電力系統抑制低頻振蕩綜合控制技術

崔俊濤

（蘭州資源環境職業技術學院機電工程系，甘肅蘭州 730020）

0 引言

目前，隨著電力系統規模不斷擴大，超高壓輸電線路的增長以及大容量機組、快速勵磁裝置的運行，電力系統的阻尼特性日漸惡化，極大的影響了電力系統的穩定運行。由電網互聯而產生的低頻振蕩，在網絡容量相對較小的時候，同步發電機聯系緊密，系統有足夠的阻尼，很少發生低頻振蕩的現象。自從上世紀60年代在北美中部大陸的西北和西南聯合系統互聯時觀察到低頻振蕩現象以來，由于大容量的機組在電網中的不斷投運，快速勵磁的普遍使用，低頻振蕩現象在大電網中時有發生。近年來，低頻振蕩現象在中國電網頻繁出現，尤其是建設特高壓電網后形成的“三華”電網（華北、華中、華東），因為電網規模巨大，區域間振蕩的頻率將可能降低至0.1 Hz以下超低頻振蕩，已經成為威脅互聯大電網安全穩定運行的突出問題。

鑒于電力系統本身的復雜性，人們始終在關注低頻振蕩并展開相應的研究，目前目前系統阻尼減小被普遍認為是低頻振蕩產生的原因之一。因此，為提高系統的穩定性，可以通過在系統中增加正阻尼來抑制系統低頻振蕩的發生。本文擬通過分析新型電力系統穩定器和FACTS裝置提高系統阻尼從而抑制電力系統低頻、超低頻振蕩的方法，總結其利弊及適用性，提出電力系統低頻振蕩綜合控制技術的思路。

1 電力系統穩定器

1.1 模型簡介

PSS作為一種附加勵磁控制，它的實質是給勵磁系統提供一個附加信號，將該信號按需要進行相位補償和放大，由此產生的控制信號加入到自動電壓調節器上，從而可以控制勵磁系統來增加發電機的阻尼轉矩，實現抑制系統產生低頻振蕩。2005年IEEE將PSS劃分PSS1A、PSS2B、PSS3B、PSS4B。其中：PSS1A是一種單輸入PSS，具有兩級超前滯后環節。輸入量普遍采用功率P，能夠對電網中0.1～2.5 Hz范圍內的低頻振蕩中起到良好的抑制效果，缺點是會出現反調現象。PSS1A的主要適用范圍是火電廠，火電機組的特點是調負荷很慢，不會產生機組無功反調；PSS2B是一種雙輸入PSS，兩個輸入量分別是頻率ω和功率P，具有三級超前滯后環節。PSS2B利用ω和P計算得到發電機的加速功率ΔPa，當發電機組單方向增加負荷或者單方向減少負荷時，其加速功率等于零，由于PSS不起作用所以不產生無功反調。只有當發電機組有功功率增減變化時，電力系統穩定器才起作用，抑制系統低頻振蕩。所以PS2B通過合成加速功率巧妙地解決了PSS1A的反調問題。PSS2B的缺點是在斜坡函數截止頻率過渡區對系統振蕩的抑制效果不理想。為了使PSS可以依照不同的要求調整補償從而改善多個振蕩模式的阻尼特性，使其對其他振蕩模式的不利影響減到最低，多頻段PSS模型成為研究的一個熱點方向。于是，PSS4B便應運而生了。

1.2 PSS4B模型

在這里以目前的研究趨勢，以新型多頻段電力系穩統定器PSS4B為例，分析其對電力系統低頻振蕩的控制效果。通常情況下，電力系統穩定器只有一個通道，所以低頻段和高頻段根本無法同時兼顧，尤其是在超低頻段，存在較大的超前相位角，大大限制了傳統的電力系統穩定器所能提供的正阻尼。PSS4B具有轉子的轉速和有功功率兩種輸入信號，可以很好地消除反調現象，同時PSS4B在頻率為零時，其相位也能為零。針對高頻段，傳統電力系統穩定器增益往往較大，也許會導致軸系扭振加劇振蕩，而PSS4B則能夠在高頻段減小增益，防止上述振蕩的產生。PSS4B有三個頻段，每一個頻段都可以單獨的進行增益調節、濾波器參數設置、相位調節和輸出限幅調節，可以對多個模式的低頻振蕩產生良好的抑制效果。綜上所述，PSS4B相比傳統的PSS要優越。

