PSS2A低频段振荡抑制效果验证方法

2012-07-06郭春平

电力工程技术 2012年1期

余振，郭春平，安宁

(国电南瑞科技股份有限公司,江苏南京,210061)

随着全国各省、各地区电网的快速发展以及电网之间的联网输电，电力系统低频振荡的现象时有发生，特别是西电东输工程以及三峡机组的建成发电，低频振荡的频率有向0.15 Hz或更低发展的趋势。因此，要求电网中有更多的中、大型机组投入电力系统稳定器（PSS）[1]。2010年大唐某电厂曾经发生了0.8 Hz的低频振荡，事后检查发现，当时电网侧和电厂侧正常，没有故障情况发生，后来在该低频值下对该机组采用负载阶跃试验进行再次验证，PSS2A所提供的阻尼是正的。针对该事故现象，有必要对PSS2A在系统1 Hz以下的低频振荡抑制验证方法进行讨论分析。

1 PSS2A原理

为了防止在发电机原动机出力变化速率较快时，PSS输出过大而导致发电机无功变化超出允许的范围，目前PSS通常采用加速功率型PSS2A模型，如图1所示。

图中，ω为发电机轴的旋转角速度；P为发电机的电磁功率；高频输入为机械功率；TW1～TW4为隔直时间常数；KS1为PSS放大系数；KS2，KS3为电功率通道系数；T1～T6为超前及滞后时间常数；T7为惯性时间常数；T8，T9为高阶滤波器的时间常数；M，N为高阶滤波器的阶数。

根据发电机转子运动方程：

式中：H为发电机转动惯量；PM为机械功率；PE为电气功率；Pa为加速功率；ω为发电机轴的旋转角速度。写成频域的形式：

角速度信号和电磁功率信号的积分组合形成机械功率积分信号。该信号与电磁功率积分信号的差即为加速功率积分信号。

以加速功率积分信号作为输入的PSS理论上没有反调现象。当进行机械功率调节时，电磁功率跟随机械功率变化，因此加速功率积分信号很小，PSS基本不动作；当系统扰动引起电磁功率变化时，机械功率变化较小，加速功率积分信号基本上等于负的电磁功率积分信号，PSS发挥作用抑制功率振荡[2，3]。

2 高阶滤波环节对振荡的影响

图1模型中有2个输入量，分别是电磁功率P和转速ω，其中P可以通过机端电压和机端电流直接计算出来，一般都很准确；而ω的直接测量较为困难，需要通过软件进行计算，计算过程中通常要用到交轴电抗，而交轴电抗事实上为一个变值，很难获得，因此ω输入可能在部分频段计算不太准确，则经过两阶隔直环节（TW1，TW2）后，再与P通道输出相加后得出的机械功率积分信号就可能不准确。

图1中的T8，T9构成的高阶滤波环节，其目的是滤除ω通道产生的噪声，其理想特性应该是在低频段增益为1，相角为0，而在高频段增益为0，但实际中不可能，只能取得近似的效果，给PSS2A在过渡区带来了一些负面影响，所以T8，T9参数的设计影响PSS在过渡区频带内的作用效果。T8=0.2 s，T9=0.1 s，M=5，N=1对抑制轴系扭振有好处；T8=0.6 s，T9=0.12 s，M=5，N=1对减少反调有好处。仿真后该环节的相频幅频特性如图2和图3所示。

图2 T8=0.2 s，T9=0.1 s高阶滤波环节伯德图

图3 T8=0.6 s,T9=0.12 s高阶滤波环节伯德图

图2中T8=0.2 s，T9=0.1 s时截止频率为0.987 Hz，图3中T8=0.6 s，T9=0.12 s时截止频率为1.53 Hz，因此对于较高频率的波动通过该环节后被大幅度衰减，这样对P通道输出和ω通道输出的相加，在高频段就有可能被滤掉，使高阶滤波环节的输出值很小，此时PSS2A模型就近似于PSS1A模型。因此在PSS的超前滞后环节（T1～T6）补偿准确的前提下，对于1 Hz以下的振荡，P通道和ω通道二者的相加会有较大的输出，如果机械功率积分信号的计算不准确，会导致加速功率的计算不正确，那么PSS2A的抑制效果低频段与高频段相比较会较差，可能达不到PSS试验导则所要求的阻尼比。而对于1 Hz以上的振荡，即使机械功率积分信号的计算不准确，由于高频滤波的作用，会使加速功率的计算较为准确，PSS2A抑制系统振荡效果应该不错。

3 PSS2A低频抑制效果验证方法分析

根据《电力系统稳定器整定试验导则》[4]，PSS2A的效果检验有3种方法：负载阶跃响应效验、无故障切除系统扰动效验和改变发电机组转动惯量计算低频段PSS2A作用效验。因为后2种校验方法现场操作不便，所以现场一般都采用负载阶跃响应试验来验证PSS2A抑制效果。但是，采用负载阶跃试验引起的发电机振荡频率一般较高，通常在1 Hz以上，此外发电机的振荡频率值不易确定，所以对于1 Hz以下的低频段采用该法一般不容易验证。为了验证PSS2A抑制1 Hz以下的低频振荡效果，可以采用在机端电压或电压给定值上叠加一正弦扰动信号来验证，根据PSS2A要抑制的振荡频率值，可以调节叠加的正弦扰动信号的频率来实现，通过这种方法可以很方便地验证出PSS2A在系统1 Hz以下任意具体低频值的抑制效果。

为了验证以上所提方法的可行性，在国电南瑞科技股份有限公司所研制的励磁调节器上进行试验，采用在电压给定值上叠加正弦扰动信号，抑制频率分别是在1 Hz和0.7 Hz，其录波波形如图4和图5所示。

图4 1.0 Hz扰动录波曲线

图5 0.7 Hz扰动录波曲线

从图4和图5看出，P通道输出与ω通道输出大小基本相等，相位对应相反，两者相加后基本抵消，即合成后机械功率较小，高频滤波输出（机械功率）应远小于P输出（电磁功率），则高频滤波输出减去P输出的差值（加速功率）的计算也较为准确。试验结束后，比较有PSS和无PSS的振荡峰峰值之比，如图6所示，投入PSS时有功峰峰值明显小于PSS退出时的值，表明PSS对于0.7 Hz的振荡产生了抑制的效果。

图6 0.7 Hz PSS投退录波曲线

需要注意的是，由于不同频率下对应的PID+PSS幅频特性不同，因此输入正弦信号时，不同频率所需的信号大小也不同，在该机振荡频率附近尤其需要注意，逐渐增加正弦信号量，使观察到的有功功率曲线基本为正弦波且波动明显大于机组扰动，同时保证无功功率波动在许可的范围内。所加的正弦波最小频率只需到系统振荡模式最低频率即可。