PSS放大倍數(shù)對(duì)電網(wǎng)小干擾計(jì)算影響分析

洪權(quán)，宋軍英，李理，郭思源，吳晉波(.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙40007；.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長(zhǎng)沙40004)

PSS放大倍數(shù)對(duì)電網(wǎng)小干擾計(jì)算影響分析

洪權(quán)1，宋軍英2，李理1，郭思源1，吳晉波1
(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長(zhǎng)沙410004)

基于單機(jī)實(shí)測(cè)的PSS現(xiàn)場(chǎng)整定參數(shù)對(duì)于機(jī)組的本機(jī)振蕩模式能取得較好抑制效果，但單機(jī)實(shí)測(cè)確定的PSS參數(shù)對(duì)于電網(wǎng)存在的區(qū)域間振蕩模式，適應(yīng)性較差。本文以PSS整定實(shí)測(cè)結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合小干擾穩(wěn)定分析，對(duì)于PSS參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行了探索，并以實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，調(diào)整PSS增益可以有效改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定水平。

低頻振蕩；PSS；小干擾穩(wěn)定分析

隨著互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模的增大，電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題成為制約電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要問(wèn)題之一，特別是在特高壓交流電網(wǎng)建設(shè)初期以及大規(guī)模新能源機(jī)組接入電網(wǎng)形勢(shì)下，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的壓力日趨增大。為有效提高電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，防止低頻振蕩，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器作為一種基本而有效的方法，被廣泛應(yīng)用于各類型水、火電機(jī)組〔1〕。

目前采用的PSS現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定方法為基于無(wú)補(bǔ)償相頻特性的整體補(bǔ)償法，以實(shí)現(xiàn)在一定頻段范圍內(nèi)達(dá)到較好的補(bǔ)償效果。但互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的同時(shí)，其運(yùn)行方式也日趨復(fù)雜?；诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的參數(shù)難以保證電網(wǎng)在各種方式下均具有良好的適應(yīng)性。

為此，本文以PSS整定實(shí)測(cè)結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合小干擾穩(wěn)定分析，對(duì)于PSS參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行了探索，并以實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果表明，調(diào)整PSS增益可以有效改善系統(tǒng)存在的振蕩模式阻尼。

1 PSS改善系統(tǒng)振蕩模式阻尼特性的原理

基于海佛容-飛利普斯(Heffron－Philips)模型的轉(zhuǎn)矩分析理論因其分析過(guò)程清晰、物理意義明確而被廣泛用于低頻振蕩問(wèn)題的分析及抑制措施研究?；诖嗽淼碾娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)則是工程上最為成功的應(yīng)用。以H－P模型為基礎(chǔ)分析PSS改善系統(tǒng)阻尼比的依據(jù)。圖1為單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的六系數(shù)模型〔2－3〕。

如上框圖用偏差方程表示為:

勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩可分解成與Δδ成比例的同步轉(zhuǎn)矩ΔMsΔδ及與轉(zhuǎn)速sΔδ成比例的阻尼轉(zhuǎn)矩分量ΔMDsΔδ。要使發(fā)電機(jī)不發(fā)生低頻振蕩，則應(yīng)保證阻尼轉(zhuǎn)矩分量為正。

圖1 包含AVR和PSS的單機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

PSS則是通過(guò)引入相位校正環(huán)節(jié)，來(lái)補(bǔ)償勵(lì)磁系統(tǒng)固有的相位滯后特性，從而使得勵(lì)磁系統(tǒng)提供的阻尼轉(zhuǎn)矩為正。

PSS引入的阻尼轉(zhuǎn)矩可表示為

PSS引入后對(duì)應(yīng)的阻尼表達(dá)式為

由式(3)可知，引入PSS后，其振蕩模式的阻尼比與PSS環(huán)節(jié)的整體幅頻特性有關(guān)。PSS環(huán)節(jié)的PSS幅頻特性既與所設(shè)置的直流增益Kpss有關(guān)，又與由其相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)的交流增益有關(guān)。因而，在保證PSS相位補(bǔ)償參數(shù)不變的條件下(交流增益不變)，通過(guò)提高PSS的直流增益Kpss，可以提高發(fā)電機(jī)的低頻振蕩模式的阻尼比，以達(dá)到抑制低頻振蕩的作用。

