CN103296688B - 一种电力系统稳定器的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统稳定器的实现方法，包括以下步骤：根据发电机转子转速和有功功率，经隔直滤波环节获得转速变化量，再经过差分滤波器分别得到低频段差分信号、中频段差分信号和高频段差分信号；将低频段差分信号、中频段差分信号和高频段差分信号并联相加，获得发电机转速变化综合信号；采用强迫振荡方法，测量转速变化综合信号与转速的相移特性和发电机励磁控制系统无补偿相移特性，计算出转速变化综合信号与电力系统稳定器之间需求的相移特性，设计串联相乘的多阶超前滞后环节相移参数，进行相位补偿，以满足需求的相移特性；最终输出电力系统稳定器信号，用以叠加到发电机励磁调节器的参考电压上。本发明可有效抑制同步电机有功功率低频振荡。

Description

一种电力系统稳定器的实现方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制领域，尤其是有关于一种电力系统稳定器的实现方法。

背景技术

同步发电机经输电线路接入电力系统运行，输电线路越长，其阻尼越弱，线路输出静稳极限功率越小，当同步发电机发出的有功功率超过输电线路的静稳极限功率时，同步发电机发出的有功功率会出现周期性振荡，振荡频率与输电线路长短，同步发电机容量及接入电网容量相关，一般频率在0.1Hz-2.0Hz范围内，称为有功功率低频振荡。另外，随着电网不断扩大，区域联网成为趋势，如果区域电网之间联络线距离过长，其阻尼也会变弱，当区域间交换功率大于联络线的静稳极限功率时，联络线交换功率就会出现低频振荡现象。有功功率低频振荡不仅影响输电线路的运行经济指标，也影响电力系统的运行安全，严重时会造成大电网分解及大范围停电的重大安全事故。目前，电力系统中一般在同步发电机励磁调节系统中增加电力系统稳定器（PSS）设备，让励磁调节器产生的阻尼力矩随发电机转速或有功功率变化而变化，并保持与转速变化方向一致，增强电力系统正阻尼特性，抑制电力系统有功功率低频振荡。

在同步发电机励磁调节器中，电力系统稳定器（PSS）采用附加控制的方式，将电力系统稳定器的输出叠加在电压调节作用上，电力系统稳定器输出有一个临界增益，超过临界增益，励磁调节系统失去稳定，工程应用中必须保证低频振荡范围内，电力系统稳定器最大增益不得超过临界增益的三分之一，一般取为五分之一和三分之一之间。

在当代发电机励磁调节器中，电力系统稳定器主要有两种方式：一种采用有功功率或剩余功率为主调节因数，转速作为辅助因数，代表拓扑结构称为PSS2B模型（IEEE Std421.5-2005IEEE Recommended Practice for ExcitationSystem Models for Power System Stability Studies），为串联拓扑结构，如图1所示.

在低频振荡时，有功功率经过隔直环节和惯性环节产生的值与转速经隔直环节产生的值相加后为0，即低频振荡过程中转速不起调节作用，PSS2B模型仅靠有功功率经过相位补偿后和增益放大后起作用。由于相位补偿环节自然特性的作用，PSS2B在高频段的增益（1Hz以上）要比低频段的增益大得多，这决定PSS2B模型必段以高频段的增益不大于临界增益的三分之一，导致PSS2B模型在低频段的增益很小，这是PSS2B模型在低频段的抑制低频振荡效果普遍较差的根本原因，而实际工程中，大电网的区域电网间和大型水电机组长远距离输电引起的低频振荡频率均处于中低频段（0.2-0.8Hz），PSS2B不能满足大电网对电力系统稳定器的需要。

另一种电力系统稳定器采用有功功率和转速共同作用，代表拓扑结构称为PSS4B模型（IEEE Std421.5-2005IEEE Recommended Practice for ExcitationSystem Models for Power System Stability Studies），为并联拓扑结构类型，如图2所示。

