高文波，龔小燕

(1. 云南能投有能科技股份有限公司，昆明 650051；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司培訓(xùn)與評價(jià)中心，昆明 650204)

0 前言

大容量、遠(yuǎn)距離直流輸電技術(shù)在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，減少了系統(tǒng)的阻尼[1-7]。

文獻(xiàn)[8-9]從調(diào)速系統(tǒng)的角度闡述了云南電網(wǎng)低頻振蕩產(chǎn)生的原因。文獻(xiàn)[10]考慮了直流頻率控制功能（FLC）與系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)控制的影響。文獻(xiàn)[11-12]討論了云南異步聯(lián)網(wǎng)之后低頻振蕩的影響及相關(guān)措施。文獻(xiàn)[13]論述了采用GPSS抑制系統(tǒng)低頻振蕩的特點(diǎn)。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)經(jīng)過實(shí)踐證明是解決目前我國大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)情況下伴生的低頻振蕩問題的有效解決手段，其對系統(tǒng)低頻振蕩的抑制作用主要取決于其參數(shù)的合理整定，均采用相位補(bǔ)償參數(shù)和主回路增益分別整定的方法。其中，相位補(bǔ)償參數(shù)三個(gè)通用導(dǎo)則均規(guī)定了相同的功角-10°至45°的補(bǔ)償范圍要求，所有的整定參數(shù)只需滿足該范圍要求即可；主回路增益采用取臨界增益系數(shù)的1/3至1/2；其他未進(jìn)行明確的要求。目前電廠機(jī)組投產(chǎn)初期，電網(wǎng)調(diào)度部門要求的機(jī)組電力系統(tǒng)穩(wěn)定器試驗(yàn)及參數(shù)整定即普遍按照以上模式進(jìn)行。

但現(xiàn)有的PSS參數(shù)整定方法值考慮了系統(tǒng)的功角補(bǔ)償，并沒有考慮對其角速度進(jìn)行補(bǔ)償，可能會降低系統(tǒng)的最大傳輸容量，限制系統(tǒng)的能源外送能力。提出了新的PSS綜合增益系數(shù)計(jì)算方法，提高了系統(tǒng)在低頻段的阻尼系數(shù)，通過實(shí)際現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的有效性，提高了實(shí)際系統(tǒng)的電力外送能力。

1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器原理及分析

根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的工作原理，其對電力系統(tǒng)低頻振蕩的阻尼效果，主要取決于主回路考慮相位補(bǔ)償時(shí)間后的等效放大倍數(shù)在圖1中的縱坐標(biāo)角速度軸上的分解量。目前電力系統(tǒng)中普遍采用的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型為PSS2B模型圖2，該模型結(jié)構(gòu)在勵(lì)磁調(diào)節(jié)中固化，換言之，同一發(fā)電機(jī)組在理論上可以整定多組參數(shù)，但是在現(xiàn)場只能采用唯一一組電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)。

圖1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器工作原理示意圖

圖1中，具體符號為：Δδ為功角軸；Δω為角速度；以坐標(biāo)原定為起始點(diǎn)，向量1、向量2、向量3和向量4分別代表電力系統(tǒng)穩(wěn)定器所附加的力矩的向量示意圖。

圖2，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS2B模型中，具體的符號為：s為數(shù)學(xué)領(lǐng)域中傳統(tǒng)的拉普拉斯變換因子；Tw1、Tw2、Tw3、Tw4為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器角速度和電功率兩個(gè)輸入通道的隔直時(shí)間常數(shù)；Ks2為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器電功率輸入通道的功率慣性環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)；T7為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器電功率輸入通道的功率慣性環(huán)節(jié)的慣性時(shí)間常數(shù)；Ks3為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器中轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)矩計(jì)算中所需的電功率部分的放大倍數(shù)；T8、T9分別為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器中陷波器的分子和分母時(shí)間常數(shù)，M、N為該陷波器對應(yīng)的分母階數(shù)和分子階數(shù)；Ks1為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器主回路增益系數(shù)；T1、T2為電力系統(tǒng)第一級相位補(bǔ)償用超前、滯后時(shí)間常數(shù)；T3、T4為電力系統(tǒng)第二級相位補(bǔ)償用超前、滯后時(shí)間常數(shù)；T5、T6為電力系統(tǒng)第三級相位補(bǔ)償用超前、滯后時(shí)間常數(shù)；Usmax為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器輸出最大限幅值；Usmin為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器輸出最小限幅值；Us為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器輸出信號。

