PSS2A低頻段振蕩抑制效果驗證方法

余 振，郭春平，安 寧

(國電南瑞科技股份有限公司,江蘇南京,210061)

隨著全國各省、各地區電網的快速發展以及電網之間的聯網輸電，電力系統低頻振蕩的現象時有發生，特別是西電東輸工程以及三峽機組的建成發電，低頻振蕩的頻率有向0.15 Hz或更低發展的趨勢。因此，要求電網中有更多的中、大型機組投入電力系統穩定器（PSS）[1]。2010年大唐某電廠曾經發生了0.8 Hz的低頻振蕩，事后檢查發現，當時電網側和電廠側正常，沒有故障情況發生，后來在該低頻值下對該機組采用負載階躍試驗進行再次驗證，PSS2A所提供的阻尼是正的。針對該事故現象，有必要對PSS2A在系統1 Hz以下的低頻振蕩抑制驗證方法進行討論分析。

1 PSS2A原理

為了防止在發電機原動機出力變化速率較快時，PSS輸出過大而導致發電機無功變化超出允許的范圍，目前PSS通常采用加速功率型PSS2A模型，如圖1所示。

圖中，ω為發電機軸的旋轉角速度；P為發電機的電磁功率；高頻輸入為機械功率；TW1～TW4為隔直時間常數；KS1為PSS放大系數；KS2，KS3為電功率通道系數；T1～T6為超前及滯后時間常數；T7為慣性時間常數；T8，T9為高階濾波器的時間常數；M，N為高階濾波器的階數。

根據發電機轉子運動方程：

式中：H為發電機轉動慣量；PM為機械功率；PE為電氣功率；Pa為加速功率；ω為發電機軸的旋轉角速度。寫成頻域的形式：

角速度信號和電磁功率信號的積分組合形成機械功率積分信號。該信號與電磁功率積分信號的差即為加速功率積分信號。

以加速功率積分信號作為輸入的PSS理論上沒有反調現象。當進行機械功率調節時，電磁功率跟隨機械功率變化，因此加速功率積分信號很小，PSS基本不動作；當系統擾動引起電磁功率變化時，機械功率變化較小，加速功率積分信號基本上等于負的電磁功率積分信號，PSS發揮作用抑制功率振蕩[2，3]。

2 高階濾波環節對振蕩的影響

圖1模型中有2個輸入量，分別是電磁功率P和轉速ω，其中P可以通過機端電壓和機端電流直接計算出來，一般都很準確；而ω的直接測量較為困難，需要通過軟件進行計算，計算過程中通常要用到交軸電抗，而交軸電抗事實上為一個變值，很難獲得，因此ω輸入可能在部分頻段計算不太準確，則經過兩階隔直環節（TW1，TW2）后，再與P通道輸出相加后得出的機械功率積分信號就可能不準確。

圖1中的T8，T9構成的高階濾波環節，其目的是濾除ω通道產生的噪聲，其理想特性應該是在低頻段增益為1，相角為0，而在高頻段增益為0，但實際中不可能，只能取得近似的效果，給PSS2A在過渡區帶來了一些負面影響，所以T8，T9參數的設計影響PSS在過渡區頻帶內的作用效果。T8=0.2 s，T9=0.1 s，M=5，N=1對抑制軸系扭振有好處；T8=0.6 s，T9=0.12 s，M=5，N=1對減少反調有好處。仿真后該環節的相頻幅頻特性如圖2和圖3所示。

