沈軼君，吳跨宇，韓 兵，盧岑岑

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

隨著大容量、遠(yuǎn)距離輸電工程的相繼投運，特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行問題日益突出，由于局部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)之間的弱聯(lián)系而引發(fā)的低頻振蕩事件時有發(fā)生且振蕩頻率逐步降低[1-4]。大量理論研究和試驗結(jié)果表明，機(jī)組勵磁系統(tǒng)PSS（電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）的配置是抑制功率振蕩的有效措施。傳統(tǒng)PSS2B是目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的PSS模型，具有模型簡潔、參數(shù)易整定、抗反調(diào)等明顯優(yōu)勢，但由于受限于高頻段增益，在低頻段提供阻尼的能力相對較弱[5-9]。為此，改進(jìn)型模型的研究一直從未間斷，文獻(xiàn)[10]闡述了PSS4B在RTDS（實時數(shù)字仿真儀）系統(tǒng)上的試驗情況，提出采用相位和幅值協(xié)調(diào)整定的方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，但PSS4B存在模型傳遞函數(shù)復(fù)雜、轉(zhuǎn)速信號測量精度要求高等問題，在工程化應(yīng)用時存在一定困難。文獻(xiàn)[11]提供了一種改進(jìn)型PSS4B-W模型設(shè)計思路及相位校正計算方法。本文在給出全新電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型的基礎(chǔ)上，研究新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的動模測試試驗，提供了負(fù)載階躍校核、定頻點擾動等一系列驗證手段[10-19]。

1 動模試驗平臺搭建

動模試驗系統(tǒng)主接線如圖1所示，具體接線方式如下：2臺動模發(fā)電機(jī)組，3號發(fā)電機(jī)（G3）為同母線相鄰機(jī)組，4號發(fā)電機(jī)（G4）為被試機(jī)組，2臺發(fā)電機(jī)分別經(jīng)各自的升壓變連接至1 000 V母線，母線通過2條線路并列在一起，并經(jīng)過降壓變與實際380 V電網(wǎng)連接。其中，3號發(fā)電機(jī)機(jī)組參數(shù)為：額定電壓UN=380 V，額定有功功率PN=30 kW，額定無功功率QN=22.5 kvar，額定功率因素cosφ=0.8，采用RCS9410型勵磁調(diào)節(jié)器；4號發(fā)電機(jī)機(jī)組參數(shù)為：額定電壓UN=380 V，額定有功功率PN=15 kW，額定無功功率QN=11.25 kvar，額定功率因素cosφ=0.8，采用PCS9410型勵磁調(diào)節(jié)器。

被試機(jī)組4號發(fā)電機(jī)采用PCS9410型勵磁調(diào)節(jié)器，其勵磁模型如圖2所示，主環(huán)AVR（自動電壓調(diào)節(jié)器）采用兩級超前滯后的串聯(lián)PID控制方式，設(shè)置PID參數(shù)如下：比例放大倍數(shù)KA1=10，積分時間常數(shù)TB1=10，TC1=1，微分時間常數(shù)TB2=TC2=0。同時具備電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS2B，PSS4B，PSS4B-W，PSS-NB和 PSS-NB2等 5種PSS模型可供選擇，PSS輸出疊加點位于主環(huán)AVR或限制環(huán)輸出端。

圖1 動模系統(tǒng)主接線

圖2 PCS9410型勵磁調(diào)節(jié)器模型

鑒于傳統(tǒng)PSS2B模型受制于高頻增益的限制而在低頻段提供阻尼不足的現(xiàn)象，動模試驗研究主要針對新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS-NB和PSS-NB2的低頻振蕩抑制能力[20]，2種新型PSS模型如圖3和圖4所示。

圖3 新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS-NB模型

圖4 新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS-NB2模型

在已搭建的動模試驗平臺上，從測量4號發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)無補(bǔ)償滯后特性入手，整定計算常規(guī)PSS2B，PSS4B和PSS4B-W模型參數(shù)并進(jìn)行相應(yīng)的校核性試驗。區(qū)別于常規(guī)PSS2B經(jīng)典模型僅采用負(fù)載機(jī)端電壓階躍的方式驗證PSS功能，在新型PSS-NB和PSS-NB2功能模型測試過程中，特別增加了定頻點擾動試驗項目來檢驗0.2~2 Hz全頻段范圍內(nèi)新型PSS低頻振蕩抑制效果。具體來說，分別開展分環(huán)節(jié)靜態(tài)測試、參數(shù)整定及校核性試驗，同時檢查新模型投入穩(wěn)定性。在最終參數(shù)整定完成的基礎(chǔ)上，對比定頻點擾動下各型PSS輸出及PSS投入后低頻振蕩抑制效果。最后，模擬常見故障（主要包括相鄰機(jī)組功率振蕩、出線近端三相短路、負(fù)荷沖擊和線路投切4種故障），分析比較各型PSS響應(yīng)情況。

