寬頻段電力系統穩定器研究

劉明群，劉喜泉

(1.云南電網責任有限公司電力科學研究院，昆明 650217；2.三峽集團溪洛渡電廠，云南 昭通 657000)

寬頻段電力系統穩定器研究

劉明群1，劉喜泉2

(1.云南電網責任有限公司電力科學研究院，昆明 650217；2.三峽集團溪洛渡電廠，云南 昭通 657000)

隨著電網規模越來越大，電力系統低頻振蕩問題日益突出。電力系統穩定器 (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穩定器進行了研究，文中對寬頻段電力系統穩定器產生的原因、模型參數、仿真結果和現場實測的準備工作進行了說明，希望對其在工程的應用具有借鑒意義。

電力系統穩定器；寬頻段；低頻振蕩

0 前言

由于電力系統的發展、互聯電力系統的出現和擴大、快速自動勵磁調節器和快速勵磁系統的應用，國內外不少電力系統出現了低頻功率振蕩，嚴重影響電力系統的安全穩定運行，成為制約聯絡線輸送功率極限提高的最重要因素之一。低頻振蕩的產生的機理可以參考發電機的 Heffron-Philips模型研究和F.Demello和C.Concordia提出的負阻尼機理，目前為止是對低頻振蕩給出的最權威和經典的解釋。

根據低頻振蕩產生的機理和原因，抑制電力系統低頻振蕩的主要措施有：電力系統穩定器、高壓直流控制、可控串補、靜止無功補償器輔助控制等。國際大電網會議第38組35.01.07工作組對各種阻尼振蕩措施進行了研究，并依其效果進行排序，電力系統穩定器排在首位，其次是HVDC和SVC輔助控制。目前我國50 MW以上的發電機組都安裝了電力系統穩定器，電力系統穩定器也成為勵磁調節器的標準模塊之一。

目前我國發電機組投入的電力系統穩定器模型主要以PSS—1A、PSS—2A、PSS—2B模型為主，PSS-2A和PSS-2B模型相對于PSS-1A模型的區別是對機組的反調功能抑制明顯，這對于負荷調整頻繁的水電機組尤為重要，這些模型的電力系統穩定器對機組本機振蕩頻率或者較高頻率的振蕩作用明顯，但是隨著更大規模的電網規電網互聯和更多快速勵磁系統的投入，存在更低頻率的振蕩模式，尤其低頻范圍內滯后相位相差較大時，為了保證PSS在低頻段能夠產生足夠的相位移，PSS的隔直時間常數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，可能會導致低頻段幅值過大，引起發電機的無功波動，如果隔直時間常數取得不夠大，又會出現PSS裝置在低頻段所產生的相位移不夠，不能提供足夠的相位補償角，在系統發生低頻振蕩時，不能提供較大的正阻尼，現有的PSS模型難以滿足系統寬頻段范圍內調節相位的需要。

1 新型電力系統穩定器

如何抑制電力系統不同頻段的的低頻振蕩，目前國際上提出新的電力系統穩定器模型PSS4B，2005年版的IEEC中PSS分類中收錄了PSS4B模型。《同步電機勵磁系統電力系統研究用模型》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穩定器，它是在PSS2B的基礎上加以改進而形成的。它的最大特點在于將轉速信號分成低頻、中頻及高頻三個階段，它們都可以單獨調節增益、相位、輸出限幅及濾波器參數，為不同頻段的低頻振蕩提供合適的阻尼。低頻段是指系統中全部機組共同波動，即相當于頻率飄動的模式(0.04～0.06 Hz)，中頻段指區域模式 (0.1～1.0 Hz)，高頻段指本地模式 (0.8～4.0 Hz)。因為一般穩定器的隔離環節在低頻段，總是提供較大相位領先，限制了穩定器可提供的正阻尼，有時甚至提供負阻尼，而PSS4B的相位頻率為零時，可達到零。在高頻段，一般穩定器的增益較大，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，其性能理論上優于一般的電力系統穩定器，目前，南瑞電控公司生產的NES6 100勵磁調節器也已具備PSS4B功能。

