电力系统抑制低频振荡综合控制技术.pdf

虹 DOI ： 1 0 3 9 6 9 ， j i s s n 1 0 0 9 - 9 4 9 2 2 0 1 5 0 7 0 4 4 电力系统抑制低频振荡综合控制技术 崔俊涛 ( 兰州资源环境职业技术学院 机电工程系，甘肃兰州 7 3 0 0 2 0 ) 摘要：基于通过增加阻尼抑制低频振荡的基本思想，对目前流行的电力系统控制器的作用进行了概述，分析了励磁控制增加阻 尼控制与F A C T S 设备增加阻尼控制的一些特点，并对各种控制器的控制作用及控制效果进行了比较。总结了当前国内外的最新 研究成果，指出电力系统低频，超低频振荡多角度综合控制是今后的主要研究 目 标。 关键词：P S S 4 B ；F A C T S ；低频振荡 中图分类号 ：T M7 1 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 99 4 9 2( 2 0 1 5)0 70 1 5 40 5 Th e Co n t r o l l i n g Te c h n i q u e s o f Co n s t r a i n i n g t h e Lo w Fr e q u e n c y Os c i l l a t i o n s i n Po we r S y s t e m C UI J u n t a o ( L a n z h o u R e s o u r c e s & E n v i r o n m e n t V o c T e c h C o l l e g e ， L a n z h o u 7 3 0 0 2 0 ，C h i n a ) Abs t r a c t ：I n t h e l i g h t o f s u p p l y i n g d a mp t o e l i mi n a t e t h e l o w e q u e n c y o s c i l l a t i o n s ， t h i s p a p e r r e v i e ws t h e pe r f o r ma n c e o f c u r r e n t p o we r s y s t e m c o n t r o l l e r s ， i n c l u d i n g t h e f e a t u r e o f a d d i ng d a mp i ng c o n t r o l l e r s t h r o u g h t h e e x c i t e r s y s t e ms a n d t h e FACT S d e v i c e s ， a n d t h e c o mp a r i s o n o f t h e p e rf o r ma n c e o f d i f f e r e n t c o n t r o l l e r s ，T h e n t h e l a t e s t r e s u l t s c o n c e r n i ng d a mp i n g t h e l o w e q u e n c y o s c i l l a t i o n s a r e i n t r o d u c e d At l a s t ， t he p a p e r p o i n t s o u t t h a t t h e c o o r d i n a t i o n o f F AC TS a n d po we r s y s t e m s t a b i l i z e r s i s t h e t i de i n t h e f u t u r e Ke y wo r d s ：P S S 4 B；F ACT S；l o we q u e n c y o s c i l l a t i o n 0引言 目前 ，随着 电力系统规模不断扩大 ，超高压 输电线路 的增长以及大容量机组 、快速励磁装置 的运行 ，电力系统的阻尼特性 日渐恶化 ，极大的 影响了电力系统的稳定运行。由电网互联而产生 的低频振荡 ，在 网络容量相对较小 的时候 ，同步 发 电机联 系紧密 ，系统有足够的阻尼 ，很少发生 低频振荡的现象。 