CN101447679A - 一种并行电力系统稳定器的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种并行电力系统稳定器(PSS)的实现方法。本发明的并行PSS将现有PSS的补偿频域分为两段，采用两个补偿分支分别进行补偿。一个补偿分支中采用一个变增益环节用以改善高频段的幅值，另一个补偿分支采用滞后补偿参数用以解决低频段补偿不够的问题。本发明的并行PSS与现有PSS一样同样能改善系统的小扰动稳定性，抑制互联系统中的低频振荡。与现有PSS相比，本发明的并行PSS改善了低频率段的相频特性，改善了高频段的幅频特性，使得本发明的并行PSS有更宽的工作频域，还能抑制系统正常运行时出现的无功波动现象。

Description

一种并行电力系统稳定器的实现方法

技术领域

本发明涉及一种并行电力系统稳定器的实现方法，属于电力系统稳定控制领域。

背景技术

并行电力系统稳定器是同步发电机励磁系统的一个附加控制，其输出信号叠加在发电机励磁调节器的参考电压上，通过对发电机机端电压的调节来实现其为不同的振荡模式提供正阻尼的作用，其工作原理见附图2。目前，同步发电机大量采用了自并励静止可控硅励磁方式，使自动励磁调节器(AVR)的时间常数大大缩小。快速励磁系统在提高系统暂态稳定的同时，在一定运行条件下，降低了电力系统阻尼，使系统中出现弱阻尼甚至是负阻尼的低频振荡。当振荡严重时会破坏互联系统的并列运行，造成大面积停电。目前在我国范围内，发电机励磁控制中的励磁调节器(PID)调节附加电力系统稳定器(PSS)的控制方式是抑制低频振荡最为广泛应用的手段。励磁调节器控制方式PID+PSS的原理如图2所示，其中

Uref为励磁调节器参考电压；

Upss为PSS的输出信号；

TR为机端电压Ut测量回路时间常数；

Ut为发电机机端电压；

TC1、TC2、TB1、TB2为励磁调节器PID环节参数；

KR为励磁调节器比例放大倍数；

TS为可控硅时间常数；

UP+、UP-为励磁调节器输出幅值的上、下限制。

PSS抽取与系统振荡有关的信号，如发电机的有功功率，转速或频率，加以处理，产生的附加信号反馈到励磁调节器中。通过对产生的附加信号进行适当的超前或滞后相位补偿，可使PSS在工作频域内(0.1Hz-2.0Hz)尽可能的为机组提供最大的附加正阻尼。图3为国内已广泛使用的某现有PSS模型的传递函数。其中

P为发电机电磁功率信号；

ω为发电机转子转速信号；

T_W1、T_W2、T_W3为隔直时间常数；

T7为惯性环节时间常数，用来近似的模拟积分环节，T7＝T_W1；

$K_{s2}=\frac{T_7}{2H}$ 为功率信号回路增益，H是发电机惯性常数；

KS3＝1；

KS1为PSS的输出增益。；

T1、T2、T3、T4、T5、T6为超前滞后环节时间常数；

T8、T9高频滤波回路时间常数；

M＝5、N＝1；

Upss为电力系统稳定器PSS输出到励磁调节器PID的信号。

为了使PSS尽可能的发挥作用，现有PSS的上述参数要视系统的运行情况进行整定。目前，现有PSS在我国国内已广泛使用，收到很好的使用效果，为我国电力系统的稳定运行提供了有力的保护。但随着电力系统的联网程度的不断提高，系统中开始出现频率越来越低的振荡模式。励磁系统在低频段的相位常常滞后不够，需要进行滞后补偿。如果需要进行较大角度的滞后处理，PSS的隔直时间常数就需要取得够大，这会使得PSS的幅值在低频段和高频段相差较大，当发生频率较高的本机振荡时，PSS输出就可能很小，难以提供足够的附加正阻尼力矩。这种情况下如果通过提高PSS装置直流增益的方法来提高高频段PSS的幅值，可能会导致PSS低频段幅值过大。在发电机正常运行时，一些轻微的低频干扰信号就能够引起PSS产生足够的输出，导致发电机无功波动。如果隔直时间常数取得不够大，又会出现PSS在低频段所产生的相位滞后补偿不够，使得PSS产生的附加信号不能提供正阻尼(当滞后角度严重不够时)或提供的正阻尼不够大。为此，需要研究新的PSS模型。本发明的并行PSS模型采用两分枝补偿环节，分别在高频段和低频段对励磁系统提供相位补偿，能够有效改善现有PSS在全频域的频率特性。

