CN103956755A - 一种具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，包括以下步骤：将所述电力系统稳定器的工作频率分为以转子角速度偏差Δω为输入信号的超低频频段和以加速度功率偏差积分为输入信号的中高频频段；对超低频频段的输入信号进行筛选，并对其进行相位补偿；获得中高频频段的输入信号，并对其进行相位补偿。本发明提供一种具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，采取了两并联分支结构，各自补偿不同的频域范围，它们的参数在整定上有较强的独立性，通过增加超低频分支，解决了现有PSS在超低频域内阻尼不足的问题。

Description

一种具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法

技术领域

本发明涉及一种设计方法，具体涉及一种具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法。

背景技术

为了解决电力生产和负荷中心不均匀并提高发电和输电的经济性，电网规模不断扩大，并大量应用各种新技术。发电机快速励磁系统的广泛应用，提高了电力系统暂态稳定性，但在一定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。目前，在发电机励磁控制系统中增加电力系统稳定器(Power System Stabilizator，PSS)是抑制低频振荡最为有效且经济的手段。励磁调节控制方式采用PID+PSS的原理如附图1所示，其中：U_ref为励磁调节器参考电压；U_PSS为PSS的输出信号；TR为机端电压U_t测量回路时间常数；U_t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2为国内已广泛使用的某现有PSS模型的传递函数。其中：P_E为发电机电功率；ω为发电机转子角速度；TW1、TW2、TW3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＝TW1；KS2为功率回路增益，H是发电机惯性常数；S为积分算子；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；U_pss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障。随着系统互联的扩大，振荡频率越来越低，甚至存在低于0.1Hz的超低频振荡。而现有的PSS对于低于0.1Hz的超低频振荡是基本没有作用甚至是负作用的。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，采取了两并联分支结构，各自补偿不同的频域范围，它们的参数在整定上有较强的独立性，通过增加超低频分支，解决了现有PSS在超低频域内阻尼不足的问题。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将所述电力系统稳定器的工作频率分为以转子角速度偏差Δω为输入信号的超低频频段和以加速度功率偏差积分为输入信号的中高频频段；

步骤2：对超低频频段的输入信号进行筛选，并对其进行相位补偿；

步骤3：获得中高频频段的输入信号，并对其进行相位补偿。

所述步骤2中，采用低通滤波环节和带通滤波环节对超低频频段的输入信号进行筛选，并采用第一超前滞后环节对经过筛选之后的输入信号进行相位补偿。

所述低通滤波环节和带通滤波环节分别表示为和其中，s为积分算子，T为带通滤波环节的时间常数，R为补偿系数。

所述第一超前滞后环节包括第三超前滞后环节和第四超前滞后环节，分别表示为和其中，T₂₁和T₂₂为第三超前滞后环节的时间常数，T₂₃和T₂₄为第四超前滞后环节的时间常数。

所述步骤3中，加速度功率偏差积分由发电机电功率P_E与转子角速度偏差Δω获得，具体包括以下步骤：

步骤3-1：得到发电机电功率偏差积分其中ΔP_E为发电机电功率偏差值，H为发电机惯性常数；

步骤3-2：得到发电机机械功率偏差积分其中ΔP_M为发电机机械功率偏差值；

步骤3-3：滤除发电机机械功率的高频信号，进而得到发电机加速功率偏差积分其中ΔP为发电机加速功率偏差值；

步骤3-4：通过第二超前滞后环节对发电机加速度功率偏差积分进行相位补偿。

所述步骤3-1中，发电机电功率P_E经过第一隔直环节和积分环节即可得到发电机电功率偏差积分其中T_W3为第一隔直环节的时间常数，K_S2为功率回路增益，T₇为积分环节时间常数。

所述步骤3-2包括以下步骤：

A)转子角速度偏差Δω经过第三隔直环节和第四隔直环节其中T_W1和T_W2分别为第三隔直环节和第四隔直环节的时间常数；

B)转子角速度偏差Δω与发电机电功率偏差积分相加，即可得到发电机机械功率偏差积分 $\frac{{\mathrm{\ΔP}}_M}{2\mathrm{Hs}}=\mathrm{\Δ\ω}+\frac{{\mathrm{\ΔP}}_E}{2\mathrm{Hs}}.$

