CN101212142B - 一种电力系统稳定方法及稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统稳定方法及其稳定器，依次进行滤波、消除直流分量、相位补偿和限伏处理，其中相位补偿传递函数按照以下步骤确定：①获取发电机的相位特性

；②根据预定补偿要求

和相位特性

计算补偿相位特性；③将补偿相位特性作为目标曲线进行曲线拟合，得到一条最逼近于目标曲线的相位补偿曲线f(x)，根据相位补偿曲线f(x)确定相位补偿传递函数。稳定器包括依次连接的滤波器、复位器、相位补偿器和限伏器。本发明采用的相位补偿传递函数能够较好逼近所需补偿曲线，从而在整个低频振荡范围对发电机滞后相位进行良好的补偿。

Description

一种电力系统稳定方法及稳定器

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，具体涉及一种用于电力系统稳定方法及稳定器(Power System Stabilizer，PSS)。

背景技术

目前，公知的PSS结构是由相位补偿环节、附加励磁放大倍数、复位环节、传感器及输入信号部分组成。引入一个或者两个信号，通过励磁系统去增加电力系统中发电机的阻尼转矩。常用PSS一般根据无阻尼的自然机械模式频率jω_n或者由系统特征值分析得到的本机振荡模式的复数频率σ+jω进行设计，因此PSS对设计频率及其附近频率的功率振荡有着很好的抑制效果。

随着区域电网的互联，电力系统中发电机参与的强相关振荡模式可能会有两个或两个以上，为了电力系统的安全稳定运行，要求PSS抑制低频振荡的范围为0.1Hz～3Hz。常规PSS的相位补偿部分由两级或三级超前滞后环节组成，很难满足要求，原因是：一方面三级超前滞后环节产生超前相位的极限为150°～160°，而电力系统中很多发电机滞后相位往往超过200°，无法进行补偿；另一方面两到三级的超前滞后环节只有4～6个参数，很难在整个低频振荡范围内对发电机滞后相位进行补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力系统稳定方法，该方法能够在0.1Hz～3Hz低频振荡范围内对发电机滞后相位进行良好的补偿；本发明还提供实现该方法的稳定器。

本发明提供的电力系统稳定方法，步骤如下：(I)对输入信号滤波；(II)消除滤波后的输入信号的直流分量；(III)采用相位补偿传递函数对步骤(II)消除直流分量后的输入信号进行相位补偿，得到相位补偿输出信号；(IV)对相位补偿输出信号限伏，输出限伏结果，其特征在于，所述相位补偿传递函数按照以下步骤确定：

(1)获取发电机的相位特性

；

(2)根据预定补偿要求

_r和相位特性

计算补偿相位特性

_r；

(3)将补偿相位特性

_r作为目标曲线进行曲线拟合，得到一条最逼近于目标曲线的相位补偿曲线f(x)，根据相位补偿曲线f(x)确定相位补偿传递函数。

本发明提供的包括依次连接的滤波器、复位器、相位补偿器和限伏器，其特征在于：所述相位补偿器按照以下步骤确定相位补偿传递函数：

(1)获取发电机的相位特性

；

(2)根据预定补偿要求

_n和相位特性

计算补偿相位特性

_r；

(3)将补偿相位特性

_r作为目标曲线进行曲线拟合，得到一条最逼近于目标曲线的相位补偿曲线f(x)，根据相位补偿曲线f(x)确定相位补偿传递函数。

本发明采用分子分母均为多项式的原函数对目标曲线进行拟合，参数选择自由度大，且容易确定，得到的相位补偿传递函数能够逼近所需补偿曲线，从而在整个低频振荡范围对发电机滞后相位进行良好的补偿。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为实施例拟合结果示意图。

具体实施方式

本发明电力系统稳定器依次相连接的滤波器、复位器、相位补偿器和限伏器。

滤波器对输入信号进行滤波，以消除输入信号中的干扰，并滤除输入信号中的低频振荡频率以外信号。一般作为PSS输入信号有：发电机转子转速ω、发电机功率Pe和加速功率Pa。滤波器分为两种，当输入信号为转速ω或电功率Pe时，滤波器传递函数为

其中A₁，A₁为滤波器参数，A₁，A₁∈(0，0.5)。当输入信号为加速功率Pa时，滤波器的形式为

其中T₈，T₉，M，N为滤波器参数，T₈，T₉∈(0.1，0.5)，M，N∈(1，5)，拉普拉斯变换因子s为复变量。

复位器用于消除滤波后的输入信号中的直流分流，复位器的传递函数为

T_ω为复位环节时间常数，T_ω取值范围为(4，15)。

相位补偿器对消除直流分量后的输入信号进行相位补偿得到相位补偿环节输出信号。

限伏器对相位补偿环节输出信号进行限伏，限伏范围由发电机、发电机地理位置等实际情况确定，再将限伏后的相位补偿环节输出信号向外部发电机自动调压装置输出，用作增强电力系统正阻尼的附加励磁控制信号。限伏器为一个判断机构，当输入信号在(u_smin，u_smax)之间，输出信号为输入信号；当输入信号小于u_smin，输出信号为u_smin；当输出信号大于u_smax，输出信号为u_smax，其中u_smin，u_smax∈(-0.5，0.5)，u_smin＜u_smax。