IEEE提供了簡單的基于三個中心頻率及相應增益的參數設置方法。這三個中心頻率分別對應低頻振蕩（用L表示），高頻振蕩（用H表示）和中頻振蕩（用I表示）。四個方程給出每個通道時間常數的計算公式。如中間頻率的計算公式如下，其中R為常數，設置為1.2，Fi為中頻振蕩的中心頻率。其他參數設置為0。

圖1 PSS4B模型圖

鑒于PSS4B的復雜性，且模型依賴ωL和ωI通道測量的精確性，目前國內在工程實踐當中沒用得到推廣應用，在文獻[1]中給出了基于RTDS模型的PSS4B投入效果驗證，文中可以看出通過對PSS4B模型（如圖1所示）的參數整定，在RTDS仿真實驗中，勵磁系統投入PSS4B后，系統的全頻段阻尼效果良好。在文獻[1]中的實驗波形(圖2)可以看出，在相同增益下，PSS4B針對各頻段阻尼比均較理想，全頻段適用性比PSS2B抑制效果更好。其中PSS2B在頻率為1 Hz以上時對低頻振蕩的抑制效果與PSS4B相似，但在頻率為1 Hz以下時則不如PSS4B。因此PSS4B相比PSS2B的優勢在于其低頻段抑制效果較好?？梢钥闯觯琍SS4B還能有效地抑制區域模式下的低頻振蕩，且抑制效果明顯優于其他穩定器。

2 FACTS裝置附加控制

2.1 FACTS的阻尼效果

針對系統中兩個不同地區機組群之間的低頻振蕩，采用附加阻尼控制器安裝在柔性交流輸電系統（FATCS）可以為其提供有效的解決方法。文獻[2]采用了模態分析法，文中根據多機系統中FACTS穩定控制器來評價FACTS的阻尼效果。有研究將柔性交流輸電系統的阻尼作用直接加在發電機的電磁振蕩環節中，并通過發電機的勵磁通道來實現阻尼作用[3]，該研究建立了一個Phil?lips-Heffron模型，將bang-bang帶來的最強阻尼控制解釋為FACTS裝置的機械特性限制。Lu F C.等[4]將一種變結構理論成功應用于TCSC阻尼低頻振蕩控制器設計中。

在串聯補償提高功率的傳輸能力的同時，如果串聯容抗與線路感抗相等時，即

圖2 不同頻率下擾動試驗的阻尼效果圖

則會產生電氣諧振。而發電機的某一軸系固有頻率fs與產生的電氣諧振頻率之和接近于工頻時，則有可能會出現機械和電氣振蕩的互相耦合作用從而引發軸系扭振。Tang Y等[5]通過物理仿真實驗研究了寄生于TCSC的次同步振蕩產生的影響。而Li Y J等[6]應用TCSC控制器來消除軸系扭振的幅值及軸系扭振產生的積累效應，說明TCRC控制能有效消除次同步振蕩。Wko R JP等[7]的研究表明，TCSC對次同步振蕩呈中性，它可以降低由鄰近的串聯補償電容產生的次同步振蕩的影響。

2.2 FACTS裝置與PSS聯合控制策略

目前發現PSS在區域內的低頻振蕩的抑制中表現較好，但對區域間低頻振蕩的阻尼卻無顯著效果?，F已有通過PMU協調各發電機的PSS來阻尼控制區域間振蕩的方法，但非常復雜，而且需要全局的系統信息才能實現控制[8]。FACTS裝置鑒于其安裝地點靈活的優勢（相比較PSS只能安裝于發電機內），可有選擇性地安裝于可能會發生低頻振蕩的區域聯絡線上來實現低頻振蕩抑制。另外，FACTS裝置能夠有效調節系統電壓，提高互聯線路輸送容量，增強互聯區域間的阻尼，因此能夠很好的抑制區間振蕩。

