電力系統(tǒng)抑制低頻振蕩綜合控制技術(shù)

崔俊濤

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，甘肅蘭州 730020）

0 引言

目前，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，超高壓輸電線路的增長以及大容量機(jī)組、快速勵磁裝置的運(yùn)行，電力系統(tǒng)的阻尼特性日漸惡化，極大的影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。由電網(wǎng)互聯(lián)而產(chǎn)生的低頻振蕩，在網(wǎng)絡(luò)容量相對較小的時候，同步發(fā)電機(jī)聯(lián)系緊密，系統(tǒng)有足夠的阻尼，很少發(fā)生低頻振蕩的現(xiàn)象。自從上世紀(jì)60年代在北美中部大陸的西北和西南聯(lián)合系統(tǒng)互聯(lián)時觀察到低頻振蕩現(xiàn)象以來，由于大容量的機(jī)組在電網(wǎng)中的不斷投運(yùn)，快速勵磁的普遍使用，低頻振蕩現(xiàn)象在大電網(wǎng)中時有發(fā)生。近年來，低頻振蕩現(xiàn)象在中國電網(wǎng)頻繁出現(xiàn)，尤其是建設(shè)特高壓電網(wǎng)后形成的“三華”電網(wǎng)（華北、華中、華東），因?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)模巨大，區(qū)域間振蕩的頻率將可能降低至0.1 Hz以下超低頻振蕩，已經(jīng)成為威脅互聯(lián)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的突出問題。

鑒于電力系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，人們始終在關(guān)注低頻振蕩并展開相應(yīng)的研究，目前目前系統(tǒng)阻尼減小被普遍認(rèn)為是低頻振蕩產(chǎn)生的原因之一。因此，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以通過在系統(tǒng)中增加正阻尼來抑制系統(tǒng)低頻振蕩的發(fā)生。本文擬通過分析新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和FACTS裝置提高系統(tǒng)阻尼從而抑制電力系統(tǒng)低頻、超低頻振蕩的方法，總結(jié)其利弊及適用性，提出電力系統(tǒng)低頻振蕩綜合控制技術(shù)的思路。

1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

1.1 模型簡介

PSS作為一種附加勵磁控制，它的實(shí)質(zhì)是給勵磁系統(tǒng)提供一個附加信號，將該信號按需要進(jìn)行相位補(bǔ)償和放大，由此產(chǎn)生的控制信號加入到自動電壓調(diào)節(jié)器上，從而可以控制勵磁系統(tǒng)來增加發(fā)電機(jī)的阻尼轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)抑制系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩。2005年IEEE將PSS劃分PSS1A、PSS2B、PSS3B、PSS4B。其中：PSS1A是一種單輸入PSS，具有兩級超前滯后環(huán)節(jié)。輸入量普遍采用功率P，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中0.1～2.5 Hz范圍內(nèi)的低頻振蕩中起到良好的抑制效果，缺點(diǎn)是會出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象。PSS1A的主要適用范圍是火電廠，火電機(jī)組的特點(diǎn)是調(diào)負(fù)荷很慢，不會產(chǎn)生機(jī)組無功反調(diào)；PSS2B是一種雙輸入PSS，兩個輸入量分別是頻率ω和功率P，具有三級超前滯后環(huán)節(jié)。PSS2B利用ω和P計算得到發(fā)電機(jī)的加速功率ΔPa，當(dāng)發(fā)電機(jī)組單方向增加負(fù)荷或者單方向減少負(fù)荷時，其加速功率等于零，由于PSS不起作用所以不產(chǎn)生無功反調(diào)。只有當(dāng)發(fā)電機(jī)組有功功率增減變化時，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器才起作用，抑制系統(tǒng)低頻振蕩。所以PS2B通過合成加速功率巧妙地解決了PSS1A的反調(diào)問題。PSS2B的缺點(diǎn)是在斜坡函數(shù)截止頻率過渡區(qū)對系統(tǒng)振蕩的抑制效果不理想。為了使PSS可以依照不同的要求調(diào)整補(bǔ)償從而改善多個振蕩模式的阻尼特性，使其對其他振蕩模式的不利影響減到最低，多頻段PSS模型成為研究的一個熱點(diǎn)方向。于是，PSS4B便應(yīng)運(yùn)而生了。

1.2 PSS4B模型

在這里以目前的研究趨勢，以新型多頻段電力系穩(wěn)統(tǒng)定器PSS4B為例，分析其對電力系統(tǒng)低頻振蕩的控制效果。通常情況下，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器只有一個通道，所以低頻段和高頻段根本無法同時兼顧，尤其是在超低頻段，存在較大的超前相位角，大大限制了傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器所能提供的正阻尼。PSS4B具有轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和有功功率兩種輸入信號，可以很好地消除反調(diào)現(xiàn)象，同時PSS4B在頻率為零時，其相位也能為零。針對高頻段，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器增益往往較大，也許會導(dǎo)致軸系扭振加劇振蕩，而PSS4B則能夠在高頻段減小增益，防止上述振蕩的產(chǎn)生。PSS4B有三個頻段，每一個頻段都可以單獨(dú)的進(jìn)行增益調(diào)節(jié)、濾波器參數(shù)設(shè)置、相位調(diào)節(jié)和輸出限幅調(diào)節(jié)，可以對多個模式的低頻振蕩產(chǎn)生良好的抑制效果。綜上所述，PSS4B相比傳統(tǒng)的PSS要優(yōu)越。