发明内容

本发明的目的是在保留了现有PSS的信号生成部分，以发电机加速功率为信号的基础上，解决以下技术问题：(1)一些方式下，PSS在低频段补偿度不够，使得超大规模同步电网发生低频振荡时，PSS不能提供足够阻尼的问题(2)某些机组为了保证本机振荡模式下(在高频率段范围)PSS的幅值，将PSS增益整定得很大，导致低频段PSS幅值过大，发电机在正常运行时出现无功功率的波动现象。

本发明提出了一种并行电力系统稳定器的实现方法，其特征在于将并行电力系统稳定器的工作频域分为高频段和低频段两个范围，高频段和低频段采用同样的输入信号，但分别进行补偿，两个补偿环节的输出叠加在一起构成并行电力系统稳定器的输出信号，所述输入信号取同步发电机的电功率和轴速度，电功率和轴速度的组合生成加速功率信号，加速功率信号通过补偿环节进行超前滞后相位补偿后叠加到发电机励磁调节器的参考电压上，所述补偿环节由两个并行的超前滞后分支构成，采用两个补偿分支分别进行补偿，一个补偿分支中采用变增益环节用以改善高频段的幅值，另一个补偿分支采用滞后补偿参数来提高低频段的补偿能力。

依据本发明的方法，其中所述加速功率积分信号ΔPa/(Hs)由发电机电磁功率P与发电机转子角速度ω通过下述方法获得：

a)角速度信号ω通过两级隔直环节

形成角速度偏差信号Δω；

b)发电机电磁功率信号P通过一级隔直环节

和一级积分环节(用近似的惯性环节

代替)形成电磁功率偏差的积分信号

c)角速度偏差信号Δω与电磁功率偏差的积分信号的生成发电机机械功率偏差的积分信号： $\frac{{\mathrm{\ΔP}}_M}{2\mathrm{Hs}}=\mathrm{\Δ\ω}+\frac{{\mathrm{\ΔP}}_E}{2\mathrm{Hs}};$

d)发电机机械功率偏差的积分信号与电磁功率偏差积分信号的差即为加速功率积分信号： $\frac{{\mathrm{\ΔP}}_M}{2\mathrm{Hs}}-\frac{{\mathrm{\ΔP}}_E}{2\mathrm{Hs}}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_a}{2\mathrm{Hs}};$

其中：

P为发电机电磁功率信号；

ω为发电机转子转速信号；

T_W1、T_W2、T_W3为隔直时间常数；

T7为惯性环节时间常数，用来近似的模拟积分环节，T7＝T_W1；

$K_{s2}=\frac{T_7}{2H}$ 为功率信号回路增益，H是发电机惯性常数；

KS3＝1；

KS1为并行电力系统稳定器的输出增益；

T1、T2、T3、T4、T5、T6为超前滞后环节时间常数；

T8、T9高频滤波回路时间常数；

M＝5、N＝1；

Upss为并行电力系统稳定器输出到励磁调节器上的信号。

依据本发明的方法，其中所述补偿环节包括：

(1)高通分支：

a)该分支的输入信号为加速功率的积分ΔPa/(Hs)，其中ΔPa是电磁功率偏差与机械功率偏差的差，ΔP_a＝ΔP_M-ΔP_E，H是发电机惯性常数，s是算子；

b)高通分支的补偿环节通常采用两到三级超前滞后环节：

用于工作频域内高频段的相位补偿，T₁、T₃、T₅为超前时间常数，T₂、T₄、T₆为滞后时间常数；

c)高通分支的超前滞后环节上串联一个幅值随频率变化明显，而相位变化相对很小的环节：设置成：a＝b>0、T₁₁＝T₁₃>0，通过对变增益环节参数的修改能较大幅度提高高频段的幅值而对其相位影响很小；