然而實際中，PSS與FACTS設備對低頻振蕩的抑制效果與如何選擇相應的控制信號密不可分。FACTS附加阻尼控制的輸入信號一般包括線路的電流幅值Im、線路中有功電流分量Ia、有功功率P和區域慣量中心角頻率ω。嚴偉佳等[9]系統研究了在不同情況下各種輸入信號對區間振蕩產生的阻尼效果。為了更好的提升系統組尼，每個阻尼控制器還能選擇多種不同的控制信號，同時在系統運行方式發生變化的時候其魯棒性也會更強。PSS一般采用轉速偏差、電磁功率偏差△Pe、加速功率Pm-Pe和頻率偏差△f中的一個或幾個信號作為附加控制，從而產生與△ω同軸的附加力矩，增加系統對低頻振蕩的正阻尼，提高電力系統的動態穩定性。

目前，PSS與FACTS裝置協調控制技術進入了快速發展時期。寧琳等[10]和李國杰等[11]報道了PSS與TCSC、VSC-HVDC附加阻尼控制器之間協調控制的研究。2012年我國建成的特高壓局部電網中，蔣平等[12]提出了采用Prony分析檢測聯絡線主導振蕩模式，并采用PSS控制電網區域內振蕩，采用SVC控制區域間振蕩的方案。另外，對ACTS裝置的控制帶寬和控制精度的提升也是發展趨勢，如UPFC、IPFC等控制技術的成熟[13]。可以預期，PSS與FACTS裝置綜合控制技術將是解決智能電網低頻和超低頻振蕩問題的重要途徑。

3 抑制電力系統低頻振蕩方法比較

由于電力系統容易受到外部擾動以及自身因素的影響，為了更有條理的分析抑制低頻振蕩，抑制方法被分為一次系統對策和二次系統對策[14]。一次系統對策主要包括減少重負荷輸電線路并增強網架結構，同時減少送、受端的電氣距離；采用串聯電容補償及直流輸電方式，在輸電線上裝設FACTS裝置。二次系統對策主要采用附加控制裝置，并適當整定參數以增加抑制低頻振蕩的阻尼力矩，由此達到抑制低頻振蕩的目的。鑒于負阻尼機理得到了廣泛的認可，基于這個思想，針對FACTS方法和電力系統穩定器進行了方法比較。FACTS方法包括SVC、UPFC等側重于從負載特性、系統結構及運行方式幾方面改善系統的阻尼特性，從而達到提高系統穩定性的目的。盡管改變電網結構是防止弱阻尼的根本措施，但是投資巨大，而且隨著系統的變化，又可能發生新的弱聯系，因此通過改進控制調節系統來增強阻尼是必要的。而PSS是抑制低頻振蕩的一種有效的方法，但是傳統的PSS參數是針對某個低頻振蕩頻率設計的，在其他運行情況下卻不能得到最佳控制。PSS4B的出現，基本上解決了這一問題，但就目前投運情況來看，國內主要還處在建模和設計階段，實際系統運用的比較少。

4 總結

由于抑制電力系統低頻振蕩中，負阻尼機理得到了廣泛的認可，本文重點對新型電力系統穩定器PSS4B和FACTS裝置附加控制進行了綜述。從目前發展狀況來看，PSS4B應當是今后推廣應用的一個主流趨勢。該裝置目前存在的問題是：PSS4B的傳遞函數相比其他模型更加復雜，模型依賴ωL和ωI通道測量的精確性，并且對勵磁系統控制器的調節精度和速度要求較高。需要針對這些問題進行研究。現階段由于PSS與FACTS裝置協調控制技術趨于成熟，本文概述了FACTS裝置的阻尼效果以及FACTS裝置與PSS的聯合控制策略，比較了電力系統抑制振蕩的方法，認為電力系統低頻振蕩多角度，多方式綜合控制是今后的主要研究目標。

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