本发明电力系统稳定方法步骤如下：

(1)对输入信号进行滤波，以消除输入信号中的干扰，并滤除输入信号中的低频振荡频率以外信号。一般作为PSS输入信号有：发电机转子转速ω、发电机功率Pe和加速功率Pa。

(2)消除滤波后的输入信号中直流分量。

(3)对步骤(2)中消除直流分量后的输入信号进行相位补偿。

(4)对相位补偿输出信号进行限伏，限伏范围由发电机、发电机地理位置等实际情况确定，再将限伏后的相位补偿输出信号向外部发电机自动调压装置输出，用作增强电力系统正阻尼的附加励磁控制信号。

本发明的核心在于步骤(3)中相位补偿传递函数的确定，具体如下：

1)通过频谱测量仪从现场测量或者仿真计算获得发电机的相位特性

。

2)根据预定补偿要求计算PSS补偿相位特性

_r。

PSS输入信号不同时要求补偿的相位特性

_r也不同。引入转子转速ω作为输入信号时，相位特性

_r＝-+

_n；引入发电机功率Pe或加速功率pa作为输入信号时相位特性

_r＝-(

+π/2)+

_n，

_n为预定补偿要求，

₀∈(-45°，10°)。

由于滤波环节和复位环节在超低频段对相位补偿有较大的影响，进行拟合的时候需要考虑这些环节的相位特性，对相位特性

_r作相应的修正：引入转子转速ω作为输入信号时，相位特性

_r＝-+

_n+

_r；引入-Pe或加速功率Pa作为输入信号时相位特性

_r＝-(

+π/2)+

_n+ _r，

₀为预定补偿要求，

₀∈(-45°，10°)，

_r为滤波及复位修正因子，

_r∈(0°，45°)。

3)将补偿相位特性 _r作为目标曲线，以式(1)为原函数进行曲线拟合，得到一条最逼近于目标曲线的相位补偿曲线f(x)，即相位补偿曲线与目标曲线之差在某种度量意义下为最小。常用的度量标准有

为了加强某些频段的拟合效果在度量标准中加入加权函数，形式如：

其中，a、b为曲线拟合范围，a，b∈(0，50)，a＜b，ω(x)为加权函数。

$\frac{b_0{s}^n+b_1{s}^{n-1}+\·\·\·+b_n}{s^n+a_1{s}^{n-1}+\·\·\·+a_n}---\left(1\right)$

式(1)的分子是等于或者小于n阶的多项式，分母是n阶多项式，其中多项式系数b₀、b₁、…、b_n，a₁、a₂、…、a_n和自然数n为拟合参数，s为拉普拉斯变换因子，为复变量。以式(1)为原函数，根据发电机相频特性进行拟合，得到PSS的相位补偿曲线即确定了拟合参数n，b₀、b₁、…、b_n，a₁、a₂…、a_n，该参数值确定了相位补偿传递函数。该传递函数由于分子，分母均采用多项式的形式，参数自由度大，能够使拟合得到的相位补偿曲线更相近于目标曲线，从而有利于提高相位补偿效果。

实际应用中，在采用式(1)拟合时，可能出现正极点情形，为避免该情形，进一步提出如式(2)或式(3)进行拟合，

$\frac{b_0{s}^n+b_1{s}^{n-1}+\·\·\·+b_n}{(1+{\mathrm{sT}}_1)(1+{\mathrm{sT}}_2)\·\·\·(1+{\mathrm{sT}}_n)}---\left(2\right)$

式(2)中：n为自然数，T_i＞0，i＝1，…，n，n、b₀、b₁、…、b_n、T₁、T₂、…、T_n为拟合参数。

$\frac{b_0{s}^n+b_1{s}^{n-1}+\·\·\·+b_n}{(1+a_{11}s+a_{12}{s}^2)\·\·\·(1+a_{j1}s+a_{j2}{s}^2)(1+{\mathrm{sT}}_1)\·\·\·(1+{\mathrm{sT}}_k)}---\left(3\right)$

式(3)中：2j+k＝n，n、j和k为自然数，T_l＞0，l＝1，…，k，n、b₀、b₁、…、b_n、a₁₁、…、a_j1、a₁₂、…、a_j2为拟合参数，1+a_u1s+a_u2s²，u＝1，…，j，为具有负实部共轭复根的2阶多项式。

式(2)和式(3)的区别是：式(2)的分母为n个1阶因式相乘，其极点全部为负实根，而式(3)的分母为1阶和2阶因式混合相乘，其极点为负实根和共轭复根(负实部)。式(3)的自由度比式(2)要大，但式(2)更符合实际习惯。如果式(1)的极点全部为稳定的，则式(1)总可以转换成式(2)或式(3)的形式。式(2)、式(3)以及式(1)都很容易离散化后在计算机上实时实现。