d)KS5为高通分支直流增益；

(2)低通分支补偿环节：

设置成一组具有滞后特性的参数，主要用于对工作频域内低频段的相位进行滞后处理，T₂₁、T₂₂、T₂₃、T₂₄是时间常数，KS4为低通分支直流增益。

依据本发明的方法，其中所述串入的变增益环节在0.01-2Hz的频率范围内，其相频特性值在2Hz处约为-14°，其幅值随频率增加而变大。

依据本发明的方法，其中所述低通分支的高频段幅值很小，基本不影响高通分枝的相位和幅值，而低频段幅值较大且具有较大的滞后角度，从而能将并行电力系统稳定器的低频段的相频特性做较大的滞后修改。

依据本发明的方法，其中所述并行电力系统稳定器模型的高通和低通分枝的参数互相影响很小。

本发明的并行电力系统稳定器PSS的实现方法，具有以下优点：

1、在全频域范围内能提供更好的幅频特性与相频特性，能同时解决高频段阻尼效果不够和抑制由于PSS低频段幅值过高引起的发电机无功波动现象。

2、由于采取了两并行分枝结构，各自负责不同的频域范围，它们的参数在整定上也有一定的独立性，因此本发明的并行PSS能较好地适应系统运行状态的变化，有更好的适应性，从而为PSS的设计提供了一条新的思路。

附图说明

参看以下附图，在下文的非限制性的示范性实施例中，本发明的其他特征和优势将是显而易见的，附图是：

图1是本发明的并行PSS模型的传递函数框图；

图2并行PSS模型的工作原理；

图3是现有PSS模型传递函数框图；

图4是发电机PSS用原始参数时站内某两台机组间功角振荡曲线图；

图5是某大型电站发电机原始PSS模型图；

图6是本发明的并行PSS模型与优化参数的现有PSS模型的频率特性比较图；

图7是不同PSS模型对系统中弱阻尼模式的阻尼效果校验图；

图8是本发明的并行PSS模型与现有PSS模型优化后参数在另一系统故障下的阻尼效果比较图；

具体实施方式

下面结合一个具体实例和附图来描述本发明的实施方式。

随着某大型电站外送功率进一步加大，系统中出现一个与该电站相关的弱阻尼振荡模式，其特征值为：-0.098399±j5.550361，振荡频率f＝0.88Hz，阻尼比ξ＝0.017726。用暂态稳定程序进行了时域解计算。故障点在远离该电站的某条联络线中侧，单相短路故障，0.09秒切除近端故障相，0.1秒切除远端故障相，故障相切除1秒后重合。该电站中某台发电机相对本站内另一台发电机的功角摇摆曲线示于附图4。由附图4可见，在初期阶段振荡频率较低约为0.3～0.4Hz，低频振荡模式衰减很快，经过4次振荡后基本平息。但随后出现了较高频率的几乎不衰减的振荡，振荡频率约为0.88Hz。若采用提高该电站PSS(传递函数见附图5)运行增益K_p的方法，电站中发电机的无功会出现明显的波动显现。

该电站应用PSASP程序对此问题进行研究，提出了优化该电站PSS参数，提高该振荡模式阻尼的解决方案，并在该电站电厂对PSS参数重新进行了优化整定。该电站发电机原始PSS模型如附图5所示。