IEEE提供了簡單的基于三個中心頻率及相應(yīng)增益的參數(shù)設(shè)置方法。這三個中心頻率分別對應(yīng)低頻振蕩（用L表示），高頻振蕩（用H表示）和中頻振蕩（用I表示）。四個方程給出每個通道時間常數(shù)的計算公式。如中間頻率的計算公式如下，其中R為常數(shù)，設(shè)置為1.2，F(xiàn)i為中頻振蕩的中心頻率。其他參數(shù)設(shè)置為0。

圖1 PSS4B模型圖

鑒于PSS4B的復(fù)雜性，且模型依賴ωL和ωI通道測量的精確性，目前國內(nèi)在工程實(shí)踐當(dāng)中沒用得到推廣應(yīng)用，在文獻(xiàn)[1]中給出了基于RTDS模型的PSS4B投入效果驗(yàn)證，文中可以看出通過對PSS4B模型（如圖1所示）的參數(shù)整定，在RTDS仿真實(shí)驗(yàn)中，勵磁系統(tǒng)投入PSS4B后，系統(tǒng)的全頻段阻尼效果良好。在文獻(xiàn)[1]中的實(shí)驗(yàn)波形(圖2)可以看出，在相同增益下，PSS4B針對各頻段阻尼比均較理想，全頻段適用性比PSS2B抑制效果更好。其中PSS2B在頻率為1 Hz以上時對低頻振蕩的抑制效果與PSS4B相似，但在頻率為1 Hz以下時則不如PSS4B。因此PSS4B相比PSS2B的優(yōu)勢在于其低頻段抑制效果較好?？梢钥闯觯琍SS4B還能有效地抑制區(qū)域模式下的低頻振蕩，且抑制效果明顯優(yōu)于其他穩(wěn)定器。

2 FACTS裝置附加控制

2.1 FACTS的阻尼效果

針對系統(tǒng)中兩個不同地區(qū)機(jī)組群之間的低頻振蕩，采用附加阻尼控制器安裝在柔性交流輸電系統(tǒng)（FATCS）可以為其提供有效的解決方法。文獻(xiàn)[2]采用了模態(tài)分析法，文中根據(jù)多機(jī)系統(tǒng)中FACTS穩(wěn)定控制器來評價FACTS的阻尼效果。有研究將柔性交流輸電系統(tǒng)的阻尼作用直接加在發(fā)電機(jī)的電磁振蕩環(huán)節(jié)中，并通過發(fā)電機(jī)的勵磁通道來實(shí)現(xiàn)阻尼作用[3]，該研究建立了一個Phil?lips-Heffron模型，將bang-bang帶來的最強(qiáng)阻尼控制解釋為FACTS裝置的機(jī)械特性限制。Lu F C.等[4]將一種變結(jié)構(gòu)理論成功應(yīng)用于TCSC阻尼低頻振蕩控制器設(shè)計中。

在串聯(lián)補(bǔ)償提高功率的傳輸能力的同時，如果串聯(lián)容抗與線路感抗相等時，即

圖2 不同頻率下擾動試驗(yàn)的阻尼效果圖

則會產(chǎn)生電氣諧振。而發(fā)電機(jī)的某一軸系固有頻率fs與產(chǎn)生的電氣諧振頻率之和接近于工頻時，則有可能會出現(xiàn)機(jī)械和電氣振蕩的互相耦合作用從而引發(fā)軸系扭振。Tang Y等[5]通過物理仿真實(shí)驗(yàn)研究了寄生于TCSC的次同步振蕩產(chǎn)生的影響。而Li Y J等[6]應(yīng)用TCSC控制器來消除軸系扭振的幅值及軸系扭振產(chǎn)生的積累效應(yīng)，說明TCRC控制能有效消除次同步振蕩。Wko R JP等[7]的研究表明，TCSC對次同步振蕩呈中性，它可以降低由鄰近的串聯(lián)補(bǔ)償電容產(chǎn)生的次同步振蕩的影響。

2.2 FACTS裝置與PSS聯(lián)合控制策略

目前發(fā)現(xiàn)PSS在區(qū)域內(nèi)的低頻振蕩的抑制中表現(xiàn)較好，但對區(qū)域間低頻振蕩的阻尼卻無顯著效果?，F(xiàn)已有通過PMU協(xié)調(diào)各發(fā)電機(jī)的PSS來阻尼控制區(qū)域間振蕩的方法，但非常復(fù)雜，而且需要全局的系統(tǒng)信息才能實(shí)現(xiàn)控制[8]。FACTS裝置鑒于其安裝地點(diǎn)靈活的優(yōu)勢（相比較PSS只能安裝于發(fā)電機(jī)內(nèi)），可有選擇性地安裝于可能會發(fā)生低頻振蕩的區(qū)域聯(lián)絡(luò)線上來實(shí)現(xiàn)低頻振蕩抑制。另外，F(xiàn)ACTS裝置能夠有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，提高互聯(lián)線路輸送容量，增強(qiáng)互聯(lián)區(qū)域間的阻尼，因此能夠很好的抑制區(qū)間振蕩。

