基于低频振荡阻尼灵敏度和等效交流增益的PSS时间常数优化试验方法

摘要

本发明公开了一种基于低频振荡阻尼灵敏度和等效交流增益的PSS时间常数优化试验方法，该方法包括等效交流增益对比法试验步骤、以及以低频振荡阻尼灵敏度为目标函数的时间常数优化步骤，其中等效交流增益对比法试验步骤保证了在时间常数进行调整前后，PSS环节产生的附加转矩均相等，从而实现在相同大小PSS附加转矩条件下，不同相位补偿角时的PSS作用效果比较，得知如何选择或进一步调整超前滞后环节时间常数T1～T6；以时低频振荡阻尼灵敏度为目标函数的间常数优化方法依据从发电机有功功率的小阶跃扰动试验得到的阻尼比数值和现场整定的时间常数来计算低频振荡阻尼对时间常数的灵敏度；然后根据阻尼比的大小和变化趋势调整参数。

说明书

技术领域

电力系统稳定器(PSS)是大电网中普遍用来抑制危及系统安全稳定运行的低频振荡的重要手段，本发明涉及低频振荡阻尼对PSS参数变化的试验方法，具体是指基于低频振荡阻尼灵敏度和等效交流增益的PSS时间常数优化试验方法。

背景技术

大电力系统互联是提高电力系统暂态稳定性的重要措施，是解决能源和负荷分布不平衡的战略方针和电网削峰填谷的重要手段，为国际、国内技术发展的大势所趋。发电机及其励磁系统各个环节的惯性均带来信号传递的相位滞后；当前的电网是典型的大系统(Large Scale System)，带有分群及关联的结构特征，各机群之间振荡相位错动；这种由励磁系统和电网结构特点等诸多因素混合作用就决定了电网中必然存在有各种模式的弱阻尼振荡和负阻尼自发振荡发生，其模式(振型)极其繁多，频率一般在0.2-2.0Hz范围内，电网中绝大多数低频振荡都是因此而起。当电网中发生低频振荡时，会危及系统的安全稳定运行，限制联络线输送功率的能力。由此可见，只有增加各种振荡模式的阻尼，才有可能减少或削弱低频振荡，提高电网的安全稳定性。发电机励磁系统中的PSS就是专门为增强低频振荡阻尼而设计的，尤其作为发电机本机振荡和分区内机群间振荡的主要抑制手段。

众所周知，PSS作用的效果好坏、适应性强弱以及稳定性好坏，完全取决于参数整定的好坏，而参数的整定既是非唯一性的，又受到机组及其励磁系统的模型与参数特性、运行工况和电网结构变化等众多因素的影响，因此，PSS参数的现场优化整定试验是非常困难的。

通常我们进行发电机组PSS现场优化整定投运试验时，首先进行无补偿频率响应特性测量，了解机组的特性曲线；然后，据此设计PSS参数，使其提供的附加转矩可以产生较好的正阻尼；最后，进行有补偿频率响应特性测量，检验加入PSS后，附加转矩在0.2～2.0Hz频率带宽上，均应该提供工程上最优的正阻尼。典型的PSS模型的框图如图1所示。它的传递函数由放大倍数Kp、时间常数TR组成的惯性环节、时间常数TW组成的隔直环节、时间常数T1～T6组成的多阶超前滞后环节构成，如果用G(s)表示除放大倍数Kp以外部分的传递函数，则整组PSS的传递函数可以表达为Kp G(s)，其交流增益即为Kp|G(s)|，通常时间常数TR的大小由设备本身决定、时间常数TW可以取经验值，故PSS现场参数优化整定试验的目的主要就是优化放大倍数Kp和多阶超前滞后环节时间常数T1～T6。

发电机电磁力矩可分为同步力矩和阻尼力矩，同步力矩与Δδ同相位，阻尼力矩与Δω同相位。同步力矩不足，将发生滑行失步；阻尼力矩不足，将发生振荡失步。采用PSS增强系统阻尼防止自发振荡，关键是PSS环节产生的力矩在Δω轴上的投影为正。PSS相位补偿要求在该电力系统低频振荡区内(0.2-2.0Hz)使PSS输出的附加力矩向量对应Δω轴在超前10°到滞后45°以内，并使本机振荡频率力矩对应Δω轴在0°和滞后30°之间。相位的调节主要是通过调整时间常数T1～T6来实现的，此外，阻尼的大小和PSS运行的稳定性则还与放大倍数Kp，通常为了保证控制系统的稳定性，PSS的放大倍数一般取极限放大倍数的1/2～1/3(相当于开环频率特性增益裕量为6dB～9dB)。

但是，目前许多发电机组所配备的励磁调节器只能够测量无补偿频率响应特性，而无法测量到有补偿频率响应特性，PSS的效果只能根据厂家模型计算后叠加在无补偿频率响应特性上(例如GE和SIEMENS等厂家的产品)，而有些厂家的模型与理想模型之间是有明显的误差的(包括几个国内主流厂家的产品)；更有些厂家的产品甚至连无补偿频率响应特性也无法测量(多为中小型厂家的产品)。因此，在这些情况下，PSS参数的现场优化整定试验是非常困难和具有一定盲目性的。具有以上类型励磁调节器的机组，在广东省内就有数十台。此外，还有一些时域单位没有昂贵的频率响应测量设备，而无法用传统的方法做该种相位优化试验。

