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(qū)電網(wǎng)的快速發(fā)展以及電網(wǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)輸電，電力系統(tǒng)低頻振蕩的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，特別是西電東輸工程以及三峽機(jī)組的建成發(fā)電，低頻振蕩的頻率有向0.15 Hz或更低發(fā)展的趨勢。因此，要求電網(wǎng)中有更多的中、大型機(jī)組投入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）[1]。2010年大唐某電廠曾經(jīng)發(fā)生了0.8 Hz的低頻振蕩，事后檢查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)電網(wǎng)側(cè)和電廠側(cè)正常，沒有故障情況發(fā)生，后來在該低頻值下對該機(jī)組采用負(fù)載階躍試驗(yàn)進(jìn)行再次驗(yàn)證，PSS2A所提供的阻尼是正的。針對該事故現(xiàn)象，有必要對PSS2A在系統(tǒng)1 Hz以下的低頻振蕩抑制驗(yàn)證方法進(jìn)行討論分析。

1 PSS2A原理

為了防止在發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)出力變化速率較快時(shí)，PSS輸出過大而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)角速度；P為發(fā)電機(jī)的電磁功率；高頻輸入為機(jī)械功率；TW1～TW4為隔直時(shí)間常數(shù)；KS1為PSS放大系數(shù)；KS2，KS3為電功率通道系數(shù)；T1～T6為超前及滯后時(shí)間常數(shù)；T7為慣性時(shí)間常數(shù)；T8，T9為高階濾波器的時(shí)間常數(shù)；M，N為高階濾波器的階數(shù)。

根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：

式中：H為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；PM為機(jī)械功率；PE為電氣功率；Pa為加速功率；ω為發(fā)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)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(jī)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(diào)現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)行機(jī)械功率調(diào)節(jié)時(shí)，電磁功率跟隨機(jī)械功率變化，因此加速功率積分信號很小，PSS基本不動(dòng)作；當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)引起電磁功率變化時(shí)，機(jī)械功率變化較小，加速功率積分信號基本上等于負(fù)的電磁功率積分信號，PSS發(fā)揮作用抑制功率振蕩[2，3]。

2 高階濾波環(huán)節(jié)對振蕩的影響

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

圖1中的T8，T9構(gòu)成的高階濾波環(huán)節(jié)，其目的是濾除ω通道產(chǎn)生的噪聲，其理想特性應(yīng)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(shí)際中不可能，只能取得近似的效果，給PSS2A在過渡區(qū)帶來了一些負(fù)面影響，所以T8，T9參數(shù)的設(shè)計(jì)影響PSS在過渡區(qū)頻帶內(nèi)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(diào)有好處。仿真后該環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)伯德圖

圖3 T8=0.6 s,T9=0.12 s高階濾波環(huán)節(jié)伯德圖

圖2中T8=0.2 s，T9=0.1 s時(shí)截止頻率為0.987 Hz，圖3中T8=0.6 s，T9=0.12 s時(shí)截止頻率為1.53 Hz，因此對于較高頻率的波動(dòng)通過該環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)的輸出值很小，此時(shí)PSS2A模型就近似于PSS1A模型。因此在PSS的超前滯后環(huán)節(jié)（T1～T6）補(bǔ)償準(zhǔn)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(huì)有較大的輸出，如果機(jī)械功率積分信號的計(jì)算不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致加速功率的計(jì)算不正確，那么PSS2A的抑制效果低頻段與高頻段相比較會(huì)較差，可能達(dá)不到PSS試驗(yàn)導(dǎo)則所要求的阻尼比。而對于1 Hz以上的振蕩，即使機(jī)械功率積分信號的計(jì)算不準(zhǔn)確，由于高頻濾波的作用，會(huì)使加速功率的計(jì)算較為準(zhǔn)確，PSS2A抑制系統(tǒng)振蕩效果應(yīng)該不錯(cuò)。

3 PSS2A低頻抑制效果驗(yàn)證方法分析

根據(jù) 《電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則》[4]，PSS2A的效果檢驗(yàn)有3種方法：負(fù)載階躍響應(yīng)效驗(yàn)、無故障切除系統(tǒng)擾動(dòng)效驗(yàn)和改變發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算低頻段PSS2A作用效驗(yàn)。因?yàn)楹?種校驗(yàn)方法現(xiàn)場操作不便，所以現(xiàn)場一般都采用負(fù)載階躍響應(yīng)試驗(yàn)來驗(yàn)證PSS2A抑制效果。但是，采用負(fù)載階躍試驗(yàn)引起的發(fā)電機(jī)振蕩頻率一般較高，通常在1 Hz以上，此外發(fā)電機(jī)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(yàn)證。為了驗(yàn)證PSS2A抑制1 Hz以下的低頻振蕩效果，可以采用在機(jī)端電壓或電壓給定值上疊加一正弦擾動(dòng)信號來驗(yàn)證，根據(jù)PSS2A要抑制的振蕩頻率值，可以調(diào)節(jié)疊加的正弦擾動(dòng)信號的頻率來實(shí)現(xiàn)，通過這種方法可以很方便地驗(yàn)證出PSS2A在系統(tǒng)1 Hz以下任意具體低頻值的抑制效果。

為了驗(yàn)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(lì)磁調(diào)節(jié)器上進(jìn)行試驗(yàn)，采用在電壓給定值上疊加正弦擾動(dòng)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(dòng)錄波曲線

圖5 0.7 Hz擾動(dòng)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(yīng)相反，兩者相加后基本抵消，即合成后機(jī)械功率較小，高頻濾波輸出（機(jī)械功率）應(yīng)遠(yuǎn)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(jì)算也較為準(zhǔn)確。試驗(yàn)結(jié)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(shí)有功峰峰值明顯小于PSS退出時(shí)的值，表明PSS對于0.7 Hz的振蕩產(chǎn)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(yīng)的PID+PSS幅頻特性不同，因此輸入正弦信號時(shí)，不同頻率所需的信號大小也不同，在該機(jī)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(dòng)明顯大于機(jī)組擾動(dòng)，同時(shí)保證無功功率波動(dòng)在許可的范圍內(nèi)。所加的正弦波最小頻率只需到系統(tǒng)振蕩模式最低頻率即可。

4 結(jié)束語

近年來電網(wǎng)低頻振蕩時(shí)有發(fā)生，通過目前通常采用的電壓階躍試驗(yàn)方法并不一定能完全驗(yàn)證出PSS2A對系統(tǒng)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(xiàn)也不多見，鑒于此情況，希望對1 Hz以下的PSS2A抑制效果驗(yàn)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(tǒng)穩(wěn)定器的原理及其應(yīng)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(tǒng)穩(wěn)定器實(shí)現(xiàn)方法探討[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2008，32（5）：8-11.

[3]方思立，蘇為民.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器配置、構(gòu)成、參數(shù)計(jì)算及投運(yùn)試驗(yàn)[J].中國電力，2004（10）：8-13.

[4]Q/GDW143—2006，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則[S].