然而實(shí)際中，PSS與FACTS設(shè)備對低頻振蕩的抑制效果與如何選擇相應(yīng)的控制信號密不可分。FACTS附加阻尼控制的輸入信號一般包括線路的電流幅值Im、線路中有功電流分量Ia、有功功率P和區(qū)域慣量中心角頻率ω。嚴(yán)偉佳等[9]系統(tǒng)研究了在不同情況下各種輸入信號對區(qū)間振蕩產(chǎn)生的阻尼效果。為了更好的提升系統(tǒng)組尼，每個阻尼控制器還能選擇多種不同的控制信號，同時在系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生變化的時候其魯棒性也會更強(qiáng)。PSS一般采用轉(zhuǎn)速偏差、電磁功率偏差△Pe、加速功率Pm-Pe和頻率偏差△f中的一個或幾個信號作為附加控制，從而產(chǎn)生與△ω同軸的附加力矩，增加系統(tǒng)對低頻振蕩的正阻尼，提高電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

目前，PSS與FACTS裝置協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展時期。寧琳等[10]和李國杰等[11]報道了PSS與TCSC、VSC-HVDC附加阻尼控制器之間協(xié)調(diào)控制的研究。2012年我國建成的特高壓局部電網(wǎng)中，蔣平等[12]提出了采用Prony分析檢測聯(lián)絡(luò)線主導(dǎo)振蕩模式，并采用PSS控制電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)振蕩，采用SVC控制區(qū)域間振蕩的方案。另外，對ACTS裝置的控制帶寬和控制精度的提升也是發(fā)展趨勢，如UPFC、IPFC等控制技術(shù)的成熟[13]。可以預(yù)期，PSS與FACTS裝置綜合控制技術(shù)將是解決智能電網(wǎng)低頻和超低頻振蕩問題的重要途徑。

3 抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩方法比較

由于電力系統(tǒng)容易受到外部擾動以及自身因素的影響，為了更有條理的分析抑制低頻振蕩，抑制方法被分為一次系統(tǒng)對策和二次系統(tǒng)對策[14]。一次系統(tǒng)對策主要包括減少重負(fù)荷輸電線路并增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，同時減少送、受端的電氣距離；采用串聯(lián)電容補(bǔ)償及直流輸電方式，在輸電線上裝設(shè)FACTS裝置。二次系統(tǒng)對策主要采用附加控制裝置，并適當(dāng)整定參數(shù)以增加抑制低頻振蕩的阻尼力矩，由此達(dá)到抑制低頻振蕩的目的。鑒于負(fù)阻尼機(jī)理得到了廣泛的認(rèn)可，基于這個思想，針對FACTS方法和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器進(jìn)行了方法比較。FACTS方法包括SVC、UPFC等側(cè)重于從負(fù)載特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式幾方面改善系統(tǒng)的阻尼特性，從而達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。盡管改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是防止弱阻尼的根本措施，但是投資巨大，而且隨著系統(tǒng)的變化，又可能發(fā)生新的弱聯(lián)系，因此通過改進(jìn)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)來增強(qiáng)阻尼是必要的。而PSS是抑制低頻振蕩的一種有效的方法，但是傳統(tǒng)的PSS參數(shù)是針對某個低頻振蕩頻率設(shè)計的，在其他運(yùn)行情況下卻不能得到最佳控制。PSS4B的出現(xiàn)，基本上解決了這一問題，但就目前投運(yùn)情況來看，國內(nèi)主要還處在建模和設(shè)計階段，實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)用的比較少。

4 總結(jié)

由于抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩中，負(fù)阻尼機(jī)理得到了廣泛的認(rèn)可，本文重點(diǎn)對新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS4B和FACTS裝置附加控制進(jìn)行了綜述。從目前發(fā)展?fàn)顩r來看，PSS4B應(yīng)當(dāng)是今后推廣應(yīng)用的一個主流趨勢。該裝置目前存在的問題是：PSS4B的傳遞函數(shù)相比其他模型更加復(fù)雜，模型依賴ωL和ωI通道測量的精確性，并且對勵磁系統(tǒng)控制器的調(diào)節(jié)精度和速度要求較高。需要針對這些問題進(jìn)行研究?，F(xiàn)階段由于PSS與FACTS裝置協(xié)調(diào)控制技術(shù)趨于成熟，本文概述了FACTS裝置的阻尼效果以及FACTS裝置與PSS的聯(lián)合控制策略，比較了電力系統(tǒng)抑制振蕩的方法，認(rèn)為電力系統(tǒng)低頻振蕩多角度，多方式綜合控制是今后的主要研究目標(biāo)。

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