所述步骤3-3包括以下步骤：

A)增加斜坡函数滤除发电机机械功率的高频信号，得到经过滤波之后的发电机机械功率偏差积分其中T₈和T₉均为斜坡函数的时间常数；

B)得到发电机加速功率偏差积分 $\frac{\mathrm{\ΔP}}{2\mathrm{Hs}}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_M}{2\mathrm{Hs}}{\left[\frac{1+T_{8}s}{{(1+T_{9}s)}^M}\right]}^N-\frac{{\mathrm{\ΔP}}_E}{2\mathrm{Hs}}.$

所述步骤3-4中的第二超前滞后环节包括第五超前滞后环节、第六超前滞后环节和第七超前滞后环节，分别表示为其中，T₁和T₂为第五超前滞后环节的时间常数，T₃和T₄为第六超前滞后环节的时间常数，T₅和T₆为第七超前滞后环节的时间常数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.采取了两并联分支结构，各自补偿不同的频域范围，它们的参数在整定上有较强的独立性；

2.通过增加超低频分支，解决了现有PSS在超低频域内阻尼不足的问题；

3.使用Δω输入，从而解决中低频段使用加速功率信号△Pa/(2Hs)在超低频段不敏感的问题；

4.超低频段在频率较高时，相对中高频段而言幅值很小，基本不影响中高频段的相位和幅值；而在频率很低时，相对中高频段而言幅值较大，可以决定整个环节在超低频的相位和幅值，从而解决纯粹只有中高频段在超低频段角度超前太多的问题。

附图说明

图1是现有技术中发电机励磁控制系统传递函数框图；

图2是现有技术中PSS模型传递函数框图；

图3是本发明的并联运行PSS模型的传递函数框图；

图4是本发明的并联运行PSS模型与现有PSS模型的相频特性比较图(低频段)；

图5是本发明的并联运行PSS模型与现有PSS模型的相频特性比较图(中高频段)；

图6是本发明提供的某实际系统结构示意图；

图7是本发明的并联运行PSS模型与现有PSS模型在本机振荡具有类似的效果示意图；

图8是本发明的并联运行PSS模型与现有PSS模型在超低频振荡(f＝0.09)的比对图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

下面以图6所示的某系统实例对本发明详细说明。该系统包含3个区域电网，其中区域1包含4个电厂，4个电厂配置1000MW和600MW的不同机组，另两个区域采用等值电网。区域1通过512公里1000kV交流线路连接等值电网1，区域1外送功率7000MW，等值电网1和等值电网2通过1000kV交流线路连接，交换功率2000MW。具体系统拓扑图见图6所示。在系统电网配置PSS，其中等值电网2分别配置现有的PSS和新型并联运行的PSS进行比对。

在区域1出口和等值电网1出口处发生单相接地故障，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。由附图7可见，区域1出口短路时，其振荡频率为1.0Hz，在等值电网上配置现有PSS及并联运行PSS，其特性基本一致。证明并联型PSS对于中高频段基本没有影响。当短路发生在等值电网1发生短路的时候，系统存在一个0.09Hz的超低频振荡，而用现有的PSS，效果比较差，改用并联的PSS后，效果明显，具体见附图8。

原有PSS的运行参数为：T_W1＝T_W2＝T_W3＝T₇＝6，K_S2＝0.1875，T₈＝0.6，T₉＝0.12，K_S3＝1，T₁＝0.2，T₂＝0.02，T₃＝0.2，T₄＝0.02，T₅＝1，T₆＝1，K_S4＝6，K_pss＝1。

本发明的并行PSS模型参数：中高频段和现有PSS一样T_W1＝T_W2＝T_W3＝T₇＝6，K_S2＝0.1875，T₈＝0.6，T₉＝0.12，K_S3＝1，T₁＝0.2，T₂＝0.02，T₃＝0.2，T₄＝0.02，T₅＝1，T₆＝1，K_S4＝6，K_pss＝1。

