宽频段电力系统稳定器研究

刘明群，刘喜泉

(1.云南电网责任有限公司电力科学研究院，昆明 650217；2.三峡集团溪洛渡电厂，云南 昭通 657000)

宽频段电力系统稳定器研究

刘明群1，刘喜泉2

(1.云南电网责任有限公司电力科学研究院，昆明 650217；2.三峡集团溪洛渡电厂，云南 昭通 657000)

随着电网规模越来越大，电力系统低频振荡问题日益突出。电力系统稳定器 (PSS)是解决低频振荡的有效措施之一，针对目前使用的PSS存在一些不足，笔者对宽频段的电力系统稳定器进行了研究，文中对宽频段电力系统稳定器产生的原因、模型参数、仿真结果和现场实测的准备工作进行了说明，希望对其在工程的应用具有借鉴意义。

电力系统稳定器；宽频段；低频振荡

0 前言

由于电力系统的发展、互联电力系统的出现和扩大、快速自动励磁调节器和快速励磁系统的应用，国内外不少电力系统出现了低频功率振荡，严重影响电力系统的安全稳定运行，成为制约联络线输送功率极限提高的最重要因素之一。低频振荡的产生的机理可以参考发电机的 Heffron-Philips模型研究和F.Demello和C.Concordia提出的负阻尼机理，目前为止是对低频振荡给出的最权威和经典的解释。

根据低频振荡产生的机理和原因，抑制电力系统低频振荡的主要措施有：电力系统稳定器、高压直流控制、可控串补、静止无功补偿器辅助控制等。国际大电网会议第38组35.01.07工作组对各种阻尼振荡措施进行了研究，并依其效果进行排序，电力系统稳定器排在首位，其次是HVDC和SVC辅助控制。目前我国50 MW以上的发电机组都安装了电力系统稳定器，电力系统稳定器也成为励磁调节器的标准模块之一。

目前我国发电机组投入的电力系统稳定器模型主要以PSS—1A、PSS—2A、PSS—2B模型为主，PSS-2A和PSS-2B模型相对于PSS-1A模型的区别是对机组的反调功能抑制明显，这对于负荷调整频繁的水电机组尤为重要，这些模型的电力系统稳定器对机组本机振荡频率或者较高频率的振荡作用明显，但是随着更大规模的电网规电网互联和更多快速励磁系统的投入，存在更低频率的振荡模式，尤其低频范围内滞后相位相差较大时，为了保证PSS在低频段能够产生足够的相位移，PSS的隔直时间常数有时候需要取得较大，使得PSS的幅值在低频段和高频段相差较大。如果通过提高PSS装置直流增益的方法来保证高频段PSS的阻尼效果，可能会导致低频段幅值过大，引起发电机的无功波动，如果隔直时间常数取得不够大，又会出现PSS装置在低频段所产生的相位移不够，不能提供足够的相位补偿角，在系统发生低频振荡时，不能提供较大的正阻尼，现有的PSS模型难以满足系统宽频段范围内调节相位的需要。

1 新型电力系统稳定器

如何抑制电力系统不同频段的的低频振荡，目前国际上提出新的电力系统稳定器模型PSS4B，2005年版的IEEC中PSS分类中收录了PSS4B模型。《同步电机励磁系统电力系统研究用模型》将PSS划分为 PSSI(单输入信号 PSS)、PSSII (加速功率型PSS)和PSSIII(双输入信号PSS)。

2000年加拿大魁北克电力局提出来的新的电力系统稳定器，它是在PSS2B的基础上加以改进而形成的。它的最大特点在于将转速信号分成低频、中频及高频三个阶段，它们都可以单独调节增益、相位、输出限幅及滤波器参数，为不同频段的低频振荡提供合适的阻尼。低频段是指系统中全部机组共同波动，即相当于频率飘动的模式(0.04～0.06 Hz)，中频段指区域模式 (0.1～1.0 Hz)，高频段指本地模式 (0.8～4.0 Hz)。因为一般稳定器的隔离环节在低频段，总是提供较大相位领先，限制了稳定器可提供的正阻尼，有时甚至提供负阻尼，而PSS4B的相位频率为零时，可达到零。在高频段，一般稳定器的增益较大，有可能会令轴扭振荡加剧，但PSS4B在高频段可使增益减小，有利于防止振荡，其性能理论上优于一般的电力系统稳定器，目前，南瑞电控公司生产的NES6 100励磁调节器也已具备PSS4B功能。

图1 PSS2B传递函数模型

图2 PSS4B传递函数模型

图1、图2给出了PSS2B和PSS4B的传递函数，PSS2B模型大家已经非常熟悉，PSS4B传递函数中参数说明如下：V1为低频段的转子角速度；V2为发电机有功功率；KL1和KL2为低频段带通环节函数的增益、KL为低频带增益；TL1、TL2、TL7、TL8为低频段带通环节函数的时间常数；TL3、TL4、TL5、TL6、TL9、TL10、TL11、TL12为低频段超前滞后环节函数的时间常数；VLmin和VLmax为低频带输出限幅值；VST、VSTmin、VSTmax分别为PSS4B输出幅值及其限幅值；KL11、KL17为低频段带通环节函数的常数，一般取1；中频段 (下标I表示)和高频段 (下标H表示)的变量依次类推。

