新型电力系统稳定器动模试验研究

沈轶君，吴跨宇，韩 兵，卢岑岑

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

0 引言

随着大容量、远距离输电工程的相继投运，特高压交直流混联电网安全稳定运行问题日益突出，由于局部网架结构之间的弱联系而引发的低频振荡事件时有发生且振荡频率逐步降低[1-4]。大量理论研究和试验结果表明，机组励磁系统PSS（电力系统稳定器）的配置是抑制功率振荡的有效措施。传统PSS2B是目前国内广泛应用的PSS模型，具有模型简洁、参数易整定、抗反调等明显优势，但由于受限于高频段增益，在低频段提供阻尼的能力相对较弱[5-9]。为此，改进型模型的研究一直从未间断，文献[10]阐述了PSS4B在RTDS（实时数字仿真仪）系统上的试验情况，提出采用相位和幅值协调整定的方法进行参数优化，但PSS4B存在模型传递函数复杂、转速信号测量精度要求高等问题，在工程化应用时存在一定困难。文献[11]提供了一种改进型PSS4B-W模型设计思路及相位校正计算方法。本文在给出全新电力系统稳定器模型的基础上，研究新型电力系统稳定器的动模测试试验，提供了负载阶跃校核、定频点扰动等一系列验证手段[10-19]。

1 动模试验平台搭建

动模试验系统主接线如图1所示，具体接线方式如下：2台动模发电机组，3号发电机（G3）为同母线相邻机组，4号发电机（G4）为被试机组，2台发电机分别经各自的升压变连接至1 000 V母线，母线通过2条线路并列在一起，并经过降压变与实际380 V电网连接。其中，3号发电机机组参数为：额定电压UN=380 V，额定有功功率PN=30 kW，额定无功功率QN=22.5 kvar，额定功率因素cosφ=0.8，采用RCS9410型励磁调节器；4号发电机机组参数为：额定电压UN=380 V，额定有功功率PN=15 kW，额定无功功率QN=11.25 kvar，额定功率因素cosφ=0.8，采用PCS9410型励磁调节器。

被试机组4号发电机采用PCS9410型励磁调节器，其励磁模型如图2所示，主环AVR（自动电压调节器）采用两级超前滞后的串联PID控制方式，设置PID参数如下：比例放大倍数KA1=10，积分时间常数TB1=10，TC1=1，微分时间常数TB2=TC2=0。同时具备电力系统稳定器PSS2B，PSS4B，PSS4B-W，PSS-NB和 PSS-NB2等 5种PSS模型可供选择，PSS输出叠加点位于主环AVR或限制环输出端。

图1 动模系统主接线

图2 PCS9410型励磁调节器模型

鉴于传统PSS2B模型受制于高频增益的限制而在低频段提供阻尼不足的现象，动模试验研究主要针对新型电力系统稳定器PSS-NB和PSS-NB2的低频振荡抑制能力[20]，2种新型PSS模型如图3和图4所示。

图3 新型电力系统稳定器PSS-NB模型

图4 新型电力系统稳定器PSS-NB2模型

在已搭建的动模试验平台上，从测量4号发电机励磁系统无补偿滞后特性入手，整定计算常规PSS2B，PSS4B和PSS4B-W模型参数并进行相应的校核性试验。区别于常规PSS2B经典模型仅采用负载机端电压阶跃的方式验证PSS功能，在新型PSS-NB和PSS-NB2功能模型测试过程中，特别增加了定频点扰动试验项目来检验0.2~2 Hz全频段范围内新型PSS低频振荡抑制效果。具体来说，分别开展分环节静态测试、参数整定及校核性试验，同时检查新模型投入稳定性。在最终参数整定完成的基础上，对比定频点扰动下各型PSS输出及PSS投入后低频振荡抑制效果。最后，模拟常见故障（主要包括相邻机组功率振荡、出线近端三相短路、负荷冲击和线路投切4种故障），分析比较各型PSS响应情况。