2 PSS參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)整定方法

由前分析可知，提高PSS增益可以提高系統(tǒng)振蕩模式的阻尼比。但PSS的運(yùn)行增益不宜無(wú)限制放大。

其原因如下〔1－2〕:基于閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，其存在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界增益，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)整定時(shí)，PSS的運(yùn)行增益一般選取為臨界增益的1/3～1/5；另以ΔP為輸入信號(hào)的PSS，調(diào)節(jié)有功功率時(shí)會(huì)產(chǎn)生反調(diào)，為限制反調(diào)，有時(shí)也需限制Kpss。為確認(rèn)PSS整定時(shí)應(yīng)設(shè)置的增益值大小，按照〔4－5〕所述要求，PSS現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定主要步驟:

1)在發(fā)電機(jī)有功在80%額定有功以上，無(wú)功功率小于20%額定值時(shí)，實(shí)測(cè)勵(lì)磁系統(tǒng)的無(wú)補(bǔ)償頻率特性。

2)基于無(wú)補(bǔ)償頻率特性整定PSS參數(shù)，使得本機(jī)振蕩頻率的力矩向量滯后軸0°～30°；在0.3～2.0 Hz的力矩向量滯后軸在超前20°至滯后45°之間；當(dāng)有低于0.2 Hz頻率要求時(shí)，最大的超前角不應(yīng)大于40°，同時(shí)PSS不應(yīng)引起同步力矩顯著削弱而導(dǎo)致振蕩頻率進(jìn)一步降低、阻尼進(jìn)一步減弱。

3)采用臨界增益法確定PSS運(yùn)行增益。

4)負(fù)載階躍試驗(yàn)驗(yàn)證整定PSS參數(shù)的有效性。

5)反調(diào)驗(yàn)證試驗(yàn)，確認(rèn)整定的PSS參數(shù)在正常調(diào)整機(jī)組有功時(shí)不會(huì)引起大的無(wú)功反調(diào)。

6)最終確定PSS參數(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)會(huì)在選定的PSS運(yùn)行增益的上、下各取一點(diǎn)做階躍驗(yàn)證試驗(yàn)，為后續(xù)的增益調(diào)整提供依據(jù)。

3 基于小干擾穩(wěn)定計(jì)算的PSS增益調(diào)整方法

現(xiàn)場(chǎng)整定的PSS參數(shù)是基于單機(jī)得到的，其參數(shù)能否適應(yīng)電網(wǎng)各種運(yùn)行方式的變化，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。為驗(yàn)證整定后的PSS參數(shù)，使用小干擾分析計(jì)算進(jìn)行校核，若存在弱阻尼振蕩模式，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化PSS。為保證已整定各機(jī)組PSS相位補(bǔ)償不出現(xiàn)大的變動(dòng)，一般保持其相位補(bǔ)償參數(shù)不變，而僅僅通過(guò)調(diào)整PSS的直流增益即Kpss以改善PSS的整體增益。

另一方面，在多機(jī)系統(tǒng)中，由于涉及的機(jī)組眾多，從工程實(shí)際來(lái)說(shuō)，如何對(duì)參與調(diào)整的機(jī)組進(jìn)行優(yōu)選是個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。相關(guān)因子可強(qiáng)烈反映哪臺(tái)機(jī)的狀態(tài)量與哪個(gè)振蕩模式強(qiáng)相關(guān)，從而可優(yōu)先考慮在此機(jī)上裝設(shè)PSS來(lái)抑制相應(yīng)的振蕩模式。

綜上，形成PSS增益調(diào)整方法，如圖2所示。

圖2 PSS增益調(diào)整流程圖

具體步驟:

