加速功率型電力系統穩定器參數整定方法研究

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，海南海口570203；3.貴州電網公司電力調度控制中心，貴州 貴陽550002）

電網互聯使得系統規模逐步擴大，遠距離、大容量輸電格局以及高頂值倍數勵磁系統的廣泛應用，導致系統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]。電力系統穩定器（PSS）作為發電機勵磁系統的附加輔助環節，通過調節勵磁輸入產生阻尼轉矩，是抑制系統低頻振蕩，提高系統小干擾穩定及動態穩定最簡單有效的手段[2-3]。目前，PSS在系統中得到普遍應用，是現代勵磁系統不可缺少的功能之一。

以發電機轉速偏差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象[6-8]，因此近年來在系統中應用日益廣泛。然而，某實際電網一起機組停機事故的錄波數據表明，即使是加速功率型PSS，在參數整定不合理情況下仍可能出現無功反調現象。因此，有必要研究典型PSS參數對無功反調的影響；再者，目前PSS參數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參數整定仍主要通過現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字仿真手段整定PSS參數的方法。

1 加速功率型PSS原理

加速功率型PSS的典型傳遞函數框圖如圖1所示。其中，Δω、ΔPe為雙輸入信號；Ts1為慣性環節時間常數，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；Tp1～Tp6為超前滯后時間常數；Ka為PSS增益；Ks為功率匹配系數，通常取1.0；Kp、Tp分別為補償系數及電磁功率積分時間常數；Tp8、Tp9為陷波器時間常數，主要用于過濾軸系扭振和噪聲，通常取Tp8=0.2 s，Tp9=0.1 s。

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

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

式中，M為發電機慣性時間常數；s為微分算子，ΔPm、ΔPa分別為發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參數對無功反調作用的影響分析

我國某實際電網發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的某一參數而保持其他參數不變。

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。僅采用發電機轉速偏差Δω作為輸入信號時，汽門快關過程中發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，抑制系統低頻振蕩的效果越明顯。然而，對于閉環控制系統，增益過大可能引起振蕩。

分別取Ka=1.0，3.0和5.0，預想故障后發電機有功功率及無功功率響應曲線如圖4所示。可見，適當提高PSS增益在增強系統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阻尼的情況下，適當選擇PSS增益。

圖4 不同PSS增益下發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）、0.13（華中網同類型同容量機組參數）和0.6（初始參數），預想故障后發電機有功及無功功率響應曲線如圖5所示。

圖5 不同補償系數時發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 隔直環節時間常數對無功反調作用的影響

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

可見，減小隔直環節時間常數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，采用雙隔直環節，同樣能起到有效抑制PSS無功反調的作用。

圖6 不同隔直時間常數時發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 其他參數對無功反調作用的影響

電磁功率積分時間常數Tp相當于式（4）中的發電機慣量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，減少相應慣性環節產生的相位滯后。

減小限幅參數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 基于數字仿真方法整定加速功率型PSS參數的實現方案

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。實現方案詳述如下：

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

2）計算發電機組在PSS退出條件下，其勵磁系統相頻特性曲線，記為曲線1。

3）根據曲線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節時間常數[16]。

4）整定發電機轉速偏差Δω信號及發電機電磁功率偏差ΔPe信號單獨經過的慣性環節和隔直環節時間常數。

為有效補償高頻段勵磁系統相位滯后，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Tw1、Tw2初值取5～10 s；ΔPe通道Tw3、Tw4初值取3 s。

5）根據發電機慣量M計算補償系數及電磁功率積分時間常數。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）。

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

7）根據曲線1和曲線2的相位角差異，對超前滯后環節時間常數進行微調。

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傳遞函數的波特圖，從中提取傳遞函數的相頻特性曲線，記為曲線3；根據曲線1和曲線3的相位角差異，對隔直時間常數Tw3、Tw4進行微調。

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

9）采用臨界放大倍數法[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傳遞函數框圖Fig.7 PSS transfer functions of equivalent single input signal model

4 仿真驗證

依據上述實現方案，整定機組PSS參數如表1所示；發電機無PSS相位補償時勵磁系統的相頻特性曲線、基于PSS原參數及改進參數的相頻特性曲線如圖8所示。

表1 機組PSS參數整定方案Tab.1 PSS parameters setting scheme of unit

圖8 發電機勵磁系統相頻特性曲線和PSS傳遞函數的相頻特性曲線Fig.8 Phase-frequency characteristics of generator excitation system and PSS transfer functions

由圖8可知，與原參數相比，改進的PSS可在0.3～2.0 Hz較寬頻段內對勵磁系統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參數下發電機有功及無功功率響應曲線如圖9所示。可見，改進的PSS參數不僅能夠有效阻尼事故后系統功率振蕩，而且，與原PSS參數相比，其無功反調程度大大降低。

圖9 不同PSS參數下發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在參數不合理的情況下仍可能出現嚴重的無功反調現象；通過正確的參數整定，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、隔直環節時間常數或增加隔直環節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、控制限幅環節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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