图3 PSS2B和PSS4B幅频相频波特图对比

2 新型稳定器PSS4B仿真研究

对比PSS2B和PSS4B模型，对比其波特图可以明显看到，不同的PSS在0.1～5 Hz有非常相似的相频响应的波形，然而PSS4B的增益在关键的区间模型 (0.1～1)频率上表现更好。

对ABB公司的UNITROL 6800的励磁调节器的PSS2B和PSS4B模型利用RTDS进行了仿真测试，被试机组有功功率300 MW，无功功率20 Mvar，分别在1.2 Hz、1.0 Hz、0.8 Hz、0.6 Hz、0.4 Hz、0.2 Hz和0.1 Hz的扰动，进行3%的定子电压扰动，在PSS2B模型和PSS4B模型的试验录波数据如图4、图5。

图4 不同频率扰动下PSS2B模型抑制效果

图5 不同频率扰动下PSS4B模型抑制效果

有仿真试验录波结果来看，PSS4B对于有功振荡的抑制效果，尤其是0.6 Hz以下的有功振荡效果明显好于PSS2B。

3 现场实测准备

对于目前大多数的励磁调节器具有PSS2B功能，两个输入通道都分别对转速和有功功率信号做了检测，这与新型的PSS4B功能从硬件上来说并无实质性的差别，只需要在软件上增加区分频率的代码即可实现PSS4B功能。由于模型中三个频段的六个传递函数通道是致的，因此可以统一编制子程序来分别调用。当然，改进之后的PSS4B模型与传统的PSS模型在程序中并不冲突，可以共存，电厂根据系统运行方式的需要进行选择不同的模型。

1)为了保证试验安全，首先利用频谱分析仪对传递函数的相频和幅频进行静态测试，确保模型的完好性；

2)首先验证PSS的输出限制环节，将其限制到必要的值，确保不发生大的不需要的波动；

3)对PSS4B模型和PSS2B模型对不同频率模式抑制效果的对比；

有关文献提及PSS4B模型的参数可以不用整定，直接带入验证即可，笔者很不认同这个观点。虽然PSS4B模型将低频段进行了细分，每个频段的滞后特性的变化范围与整个频段笑了许多，但是，根据现场无补偿相频特性的测定的情况来看，每个频段的相位变化范围甚至达到30～40°，为了达到最佳的整定效果，同样需要现场测试无补偿相频特性，针对每台机组具体情况进行整定。

从表面上看，PSS4B模型需要设置的参数比PSS2B模型多很多，但这并不意味着其参数整定更麻烦。虽然PSS4B的滤波器有种设置方式，但是通常把它设置成对称的带通滤波器形式，在中心频率点其增益最大，且相位为零，便于进行超前滞后计算。

4 结束语

综上所述，PSS1A模型反调现象严重，PSS2B模型对宽频段范围内调整相位不能很好的适应，PSS4B可以在更大的频率范围内提供更好的灵活性来获得更好的调节性能，应用前景看好。

[1] 方思立，朱方.电力系统稳定器的原理及应用 [M].北京：中国电力出版社，1996.

[2] 刘取.电力系统稳定性及发电机励磁控制 [M].北京：中国电力出版社，2007.

[3] 现代同步发电机励磁系统设计及应用 [M].北京：中国电力出版社，2009.

[4] 中国电力科学研究院，三峡水力发电厂.三峡PSS项目工程报告 [R].2004，12：1-3.

[5] 邓集祥，华瑶，韩雪飞.大干扰稳定中低频振荡模式作用研究 [J].中国电机工程学报，2003，23(11).

[6] 袁亚洲.基于RTDS的多频段电力系统稳定器效果验证[J].电力系统自动化，2013，37(18).

[7] 尚超.新型电力系统稳定器PSS4B的分析与仿真 [J].华东电力，2013，41(3).

[8] I.Kamwa.IEEE PSS2B Versus PSS4B：The Limits of Performance of Modern Power System[Z].9.Stabilizers[Z]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS，VOL.20.NO.2，MAY 2005.

Study on Broadband Power System Stabilizer

LIU Mingqun1，LIU Xiquan2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；2.Xiluodu power plant，Zhaotong，Yunnan 657000，China)

With the development of power grid scale，the problem of power system low frequency oscillation is increasingly outstanding.Power system stabilizer(PSS)is one of the effective measures to solve the low frequency oscillation，as the same time the PSS has some shortcomings.The author studies the wild band power system stabilizer，analyzing the causes，the model parameters，the simulation results and preparation of the field test，We hope to have reference significance in engineering application.

power system stabilizer；broadband；low frequency oscillations

TM72

B

1006-7345(2015)04-0072-03

2015-03-24

刘明群 (1976)，男，硕士，高级工程师，云南电网责任有限公司电力科学研究院，从事电力系统研究及仿真工作 (email)147056661＠qq.com。

刘喜泉 (1980)，男，硕士，高级工程师，三峡集团溪洛渡电厂，从事电力系统运行及维护工作。