为了解决如上问题，非常有必要为PSS相位补偿参数的现场整定试验提供一种全新、有效、通用、完善的相位优化试验方法，它应该是对传统方法的有益补充和完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于低频振荡阻尼灵敏度和等效交流增益的PSS时间常数优化试验方法。

本发明采用如下技术方案来实现时间常数优化试验的，该方法包括如下步骤：

步骤一：等效交流增益对比法优选试验法步骤

首先，根据机组的典型特性设计时间常数，得到初始的在低频振荡带宽上所需的频率补偿特性；

其次，选定频段在T1～T6中选择对应时间常数来进行优化调整，参数的调整按照在主振频率下PSS的交流增益Kp_N×|G(s)_N|保持恒定不变的原则，如公式(1)所示；

等效交流增益计算公式：

Kp0×|G(s)0|＝Kp1×|G(s)1|＝......＝Kp_N×|G(s)_N|        (1)

式中：

Kp0：PSS在主振频率下的初始放大倍数；

Kp1：PSS在主振频率下经过第1次参数修改后的放大倍数；

|G(s)0|：PSS在主振频率下传递函数部分的初始交流增益；

|G(s)1|：PSS在主振频率下经过第1次参数修改后传递函数部分的初始交流增益；

Kp_N：PSS在主振频率下经过第N次参数修改后的放大倍数；

|G(s)_N|：PSS在主振频率下经过第N次参数修改后传递函数部分的初始交流增益；

然后，分别在上述条件下进行发电机有功功率的小阶跃扰动试验，检验其对低频振荡的阻尼效果，阻尼比的大小用公式(2)来表示；

阻尼比计算公式：

$>\xi =\frac{1}{2\mathrm{N\pi }}\mathrm{Ln}\left(\frac{P_1-P_2}{P_{2N+1}-P_{2N+2}}\right)---\left(2\right)$>

式中：

ξ为阻尼比；N——计算周期数；

P1、P2——为第一个和第二个功率峰值，单位为兆瓦(MW)；

P2N+1、P2N+2——为第(2N+1)个和第(2N+2)个功率峰值，单位为兆瓦(MW)；

最后，根据阻尼比由小变大的变化趋势调整参数，一直到阻尼比达到顶值开始下降出现拐点或励磁控制系统发生振荡为止，此时对应的值即为最终选定值；

该步骤解决了在某一个关心频率上进行PSS的时间常数优化比较时，如何保证附加电磁功率等价的问题。

步骤二：变时间常数低频振荡阻尼灵敏度优化步骤

依据发电机有功功率的小阶跃扰动试验得到的阻尼比数值和现场整定的时间常数由式(2)计算阻尼比，式(3)计算低频振荡阻尼对时间常数的灵敏度；

低频振荡阻尼对时间常数的灵敏度：

$>S_{\mathrm{TN}}=\left(\frac{{\xi }_1-{\xi }_0}{T_{N1}-T_{N0}}\right)---\left(3\right)$>

式中：

S_TN：PSS改变第N个时间常数条件下低频振荡阻尼比变化的灵敏度；

TN0：PSS在主振频率下第N个时间常数的初始值；

TN1：PSS在主振频率下经过对第N个时间常数参数修改后的值；

ξ₀：PSS在主振频率下第N个时间常数初始值时的阻尼比；

ξ₁：PSS在主振频率下经过对第N个时间常数参数修改后的阻尼比；

然后，根据灵敏度的大小和变化趋势调整参数，一直到灵敏度达到0值并开始下降出现拐点为止，此时对应的值即为工程上的最佳整定值，如此轮流对各时间常数进行优化。通常在所述参数灵敏度大于0时，减小参数可减小特征根实部；在所述参数灵敏度小于0时，加大参数可增大特征根实部，增加该模式的阻尼，有利于平抑振荡。当在某点灵敏度变化不大时，说明该参数在该点附近的变化影响趋于饱和，也可以停止调整。

该步骤解决了在某一个关心频率上进行PSS的时间常数优化试验时，如何用时域阶跃的方法连续寻得最优值的问题。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

1、本发明提出了一种与传统频域方法不同的、全新、有效、通用、完善的时域试验方法，它在现场试验中以时域方法利用低频振荡阻尼对PSS参数变化的灵敏度强弱来优化、调整、确定其重要参数，以在保证电网安全运行，起到了有效抑制大规模电网中低频振荡的作用，并且将电网的小扰动计算分析结果与PSS参数优化整定有机地结合起来，是对传统频域方法的有益补充和完善。

2、本发明的试验方法还解决了传统频域方法在实际应用中的局限性，在无法测量全无补偿频率响应特性和有补偿频率响应特性情况下，进行PSS现场参数优化整定计算的盲目性问题。