1)錄入?yún)?shù)至PSASP

將實(shí)測(cè)整定的各機(jī)組PSS參數(shù)錄入PSASP仿真計(jì)算程序。

2)小干擾穩(wěn)定計(jì)算校核

以電網(wǎng)各種典型運(yùn)行方式開(kāi)展小干擾穩(wěn)定計(jì)算分析，獲得電網(wǎng)存在的各種振蕩模式。

3)確認(rèn)是否存在弱阻尼振蕩模式，若不存在，則執(zhí)行步驟4，若存在，則執(zhí)行步驟5。4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)不需調(diào)整，校核結(jié)束。5)調(diào)整機(jī)組PSS增益

針對(duì)存在的弱阻尼振蕩模式，按相關(guān)因子大小選取10臺(tái)機(jī)組作為調(diào)整對(duì)象，當(dāng)校核不滿足要求時(shí)，則依照相關(guān)因子由大到小依次添加10臺(tái)機(jī)組作為調(diào)整對(duì)象，直到所有機(jī)組都已參與調(diào)整為止。參與調(diào)整機(jī)組增益修改為經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證的最大增益值。

6)小干擾穩(wěn)定分析校核

基于調(diào)整后PSS增益，對(duì)存在的弱阻尼振蕩模式運(yùn)行方式進(jìn)行小干擾穩(wěn)定計(jì)算。

7)確認(rèn)是否存在弱阻尼振蕩模式，若存在，則回到步驟5，繼續(xù)調(diào)整PSS增益。若不存在，則執(zhí)行步驟8。

8)干擾穩(wěn)定分析復(fù)核

基于已修改的PSS參數(shù)，在其他典型運(yùn)行方式下進(jìn)行小干擾穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核，確認(rèn)修改后的PSS參數(shù)不會(huì)引起別的運(yùn)行方式下的阻尼特性變差。

9)確認(rèn)是否存在弱阻尼振蕩模式，若不存在，則增益調(diào)整結(jié)束，確定最終PSS參數(shù)值；若存在，則跳轉(zhuǎn)步驟5進(jìn)行PSS增益調(diào)整。

4 算例分析

4.1 PSS參數(shù)調(diào)整前小干擾穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

1)計(jì)算程序

PSASP7.16版本。

2)計(jì)算運(yùn)行方式

方式一:夏大、冬大、夏小方式下，鄂湘聯(lián)絡(luò)線功率南送2 800MW。

方式二:夏大、冬大、夏小方式下，鄂湘聯(lián)絡(luò)線功率北送700MW。

3)PSS現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定值

各機(jī)組PSS參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)整定，得到的Kpss值見(jiàn)表1。

4)計(jì)算結(jié)論

使用表1所示Kpss參數(shù)(與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)整定值一致)，對(duì)方式一和方式二進(jìn)行了小干擾穩(wěn)定計(jì)算:

方式一:此方式下，湖南電網(wǎng)與華中電網(wǎng)各地區(qū)間均不存在弱阻尼振蕩模式。

方式二:此方式下，湖南電網(wǎng)與河南電網(wǎng)間存在頻率為0.451 749Hz的弱阻尼振蕩模式(湘機(jī)組與豫機(jī)組為主要參與機(jī)組，其模態(tài)向量基本相差180°)，阻尼比2.832 2%(＜3%)。其振蕩模態(tài)圖如圖3所示。

圖3 弱阻尼振蕩模式模態(tài)圖

4.2 PSS參數(shù)調(diào)整后小干擾穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由前述計(jì)算結(jié)果可知，湖南電網(wǎng)僅在鄂湘聯(lián)絡(luò)線北送700 MW運(yùn)行方式下，存在弱阻尼振蕩模式。通過(guò)修改該振蕩模式下對(duì)應(yīng)機(jī)組PSS增益，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

為改善該振蕩模式下的系統(tǒng)阻尼比，并對(duì)比不同增益調(diào)整方式下的阻尼改善效果，采用3種增益調(diào)整方式進(jìn)行計(jì)算分析(計(jì)算程序版本及潮流運(yùn)行方式同4.1.1及4.1.2節(jié)一致)。