試驗采用便攜式電量記錄分析儀錄取4號發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、勵磁電壓、勵磁電流、有功功率、無功功率及各型PSS輸出量（包括PSS2B，PSS4B，PSS4B-W，PSS-NB和PSS-NB2），其中PSS輸出量取自勵磁裝置內(nèi)部DA（數(shù)模轉(zhuǎn)換）輸出，且均已折算成以額定機(jī)端電壓為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值。此外，采用LDSPhoton頻譜分析儀測量4號發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)無補(bǔ)償滯后特性。

2 常規(guī)PSS動模試驗測試

2.1 AD/DA環(huán)節(jié)特性

動模試驗需要外加白噪聲信號進(jìn)行無補(bǔ)償特性測量，在信號疊加點和各型PSS輸出位置分別增加了AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換）和DA環(huán)節(jié)，由于AD/DA存在時間延時，測量其頻譜特性如圖5所示。

圖5 AD/DA環(huán)節(jié)特性

由圖5可知，AD/DA環(huán)節(jié)整體幅值衰減2倍（放大倍數(shù)在-5.9 dB左右），相位變化不大，在3 Hz處也僅僅相差2°左右。因此，AD/DA環(huán)節(jié)的特性對后續(xù)分析計算影響較小。

2.2 常規(guī)PSS模型參數(shù)整定

設(shè)定頻譜分析儀輸入信號頻段為0.1～10 Hz，機(jī)端電壓測量經(jīng)變送器后接入頻譜分析儀。調(diào)節(jié)4號發(fā)電機(jī)試驗工況為：有功功率P=13.49 kW，無功功率Q=2.16 kvar，磁場電壓Uf=70.89 V，磁場電流If=1.82 A，在調(diào)差設(shè)置為-4%情況下進(jìn)行勵磁系統(tǒng)無補(bǔ)償滯后特性測量，測量結(jié)果見表1。

表1 機(jī)組實測滯后特性

根據(jù)實測滯后特性計算PSS2B，PSS4B和PSS4B-W相位補(bǔ)償，可得到3種PSS模型相位校正參數(shù)。PSS2B整定參數(shù)如表2所示，PSS4B參數(shù)采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)典參數(shù)，PSS4B-W整定參數(shù)如表3所示。

表2 PSS2B整定參數(shù)

表3 PSS4B-W整定參數(shù)

2.3 常規(guī)PSS模型校核性試驗

在3種PSS模型參數(shù)整定完成的基礎(chǔ)上，采用機(jī)端電壓給定負(fù)載階躍的方式進(jìn)行校核，根據(jù)階躍過程中有功功率的動態(tài)響應(yīng)過程，計算實測有功功率振蕩特性參數(shù)如表4所示。

表4 不同PSS投入時5%階躍響應(yīng)特性參數(shù)

由表4中數(shù)據(jù)可得，PSS2B和PSS4B-W投入下的有功功率振蕩均有顯著抑制，而標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)下的PSS4B投入后，阻尼比僅提高了0.02，振蕩頻率變化量接近40%，表明經(jīng)典參數(shù)下的PSS4B不具備普遍適用性，也需要進(jìn)行現(xiàn)場整定，但由于模型本身的復(fù)雜性，整定難度較大。PSS4B-W投入后，相位補(bǔ)償相對于PSS4B有明顯超前，阻尼比有較大提高，頻率變化符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求[21]。

3 新型PSS動模試驗測試

3.1 新型PSS模型參數(shù)整定及校核性試驗

根據(jù)表1中實測無補(bǔ)償滯后特性計算PSSNB和PSS-NB2相位補(bǔ)償，可得到2種新型PSS相位校正參數(shù)。值得注意的是，在整定各型PSS參數(shù)過程中，相位補(bǔ)償應(yīng)盡量以有補(bǔ)償特性相近為依據(jù)，放大倍數(shù)的選取以臨界放大倍數(shù)時勵磁電壓或無功功率變化量一致為原則。因此，PSSNB和PSS-NB2整定參數(shù)分別見表5和表6。

表5 PSS-NB整定參數(shù)

表6 PSS-NB2整定參數(shù)

和常規(guī)PSS試驗測試方法類似，采用機(jī)端電壓給定負(fù)載階躍的方式進(jìn)行校核，與無PSS下的有功功率振蕩情況對比如圖6所示。

圖6 機(jī)組負(fù)載5%電壓階躍波形

經(jīng)參數(shù)整定的新型PSS-NB和PSS-NB2投入后，有功功率振蕩基本沒有出現(xiàn)第2個波頭，阻尼比有顯著提升，實測振蕩頻率分別為0.978 Hz和0.943 Hz，頻率變化符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求[21]，表明新型PSS有功功率振蕩抑制效果優(yōu)異。

3.2 新型PSS投入穩(wěn)定性檢查

保持4號發(fā)電機(jī)在高負(fù)荷工況，分別投入PSS-NB和PSS-NB2持續(xù)運行，采用長時間監(jiān)視錄波的方式驗證新型PSS投入穩(wěn)定性，錄波曲線對比如圖7所示。在穩(wěn)定錄波1 000 s過程中，PSS-NB投入后機(jī)組電壓、功率等相關(guān)電氣量未發(fā)生較大變化，而PSS-NB2投入后有功功率變化幅值為0.232 kW，無功功率變化幅值為0.405 kvar，PSS-NB2輸出變化幅值為0.031 p.u.，相比于PSS-NB投入后的情況，波動幅度略有增加。同時可以發(fā)現(xiàn)，PSS-NB2存在一定程度的高頻抖動，需要進(jìn)一步研究加裝相應(yīng)濾波等附加環(huán)節(jié)的措施。總體而言，新型PSS投入下機(jī)組運行穩(wěn)定。