现有PSS模型原始参数：K_w＝1，T_rw＝0.02，T₅＝T₆＝T₇＝10，T₉＝0.6，T₁₀＝T₁₂＝0.12，K_r＝0.01733，T_rp＝0.02，T_w＝T_w1＝T_w2＝10，K_s＝1，T₁＝0.4，T₂＝0.04，T₃＝0.4，T₄＝0.04，T₁₃＝0.51，T₁₄＝2.27，K_p＝5。

现有PSS模型优化参数：K_w＝1，T_rw＝0.02，T₅＝T₆＝T₇＝5，T₉＝0.6，T₁₀＝T₁₂＝0.12，K_r＝0.01444，T_rp＝0.02，T_w＝T_w1＝T_w2＝5，K_s＝1，T₁＝2，T₂＝8，T₃＝0.24，T₄＝0.02，T₁₃＝0.5，T₁₄＝0.1，K_p＝8。

现有PSS模型中，由于隔直时间常数较大，容易引起发电机的无功摆动，因此PSS的放大倍数整定较小。而本发明的并行PSS模型由于采用了低通分枝修改低频段的相频特性，隔直时间常数可以整定的很小，在一定程度上可以改善这一状况。

本发明的并行PSS模型参数：T_w1＝T_w2＝T_w3＝T₇＝2，T₈＝0.6，T₉＝0.12，T₂₁＝0.01，T₂₂＝1.15，T₂₃＝0.02，T₂₄＝1.25，K_s2＝0.02888，K_s3＝1，K_s5＝1，K_s4＝0.08，K_s1＝27，a＝b＝0.6；T₁＝1，T₂＝4，T₃＝0.4，T₄＝0.04，T₅＝0.25，T₆＝0.04，T₁₁＝T₁₃＝0.05。

1、本发明的并行PSS模型与现有PSS模型频率特性比较

本发明的并行PSS模型采用上述参数计算所得的频率特性与现有PSS模型采用优化后参数的频率特性进行比较，结果如附图6所示。

由附图6可见，该组参数下的本发明的并行PSS比优化参数的现有PSS相比，有如下优点：(1)正常运行时，负荷波动所引起的PSS低频段的输出，并行PSS要小于现有PSS，发电机无功波动小。(2)对于系统中存在的0.88Hz弱阻尼振荡模式，本发明的并行PSS比优化参数的现有PSS能提供更大的阻尼。

2、本发明的并行PSS模型与现有PSS模型原始参数阻尼效果的比较

附图7给出本发明的并行PSS模型、现有PSS模型原始参数和现有PSS模型优化参数对系统中弱阻尼模式的阻尼效果的仿真结果。

从附图7可以看出，本发明的并行PSS和现有PSS(参数优化前后两种情况)在初期阶段约0.3～0.4Hz振荡模式下具有比较接近的阻尼效果，对后期阶段约0.88Hz的振荡模式，新型PSS和优化后参数的现有PSS一样，与原始参数的现有PSS模型相比，阻尼有明显改善，得到满意的效果。

3、本发明的并行PSS模型与现有PSS模型优化后参数阻尼效果的比较

附图8给出本发明的并行PSS模型与优化参数的现有PSS模型在另一系统故障下的仿真计算结果。从附图8可以看出，对于本发明的并行PSS，有功波动幅值衰减到第一个振幅的5％时，波动次数约为8.5个周波，波动持续时间为10.3秒，而现有PSS则波动了约16个周波，波动持续时间为19.9秒。可见对0.88Hz的振荡模式，本发明的并行PSS比优化参数的现有PSS有更好的阻尼效果。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (6)

1、一种并行电力系统稳定器的实现方法，其特征在于将并行电力系统稳定器的工作频域分为高频段和低频段两个范围，高频段和低频段采用同样的输入信号，但分别进行补偿，两个补偿环节的输出叠加在一起构成并行电力系统稳定器的输出信号，所述输入信号取同步发电机的电功率和轴速度，电功率和轴速度的组合生成加速功率信号，加速功率信号通过补偿环节进行超前滞后相位补偿后叠加到发电机励磁调节器的参考电压上，所述补偿环节由两个并行的超前滞后分支构成，采用两个补偿分支分别进行补偿，一个补偿分支中采用变增益环节用以改善高频段的幅值，另一个补偿分支采用滞后补偿参数来提高低频段的补偿能力。

