CN103259275B - 一种基于wams的facts与pss输入信号切换的区间振荡阻尼方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于WAMS的FACTS与PSS输入信号切换的区间振荡阻尼方法，属于电力系统稳定与控制技术领域。当电力系统某条联络线上发生区间振荡时，区域间联络线上功率发生振荡，通过FACTS装置对线路的振荡功率做出调整，这时根据FACTS所提供的无功功率计算出对线路有功功率的改变量，该计算值即为发电机电磁功率的变化量，再根据发电机电磁功率变化量与阻尼的关系，求解出这时阻尼转矩系数的大小，最后通过比较所求解出阻尼转矩系数的值与设定阀值的关系，判定PSS的输入信号是采用发电机电磁功率信号还是发电机转速信号。本发明不需要WAMS系统所检测到的实际数据，只需要WAMS在线路发生振荡时向PSS发出触发信号，不发生振荡时则不发出触发信号。

Description

一种基于WAMS的FACTS与PSS输入信号切换的区间振荡阻尼方法

技术领域

本发明涉及一种基于WAMS的FACTS与PSS输入信号切换的区间振荡阻尼方法，属于电力系统稳定与控制技术领域。

背景技术

发电机励磁系统是产生低频振荡的重要原因，低频振荡可被分类为本地模式和区间模式，本地模式是本地机群之间所共同体现出的振荡模式，其频率范围在0．7～2．5 Hz之间。区间模式是2个供电区域中的所有机组共同体现出的振荡模式，其频率范同为O．1～O．7 Hz，通常为系统的主导振荡模式，其危害性较大。迄今为止，在所有抑制低频振荡的措施中，附加PSS是最有效的。然而，对于大互联系统在联络线路上发生的低频振荡，PSS的抑制效果并不理想，目前利用FACTS附加阻尼控制器作为平息区间振荡的措施；另一方面，FACTS阻尼控制器通常是远离发电机安装的，因此只有借助于WAMS采集的发电机电功率、转速以及线路潮流等实时数据才可以获得更优的阻尼抑制效果。

在一般情况下，PSS以转速变化信号作为输入控制量时对本地振荡模式有较好的抑制作用；而采用电磁功率变化量作为输入控制量时对本地振荡模式效果却不理想。通过分析可知对线路加装FACTS装置能够改变联络线上的有功潮流，最终改变发电机的电磁功率，而采用此时的电磁功率变化量作为PSS的输入控制信号研究表明能够很好的阻尼线路的区间振荡。最后，利用WAMS所检测到的联络线路振荡信息来确定PSS需要采用的转速信号还是电磁功率信号，作为PSS信号选择开关的动作条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是充分利用FACTS装置克服PSS对区间振荡阻尼效果较差的现状。对于安装有FACTS装置的联络线路为了进一步提高对区间振荡的阻尼效果，为此在区间振荡时使其输入信号为电磁功率变化量，实现了对电力系统区间振荡的有效阻尼。提出一种基于WAMS的FACTS与PSS输入信号切换的区间振荡阻尼方法。

本发明的技术方案是：当输电线路发生低频振荡时，利用PSS能够很好的阻尼本地振荡，这时PSS的输入信号为发电机的转速信号；而使用PSS对区间振荡效果很不理想。在联络线上加入FACTS装置后，在其作用下能够对联络线上的区间振荡起到较好的效果。其原因在于加入FACTS装置后，引起了联络线上的有功功率变化，导致了发电机电磁功率发生变化。当利用电磁功率变化量作为PSS的输入时，能够为发电机提供正阻尼。即在本地振荡时，使PSS的输入信号采用发电机转速变化量；在区间振荡时使PSS的输入信号采用电磁功率变化量，通过PSS与FACTS装置的联合作用克服了PSS对区间振荡阻尼效果不好的现象。

基于WAMS的FACTS与PSS输入信号切换的区间振荡阻尼方法具体步骤如下：

（1）当任意两区域的联络线发生低频振荡后，如图1，安装于联络线上的FACTS装置开始动作，对于对于串联的FACTS装置，其补偿量与线路的有功功率的变化量有：

                              （1）

其中：为补偿前线路的电流；为串联补偿装置的额定电流；为串联补偿的容量；为线路送端和受端之间的相位差。

对于并联的FACTS装置其线路的有功功率随补偿量的变化为：

                               （2）

其中：为补偿后线路中点电压；为并联补偿装置的额定电压；为线路送端和受端之间的相位差；为并联补偿装置的补偿容量。

（2）线路的功率发生变化时会引起发电机电磁功率的变化，可以直接将发电机电磁功率的变化作为PSS输入信号，通过PSS的调节作用来改善系统的阻尼，发电机的电磁功率变化量可变换如下所示的阻尼转矩和同步转矩的形式：