试验采用便携式电量记录分析仪录取4号发电机机端电压、励磁电压、励磁电流、有功功率、无功功率及各型PSS输出量（包括PSS2B，PSS4B，PSS4B-W，PSS-NB和PSS-NB2），其中PSS输出量取自励磁装置内部DA（数模转换）输出，且均已折算成以额定机端电压为基准的标幺值。此外，采用LDSPhoton频谱分析仪测量4号发电机励磁系统无补偿滞后特性。

2 常规PSS动模试验测试

2.1 AD/DA环节特性

动模试验需要外加白噪声信号进行无补偿特性测量，在信号叠加点和各型PSS输出位置分别增加了AD（模数转换）和DA环节，由于AD/DA存在时间延时，测量其频谱特性如图5所示。

图5 AD/DA环节特性

由图5可知，AD/DA环节整体幅值衰减2倍（放大倍数在-5.9 dB左右），相位变化不大，在3 Hz处也仅仅相差2°左右。因此，AD/DA环节的特性对后续分析计算影响较小。

2.2 常规PSS模型参数整定

设定频谱分析仪输入信号频段为0.1～10 Hz，机端电压测量经变送器后接入频谱分析仪。调节4号发电机试验工况为：有功功率P=13.49 kW，无功功率Q=2.16 kvar，磁场电压Uf=70.89 V，磁场电流If=1.82 A，在调差设置为-4%情况下进行励磁系统无补偿滞后特性测量，测量结果见表1。

表1 机组实测滞后特性

根据实测滞后特性计算PSS2B，PSS4B和PSS4B-W相位补偿，可得到3种PSS模型相位校正参数。PSS2B整定参数如表2所示，PSS4B参数采用IEEE标准经典参数，PSS4B-W整定参数如表3所示。

表2 PSS2B整定参数

表3 PSS4B-W整定参数

2.3 常规PSS模型校核性试验

在3种PSS模型参数整定完成的基础上，采用机端电压给定负载阶跃的方式进行校核，根据阶跃过程中有功功率的动态响应过程，计算实测有功功率振荡特性参数如表4所示。

表4 不同PSS投入时5%阶跃响应特性参数

由表4中数据可得，PSS2B和PSS4B-W投入下的有功功率振荡均有显著抑制，而标准参数下的PSS4B投入后，阻尼比仅提高了0.02，振荡频率变化量接近40%，表明经典参数下的PSS4B不具备普遍适用性，也需要进行现场整定，但由于模型本身的复杂性，整定难度较大。PSS4B-W投入后，相位补偿相对于PSS4B有明显超前，阻尼比有较大提高，频率变化符合标准规定要求[21]。

3 新型PSS动模试验测试

3.1 新型PSS模型参数整定及校核性试验

根据表1中实测无补偿滞后特性计算PSSNB和PSS-NB2相位补偿，可得到2种新型PSS相位校正参数。值得注意的是，在整定各型PSS参数过程中，相位补偿应尽量以有补偿特性相近为依据，放大倍数的选取以临界放大倍数时励磁电压或无功功率变化量一致为原则。因此，PSSNB和PSS-NB2整定参数分别见表5和表6。

表5 PSS-NB整定参数

表6 PSS-NB2整定参数

和常规PSS试验测试方法类似，采用机端电压给定负载阶跃的方式进行校核，与无PSS下的有功功率振荡情况对比如图6所示。

图6 机组负载5%电压阶跃波形

经参数整定的新型PSS-NB和PSS-NB2投入后，有功功率振荡基本没有出现第2个波头，阻尼比有显著提升，实测振荡频率分别为0.978 Hz和0.943 Hz，频率变化符合标准规定要求[21]，表明新型PSS有功功率振荡抑制效果优异。

