吉 祥

（中山嘉明電力有限公司）

0 引言

電力網(wǎng)絡(luò)可以合理利用資源，解決事故支援問(wèn)題，從而將發(fā)電和輸電過(guò)程變得更加穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性也得到很大的提升，隨著升級(jí)的同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題。系統(tǒng)的運(yùn)行在極限的邊緣，使得電網(wǎng)的運(yùn)行受到前所未有的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的是電力系統(tǒng)低頻振蕩對(duì)電力的安全運(yùn)行有極強(qiáng)的破壞和挑戰(zhàn)。若不能很好地控制電力系統(tǒng)低頻振蕩，將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成癱瘓，對(duì)用戶(hù)的正常使用產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，對(duì)中國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展造成極大的阻力和困難。所以，從根本上對(duì)低頻振蕩進(jìn)行分析和研究，從實(shí)際中制定控制策略，才能有效地抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的發(fā)生。通過(guò)對(duì)勵(lì)磁控制器的研究對(duì)控制器進(jìn)行不斷的優(yōu)化和升級(jí)能更加穩(wěn)定的對(duì)電力系統(tǒng)低頻振蕩進(jìn)行有效控制［1-2］。

1 低頻振蕩方法研究

1.1 基于傳統(tǒng)模型分析方法

① 復(fù)頻域法

復(fù)頻域法復(fù)頻域的方法也被用來(lái)簡(jiǎn)稱(chēng)或作為二階特征線(xiàn)性根法，此類(lèi)計(jì)算方法主要是通過(guò)直接計(jì)算電力系。統(tǒng)二階狀態(tài)特征方程矩陣中的一個(gè)特征線(xiàn)性根的值來(lái)直接獲取電力系統(tǒng)的一個(gè)整體線(xiàn)性振蕩能力模型，或者系統(tǒng)的阻尼相對(duì)較弱并且可以通過(guò)計(jì)算針對(duì)系統(tǒng)特征線(xiàn)性矢量、特征線(xiàn)性根的測(cè)量靈敏度分別進(jìn)行矢量計(jì)算和數(shù)值分析，可以直接獲得一些更加深入多樣化層次的數(shù)學(xué)信息［3］。

② 時(shí)域仿真法

時(shí)域系統(tǒng)仿真計(jì)算方法將整個(gè)中國(guó)電力系統(tǒng)的各個(gè)主要元件仿真模型按照時(shí)域相應(yīng)的各個(gè)元件之間相互拓?fù)浠年P(guān)系原理組合在一起來(lái)計(jì)算形成完整的全時(shí)域系統(tǒng)仿真模型，然后以系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值或系統(tǒng)潮流值將理論值分解為初始仿真值，逐步計(jì)算求得系統(tǒng)的小時(shí)狀態(tài)速度量與系統(tǒng)代碼的數(shù)量形成跟隨系統(tǒng)時(shí)間而不斷變化的狀態(tài)速度仿真曲線(xiàn)，最后根據(jù)電力系統(tǒng)小時(shí)輸出的狀態(tài)速度與系統(tǒng)時(shí)域仿真曲線(xiàn)關(guān)系來(lái)準(zhǔn)確判斷電力系統(tǒng)在一小時(shí)的干擾條件穩(wěn)定下的系統(tǒng)狀態(tài)速度能否與電力系統(tǒng)狀態(tài)保持高速同步平衡運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 電力系統(tǒng)低頻抑制方法

① 靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVCV

SVCV 具有自動(dòng)阻尼調(diào)節(jié)器來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)傳送信號(hào)系統(tǒng)所需要執(zhí)行的所有并聯(lián)信號(hào)阻抗、電流、電壓、相位和偏角和并聯(lián)振蕩器的阻尼控制系數(shù)。SVCV 它是一種同時(shí)可以迅速準(zhǔn)確進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的無(wú)源低功直流電源，利用它的雙向可變特性引導(dǎo)使其輸出信號(hào)能夠給它的電提供很強(qiáng)的阻尼。它的主要功能作用之一就是為了能夠保證對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功功率電壓進(jìn)行快速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，并且它還甚至可以同時(shí)起到兼有它在發(fā)生調(diào)壓事故時(shí)對(duì)系統(tǒng)電壓的自動(dòng)支撐控制作用，維護(hù)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定水平，平息調(diào)壓系統(tǒng)的高頻振蕩。