                                                       （3）

其中：为阻尼转矩，为同步转矩系数；且、是与网络结构参数和发电机结构参数有关的量；为发电机转速变化量；为发电机功角变化量。

（3）根据WAMS对关键联络线进行检测，利用其传输的数据来判定该条输电线路上是否发生低频振荡，如果发生了低频振荡则向PSS发送一个信号，PSS输入信号选择开关动作，使PSS输入信号从由默认的转速变化信号到由发电机电磁功率变化信号来控制。

（4）根据（1）、（2）中原理可知，根据FACTS装置能够改变线路联络线上的有功功率来间接改变发电机电磁转矩，从而为发电机提供正阻尼，阻尼电力系统区间振荡。

结合FACTS装置，通过在系统发生区间振荡时PSS输入控制信号采用发电机电磁功率信号来提高其对区间振荡阻尼的能力。

本发明的工作原理是：

1、当联络线路上装置FACTS设备后线路有功功率变化

（1）当任意两区域的联络线发生低频振荡后，如图1，安装于联络线上的FACTS装置开始动作，对于对于串联的FACTS装置，其补偿量与线路的有功功率的变化量有：

对于串联型的FACTS装置其线路的有功功率随补偿量的变化关系

如图1所示系统，在线路MN中点处安装串联型FACTS装置，将串联FACTS装置等效为一个可变电容。设该可变电容电抗值为，串接入线路后，其线路电流的变化量为：

                   （1）

根据线路有功功率的传输特性，由（1）得到线路有功功率的变化量：

             （2）

由于存在，将其代入式（2）可以进一步化简为：

                       （3）

对于容性设备来说，当所提供的额定容量为，电抗为，额定电流为时，三者之间的关系为：

                         （4）

将式（4）代入到式（3），得到下列关系式：

                  （5）

其中：为补偿前线路的电流；为串联补偿装置的额定电流；为串联补偿的容量；为线路送端和受端之间的相位差。其中：为补偿前线路的电流；为串联补偿装置的额定电流；为串联补偿的容量；为线路送端和受端之间的相位差。

对于并联的FACTS装置其线路的有功功率随补偿量的变化为：

当有补偿装置所提供的无功功率的作用，线路中点处的电压从补偿前的增加到。同时由于对称性可知，中点处的电压为实数。由图1可计算出由于线路阻抗变化而引起线路电流的变化量为：

                            （6）

由于线路MN具有对称性，可得该线路电流变化量为：

               （7）

由于线路电流变化而引起的电压变量，可通过下式计算：

                   （8）

由于线路的输送可有以下的公式求出：

                        （9）

将上式在平衡点出线性化后可得到如下式子：

                    （10）

结合式（9）、（10）可得：

               （11）

设并联补偿装置电纳为，额定补偿功率为、额定电压为，则可得到如下式子：

                          （12）

结合上述公式（11）、（12）可得到如下的公式：

              （13）

当系统有足够的补偿容量时，线路中点的电压与母线的电压相等时，将其代入到上式可得如下：

               （14）

当线路中点没有经过补偿时，此时中点的电压为，则这时系统的功率变化量为：

              （15）                         

其中：为补偿后线路中点电压；为并联补偿装置的额定电压；为线路送端和受端之间的相位差；为并联补偿装置的补偿容量。

2、利用FACTS装置对系统有功功率的改变通过PSS为发电机提供正阻尼

当电力系统发生低频振荡时，WAMS将检测到振荡信息传递到PSS信号接收端，当PSS接受到动作指令后，将开关切换到电磁功率信号输入端口。将发电机电磁功率增量写为同步转矩与阻尼转矩分离的形式，如下形式所示：

                        （3）

其中：为阻尼转矩系数，为同步转矩系数；且、是与网络结构参数和发电机结构参数有关的量，为发电机转速变化量；为发电机功角变化量。

由上式可知，由线路有功功率所引起的发电机电磁功率变化量能够为发电机提供正阻尼的作用，由此可以看出通过引入电磁功率变化量能够很好的阻尼电力系统区间振荡模式。

当采用发电机三阶模型时，可根据下式得到的值：

                                 （4）

本发明的有益效果是：

（1）不需要WAMS系统所检测到的实际数据，只需要WAMS在线路发生振荡时向PSS发出触发信号，不发生振荡时则不发出触发信号。

（2）在联络线路上安装FACTS装置的情况下，在电力系统区间振荡时PSS采用发电机的电磁功率信号作为输入信号明显比采用发电机转速信号阻尼效果好，这是该发明的主要特点。