将低频振荡分为三个频段：低频段、中频段和高频段，三个频段的划分，很好的解决PSS2B模型中单一函数所带来的增益变化大的不足，PSS4B模型在整个低频振荡频率范围内，其增益变化较小，这样，可以保证中低频段具有足够的增益，也保证PSS4B在中低频段抑制振荡的效果比PSS2B要显著得多，但PSS4B模型相移范围有限，仅适合无补偿相移范围较小的自并励系统，且无法保证在整个低频振荡范围内，PSS4B输出力矩始终保持与转速变化方向一致（-30度～30度），导致PSS4B在高频段抑制效果降低。对于无补偿相移范围较大的励磁机励磁系统，PSS4B则无法适用，在高频段有时会引起发散性振荡，反而给电力系统安全运行带来负面影响。

综上所述，PSS2B模型和PSS4B模型在实际工程运行中，都有其局限性，本发明人致力于研究及完善电力系统稳定器抑制电网有功功率低频振荡，增强电网正阻尼的功能，解决常规电力系统稳定器模型适应范围窄、应用欠灵活的现象及问题，需要解决的问题可归纳为以下几点：

（1）研究电力系统稳定器新型模型，解决低频振荡频率范围内增益变化比小，并能适应发电机无补偿相移变化的模型；

（2）研究针对新模型的电力系统稳定器参数整定方法，提供一种行之有效的手段和方法，保证新型电力系统稳定器能方便应用于实际工程中，从而解决电网实际问题，提高电网运行稳定性和安全性。

发明内容

针对现有技术中的问题和不足，本发明旨在提供一种电力系统稳定器的实现方法，可确保在整个低频振荡频率范围内，励磁调节器输出的附加阻尼力矩与发电机转速变化方向一致（-30度～30度），并能保持适当的增益，确保电力系统稳定器在低频振荡范围内均能很好的抑制有功功率低频振荡，保护同步发电机运行安全。

为达成上述目的，本发明提出一种电力系统稳定器的实现方法，包括以下步骤：

根据发电机转子转速和有功功率，经隔直滤波环节获得转速变化量，再经过差分滤波器分别得到低频段差分信号、中频段差分信号和高频段差分信号；将低频段差分信号、中频段差分信号和高频段差分信号并联相加，获得发电机转速变化综合信号；采用强迫振荡方法，测量转速变化综合信号与转速的相移特性和发电机励磁控制系统无补偿相移特性，计算出转速变化综合信号与电力系统稳定器之间需求的相移特性，设计串联相乘的多阶超前滞后环节相移参数，进行相位补偿，以满足需求的相移特性。最终输出电力系统稳定器信号，用以叠加到发电机励磁调节器的参考电压上。

进一步，前述方法中，利用强迫振荡方法，在同步发电机运行中施加正弦波激励，强迫发电机出现低频振荡，借以获取发电机励磁控制系统无补偿相移特性和差分滤波相移特性，再根据相位要求进行参数拟合，确定相位补偿环节相移特性和控制参数，使得电力系统稳定器输出信号所带来的阻尼力矩在整个低频振荡频率范围内与同步发电机转速变化方向基本一致。

进一步，前述方法中，通过如下关系来进行相位补偿计算：

F(w)＝P1(w)+P2(w)+P3(w)

-30＜F(w)＜30

0.628＜w＜12.56

其中，F(w)为发电机附加控制整体相移特性，P1(w)为发电机励磁控制系统无补偿相移特性，P2(w)为转速差分输出与转速输入之间的相移特性，P3(w)为多阶超前滞后相位补偿环节的理论计算出的相移特性，w为发电机转子转速。

进一步，电力系统稳定器的最大增益整定值为临界增益的1/3～1/5。

由以上本发明的技术方案可知，本发明提供的电力系统稳定器的实现方法，通过首次提出并联和串联有机合并的拓扑结构，兼具并联拓扑和串联拓扑的优点，弥补相互的不足，通过实时检测同步电机有功功率和转速，并根据同步发电机无补偿相移特性进行相位补偿，解决电力系统稳定器作用范围和作用效果之间相互矛盾的难题，有效抑制同步电机有功功率低频振荡，电力系统稳定器输出信号所带来的阻尼力矩在整个低频振荡频率范围内与同步发电机转速变化方向基本一致，从而确保增强发电机正阻尼特性，有效抑制同步电机有功功率低频振荡，保证同步发电机安全稳定经济运行，创造良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为PSS2B模型的原理框图。