下面结合图3举例说明相位补偿传递函数确定过程，图中横坐标为转速，以式(2)为进行拟合。

(1)获取实际机组的滞后相位，如图3中曲线d；

(2)对曲线4进行处理后得到补偿相位特性，如图3中曲线a所示；(3)根据补偿相位特性，采用度量标准

以本发明式

(2)进行拟合得到PSS相位补偿曲线即相位补偿参数值，如图3中曲线b所示；拟合得到相位补偿传递函数如式(4)所示

$\frac{2.99*{10}^{-5}{s}^4+1.176*{10}^{-3}{s}^3+1.395*{10}^{-2}{s}^2+0.2829s+0.9387}{1.6*{10}^{-7}{s}^4+3.2*{10}^{-5}{s}^3+2.4*{10}^{-3}{s}^2+0.08s+1}---\left(4\right)$

根据曲线a和曲线b计算补偿误差，如图3中曲线c所示，曲线c位于相位值“0”附近，可见本发明在低频振荡范围内能够很好的逼近目标曲线，从而对发电机滞后相位进行良好的补偿。

Claims (9)

1.一种电力系统稳定方法，步骤如下：(I)对输入信号滤波；(II)消除滤波后的输入信号的直流分量；(III)采用相位补偿传递函数对步骤(II)消除直流分量后的输入信号进行相位补偿，得到相位补偿输出信号；(IV)对相位补偿输出信号限幅，输出限幅结果，其特征在于，所述相位补偿传递函数按照以下步骤确定：

(1)获取发电机的相位特性 

(2)根据预定补偿要求 

和相位特性 

计算补偿相位特性 

(3)将补偿相位特性 

作为目标曲线进行曲线拟合，得到一条最逼近于目标曲线的相位补偿曲线f(x)，根据相位补偿曲线f(x)确定相位补偿传递函数。

2.根据权利要求1所述的电力系统稳定方法，其特征在于，所述步骤(3)以 

为原函数进行曲线拟合，n为自然数，n、b₀、b₁、…、b_n、a₁、a₂、…、a_n为拟合参数，拉普拉斯变换因子s为复变量。

3.根据权利要求1所述的电力系统稳定方法，其特征在于，所述步骤(3)以 

为原函数进行曲线拟合，n为自然数，n、b₀、b₁、…、b_n、T₁、T₂、…、T_n为拟合参数，T_i＞0，i＝1，…，n，拉普拉斯变换因子s为复变量。

4.根据权利要求1所述的电力系统稳定方法，其特征在于， 

所述步骤(3)以

为原函数进行曲线拟合，n、j和k为自然数，2j+k＝n，n、b₀、b₁、…、b_n、a₁₁、…、a_j1、a₁₂、…、a_j2、T₁、…、T_k为拟合参数，T_l＞0，l＝1，…，k，1+a_u1s+a_u2s²，u＝1，…，j为具有负实部共轭复根的2阶多项式，拉普拉斯变换因子s为复变量。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电力系统稳定方法，其特征在于，所述步骤(3)以 或 或 

的最小值对应的相位补偿曲线作为最逼近目标曲线的相位补偿曲线f(x)，a、b∈(0，50)，a＜b，ω(x)为加权函数。

6.一种电力系统稳定器，包括依次连接的滤波器、复位器、相位补偿器和限幅器，其特征在于：所述相位补偿器按照以下步骤确定相位补偿传递函数：

(1)获取发电机的相位特性 

(2)根据预定补偿要求 

和相位特性 

计算补偿相位特性 

(3)将补偿相位特性 

作为目标曲线进行曲线拟合，得到一条最逼近于目标曲线的相位补偿曲线f(x)，根据相位补偿曲线f(x)确定相位补偿传递函数。

7.根据权利要求6所述的电力系统稳定器，其特征在于，所述相位补偿传递函数为 拉普拉斯变换因子s为复变量，n为自然数，n，b₀、b₁、…、b_n，a₁、a₂、…、a_n为传递函数参数。 

8.根据权利要求6所述的一种电力系统稳定器，其特征在于，所述相位补偿传递函数为

拉普拉斯变换因子s为复变量，n为自然数，T_i＞0，i＝1，…，n，n、b₀、b₁、…、b_n、T₁、T₂、…、T_n为传递函数参数。 

9.根据权利要求6所述的一种电力系统稳定器，其特征在于，所述相位补偿传递函数为

拉普拉斯变换因子s为复变量，2j+k＝n，n、j和k为自然数，T_l＞0，l＝1，…，k，n、b₀、b₁、…、b_n、a₁₁、…、a_j1、a₁₂、…、a_j2为传递函数参数，1+a_u1s+a_u2s²，u＝1，…，j为具有负实部共轭复根的2阶多项式。 

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