3.2 新型PSS投入稳定性检查

保持4号发电机在高负荷工况，分别投入PSS-NB和PSS-NB2持续运行，采用长时间监视录波的方式验证新型PSS投入稳定性，录波曲线对比如图7所示。在稳定录波1 000 s过程中，PSS-NB投入后机组电压、功率等相关电气量未发生较大变化，而PSS-NB2投入后有功功率变化幅值为0.232 kW，无功功率变化幅值为0.405 kvar，PSS-NB2输出变化幅值为0.031 p.u.，相比于PSS-NB投入后的情况，波动幅度略有增加。同时可以发现，PSS-NB2存在一定程度的高频抖动，需要进一步研究加装相应滤波等附加环节的措施。总体而言，新型PSS投入下机组运行稳定。

3.3 定频点扰动下PSS输出对比分析

定频点正弦扰动是校验PSS模型在各个频段相位补偿效果的重要手段。在PSS退出情况下，采用频谱分析仪在0.2~2 Hz范围内进行定频点扰动试验，对比不同频点下各型PSS输出幅值及与有功功率的相位校正关系。以0.5 Hz，1 Hz，1.5 Hz和2 Hz 4个频点数据为例，定频点扰动波形如图8所示。

图7 PSS-NB与PSS-NB2投入稳定性对比

根据图8所示，1 Hz频点处PSS输出幅值明显大于其他频点，表明各型PSS在本机振荡点附近抑制效果最好，在低频段和高频段有所减弱，与理论分析一致。从与有功功率的相位关系上看，PSS2B，PSS-NB和PSS-NB2相位校正较好，PSS4B-W相位补偿略微滞后，PSS4B则滞后较多，与前述PSS投入后校核性试验结果吻合。此外，对比图中数据还可以发现，PSS-NB和PSSNB2的输出略大于PSS2B，表明在该频率范围内尤其是低频段和高频段区域，PSS-NB和PSSNB2模型抑制有功功率振荡的效果优于PSS2B模型。

4 动模试验平台的故障模拟

在动模试验平台上模拟工程化应用时可能出现的故障类型，例如相邻机组功率振荡、出线近端三相短路、负荷冲击和线路投切等。以相邻机组功率振荡作为典型故障分析，设置3号发电机作为扰动机组，分别在4号发电机PSS退出和各型PSS投入的情况下，进行0.2~2 Hz之间不同频率、不同幅值的功率扰动试验，实测4号发电机有功功率振荡幅值变化量如表7所示。其中，3号发电机0.5 Hz功率扰动下的4号发电机有功功率振荡特性对比如图9所示。

扰动源3号发电机的有功功率强迫振荡引起4号发电机出现对应功率摆动现象，对比表7和图9数据可知，相比于PSS退出下的情况，各型PSS投入后由于强迫扰动的原因振荡现象虽无法平息，但功率波动幅值基本都有一定程度的减小，其中PSS-NB2投入后效果最为显著，PSS4BW和PSS-NB投入后也较为明显。

图8 定频点扰动波形

表7 不同PSS投入时功率振荡特性参数kW

图9 不同PSS投入时功率振荡特性对比

同样，在机组出线近端模拟三相金属性短路故障0.1 s切除，不同PSS投入前后响应特性对比如图10所示。

图10 不同PSS投入时短路故障响应特性对比

由图10可知，相比于PSS退出情况下的三相金属性短路故障，PSS2B，PSS4B-W和PSSNB，PSSNB2投入后有功功率振荡波动次数明显减少，平息速度较快，表明PSS在短路过程中正确发挥抑制作用，而经典参数下的PSS4B投入后效果并不明显。

5 结语

本文以双机动模系统为试验平台，开展新型PSS模型参数整定及校核性试验，同时检查新模型投入稳定性。校核性试验结果表明，整定参数下的新型PSS具有很好的阻尼低频振荡作用。

以定频点扰动作为校验PSS模型在各个频段相位补偿的重要手段，得出在0.2～2 Hz频率范围内尤其是低频段和高频段区域，PSS-NB和PSSNB2模型抑制有功功率振荡的效果优于PSS2B模型的结论。通过对相邻机组功率振荡和出线近端三相短路故障的模拟，进一步验证新型PSS对功率振荡的抑制能力。

经过动模试验全面验证了新型PSS抑制效果和运行稳定、可靠性，对新型PSS进一步工程化应用具有重要的意义。