一方面在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)下只是采用單機(jī)無窮大的試驗(yàn)方式對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；另一方面，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及規(guī)模的擴(kuò)大必然導(dǎo)則系統(tǒng)振蕩模式的改變，而滿足電廠投產(chǎn)初期電網(wǎng)振蕩模式阻尼要求的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定參數(shù)隨著電網(wǎng)的發(fā)展，開始逐漸的由于系統(tǒng)振蕩模式的改變而開始出現(xiàn)不能滿足電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定計(jì)算指標(biāo)的要求的情況，甚至出現(xiàn)由于系統(tǒng)動穩(wěn)能力不足而導(dǎo)致局部電網(wǎng)電力外送受限問題，在此情況下，對結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)開展優(yōu)化整定工作就成為勢在必行的工作。

圖2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS-2B模型）

在電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)整定過程中，必須將系統(tǒng)所關(guān)注的振蕩模式和本機(jī)振蕩模式結(jié)合，但是考慮到現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)所關(guān)注的振蕩模式的阻尼效果通常無法現(xiàn)場驗(yàn)證，現(xiàn)場擾動僅僅能夠驗(yàn)證本機(jī)振蕩模式的阻尼效果；同時(shí)考慮到現(xiàn)場如果僅僅保證本機(jī)振蕩模式的阻尼效果，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定參數(shù)可以有多種組合，每種組合在系統(tǒng)所關(guān)注的低頻段呈現(xiàn)出較大的差異，而按照目前普遍采用的現(xiàn)場整定方法，系統(tǒng)所關(guān)注的低頻段僅僅考慮其相位補(bǔ)償效果，在此情況下，根據(jù)圖1的示意圖可以看到，在同一頻率點(diǎn)下，相同的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器主回路增益由于相位補(bǔ)償?shù)牟町?，其在角速度軸上的分解量可能差異較大，而該部分差異可能導(dǎo)致電網(wǎng)局部地區(qū)動穩(wěn)水平不足，從而影響電網(wǎng)對局部中、小水電的電力外送能力，該現(xiàn)象在目前我國的云南、四川等地的局部地區(qū)中、小水電送出受限問題中體現(xiàn)的非常明顯。

為此，非常有必要在目前電力系統(tǒng)穩(wěn)定器現(xiàn)場參數(shù)整定過程中，通過定義相應(yīng)的整定參數(shù)的評價(jià)指標(biāo)，尤其是低頻段的評價(jià)指標(biāo)，將電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)和主回路的增益加以結(jié)合，綜合評估電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定參數(shù)的優(yōu)劣性，尤其是系統(tǒng)所關(guān)注的低頻段的優(yōu)劣性，對解決目前我國局部地區(qū)中、小水電由于動穩(wěn)水平不足而面臨的送出受限問題的解決將具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)綜合增益系數(shù)計(jì)算

根據(jù)以上分析，非常有必要在目前電力系統(tǒng)穩(wěn)定器現(xiàn)場參數(shù)整定過程中，通過定義相應(yīng)的整定參數(shù)的評價(jià)指標(biāo)，尤其是低頻段的評價(jià)指標(biāo)，將電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)和主回路的增益加以結(jié)合，綜合評估電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定參數(shù)的優(yōu)劣性，尤其是系統(tǒng)所關(guān)注的低頻段的優(yōu)劣性。因此，本文提出勵(lì)磁系統(tǒng)綜合增益系數(shù)計(jì)算方法。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS-2B模型圖2中，其相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)需要考慮PID各個(gè)環(huán)節(jié)，分別計(jì)算各個(gè)環(huán)節(jié)在電力系統(tǒng)穩(wěn)定器工作頻段范圍內(nèi)的幅頻和相頻情況：在此過程中，假定以上各個(gè)環(huán)節(jié)在電力系統(tǒng)穩(wěn)定器工作頻段范圍內(nèi)的各個(gè)頻率點(diǎn)的幅值和相位分別為：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，根據(jù)圖1的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器工作原理圖，將以上得到的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器總體增益按照相位補(bǔ)償效果進(jìn)行向量分解，即將電力系統(tǒng)穩(wěn)定器總體增益KPSS_2B按照相位補(bǔ)償效果分解到角速度軸和功角軸，此時(shí)得到的角速度軸分量即為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器真正其作用的部分，在此單獨(dú)定義該分解量為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器性能評價(jià)參數(shù)K，其計(jì)算過程如下：