图2是PSS4B模型原理框图

图3为本发明一个实施例的电力系统稳定器模型示意图。

图4为图3所示实施例的原理框图。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

根据电力系统稳定器工作原理，电力系统稳定器抑制电力系统有功功率低频振荡效果主要受两个因数影响：一是电力系统稳定器输出信号的强弱，相对于同一个有功功率低频振荡，电力系统稳定器输出信号越强，其作用越明显，反之信号较弱时，作用越不明显，但电力系统稳定器增益倍数不能超过临界增益，否则会引起发电机励磁控制发散性振荡而失稳；另一是电力系统稳定器输出力矩与发电机转速变化的相位关系，当相位大致相同（-30度～30度）时，其作用明显，当超前或滞后较多时（大于30度小于90度），其作用较弱，且会影响有功功率振荡频率，但当超前或滞后大于90度后，其作用相反，起到加剧有功功率低频振荡原因。

从上述两个因数来看，对于任何一种频率的低频振荡，都可以设计一个模型参数将相位调整与发电机转速一致，同时增加增益，保证其抑制效果达最优状态，但问题是同步发电机并接电网运行时，由于不同的原因，会导致不同的低频振荡频率，且范围较宽，在0.1Hz到2Hz范围内均有可能发生低频振荡，在低频振荡范围内，不同的发电机励磁方式，其电力系统稳定器输出力矩滞后特性也不相同，有时差别较大，对于自并励励磁系统，其滞后相位在10度至90度之间，而对于常规三机励磁系统其，其滞后相位在10度至180度之间，要达到在整个低频振荡频率范围内，必须设计合适的相位补偿关系和较小增益变化的数学模型。

基于此，本发明的第一个实施例提出一种电力系统稳定器的实现方法，其工作频域分为低频段、中频段和高频段三个范围，参考图3所示电力系统稳定器模型（PSS4B-W）和图4所示的原理框图，首先根据发电机转子转速和有功功率，经隔直滤波环节，获得转速变化量，再经过差分滤波环节分别得到低频段差分信号、中频段差分信号和高频段差分信号；再将低频段差分信号、中频段差分信号和高频段差分信号并联相加，得到发电机转速变化的综合信号；再根据转速变化的综合信号与转速的相位关系，结合发电机励磁控制系统无补偿的相移特性，将转速变化综合信号经过多阶超前滞后环节串联相乘进行相位补偿，最终输出电力系统稳定器信号，用以叠加到发电机励磁调节器的参考电压上。在一些实施例中，这些低频段差分信号、中频段差分信号和高频段差分信号还可经过放大处理。

前述实现方法中，利用强迫振荡方法，在同步发电机运行中施加正弦波激励，强迫发电机出现低频振荡，借以获取发电机无补偿相移特性和差分滤波相移特性，再根据相位要求进行参数拟合，确定相位补偿环节相移特性和控制参数，使得电力系统稳定器输出信号所带来的阻尼力矩在整个低频振荡频率范围内与同步发电机转速变化方向基本一致，从而确保增强发电机正阻尼特性，有效抑制同步电机有功功率低频振荡，保证同步发电机安全稳定运行。本实施例中，通过如下关系来进行相位补偿计算：

F(w)＝P1(w)+P2(w)+P3(w)

-30＜F(w)＜30

0.628＜w＜12.56

其中，F(w)为发电机附加控制整体相移特性，P1(w)为发电机无补偿相移特性，P2(w)为转速差分输出与转速输入之间的相移特性，P3(w)为多阶超前滞后相位补偿环节的理论计算出的相移特性，w为发电机转子转速。