② 晶閘管控制移相裝置TCPS

通過(guò)對(duì)輸入線(xiàn)路信號(hào)輸出端的信號(hào)功率進(jìn)行移相控制，以大大提高了對(duì)輸出線(xiàn)路信號(hào)的控制功率并以偏差值作為控制極限，降低了阻尼振蕩。由于它是傳統(tǒng)的一種機(jī)械式移相器，只能對(duì)它進(jìn)行動(dòng)力分級(jí)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，級(jí)數(shù)也一定不能過(guò)多，并且其運(yùn)行動(dòng)作速度慢，壽命短，沒(méi)有任何動(dòng)力抑制和自動(dòng)振蕩是后來(lái)用于改善整個(gè)系統(tǒng)的一種動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性質(zhì)的控制能力。

③ 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS

最初設(shè)計(jì)是由兩位美國(guó)著名學(xué)者包括F. P. dem‐ello 和F.C.concodri 首先合作提出的。它從勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)器中直接抽取并輸出經(jīng)過(guò)角動(dòng)的速度，功率或驅(qū)動(dòng)頻率等鎮(zhèn)定的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，經(jīng)過(guò)主要是由包括驅(qū)動(dòng)放大，復(fù)位和超前以及滯后三個(gè)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)所連接構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)校正處理環(huán)節(jié)并在進(jìn)行校正處理后將其所連接產(chǎn)生的。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定器不僅可以抑制低頻振蕩，而且還可以提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。常規(guī)PSS消除負(fù)阻尼的作用主要通過(guò)勵(lì)磁控制系統(tǒng)來(lái)完成。PSS 對(duì)于轉(zhuǎn)速或者其他信號(hào)的頻率變動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)，可以讓發(fā)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)和速度相等的電能和功率輸入，但是常規(guī)PSS 仍被認(rèn)為是一種可以抑制電力系統(tǒng)的低頻振蕩，改善微波干擾穩(wěn)定性的一種重要手段［4］。

2 常規(guī)PID勵(lì)磁控制器研究

一個(gè)常見(jiàn)的PID 勵(lì)磁控制器是AVR 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，它采用PID 控制操作，也被稱(chēng)為自動(dòng)勵(lì)磁控制器。是現(xiàn)如今常規(guī)PID 控制中經(jīng)常使用到的一種控制器，它在PID 的基礎(chǔ)上增加一個(gè)元件PSS，進(jìn)而極大地提高其控制性能。其目的是找到一組PID 控制參數(shù)，使系統(tǒng)具有更好的控制特性。首先，建立一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)控制理論方法確定一組PID參數(shù)。

包括了前置放大級(jí)和功率放大級(jí)，假設(shè)，具有線(xiàn)性的電壓放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù)，則

式中，UR(s)為放大元件輸出電壓。

在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，將其調(diào)節(jié)品質(zhì)進(jìn)行升級(jí)，所以，通過(guò)增加串并聯(lián)校正單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)通常采用PID結(jié)構(gòu)。參數(shù)見(jiàn)下表1。

表1 控制器參數(shù)

（2）AVR+PSS勵(lì)磁控制器研究

因發(fā)電機(jī)繞組和勵(lì)磁系統(tǒng)的相位滯后可表示為：

KA，TA分別表勵(lì)磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)Ge(s) =的增益和時(shí)間常數(shù)。