（3）直接利用发电机的电磁功率变化量作为PSS的输入信号，一方面减小WAMS向PSS的大量数据传送；另一方面，由于PSS采用本地信号消除了利用WAMS信息时，在传输过程中的时滞。

附图说明

图1是本发明两区域系统结构示意图； 

图2是本发明四机两区域系统联络线路上功率变化曲线；

图3是本发明两区域系统联络线路上功率变化曲线；

图4是本发明利用STATCOM（静止同步补偿器）代替SSSC后两区域系统联络线路上功率变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种基于WAMS的FACTS与PSS输入信号切换的区间振荡阻尼方法，当电力系统某条联络线上发生区间振荡时，区域间联络线上功率发生振荡，通过FACTS装置对线路的振荡功率做出调整，这时根据FACTS所提供的无功功率计算出对线路有功功率的改变量，该计算值即为发电机电磁功率的变化量，再根据发电机电磁功率变化量与阻尼的关系，求解出这时阻尼转矩系数的大小，最后通过比较所求解出阻尼转矩系数的值与设定阀值的关系，判定PSS的输入信号是采用发电机电磁功率信号还是发电机转速信号。

根据电力系统的不同振荡类型来确定PSS的不同控制信号来达到有效阻尼低频振荡的效果，具体步骤如下：

（1）当WAMS检测到任意两区域的联络线发生低频振荡后，向PSS和FACTS装置发送信号，FACTS装置开始工作；对于串联的FACTS装置，按下式计算线路的有功功率变化量△P：

；

其中：为补偿前线路的电流，为串联补偿装置的额定电流，为串联补偿的容量，为线路送端和受端之间的相位差；

对于并联的FACTS装置，按下式计算线路的有功功率变化量：

；

其中：为补偿后线路中点电压；为并联补偿装置的额定电压；为线路送端和受端之间的相位差；为并联补偿装置的补偿容量；

（2）将线路的有功功率变化量作为发电机的电磁功率的变化量，通过下式求解出阻尼转矩系数的大小：

；

其中：为阻尼转矩系数，为同步转矩系数；且、是与网络结构参数和发电机结构参数有关的量；为发电机转速变化量；为发电机功角变化量；

（3）将步骤（2）得到的与设定的阀值K_set进行比较，判定PSS的输入信号是采用发电机电磁功率信号还是发电机转速信号：当＞K_set时，PSS输入信号选择开关动作，使PSS输入信号从由默认的转速变化信号到由发电机电磁功率变化信号来控制，改变发电机电磁转矩，改善系统的阻尼：当＜K_set时，这时PSS仍然使用原来的转速信号。

实施方式一：如图所示，两区域系统如图1所示，区域1和区域2由双回输电线L1、L2联络，在母线M端出安装WAMS的相量测量单元PMU用于实时监测联络线上的电压、电流、有功功率等潮流情况。区域1和区域2分别可由一台或多台等值发电机组成，T1、T2分别表示变压器；区域1两台等值发电机组成其惯性时间常数均为6.5s，区域2同样由两台等值发电机组成其惯性时间常数均为6.175 s，各发电机侧均装有PSS，根据发电机参数得到其阀值K_set 0.05，两区域联络线长度为280km，在线路L1中点处发生三相短路，12个周波后将故障切除，而这时通过WAMS所测量的数据得到的数据K_D为0.065，比设定的K_set大，PSS采用输入发电机电磁功率信号，其联络线上的功率变化曲线如图2所示。

为了进一步比较，图2说明当联络线上没有安装FACTS时，PSS输入信号采用电磁功率变化量对电力系统区间振荡没有效果，这时电力系统将会失去稳定。其中联络线上没有安装FACTS装置，各发电机处均安装有PSS， PSS采用发电机电磁功率变化信号作为其输入信号。

为进一步说明本发明对电力系统区间振荡的效果，同样利用图1所示的结构图来说明，现分别各用一台等值机来代表区域1、区域2，其惯性时间常数均为3.7s，联络线L2的长度为280km，在其中点m出安装有SSSC（串联型FACTS设备），在母线M处安装相量测量装置PMU用于采集联络线的潮流信息，分别在第2s和第6s时刻对联络线L2的电压造成一个扰动。该基于WAMS的FACTS与PSS输入信号切换的区间振荡阻尼方法步骤是：

