè)置的參數(shù)比PSS2B模型多很多，但這并不意味著其參數(shù)整定更麻煩。雖然PSS4B的濾波器有種設(shè)置方式，但是通常把它設(shè)置成對稱的帶通濾波器形式，在中心頻率點(diǎn)其增益最大，且相位為零，便于進(jìn)行超前滯后計(jì)算。

4 結(jié)束語

綜上所述，PSS1A模型反調(diào)現(xiàn)象嚴(yán)重，PSS2B模型對寬頻段范圍內(nèi)調(diào)整相位不能很好的適應(yīng)，PSS4B可以在更大的頻率范圍內(nèi)提供更好的靈活性來獲得更好的調(diào)節(jié)性能，應(yīng)用前景看好。

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Study on Broadband Power System Stabilizer

LIU Mingqun1，LIU Xiquan2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；2.Xiluodu power plant，Zhaotong，Yunnan 657000，China)

With the development of power grid scale，the problem of power system low frequency oscillation is increasingly outstanding.Power system stabilizer(PSS)is one of the effective measures to solve the low frequency oscillation，as the same time the PSS has some shortcomings.The author studies the wild band power system stabilizer，analyzing the causes，the model parameters，the simulation results and preparation of the field test，We hope to have reference significance in engineering application.

power system stabilizer；broadband；low frequency oscillations

TM72

B

1006-7345(2015)04-0072-03

2015-03-24

劉明群 (1976)，男，碩士，高級工程師，云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司電力科學(xué)研究院，從事電力系統(tǒng)研究及仿真工作 (email)147056661＠qq.com。

劉喜泉 (1980)，男，碩士，高級工程師，三峽集團(tuán)溪洛渡電廠，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行及維護(hù)工作。