為了消除滯后相角，運(yùn)用PSS設(shè)置超前環(huán)節(jié)。

傳遞函數(shù)表示為：

當(dāng)T1=T3，T2=T4時(shí)，傳遞函數(shù)可表示為：

PSS 只有在電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩是啟用，正常運(yùn)行時(shí)無(wú)任何影響，為達(dá)到這個(gè)目的，需加入一個(gè)隔離信號(hào)環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：（也稱(chēng)為一個(gè)微分環(huán)節(jié)，KC是PSS 的放大倍數(shù)，可用于調(diào)節(jié)所提供的阻尼大小。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今的PSS輸入形式是多種多樣，如發(fā)電廠(chǎng)母線(xiàn)的頻率偏差等等。

3 仿真分析

3.1 極端電壓小擾動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)兩個(gè)模擬極端輸出電壓下的小于微擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，在輸出t=10s 時(shí)，通過(guò)勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)控制器的兩個(gè)模擬極端輸出電壓函數(shù)來(lái)分別參考一個(gè)進(jìn)出輸入端（vref）上分別施加10%的階躍式的微擾動(dòng)控制信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可以直接達(dá)到小于微擾動(dòng)的一種模擬控制效果，然后兩種勵(lì)磁控制器在各自不同工作系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境控制下通常都會(huì)分別有一個(gè)進(jìn)入輸出和另一輸入端的波形。

在控制器輸入端加入擾動(dòng)信號(hào)后電壓產(chǎn)生波動(dòng)，次數(shù)10 次左右，同時(shí)電流也產(chǎn)生波動(dòng)10 次有余，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在七秒左右波動(dòng)數(shù)次。收斂速度慢，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)系統(tǒng)小擾動(dòng)情況的抑制作用，控制性能差。在小擾動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)中AVR+PSS 控制器表現(xiàn)出良好的控制性能，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電功率即電壓電流波動(dòng)次數(shù)從數(shù)十次驟減至三次左右，相比常規(guī)PID 控制器，AVR+PSS 控制器能夠快速完成收斂，極大縮短了系統(tǒng)振蕩時(shí)間以及振蕩的次數(shù)。

3.2 單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)三相短路仿真

AVR+PSS 控制器在三相短路控制過(guò)程中極大的縮短了系統(tǒng)的振蕩次數(shù)以及振蕩時(shí)間，相比常規(guī)PID控制器在三相短路的控制性能上表現(xiàn)出良好的性能。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其目的反應(yīng)以上兩種控制器的控制性能。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2，表3所示。

表2 兩種控制器小擾動(dòng)性能比較

表3 兩種勵(lì)磁器三相短路性能比較

對(duì)比上述兩表得出以下結(jié)論：

1）常規(guī)PID 控制的控制性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AVR+PSS勵(lì)磁控制器的控制性能。

2）PSS 在抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩中起關(guān)鍵作用，很好的減少系統(tǒng)的振蕩時(shí)間和振蕩次數(shù)，對(duì)控制器對(duì)低頻振蕩的控制性能有極大地提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的各個(gè)機(jī)組間有時(shí)候還可能會(huì)遇到出現(xiàn)低頻功率信號(hào)振蕩的復(fù)雜問(wèn)題，其功率振蕩信號(hào)頻率的波動(dòng)范圍一般可以控制在0.2~3Hz，因此又被人們稱(chēng)為低頻功率振蕩。

所以本文將對(duì)基于勵(lì)磁控制抑制的電力系統(tǒng)低頻振蕩策略進(jìn)行研究。對(duì)AVR+PSS 控制器和常規(guī)PID控制器的原理進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)上述兩種控制器在小擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)和三相短路實(shí)驗(yàn)下進(jìn)行仿真，對(duì)得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而得出常規(guī)PID 控制的控制性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AVR+PSS 勵(lì)磁控制器的控制性能。PSS 在抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩中起關(guān)鍵作用，很好的減少系統(tǒng)的振蕩時(shí)間和振蕩次數(shù)，對(duì)控制器對(duì)低頻振蕩的控制性能有極大地提高。