按照以上計(jì)算過程，對每一個(gè)頻率點(diǎn)開展如上的計(jì)算，即可得到電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在整個(gè)工作頻率帶范圍內(nèi)各個(gè)頻率點(diǎn)的綜合增益系數(shù)K。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，針對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器試驗(yàn)現(xiàn)場所提供的各組電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)，計(jì)算得到的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器綜合增益系數(shù)K，然后畫出各組參數(shù)所對應(yīng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器工作頻段范圍內(nèi)的綜合增益系數(shù)圖；在此過程中，結(jié)合電力系統(tǒng)計(jì)算所得的所關(guān)注的振蕩頻率點(diǎn)，根據(jù)其大小，即可以明確的篩選出對系統(tǒng)最有利的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定參數(shù)，以滿足現(xiàn)場試驗(yàn)的要求。

3 實(shí)際算例分析

本次苗尾電廠PSS參數(shù)優(yōu)化問題基于以下原則進(jìn)行，即：以現(xiàn)有PSS參數(shù)中本機(jī)振蕩模式下的綜合放大倍數(shù)不變?yōu)榛驹瓌t。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，機(jī)組正常運(yùn)行情況下的機(jī)組有功波動頻率為本機(jī)振蕩模式下的頻率，且原參數(shù)在本機(jī)振蕩模式下的綜合放大倍數(shù)考慮為現(xiàn)場所能夠接受的最大值，在PSS參數(shù)優(yōu)化過程中保證本機(jī)振蕩模式下的PSS綜合放大倍數(shù)不變，通過優(yōu)化其余參數(shù)(T1、T2、T3、T4、T13、T14以及Ks1參數(shù))，考慮系統(tǒng)方式計(jì)算中苗尾電廠所參與的滇西北對滇西南振蕩頻率為0.525 Hz的振蕩模式，以及保山對麗江振蕩頻率為0.606 Hz的振蕩模式，以達(dá)到最終優(yōu)化的目的。

表1 補(bǔ)償參數(shù)

可以看出，優(yōu)化參數(shù)因?yàn)椴捎萌趸哳l段以提高機(jī)組臨界增益優(yōu)化原則，現(xiàn)場參數(shù)相位補(bǔ)償效果略優(yōu)于其他三組參數(shù)，但均滿足相關(guān)規(guī)程要求。

在云南電網(wǎng)苗尾水電廠PSS參數(shù)整定現(xiàn)有參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別開展了相關(guān)的整定研究及現(xiàn)場研究工作。

圖3 綜合放大倍數(shù)圖

綜合比較各組參數(shù)，在本機(jī)振蕩模式下PSS綜合放大倍數(shù)保持不變的情況下，單獨(dú)分析低頻率段，優(yōu)化參數(shù)1、優(yōu)化參數(shù)2和優(yōu)化參數(shù)3綜合放大倍數(shù)均優(yōu)于現(xiàn)場參數(shù)，尤其是優(yōu)化參數(shù)1，在苗尾機(jī)組所參與的振蕩模式中，0.5-0.6 Hz的綜合放大倍數(shù)是現(xiàn)場參數(shù)的3-4倍；優(yōu)化參數(shù)3在同樣三級補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，通過弱化高頻段的相位補(bǔ)償效果，在0.5-0.6 Hz頻帶范圍內(nèi)的綜合放大倍數(shù)相較現(xiàn)場原參數(shù)提高了近30%。通過該方法，增加傳輸通道容量112.3 MW，提高麗江片區(qū)的穩(wěn)定能力。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后系統(tǒng)局部電網(wǎng)所面臨的動穩(wěn)問題，提出了PSS參數(shù)的優(yōu)化整定過程中，適當(dāng)弱化本機(jī)振蕩模式的相位補(bǔ)償，并在此基礎(chǔ)上整體提高PSS主回路的整體放大倍數(shù)以保證本機(jī)振蕩部分的阻尼效果，根據(jù)PSS在系統(tǒng)所關(guān)注的低頻段的綜合放大倍數(shù)按照頻段進(jìn)行選擇，得出結(jié)論如下：

1）三組優(yōu)化新參數(shù)對本機(jī)振蕩模式的阻尼效果均明顯好于原參數(shù)；

2）三組優(yōu)化新參數(shù)對本機(jī)振蕩模式的阻尼效果差異較小，單從本機(jī)振蕩模式分析，選擇三組優(yōu)化的任何一種均可；

3）三組優(yōu)化新參數(shù)中第一組的無功反調(diào)量相較原參數(shù)和優(yōu)化新參數(shù)二和優(yōu)化新參數(shù)三偏大，但是均在規(guī)程要求的范圍內(nèi)；

4）三組優(yōu)化新參數(shù)對本機(jī)振蕩模式的阻尼效果和反調(diào)效果均能夠滿足規(guī)程要求，選擇標(biāo)準(zhǔn)將唯一取決于其對系統(tǒng)關(guān)注的低頻段的阻尼效果。