2、根据权利1要求所述的并行电力系统稳定器的实现方法，所述加速功率积分信号△Pa/(Hs)由发电机电磁功率P与发电机转子角速度ω通过下述方法获得：

a)角速度信号ω通过两级隔直环节形成角速度偏差信号Δω；

b)发电机电磁功率信号P通过一级隔直环节

和一级积分环节(用近似的惯性环节

代替)形成电磁功率偏差的积分信号

c)角速度偏差信号△ω与电磁功率偏差的积分信号的生成发电机机械功率偏差的积分信号： $\frac{{\mathrm{\ΔP}}_M}{2\mathrm{Hs}}=\mathrm{\Δ\ω}+\frac{{\mathrm{\ΔP}}_E}{2\mathrm{Hs}};$

d)发电机机械功率偏差的积分信号与电磁功率偏差积分信号的差即为加速功率积分信号： $\frac{{\mathrm{\ΔP}}_M}{2\mathrm{Hs}}-\frac{{\mathrm{\ΔP}}_E}{2\mathrm{Hs}}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_a}{2\mathrm{Hs}};$

其中：

P为发电机电磁功率信号；

ω为发电机转子转速信号；

T_W1、T_W2、T_W3为隔直时间常数；

T7为惯性环节时间常数，用来近似的模拟积分环节，T7＝T_W1；

$K_{s2}=\frac{T_7}{2H}$ 为功率信号回路增益，H是发电机惯性常数；

KS3＝1；

KS1为并行电力系统稳定器的输出增益；

T1、T2、T3、T4、T5、T6为超前滞后环节时间常数；

T8、T9高频滤波回路时间常数；

M＝5、N＝1；

Upss为并行电力系统稳定器输出到励磁调节器上的信号。

3、根据权利要求2所述的并行电力系统稳定器的实现方法，其特征在于补偿环节包括：

(1)高通分支：

a)该分支的输入信号为加速功率的积分ΔPa/(Hs)，其中ΔPa是电磁功率偏差与机械功率偏差的差，ΔP_a＝ΔP_M-ΔP_E，H是发电机惯性常数，s是算子；

b)高通分支的补偿环节通常采用两到三级超前滞后环节：

用于工作频域内高频段的相位补偿，T₁、T₃、T₅为超前时间常数，T₂、T₄、T₆为滞后时间常数；

c)高通分支的超前滞后环节上串联一个幅值随频率变化明显，而相位变化相对很小的环节：

设置成：a＝b>0、T₁₁＝T₁₃>0，通过对变增益环节参数的修改能较大幅度提高高频段的幅值而对其相位影响很小；

d)KS5为高通分支直流增益；

(2)低通分支补偿环节：

设置成一组具有滞后特性的参数，主要用于对工作频域内低频段的相位进行滞后处理，T₂₁、T₂₂、T₂₃、T₂₄是时间常数，KS4为低通分支直流增益。

4、根据权利要求3所述的并行电力系统稳定器的实现方法，其特征在于串入的变增益环节在0.01-2Hz的频率范围内，其相频特性值在2Hz处约为-14°，其幅值随频率增加而变大。

5、根据权利要求4所述并行电力系统稳定器的实现方法，其特征在于低通分支的高频段幅值很小，基本不影响高通分枝的相位和幅值，而低频段幅值较大且具有较大的滞后角度，从而能将并行电力系统稳定器的低频段的相频特性做较大的滞后修改。

6、根据权利要求5所述并行电力系统稳定器的实现方法，其特征在于所述并行电力系统稳定器模型的高通和低通分枝的参数互相影响很小。

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