3、该方法在实践中的成功应用验证了我们所开发的动态稳定分析程序SSAP进行灵敏度分析计算的正确性；

4、该试验方法使得在厂家设备功能不完善、模型不准确或试验手段不齐全等情况下进行PSS参数的现场整定试验时避免盲目性，实现了准确的优化整定。为传统PSS参数的现场整定试验提供了完善、互补的手段。

综上所述，本发明为PSS参数的现场整定试验提供一种全新、有效、通用、完善的时域试验方法，它解决了是对传统频域方法的有益补充和完善。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1是本现有技术中典型PSS模型的框图；

图2是本发明发电机负载阶跃的有功功率响应曲线图。

具体实施方式

本发明的基于低频振荡阻尼灵敏度和等效交流增益的PSS时间常数优化试验方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：等效交流增益对比优选试验法步骤

该方法用来优化超前滞后环节时间常数T1～T6，以改变和优化PSS的补偿相位。

首先，根据机组的典型特性，设计时间常数T1～T6，得到初始的在低频振荡带宽上所需的频率补偿特性——即在低频段相对滞后，高频段相对超前特性；其次，选定频段在T1～T6中选择对应时间常数(即高频段选择小时间常数，低频段选择大时间常数)来进行优化调整，参数的调整按照在主振频率下PSS的交流增益Kp_N×|G(s)_N|保持恒定不变的原则，如公式下面(1)所示；然后，分别在上述条件下进行发电机有功功率的小阶跃扰动试验，检验其对低频振荡的阻尼效果，阻尼比的大小用下面公式(2)来表示；最后，根据阻尼比由小变大的变化趋势调整参数，一直到阻尼比达到顶值开始下降出现拐点或励磁控制系统发生振荡为止，此时对应的值即为最终选定值。对于影响本机振荡频率较小的大时间常数，一般可以采用经验值，这样一来，可以进一步缩短参数巡优的时间。

该方法保证了在时间常数进行调整前后，PSS环节产生的附加转矩均相等，从而实现了在相同大小PSS附加转矩条件下，不同相位补偿角下的PSS作用效果比较，从而得知如何选择或进一步调整超前滞后环节时间常数T1～T6，以达到最佳相位补偿效果。方法简单、效果显著、方向明确、实用性好。

等效交流增益计算公式：

Kp0×|G(s)0|＝Kp1×|G(s)1|＝......＝Kp_N×|G(s)_N|      (1)

其中：

Kp0：PSS在主振频率下的初始放大倍数；

Kp1：PSS在主振频率下经过第1次参数修改后的放大倍数；

|G(s)0|：PSS在主振频率下传递函数部分的初始交流增益；

|G(s)1|：PSS在主振频率下经过第1次参数修改后传递函数部分的初始交流增益；

Kp_N：PSS在主振频率下经过第N次参数修改后的放大倍数；

|G(s)_N|：PSS在主振频率下经过第N次参数修改后传递函数部分的初始交流增益；

阻尼比计算公式：

$>\xi =\frac{1}{2\mathrm{N\pi }}\mathrm{Ln}\left(\frac{P_1-P_2}{P_{2N+1}-P_{2N+2}}\right)---\left(2\right)$>

式中：

ξ为阻尼比；N——计算周期数；

P1、P2——为第一个和第二个功率峰值，见图2，单位为兆瓦(MW)；

P2N+1、P2N+2——为第(2N+1)个和第(2N+2)个功率峰值，单位为兆瓦(MW)。

(见图2发电机负载阶跃的有功功率响应)

步骤二：变时间常数低频振荡阻尼灵敏度优化步骤

首先，依据发电机有功功率的小阶跃扰动试验得到的阻尼比数值和现场整定的时间常数由式(2)计算阻尼比，式(3)计算低频振荡阻尼对时间常数的灵敏度；然后，根据灵敏度的大小和变化趋势调整参数，一直到灵敏度达到0值并开始下降出现拐点为止，此时对应的值即为工程上的最佳整定值，如此轮流对各时间常数进行优化。通常在所述参数灵敏度大于0时，减小参数可减小特征根实部；在所述参数灵敏度小于0时，加大参数可增大特征根实部，增加该模式的阻尼，有利于平抑振荡。当在某点灵敏度变化不大时，说明该参数在该点附近的变化影响趋于饱和，也可以停止调整。

通常对于影响本机振荡频率较小的大时间常数，一般可以采用经验值，这样一来，可以进一步缩短参数寻优的时间。

低频振荡阻尼对时间常数的灵敏度：

$>S_{\mathrm{TN}}=\left(\frac{{\xi }_1-{\xi }_0}{T_{N1}-T_{N0}}\right)---\left(3\right)$>

式中：

S_TN：PSS改变第N个时间常数条件下低频振荡阻尼比变化的灵敏度；

TN0：PSS在主振频率下第N个时间常数的初始值；

TN1：PSS在主振频率下经过对第N个时间常数参数修改后的值；

ξ₀：PSS在主振频率下第N个时间常数初始值时的阻尼比；

ξ₁：PSS在主振频率下经过对第N个时间常数参数修改后的阻尼比。