电力系统抑制低频振荡综合控制技术

崔俊涛

（兰州资源环境职业技术学院机电工程系，甘肃兰州 730020）

0 引言

目前，随着电力系统规模不断扩大，超高压输电线路的增长以及大容量机组、快速励磁装置的运行，电力系统的阻尼特性日渐恶化，极大的影响了电力系统的稳定运行。由电网互联而产生的低频振荡，在网络容量相对较小的时候，同步发电机联系紧密，系统有足够的阻尼，很少发生低频振荡的现象。自从上世纪60年代在北美中部大陆的西北和西南联合系统互联时观察到低频振荡现象以来，由于大容量的机组在电网中的不断投运，快速励磁的普遍使用，低频振荡现象在大电网中时有发生。近年来，低频振荡现象在中国电网频繁出现，尤其是建设特高压电网后形成的“三华”电网（华北、华中、华东），因为电网规模巨大，区域间振荡的频率将可能降低至0.1 Hz以下超低频振荡，已经成为威胁互联大电网安全稳定运行的突出问题。

鉴于电力系统本身的复杂性，人们始终在关注低频振荡并展开相应的研究，目前目前系统阻尼减小被普遍认为是低频振荡产生的原因之一。因此，为提高系统的稳定性，可以通过在系统中增加正阻尼来抑制系统低频振荡的发生。本文拟通过分析新型电力系统稳定器和FACTS装置提高系统阻尼从而抑制电力系统低频、超低频振荡的方法，总结其利弊及适用性，提出电力系统低频振荡综合控制技术的思路。

1 电力系统稳定器

1.1 模型简介

PSS作为一种附加励磁控制，它的实质是给励磁系统提供一个附加信号，将该信号按需要进行相位补偿和放大，由此产生的控制信号加入到自动电压调节器上，从而可以控制励磁系统来增加发电机的阻尼转矩，实现抑制系统产生低频振荡。2005年IEEE将PSS划分PSS1A、PSS2B、PSS3B、PSS4B。其中：PSS1A是一种单输入PSS，具有两级超前滞后环节。输入量普遍采用功率P，能够对电网中0.1～2.5 Hz范围内的低频振荡中起到良好的抑制效果，缺点是会出现反调现象。PSS1A的主要适用范围是火电厂，火电机组的特点是调负荷很慢，不会产生机组无功反调；PSS2B是一种双输入PSS，两个输入量分别是频率ω和功率P，具有三级超前滞后环节。PSS2B利用ω和P计算得到发电机的加速功率ΔPa，当发电机组单方向增加负荷或者单方向减少负荷时，其加速功率等于零，由于PSS不起作用所以不产生无功反调。只有当发电机组有功功率增减变化时，电力系统稳定器才起作用，抑制系统低频振荡。所以PS2B通过合成加速功率巧妙地解决了PSS1A的反调问题。PSS2B的缺点是在斜坡函数截止频率过渡区对系统振荡的抑制效果不理想。为了使PSS可以依照不同的要求调整补偿从而改善多个振荡模式的阻尼特性，使其对其他振荡模式的不利影响减到最低，多频段PSS模型成为研究的一个热点方向。于是，PSS4B便应运而生了。

1.2 PSS4B模型

在这里以目前的研究趋势，以新型多频段电力系稳统定器PSS4B为例，分析其对电力系统低频振荡的控制效果。通常情况下，电力系统稳定器只有一个通道，所以低频段和高频段根本无法同时兼顾，尤其是在超低频段，存在较大的超前相位角，大大限制了传统的电力系统稳定器所能提供的正阻尼。PSS4B具有转子的转速和有功功率两种输入信号，可以很好地消除反调现象，同时PSS4B在频率为零时，其相位也能为零。针对高频段，传统电力系统稳定器增益往往较大，也许会导致轴系扭振加剧振荡，而PSS4B则能够在高频段减小增益，防止上述振荡的产生。PSS4B有三个频段，每一个频段都可以单独的进行增益调节、滤波器参数设置、相位调节和输出限幅调节，可以对多个模式的低频振荡产生良好的抑制效果。综上所述，PSS4B相比传统的PSS要优越。

IEEE提供了简单的基于三个中心频率及相应增益的参数设置方法。这三个中心频率分别对应低频振荡（用L表示），高频振荡（用H表示）和中频振荡（用I表示）。四个方程给出每个通道时间常数的计算公式。如中间频率的计算公式如下，其中R为常数，设置为1.2，Fi为中频振荡的中心频率。其他参数设置为0。

图1 PSS4B模型图

鉴于PSS4B的复杂性，且模型依赖ωL和ωI通道测量的精确性，目前国内在工程实践当中没用得到推广应用，在文献[1]中给出了基于RTDS模型的PSS4B投入效果验证，文中可以看出通过对PSS4B模型（如图1所示）的参数整定，在RTDS仿真实验中，励磁系统投入PSS4B后，系统的全频段阻尼效果良好。在文献[1]中的实验波形(图2)可以看出，在相同增益下，PSS4B针对各频段阻尼比均较理想，全频段适用性比PSS2B抑制效果更好。其中PSS2B在频率为1 Hz以上时对低频振荡的抑制效果与PSS4B相似，但在频率为1 Hz以下时则不如PSS4B。因此PSS4B相比PSS2B的优势在于其低频段抑制效果较好。可以看出，PSS4B还能有效地抑制区域模式下的低频振荡，且抑制效果明显优于其他稳定器。