圖1 PSS2B傳遞函數模型

圖2 PSS4B傳遞函數模型

圖1、圖2給出了PSS2B和PSS4B的傳遞函數，PSS2B模型大家已經非常熟悉，PSS4B傳遞函數中參數說明如下：V1為低頻段的轉子角速度；V2為發電機有功功率；KL1和KL2為低頻段帶通環節函數的增益、KL為低頻帶增益；TL1、TL2、TL7、TL8為低頻段帶通環節函數的時間常數；TL3、TL4、TL5、TL6、TL9、TL10、TL11、TL12為低頻段超前滯后環節函數的時間常數；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為低頻段帶通環節函數的常數，一般取1；中頻段 (下標I表示)和高頻段 (下標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的波形，然而PSS4B的增益在關鍵的區間模型 (0.1～1)頻率上表現更好。

對ABB公司的UNITROL 6800的勵磁調節器的PSS2B和PSS4B模型利用RTDS進行了仿真測試，被試機組有功功率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，進行3%的定子電壓擾動，在PSS2B模型和PSS4B模型的試驗錄波數據如圖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

有仿真試驗錄波結果來看，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 現場實測準備

對于目前大多數的勵磁調節器具有PSS2B功能，兩個輸入通道都分別對轉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質性的差別，只需要在軟件上增加區分頻率的代碼即可實現PSS4B功能。由于模型中三個頻段的六個傳遞函數通道是致的，因此可以統一編制子程序來分別調用。當然，改進之后的PSS4B模型與傳統的PSS模型在程序中并不沖突，可以共存，電廠根據系統運行方式的需要進行選擇不同的模型。

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

2)首先驗證PSS的輸出限制環節，將其限制到必要的值，確保不發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；

有關文獻提及PSS4B模型的參數可以不用整定，直接帶入驗證即可，筆者很不認同這個觀點。雖然PSS4B模型將低頻段進行了細分，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，根據現場無補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到30～40°，為了達到最佳的整定效果，同樣需要現場測試無補償相頻特性，針對每臺機組具體情況進行整定。

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

4 結束語

綜上所述，PSS1A模型反調現象嚴重，PSS2B模型對寬頻段范圍內調整相位不能很好的適應，PSS4B可以在更大的頻率范圍內提供更好的靈活性來獲得更好的調節性能，應用前景看好。

[1] 方思立，朱方.電力系統穩定器的原理及應用 [M].北京：中國電力出版社，1996.

[2] 劉取.電力系統穩定性及發電機勵磁控制 [M].北京：中國電力出版社，2007.

[3] 現代同步發電機勵磁系統設計及應用 [M].北京：中國電力出版社，2009.

[4] 中國電力科學研究院，三峽水力發電廠.三峽PSS項目工程報告 [R].2004，12：1-3.

[5] 鄧集祥，華瑤，韓雪飛.大干擾穩定中低頻振蕩模式作用研究 [J].中國電機工程學報，2003，23(11).

[6] 袁亞洲.基于RTDS的多頻段電力系統穩定器效果驗證[J].電力系統自動化，2013，37(18).

[7] 尚超.新型電力系統穩定器PSS4B的分析與仿真 [J].華東電力，2013，41(3).

[8] I.Kamwa.IEEE PSS2B Versus PSS4B：The Limits of Performance of Modern Power System[Z].9.Stabilizers[Z]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS，VOL.20.NO.2，MAY 2005.

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，云南電網責任有限公司電力科學研究院，從事電力系統研究及仿真工作 (email)147056661＠qq.com。

劉喜泉 (1980)，男，碩士，高級工程師，三峽集團溪洛渡電廠，從事電力系統運行及維護工作。