異步聯網條件下低頻振蕩的電力系統穩定器優化方法

高文波，龔小燕

(1. 云南能投有能科技股份有限公司，昆明 650051；2. 云南電網有限責任公司培訓與評價中心，昆明 650204)

0 前言

大容量、遠距離直流輸電技術在電網中的廣泛應用，減少了系統的阻尼[1-7]。

文獻[8-9]從調速系統的角度闡述了云南電網低頻振蕩產生的原因。文獻[10]考慮了直流頻率控制功能（FLC）與系統之間協調控制的影響。文獻[11-12]討論了云南異步聯網之后低頻振蕩的影響及相關措施。文獻[13]論述了采用GPSS抑制系統低頻振蕩的特點。

電力系統穩定器(PSS)經過實踐證明是解決目前我國大電網聯網情況下伴生的低頻振蕩問題的有效解決手段，其對系統低頻振蕩的抑制作用主要取決于其參數的合理整定，均采用相位補償參數和主回路增益分別整定的方法。其中，相位補償參數三個通用導則均規定了相同的功角-10°至45°的補償范圍要求，所有的整定參數只需滿足該范圍要求即可；主回路增益采用取臨界增益系數的1/3至1/2；其他未進行明確的要求。目前電廠機組投產初期，電網調度部門要求的機組電力系統穩定器試驗及參數整定即普遍按照以上模式進行。

但現有的PSS參數整定方法值考慮了系統的功角補償，并沒有考慮對其角速度進行補償，可能會降低系統的最大傳輸容量，限制系統的能源外送能力。提出了新的PSS綜合增益系數計算方法，提高了系統在低頻段的阻尼系數，通過實際現場試驗驗證了該優化方法的有效性，提高了實際系統的電力外送能力。

1 電力系統穩定器原理及分析

根據電力系統穩定器的工作原理，其對電力系統低頻振蕩的阻尼效果，主要取決于主回路考慮相位補償時間后的等效放大倍數在圖1中的縱坐標角速度軸上的分解量。目前電力系統中普遍采用的電力系統穩定器模型為PSS2B模型圖2，該模型結構在勵磁調節中固化，換言之，同一發電機組在理論上可以整定多組參數，但是在現場只能采用唯一一組電力系統穩定器參數。

圖1 電力系統穩定器工作原理示意圖

圖1中，具體符號為：Δδ為功角軸；Δω為角速度；以坐標原定為起始點，向量1、向量2、向量3和向量4分別代表電力系統穩定器所附加的力矩的向量示意圖。

圖2，電力系統穩定器PSS2B模型中，具體的符號為：s為數學領域中傳統的拉普拉斯變換因子；Tw1、Tw2、Tw3、Tw4為電力系統穩定器角速度和電功率兩個輸入通道的隔直時間常數；Ks2為電力系統穩定器電功率輸入通道的功率慣性環節的放大倍數；T7為電力系統穩定器電功率輸入通道的功率慣性環節的慣性時間常數；Ks3為電力系統穩定器中轉子機械轉矩計算中所需的電功率部分的放大倍數；T8、T9分別為電力系統穩定器中陷波器的分子和分母時間常數，M、N為該陷波器對應的分母階數和分子階數；Ks1為電力系統穩定器主回路增益系數；T1、T2為電力系統第一級相位補償用超前、滯后時間常數；T3、T4為電力系統第二級相位補償用超前、滯后時間常數；T5、T6為電力系統第三級相位補償用超前、滯后時間常數；Usmax為電力系統穩定器輸出最大限幅值；Usmin為電力系統穩定器輸出最小限幅值；Us為電力系統穩定器輸出信號。

一方面在現有標準下只是采用單機無窮大的試驗方式對相關參數進行計算；另一方面，電網結構及規模的擴大必然導則系統振蕩模式的改變，而滿足電廠投產初期電網振蕩模式阻尼要求的電力系統穩定器整定參數隨著電網的發展，開始逐漸的由于系統振蕩模式的改變而開始出現不能滿足電網動態穩定計算指標的要求的情況，甚至出現由于系統動穩能力不足而導致局部電網電力外送受限問題，在此情況下，對結合電網系統計算結果，對電力系統穩定器參數開展優化整定工作就成為勢在必行的工作。

圖2 電力系統穩定器（PSS-2B模型）

在電力系統穩定器參數整定過程中，必須將系統所關注的振蕩模式和本機振蕩模式結合，但是考慮到現場試驗時系統所關注的振蕩模式的阻尼效果通常無法現場驗證，現場擾動僅僅能夠驗證本機振蕩模式的阻尼效果；同時考慮到現場如果僅僅保證本機振蕩模式的阻尼效果，電力系統穩定器整定參數可以有多種組合，每種組合在系統所關注的低頻段呈現出較大的差異，而按照目前普遍采用的現場整定方法，系統所關注的低頻段僅僅考慮其相位補償效果，在此情況下，根據圖1的示意圖可以看到，在同一頻率點下，相同的電力系統穩定器主回路增益由于相位補償的差異，其在角速度軸上的分解量可能差異較大，而該部分差異可能導致電網局部地區動穩水平不足，從而影響電網對局部中、小水電的電力外送能力，該現象在目前我國的云南、四川等地的局部地區中、小水電送出受限問題中體現的非常明顯。