3.3 定頻點擾動下PSS輸出對比分析

定頻點正弦擾動是校驗PSS模型在各個頻段相位補(bǔ)償效果的重要手段。在PSS退出情況下，采用頻譜分析儀在0.2~2 Hz范圍內(nèi)進(jìn)行定頻點擾動試驗，對比不同頻點下各型PSS輸出幅值及與有功功率的相位校正關(guān)系。以0.5 Hz，1 Hz，1.5 Hz和2 Hz 4個頻點數(shù)據(jù)為例，定頻點擾動波形如圖8所示。

圖7 PSS-NB與PSS-NB2投入穩(wěn)定性對比

根據(jù)圖8所示，1 Hz頻點處PSS輸出幅值明顯大于其他頻點，表明各型PSS在本機(jī)振蕩點附近抑制效果最好，在低頻段和高頻段有所減弱，與理論分析一致。從與有功功率的相位關(guān)系上看，PSS2B，PSS-NB和PSS-NB2相位校正較好，PSS4B-W相位補(bǔ)償略微滯后，PSS4B則滯后較多，與前述PSS投入后校核性試驗結(jié)果吻合。此外，對比圖中數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，PSS-NB和PSSNB2的輸出略大于PSS2B，表明在該頻率范圍內(nèi)尤其是低頻段和高頻段區(qū)域，PSS-NB和PSSNB2模型抑制有功功率振蕩的效果優(yōu)于PSS2B模型。

4 動模試驗平臺的故障模擬

在動模試驗平臺上模擬工程化應(yīng)用時可能出現(xiàn)的故障類型，例如相鄰機(jī)組功率振蕩、出線近端三相短路、負(fù)荷沖擊和線路投切等。以相鄰機(jī)組功率振蕩作為典型故障分析，設(shè)置3號發(fā)電機(jī)作為擾動機(jī)組，分別在4號發(fā)電機(jī)PSS退出和各型PSS投入的情況下，進(jìn)行0.2~2 Hz之間不同頻率、不同幅值的功率擾動試驗，實測4號發(fā)電機(jī)有功功率振蕩幅值變化量如表7所示。其中，3號發(fā)電機(jī)0.5 Hz功率擾動下的4號發(fā)電機(jī)有功功率振蕩特性對比如圖9所示。

擾動源3號發(fā)電機(jī)的有功功率強(qiáng)迫振蕩引起4號發(fā)電機(jī)出現(xiàn)對應(yīng)功率擺動現(xiàn)象，對比表7和圖9數(shù)據(jù)可知，相比于PSS退出下的情況，各型PSS投入后由于強(qiáng)迫擾動的原因振蕩現(xiàn)象雖無法平息，但功率波動幅值基本都有一定程度的減小，其中PSS-NB2投入后效果最為顯著，PSS4BW和PSS-NB投入后也較為明顯。

圖8 定頻點擾動波形

表7 不同PSS投入時功率振蕩特性參數(shù)kW

圖9 不同PSS投入時功率振蕩特性對比

同樣，在機(jī)組出線近端模擬三相金屬性短路故障0.1 s切除，不同PSS投入前后響應(yīng)特性對比如圖10所示。

圖10 不同PSS投入時短路故障響應(yīng)特性對比

由圖10可知，相比于PSS退出情況下的三相金屬性短路故障，PSS2B，PSS4B-W和PSSNB，PSSNB2投入后有功功率振蕩波動次數(shù)明顯減少，平息速度較快，表明PSS在短路過程中正確發(fā)揮抑制作用，而經(jīng)典參數(shù)下的PSS4B投入后效果并不明顯。

5 結(jié)語

本文以雙機(jī)動模系統(tǒng)為試驗平臺，開展新型PSS模型參數(shù)整定及校核性試驗，同時檢查新模型投入穩(wěn)定性。校核性試驗結(jié)果表明，整定參數(shù)下的新型PSS具有很好的阻尼低頻振蕩作用。

以定頻點擾動作為校驗PSS模型在各個頻段相位補(bǔ)償?shù)闹匾侄危贸鲈?.2～2 Hz頻率范圍內(nèi)尤其是低頻段和高頻段區(qū)域，PSS-NB和PSSNB2模型抑制有功功率振蕩的效果優(yōu)于PSS2B模型的結(jié)論。通過對相鄰機(jī)組功率振蕩和出線近端三相短路故障的模擬，進(jìn)一步驗證新型PSS對功率振蕩的抑制能力。

經(jīng)過動模試驗全面驗證了新型PSS抑制效果和運行穩(wěn)定、可靠性，對新型PSS進(jìn)一步工程化應(yīng)用具有重要的意義。