本实施例中，利用差分滤波方式，输出三种频段的转速变化量，采用并联拓扑结构，使得转速综合变化量在整个低频范围内保持超前转速变化的状态，且超前相位和增益变化均较小，超前相位关系与励磁系统调节的滞后相位关系起到对消作用，降低后面串联拓扑结构函数的构造难度，串联拓扑结构数学模型，一方面补偿发电机无补偿相位特性，一方面其增益要基本保持不变，对于串联拓扑结构，相位变化越大，其增益变化就越大，保证串联拓扑结构部分补偿的相位大约在（-30～60之间），通过若干个超前滞后函数的补偿，以满足应用要求。

下面针对一个发电机的具体实例，说明本发明提出的电力系统稳定器的实际应用过程。

某300MW发电机组，励磁方式采用自并励静止励磁方式，调节模型采用串联PID数学模型，电力系统稳定器采用如图3所示PSS4B-W模型，模型参数整定步骤如下：

1）退出电力系统稳定器附加控制，采用强迫振荡方式，在发电机电压测量值上附加低频振荡范围内各种频率（0.1～2.0Hz）的正弦波，则发电机电压、电流、有功功率、转速等信号发生连续的振荡波形，其频率与加入强迫振荡试验波形相同。

2）使用示波器或录波器记录，记录加入强迫振荡正弦波、电压波形、转速波形和PSS4B-W模型并联结构输出的波形，对应各种频率振荡波形，分别测出电压波形与加入强迫振荡正弦波、转速和PSS4B-W并联结构输出波形之间的相差，形成电压与强迫振荡正弦波之间的无补偿相移特性和转速与PSS4B-W并联结构输出波形之间的并联结构相移特性，具体表格1和表格2所示。

表1：无补偿相移特性（电压与强迫振荡正弦波之间）

频率

0.1Hz

0.2Hz

0.3Hz

0.4Hz

0.5Hz

0.6Hz

0.7Hz

0.8Hz

0.9Hz

相移

-8度

-27度

-42度

-51度

-55度

-57度

-61度

-61度

-62度

频率

1.0Hz

1.1Hz

1.2Hz

1.3Hz

1.4Hz

1.5Hz

1.6Hz

1.7Hz

1.8Hz

相移

-63度

-62度

-60度

-64度

-75度

-80度

-79度

-83度

-80度

频率

1.9Hz

2.0Hz

相移

-80度

-84度

表2：并联结构相移特性（转速与PSS4B-W并联结构输出波形之间）

频率

0.1Hz

0.2Hz

0.3Hz

0.4Hz

0.5Hz

0.6Hz

0.7Hz

0.8Hz

0.9Hz

相移

40度

55度

58度

42度

36度

30度

26度

24度

23度

频率

1.0Hz

1.1Hz

1.2Hz

1.3Hz

1.4Hz

1.5Hz

1.6Hz

1.7Hz

1.8Hz

相移

22度

23度

24度

25度

26度

27度

28度

29度

28度

频率

1.9Hz

2.0Hz

相移

27度

27度

3）采用试探法进行串联结构的参数整定，选择不同的串联结构参数，计算串联结构之间相移特性，看是否满足下式：

F(w)＝P1(w)+P2(w)+P3(w)