為此，非常有必要在目前電力系統穩定器現場參數整定過程中，通過定義相應的整定參數的評價指標，尤其是低頻段的評價指標，將電力系統穩定器的相位補償環節和主回路的增益加以結合，綜合評估電力系統穩定器整定參數的優劣性，尤其是系統所關注的低頻段的優劣性，對解決目前我國局部地區中、小水電由于動穩水平不足而面臨的送出受限問題的解決將具有非常現實的意義。

2 勵磁系統綜合增益系數計算

根據以上分析，非常有必要在目前電力系統穩定器現場參數整定過程中，通過定義相應的整定參數的評價指標，尤其是低頻段的評價指標，將電力系統穩定器的相位補償環節和主回路的增益加以結合，綜合評估電力系統穩定器整定參數的優劣性，尤其是系統所關注的低頻段的優劣性。因此，本文提出勵磁系統綜合增益系數計算方法。

電力系統穩定器PSS-2B模型圖2中，其相位補償環節需要考慮PID各個環節，分別計算各個環節在電力系統穩定器工作頻段范圍內的幅頻和相頻情況：在此過程中，假定以上各個環節在電力系統穩定器工作頻段范圍內的各個頻率點的幅值和相位分別為：

根據以上計算結果，根據圖1的電力系統穩定器工作原理圖，將以上得到的電力系統穩定器總體增益按照相位補償效果進行向量分解，即將電力系統穩定器總體增益KPSS_2B按照相位補償效果分解到角速度軸和功角軸，此時得到的角速度軸分量即為電力系統穩定器真正其作用的部分，在此單獨定義該分解量為電力系統穩定器性能評價參數K，其計算過程如下：

按照以上計算過程，對每一個頻率點開展如上的計算，即可得到電力系統穩定器在整個工作頻率帶范圍內各個頻率點的綜合增益系數K。

根據以上計算結果，針對電力系統穩定器試驗現場所提供的各組電力系統穩定器參數，計算得到的電力系統穩定器綜合增益系數K，然后畫出各組參數所對應的電力系統穩定器工作頻段范圍內的綜合增益系數圖；在此過程中，結合電力系統計算所得的所關注的振蕩頻率點，根據其大小，即可以明確的篩選出對系統最有利的電力系統穩定器整定參數，以滿足現場試驗的要求。

3 實際算例分析

本次苗尾電廠PSS參數優化問題基于以下原則進行，即：以現有PSS參數中本機振蕩模式下的綜合放大倍數不變為基本原則。根據現場實際，機組正常運行情況下的機組有功波動頻率為本機振蕩模式下的頻率，且原參數在本機振蕩模式下的綜合放大倍數考慮為現場所能夠接受的最大值，在PSS參數優化過程中保證本機振蕩模式下的PSS綜合放大倍數不變，通過優化其余參數(T1、T2、T3、T4、T13、T14以及Ks1參數)，考慮系統方式計算中苗尾電廠所參與的滇西北對滇西南振蕩頻率為0.525 Hz的振蕩模式，以及保山對麗江振蕩頻率為0.606 Hz的振蕩模式，以達到最終優化的目的。

表1 補償參數

可以看出，優化參數因為采用弱化高頻段以提高機組臨界增益優化原則，現場參數相位補償效果略優于其他三組參數，但均滿足相關規程要求。

在云南電網苗尾水電廠PSS參數整定現有參數的基礎上，分別開展了相關的整定研究及現場研究工作。

圖3 綜合放大倍數圖

綜合比較各組參數，在本機振蕩模式下PSS綜合放大倍數保持不變的情況下，單獨分析低頻率段，優化參數1、優化參數2和優化參數3綜合放大倍數均優于現場參數，尤其是優化參數1，在苗尾機組所參與的振蕩模式中，0.5-0.6 Hz的綜合放大倍數是現場參數的3-4倍；優化參數3在同樣三級補償的前提下，通過弱化高頻段的相位補償效果，在0.5-0.6 Hz頻帶范圍內的綜合放大倍數相較現場原參數提高了近30%。通過該方法，增加傳輸通道容量112.3 MW，提高麗江片區的穩定能力。

4 結束語

本文根據云南電網異步聯網后系統局部電網所面臨的動穩問題，提出了PSS參數的優化整定過程中，適當弱化本機振蕩模式的相位補償，并在此基礎上整體提高PSS主回路的整體放大倍數以保證本機振蕩部分的阻尼效果，根據PSS在系統所關注的低頻段的綜合放大倍數按照頻段進行選擇，得出結論如下：

1）三組優化新參數對本機振蕩模式的阻尼效果均明顯好于原參數；

2）三組優化新參數對本機振蕩模式的阻尼效果差異較小，單從本機振蕩模式分析，選擇三組優化的任何一種均可；

3）三組優化新參數中第一組的無功反調量相較原參數和優化新參數二和優化新參數三偏大，但是均在規程要求的范圍內；

4）三組優化新參數對本機振蕩模式的阻尼效果和反調效果均能夠滿足規程要求，選擇標準將唯一取決于其對系統關注的低頻段的阻尼效果。