方式一:調(diào)整相關(guān)因子在0.005以上的10臺(tái)機(jī)組。方式二:調(diào)整相關(guān)因子在0.003～0.005間的10臺(tái)機(jī)組。方式三:調(diào)整所有相關(guān)機(jī)組共36臺(tái)機(jī)組。3種方式下系統(tǒng)阻尼比情況見(jiàn)表1。

表1 湖南電網(wǎng)不同調(diào)整方式下系統(tǒng)阻尼比情況

由計(jì)算結(jié)果可知:

1)調(diào)整相關(guān)因子最大的10臺(tái)機(jī)組PSS增益后，對(duì)方式二進(jìn)行小干擾穩(wěn)定計(jì)算，原弱阻尼振蕩模式變化為:振蕩頻率0.448 144 Hz，阻尼比3.279 54%。

2)調(diào)整相關(guān)因子次大的10臺(tái)機(jī)組PSS增益后，對(duì)方式二進(jìn)行小干擾穩(wěn)定計(jì)算，原弱阻尼振蕩模式變化為:452 587Hz，阻尼比3.070 34%

3)調(diào)整所有相關(guān)機(jī)組PSS增益后，對(duì)方式二進(jìn)行小干擾穩(wěn)定計(jì)算，原弱阻尼振蕩模式變化為:頻率0.446 194 4 Hz，阻尼比3.412 87%。

計(jì)算結(jié)果表明:機(jī)組相關(guān)因子可作為優(yōu)選調(diào)整PSS增益機(jī)組的依據(jù)，相關(guān)因子大的機(jī)組其PSS增益調(diào)整所帶來(lái)的阻尼提高效果相較于相關(guān)因子較小的機(jī)組更為明顯。

盡管調(diào)整相關(guān)因子最大的10臺(tái)機(jī)組已能滿足方式二下弱阻尼振蕩模式阻尼比提高到3%以上的要求。為盡可能地提高湖南電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，保證湖南電網(wǎng)在不同運(yùn)行方式下均能有較好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，采取了在該方式下調(diào)整所有相關(guān)機(jī)組PSS增益的方式。

5 結(jié)語(yǔ)

基于單機(jī)實(shí)測(cè)的PSS參數(shù)整定方法，對(duì)抑制本機(jī)低頻振蕩有較好效果，但其不能適應(yīng)電網(wǎng)各種運(yùn)行方式變化?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)整定的PSS參數(shù)應(yīng)經(jīng)過(guò)電網(wǎng)綜合仿真分析計(jì)算以確定其適應(yīng)性，針對(duì)存在的弱阻尼振蕩模式，依照機(jī)組相關(guān)因子的大小及實(shí)測(cè)PSS不同增益情況下的阻尼振蕩效果，對(duì)PSS參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

〔1〕朱方，趙紅光，劉增煌，等.大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響〔J〕.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(1):1-7.

〔2〕Kennedy J，Eberhart R.C.Particle Swarm Optimization〔C〕. Proc.IEEE Int′l.Conf.on Neural Networks，IV.Piscataway，NJ:IEEE Service Center，1995:1942-1948.

〔3〕劉取.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2007:136-151.

〔4〕陳新琪，劉增煌，等.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則:DL/ T1231—2013〔S〕.2013.

〔5〕方思立，蘇為民.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器配置、構(gòu)成、參數(shù)計(jì)算及投運(yùn)試驗(yàn)〔J〕.中國(guó)電力，2004，37(10):11-13.

Effects Analysis of PSS Enlargement Factor to Electric Network Small Signal Calculation

HONG Quan1，SONG Junying2，LILi1，GUO Siyuan1，WU Jinbo1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410004，China)

The PSS parameter setting based on single machine measurement can effectively restrain local-machine oscillation mode，except for inter area oscillationmode.Thispaper discussed the PSSparameter optimizationmethod basing on experiment data and small signal analysis，and verified on actual system.The result indicated that adjusting PSS gain can effectively improve system dynamic stability.

low-frequency oscillation；power system stabilizer；small signal stability analysis

TM712

B

1008-0198(2017)03-0019-04

洪權(quán)(1987)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.005

國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):5216A515002D)

2016-12-26 改回日期:2017-05-22