（1）当系统受到外界扰动后联络线上发生低频振荡时，如图1，联络线L2上的FACTS装置SSSC动作，此时SSSC使该联络线上有功功率的变化量由下面的公式计算：

                       （1）

其中：为补偿前线路的电流；为串联补偿装置的额定电流；为串联补偿的容量；为线路送端和受端之间的相位差。因此发电机的电磁也将随之变化，其变化的规律与上式相同。

（2）将发电机电磁功率的变化量写为阻尼转矩和同步转矩的形式则可得到下式：

                                （2）

其中：为阻尼转矩系数，为同步转矩系数；为发电机转速变化量；为发电机功角变化量。由于，因此将电磁功率变化量作为PSS的输入信号能够为发电机提供附加正阻尼，能够快速阻尼联络线上的区间振荡。

（3）在SSSC动作的同时，PMU监测到联络线上发生低频振荡，WAMS向PSS的输入信号选择开关（这里没有画出）发出动作信号，使开关从默认的转速信号输入端切换到电磁功率信号输入端。当区间振荡平息时，则停止向PSS发信，信号选择开关恢复到原来的位置。

根据上面的原理和步骤，得到了如图3所示的仿真图。图中点画线即为采用此方法后，对区间振荡抑制的仿真曲线。其中联络线上安装有SSSC（静止同步串联补偿器）柔性输电装置，为了便于比较列举三种情况措施对低频振荡的影响，其中虚线表示只在联络线上装置FACTS时对区间振荡的阻尼情况；实线表示在联络线上安装FACTS和发电机侧安装有PSS情况下，PSS输入信号采用发电机转速变化量时对区间振荡的阻尼情况；点画线表示在联络线上安装FACTS和发电机侧安装有PSS情况下，PSS输入信号采用发电机电磁功率变化量时对区间振荡的阻尼情况。

实施方式二：如图所示，利用实施例1中的两区域系统，各区域分别用一台等值机代替，用并联FACTS装置STATCOM代替SSSC，并分别在第2s和第6.2s时刻对联络线L2的电压造成一个扰动，其他参数与实施例1中的相同，同样根据发电机参数得到其阀值K_set 为0.05，通过WAMS所测量的数据得到的数据为0.055，比设定的K_set大。利用实施例1中的方法和步骤，得到了如图4所示的仿真图。图中点画线即为采用本发明后，对区间振荡抑制的仿真曲线。其中各曲线表示的含义与图3的相同，这里不再复述。

到此，基于WAMS的FACTS与PSS输入信号切换的区间振荡阻尼方法即得到实现。由此可知在同样的条件下，从图3、图4可以看出采用基于WAMS的FACTS与PSS输入信号切换的区间振荡阻尼方法能够很快的平息区间振荡。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种基于WAMS的FACTS与PSS输入信号切换的区间振荡阻尼方法，其特征在于：当电力系统某条联络线                                                上发生区间振荡时，区域间联络线上功率发生振荡，通过FACTS装置对线路的振荡功率做出调整，这时根据FACTS所提供的无功功率计算出对线路有功功率的改变量，该计算值即为发电机电磁功率的变化量，再根据发电机电磁功率变化量与阻尼的关系，求解出这时阻尼转矩系数的大小，最后通过比较所求解出阻尼转矩系数的值与设定阀值的关系，判定PSS的输入信号是采用发电机电磁功率信号还是发电机转速信号；

根据电力系统的不同振荡类型来确定PSS的不同控制信号来达到有效阻尼低频振荡的效果，具体步骤如下：

（1）当WAMS检测到任意两区域的联络线发生低频振荡后，向PSS和FACTS装置发送信号，FACTS装置开始工作；对于串联的FACTS装置，按下式计算线路的有功功率变化量△P：

；

其中：为补偿前线路的电流，为串联补偿装置的额定电流，为串联补偿的容量，为线路送端和受端之间的相位差；

对于并联的FACTS装置，按下式计算线路的有功功率变化量：

；

其中：为补偿后线路中点电压；为并联补偿装置的额定电压；为线路送端和受端之间的相位差；为并联补偿装置的补偿容量；

（2）将线路的有功功率变化量作为发电机的电磁功率的变化量，通过下式求解出阻尼转矩系数的大小：

；

其中：为阻尼转矩系数，为同步转矩系数；且、是与网络结构参数和发电机结构参数有关的量；为发电机转速变化量；为发电机功角变化量；

（3）将步骤（2）得到的与设定的阀值K_set进行比较，判定PSS的输入信号是采用发电机电磁功率信号还是发电机转速信号：当＞K_set时，PSS输入信号选择开关动作，使PSS输入信号从由默认的转速变化信号到由发电机电磁功率变化信号来控制，改变发电机电磁转矩，改善系统的阻尼：当＜K_set时，这时PSS仍然使用原来的转速信号。