超低频段参数：R＝1.1，T＝2.529，T₂₁＝1.9，T₂₂＝2.7，T₃＝1，T₄＝1，K_L＝5。

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模型的频率特性进行比较，结果如附图4和图5所示。

由附图4和图5可见，该组参数下的本发明的并联运行PSS比优化参数的现有PSS相比，有如下优点：

(1)在低于0.2Hz以下时，并联运行PSS比现有PSS能提供更好的阻尼特性，补偿结果更接近于0，大于0.5Hz时，其补偿效果基本一致。

(2)在低于0.04Hz以下，并联运行PSS依然能提供正阻尼，而现有PSS补偿角度超过90°，提供负阻尼。

附图7给出本发明的并联运行PSS模型与现有PSS模型对系统中本机振荡的阻尼效果的仿真结果。从附图7可以看出，其效果接近。

附图8给出本发明的并联运行PSS模型与现有PSS模型对系统中本机振荡的阻尼效果的仿真结果。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：将所述电力系统稳定器的工作频率分为以转子角速度偏差Δω为输入信号的超低频频段和以加速度功率偏差积分为输入信号的中高频频段；

步骤2：对超低频频段的输入信号进行筛选，并对其进行相位补偿；

步骤3：获得中高频频段的输入信号，并对其进行相位补偿。

2.根据权利要求1所述的具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，其特征在于：所述步骤2中，采用低通滤波环节和带通滤波环节对超低频频段的输入信号进行筛选，并采用第一超前滞后环节对经过筛选之后的输入信号进行相位补偿。

3.根据权利要求2所述的具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，其特征在于：所述低通滤波环节和带通滤波环节分别表示为和其中，s为积分算子，T为带通滤波环节的时间常数，R为补偿系数。

4.根据权利要求2所述的具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，其特征在于：所述第一超前滞后环节包括第三超前滞后环节和第四超前滞后环节，分别表示为和其中，T₂₁和T₂₂为第三超前滞后环节的时间常数，T₂₃和T₂₄为第四超前滞后环节的时间常数。

5.根据权利要求1所述的具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，其特征在于：所述步骤3中，加速度功率偏差积分由发电机电功率P_E与转子角速度偏差Δω获得，具体包括以下步骤：

步骤3-1：得到发电机电功率偏差积分其中ΔP_E为发电机电功率偏差值，H为发电机惯性常数；

步骤3-2：得到发电机机械功率偏差积分其中ΔP_M为发电机机械功率偏差值；

步骤3-3：滤除发电机机械功率的高频信号，进而得到发电机加速功率偏差积分其中ΔP为发电机加速功率偏差值；

步骤3-4：通过第二超前滞后环节对发电机加速度功率偏差积分进行相位补偿。

6.根据权利要求5所述的具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，其特征在于：所述步骤3-1中，发电机电功率P_E经过第一隔直环节和积分环节即可得到发电机电功率偏差积分其中T_W3为第一隔直环节的时间常数，K_S2为功率回路增益，T₇为积分环节时间常数。

7.根据权利要求5所述的具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，其特征在于：所述步骤3-2包括以下步骤：

A)转子角速度偏差Δω经过第三隔直环节和第四隔直环节其中T_W1和T_W2分别为第三隔直环节和第四隔直环节的时间常数；

B)转子角速度偏差Δω与发电机电功率偏差积分相加，即可得到发电机机械功率偏差积分 $\frac{{\mathrm{\ΔP}}_M}{2\mathrm{Hs}}=\mathrm{\Δ\ω}+\frac{{\mathrm{\ΔP}}_E}{2\mathrm{Hs}}.$

8.根据权利要求5所述的具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，其特征在于：所述步骤3-3包括以下步骤：

A)增加斜坡函数滤除发电机机械功率的高频信号，得到经过滤波之后的发电机机械功率偏差积分其中T₈和T₉均为斜坡函数的时间常数；

B)得到发电机加速功率偏差积分 $\frac{\mathrm{\ΔP}}{2\mathrm{Hs}}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_M}{2\mathrm{Hs}}{\left[\frac{1+T_{8}s}{{(1+T_{9}s)}^M}\right]}^N-\frac{{\mathrm{\ΔP}}_E}{2\mathrm{Hs}}.$

9.根据权利要求5所述的具有抑制超低频振荡能力的电力系统稳定器设计方法，其特征在于：所述步骤3-4中的第二超前滞后环节包括第五超前滞后环节、第六超前滞后环节和第七超前滞后环节，分别表示为其中，T₁和T₂为第五超前滞后环节的时间常数，T₃和T₄为第六超前滞后环节的时间常数，T₅和T₆为第七超前滞后环节的时间常数。