圖2 T8=0.2 s，T9=0.1 s高階濾波環節伯德圖

圖3 T8=0.6 s,T9=0.12 s高階濾波環節伯德圖

圖2中T8=0.2 s，T9=0.1 s時截止頻率為0.987 Hz，圖3中T8=0.6 s，T9=0.12 s時截止頻率為1.53 Hz，因此對于較高頻率的波動通過該環節后被大幅度衰減，這樣對P通道輸出和ω通道輸出的相加，在高頻段就有可能被濾掉，使高階濾波環節的輸出值很小，此時PSS2A模型就近似于PSS1A模型。因此在PSS的超前滯后環節（T1～T6）補償準確的前提下，對于1 Hz以下的振蕩，P通道和ω通道二者的相加會有較大的輸出，如果機械功率積分信號的計算不準確，會導致加速功率的計算不正確，那么PSS2A的抑制效果低頻段與高頻段相比較會較差，可能達不到PSS試驗導則所要求的阻尼比。而對于1 Hz以上的振蕩，即使機械功率積分信號的計算不準確，由于高頻濾波的作用，會使加速功率的計算較為準確，PSS2A抑制系統振蕩效果應該不錯。

3 PSS2A低頻抑制效果驗證方法分析

根據 《電力系統穩定器整定試驗導則》[4]，PSS2A的效果檢驗有3種方法：負載階躍響應效驗、無故障切除系統擾動效驗和改變發電機組轉動慣量計算低頻段PSS2A作用效驗。因為后2種校驗方法現場操作不便，所以現場一般都采用負載階躍響應試驗來驗證PSS2A抑制效果。但是，采用負載階躍試驗引起的發電機振蕩頻率一般較高，通常在1 Hz以上，此外發電機的振蕩頻率值不易確定，所以對于1 Hz以下的低頻段采用該法一般不容易驗證。為了驗證PSS2A抑制1 Hz以下的低頻振蕩效果，可以采用在機端電壓或電壓給定值上疊加一正弦擾動信號來驗證，根據PSS2A要抑制的振蕩頻率值，可以調節疊加的正弦擾動信號的頻率來實現，通過這種方法可以很方便地驗證出PSS2A在系統1 Hz以下任意具體低頻值的抑制效果。

為了驗證以上所提方法的可行性，在國電南瑞科技股份有限公司所研制的勵磁調節器上進行試驗，采用在電壓給定值上疊加正弦擾動信號，抑制頻率分別是在1 Hz和0.7 Hz，其錄波波形如圖4和圖5所示。

圖4 1.0 Hz擾動錄波曲線

圖5 0.7 Hz擾動錄波曲線

從圖4和圖5看出，P通道輸出與ω通道輸出大小基本相等，相位對應相反，兩者相加后基本抵消，即合成后機械功率較小，高頻濾波輸出（機械功率）應遠小于P輸出（電磁功率），則高頻濾波輸出減去P輸出的差值（加速功率）的計算也較為準確。試驗結束后，比較有PSS和無PSS的振蕩峰峰值之比，如圖6所示，投入PSS時有功峰峰值明顯小于PSS退出時的值，表明PSS對于0.7 Hz的振蕩產生了抑制的效果。

圖6 0.7 Hz PSS投退錄波曲線

需要注意的是，由于不同頻率下對應的PID+PSS幅頻特性不同，因此輸入正弦信號時，不同頻率所需的信號大小也不同，在該機振蕩頻率附近尤其需要注意，逐漸增加正弦信號量，使觀察到的有功功率曲線基本為正弦波且波動明顯大于機組擾動，同時保證無功功率波動在許可的范圍內。所加的正弦波最小頻率只需到系統振蕩模式最低頻率即可。

4 結束語

近年來電網低頻振蕩時有發生，通過目前通常采用的電壓階躍試驗方法并不一定能完全驗證出PSS2A對系統在1 Hz以下的低頻振蕩抑制效果，而且對這方面討論的文獻也不多見，鑒于此情況，希望對1 Hz以下的PSS2A抑制效果驗證方法能夠提供一定的借鑒和思路。

[1]方思立，朱 方.電力系統穩定器的原理及其應用[M].北京：中國電力出版社，1996.

[2]許其品，胡先洪，陳小明.雙輸入電力系統穩定器實現方法探討[J].水電自動化與大壩監測，2008，32（5）：8-11.

[3]方思立，蘇為民.電力系統穩定器配置、構成、參數計算及投運試驗[J].中國電力，2004（10）：8-13.

[4]Q/GDW143—2006，電力系統穩定器整定試驗導則[S].