2 FACTS装置附加控制

2.1 FACTS的阻尼效果

针对系统中两个不同地区机组群之间的低频振荡，采用附加阻尼控制器安装在柔性交流输电系统（FATCS）可以为其提供有效的解决方法。文献[2]采用了模态分析法，文中根据多机系统中FACTS稳定控制器来评价FACTS的阻尼效果。有研究将柔性交流输电系统的阻尼作用直接加在发电机的电磁振荡环节中，并通过发电机的励磁通道来实现阻尼作用[3]，该研究建立了一个Phil⁃lips-Heffron模型，将bang-bang带来的最强阻尼控制解释为FACTS装置的机械特性限制。Lu F C.等[4]将一种变结构理论成功应用于TCSC阻尼低频振荡控制器设计中。

在串联补偿提高功率的传输能力的同时，如果串联容抗与线路感抗相等时，即

图2 不同频率下扰动试验的阻尼效果图

则会产生电气谐振。而发电机的某一轴系固有频率fs与产生的电气谐振频率之和接近于工频时，则有可能会出现机械和电气振荡的互相耦合作用从而引发轴系扭振。Tang Y等[5]通过物理仿真实验研究了寄生于TCSC的次同步振荡产生的影响。而Li Y J等[6]应用TCSC控制器来消除轴系扭振的幅值及轴系扭振产生的积累效应，说明TCRC控制能有效消除次同步振荡。Wko R JP等[7]的研究表明，TCSC对次同步振荡呈中性，它可以降低由邻近的串联补偿电容产生的次同步振荡的影响。

2.2 FACTS装置与PSS联合控制策略

目前发现PSS在区域内的低频振荡的抑制中表现较好，但对区域间低频振荡的阻尼却无显著效果。现已有通过PMU协调各发电机的PSS来阻尼控制区域间振荡的方法，但非常复杂，而且需要全局的系统信息才能实现控制[8]。FACTS装置鉴于其安装地点灵活的优势（相比较PSS只能安装于发电机内），可有选择性地安装于可能会发生低频振荡的区域联络线上来实现低频振荡抑制。另外，FACTS装置能够有效调节系统电压，提高互联线路输送容量，增强互联区域间的阻尼，因此能够很好的抑制区间振荡。

然而实际中，PSS与FACTS设备对低频振荡的抑制效果与如何选择相应的控制信号密不可分。FACTS附加阻尼控制的输入信号一般包括线路的电流幅值Im、线路中有功电流分量Ia、有功功率P和区域惯量中心角频率ω。严伟佳等[9]系统研究了在不同情况下各种输入信号对区间振荡产生的阻尼效果。为了更好的提升系统组尼，每个阻尼控制器还能选择多种不同的控制信号，同时在系统运行方式发生变化的时候其鲁棒性也会更强。PSS一般采用转速偏差、电磁功率偏差△Pe、加速功率Pm-Pe和频率偏差△f中的一个或几个信号作为附加控制，从而产生与△ω同轴的附加力矩，增加系统对低频振荡的正阻尼，提高电力系统的动态稳定性。

目前，PSS与FACTS装置协调控制技术进入了快速发展时期。宁琳等[10]和李国杰等[11]报道了PSS与TCSC、VSC-HVDC附加阻尼控制器之间协调控制的研究。2012年我国建成的特高压局部电网中，蒋平等[12]提出了采用Prony分析检测联络线主导振荡模式，并采用PSS控制电网区域内振荡，采用SVC控制区域间振荡的方案。另外，对ACTS装置的控制带宽和控制精度的提升也是发展趋势，如UPFC、IPFC等控制技术的成熟[13]。可以预期，PSS与FACTS装置综合控制技术将是解决智能电网低频和超低频振荡问题的重要途径。

3 抑制电力系统低频振荡方法比较

由于电力系统容易受到外部扰动以及自身因素的影响，为了更有条理的分析抑制低频振荡，抑制方法被分为一次系统对策和二次系统对策[14]。一次系统对策主要包括减少重负荷输电线路并增强网架结构，同时减少送、受端的电气距离；采用串联电容补偿及直流输电方式，在输电线上装设FACTS装置。二次系统对策主要采用附加控制装置，并适当整定参数以增加抑制低频振荡的阻尼力矩，由此达到抑制低频振荡的目的。鉴于负阻尼机理得到了广泛的认可，基于这个思想，针对FACTS方法和电力系统稳定器进行了方法比较。FACTS方法包括SVC、UPFC等侧重于从负载特性、系统结构及运行方式几方面改善系统的阻尼特性，从而达到提高系统稳定性的目的。尽管改变电网结构是防止弱阻尼的根本措施，但是投资巨大，而且随着系统的变化，又可能发生新的弱联系，因此通过改进控制调节系统来增强阻尼是必要的。而PSS是抑制低频振荡的一种有效的方法，但是传统的PSS参数是针对某个低频振荡频率设计的，在其他运行情况下却不能得到最佳控制。PSS4B的出现，基本上解决了这一问题，但就目前投运情况来看，国内主要还处在建模和设计阶段，实际系统运用的比较少。

4 总结

由于抑制电力系统低频振荡中，负阻尼机理得到了广泛的认可，本文重点对新型电力系统稳定器PSS4B和FACTS装置附加控制进行了综述。从目前发展状况来看，PSS4B应当是今后推广应用的一个主流趋势。该装置目前存在的问题是：PSS4B的传递函数相比其他模型更加复杂，模型依赖ωL和ωI通道测量的精确性，并且对励磁系统控制器的调节精度和速度要求较高。需要针对这些问题进行研究。现阶段由于PSS与FACTS装置协调控制技术趋于成熟，本文概述了FACTS装置的阻尼效果以及FACTS装置与PSS的联合控制策略，比较了电力系统抑制振荡的方法，认为电力系统低频振荡多角度，多方式综合控制是今后的主要研究目标。

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