-30＜F(w)＜30

0.628＜w＝2πf＜12.56

0.1Hz＜f＜2.0Hz

最终选择串联结构为3阶超前滞后模型，模型参数如下：

T1=0.1s,T2=0.007s,T3=0.5s,T4=0.007s,T5=1.0s,T6=6.0s

其相移特性如下表3所示。

表3：串联结构相移特性（PSS输出与PSS4B-W并联结构输出波形之间）

频率

0.1Hz

0.2Hz

0.3Hz

0.4Hz

0.5Hz

0.6Hz

0.7Hz

0.8Hz

0.9Hz

相移

-38度

-21度

-8度

1度

9度

16度

22度

27度

32度

频率

1.0Hz

1.1Hz

1.2Hz

1.3Hz

1.4Hz

1.5Hz

1.6Hz

1.7Hz

1.8Hz

相移

37度

41度

45度

49度

53度

56度

59度

62度

65度

频率

1.9Hz

2.0Hz

相移

67度

70度

4）最后将上述表1～表3之间的各对应数据相加，得到PSS4B-W输出力矩与转速之间的相移特性，如下表4所示。

表4：PSS力矩与转速之间相移特性

频率

0.1Hz

0.2Hz

0.3Hz

0.4Hz

0.5Hz

0.6Hz

0.7Hz

0.8Hz

0.9Hz

相移

-6度

7度

8度

-8度

-10度

-11度

-13度

-10度

-7度

频率

1.0Hz

1.1Hz

1.2Hz

1.3Hz

1.4Hz

1.5Hz

1.6Hz

1.7Hz

1.8Hz

相移

-4度

2度

9度

10度

4度

3度

8度

8度

13度

频率

1.9Hz

2.0Hz

相移

14度

13度

据表4数据可知，在整个低频振荡频率范围（0.1～2.0Hz）内，PSS4B-W模型输出的附加力矩与转速之间相移在允许偏差范围内。

5）将PSS4B-W串联结构的增益K_PSS预置为较小值，投入电力系统稳定器PSS4B-W，逐渐增加增益K_PSS，直至出现临界振荡，此时的增益即为临界增益，取临界增益的1/3～1/5作为实际增益整定值。

6）参数整定完毕后，在各个频率点校验电力系统稳定器PSS4B-W对有功功率低频振荡的抑制效果，试验结果表明其抑制低频振荡的效果也很明显。

综上所述，本发明提供的电力系统稳定器的实现方法，通过首次提出并联和串联有机合并的拓扑结构，兼具并联拓扑和串联拓扑的优点，弥补相互的不足，通过实时检测同步电机有功功率和转速，并根据同步发电机无补偿相移特性进行相位补偿，解决电力系统稳定器作用范围和作用效果之间相互矛盾的难题，有效抑制同步电机有功功率低频振荡，电力系统稳定器输出信号所带来的阻尼力矩在整个低频振荡频率范围内与同步发电机转速变化方向基本一致，从而确保增强发电机正阻尼特性，有效抑制同步电机有功功率低频振荡，保证同步发电机安全稳定经济运行，创造良好的经济效益和社会效益。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (3)

1.一种电力系统稳定器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据发电机转子转速和有功功率，经隔直滤波环节获得转速变化量，再经过差分滤波器分别得到低频段差分信号、中频段差分信号和高频段差分信号；将低频段差分信号、中频段差分信号和高频段差分信号并联相加，获得发电机转速变化综合信号；采用强迫振荡方法，测量转速变化综合信号与转速的相移特性及发电机励磁控制系统无补偿相移特性，计算出转速变化综合信号与电力系统稳定器之间需求的相移特性，设计串联相乘的多阶超前滞后环节相移参数，进行相位补偿，以满足需求的相移特性；最终输出电力系统稳定器信号，用以叠加到发电机励磁调节器的参考电压上；前述方法中，利用强迫振荡方法，在同步发电机运行中施加正弦波激励，强迫发电机出现低频振荡，借以获取发电机励磁控制系统无补偿相移特性和差分滤波相移特性，再根据相位要求进行参数拟合，确定相位补偿环节相移特性和控制参数，使得电力系统稳定器输出信号所带来的阻尼力矩在整个低频振荡频率范围内与同步发电机转速变化方向基本一致。

2.根据权利要求1所述的电力系统稳定器的实现方法，其特征在于，前述方法中，通过如下关系来进行相位补偿计算：

F(w)＝P1(w)+P2(w)+P3(w)

-30<F(w)<30

0.628<w<12.56

其中，F(w)为发电机附加控制整体相移特性，P1(w)为发电机励磁系统无补偿相移特性，P2(w)为转速差分输出与转速输入之间的相移特性，P3(w)为多阶超前滞后相位补偿环节的理论计算出的相移特性，w为发电机转子转速。

3.根据权利要求1所述的电力系统稳定器的实现方法，其特征在于，电力系统稳定器的最大增益整定值为临界增益的1/3～1/5。