自从上世纪 6 0年代在北美中部 大陆的西北和西南联合系统互联时观察到低频振 荡现象 以来 ，由于大容量 的机组在 电网中的不断 投运 ，快速励磁 的普遍使用 ，低频振荡现象在大 电网中时有发生 。近年来 ，低频振荡现象在中国 电网频繁出现，尤其是建设特高压电网后形成的 “ 三华”电网 ( 华北 、华 中、华东 ) ，因为 电网规 模巨大，区域间振荡的频率将可能降低至0 1 H z 以下超低频振荡 ，已经成为威胁互联大电网安全 稳定运行的突出问题。 鉴 于电力系统本身 的复杂性 ，人们始终在关 注低频振荡并展开相应 的研究 ，目前 目前 系统阻 尼减小被 普遍认 为是低频振荡产生 的原 因之一 。 因此 ，为提高系统 的稳定性 ， 可以通过在系统 中 增加正阻尼来抑制系统低频振荡的发生。本文拟 通过分析新 型电力系统稳定器和 F A C T S 装置提高 系统阻尼从而抑制电力系统低频 、超低频振荡的 方法 ，总结其利弊及适用性 ，提出电力系统低频 振荡综合控制技术的思路 。 1 电力系统稳定器 1 1 模型简介 P S S 作为一种 附加励磁控制 ，它 的实 质是给 励磁系统提供一个附加信号，将该信号按需要进 收稿 日期 ：2 0 1 50 40 2 崔 俊涛：电 力系 统 抑 制低频 振荡 综 合 控 制技术 皇 皇 行相位补偿和放大，由此产生的控制信号加人到 自动电压调节器上 ，从而可以控制励磁系统来增 加发电机的阻尼转矩，实现抑制系统产生低频振 荡 。2 0 0 5年 I E E E将 P S S划 分 P S S I A、 P S S 2 B 、 P S S 3 B、 P S S 4 B。其 中 ：P S S 1 A是 一 种 单 输 人 P S S ，具有两级超前滞后环节。输人量普遍采用功 率P，能够对电网中0 1 2 5 H z 范围内的低频振荡 中起到良好的抑制效果 ，缺点是会出现反调现 象。P S S 1 A的主要适用范围是火 电厂 ，火 电机组 的特点是调负荷很慢 ，不会 产生机组无功反调 ； P S S 2 B是一种双输人 P S S ，两个输入量分别是频率 和功率 P，具有三级超前滞后环节。P S S 2 B利用 和P 计算得到发电机的加速功率 ，当发电机 组单方向增加负荷或者单方向减少负荷时，其加 速功率等于零 ，由于P S S 不起作用所以不产生无 功反调 。只有 当发 电机组有功功率增减变 化时 ， 电力系统稳定器才起作用 ，抑制系统低频振荡。 所以P S 2 B 通过合成加速功率巧妙地解决了P S S 1 A 的反调问题。P S S 2 B的缺点是在斜坡函数截止频 率过渡区对系统振荡的抑制效果不理想。为了使 P S S 可以依照不同的要求调整补偿从而改善多个 振荡模式的阻尼特性，使其对其他振荡模式的不 利影响减到最低，多频段 P S S 模型成为研究的一 个热点方向。于是，P S S 4 B 便应运而生了。 1 2 P S S 4 B 模型 在这里以 目前 的研究趋势 ，以新型多频段 电 力系稳统定器P S S 4 B 为例，分析其对电力系统低 频振 荡的控制效 果。通常情 况下 ，电力系统稳定 器只有一个通道 ，所 以低频 段和高频段根本无法 同时兼顾 ，尤其是在超低频段，存在较大的超前 相位角，大大限制了传统的电力系统稳定器所能 提供的正阻尼。P S S 4 B 具有转子的转速和有功功 率两种输入信号 ，可 以很好地 消除反调现象 ，同 时P S S 4 B 在频率为零时，其相位也能为零。针对 高频段 ，传统电力系统稳定器增益往往较大，也 许会导致轴系扭振加剧振荡，而P S S 4 B 则能够在 高频段减小增益，防止上述振荡的产生。P S S 4 B 有三个频段 ，每一个频段都可 以单独的进行增益 调节 、滤波器参数设置 、相位调节和输 出限幅调 节 ，可以对多个模式的低频振荡产生 良好的抑制 效果。综上所述，P S S 4 B 相比传统的P S S 要优越。 I E E E 提供了简单的基于三个中心频率及相应 增益的参数设置方法。这三个中心频率分别对应 低频振荡 ( 用 表示) ，高频振荡 ( 用日表示)和 中频振荡 ( 用， 表示) 。四个方程给出每个通道时 间常数的计算公式。如中间频率的计算公式如 图 1 P S S 4 B模型图 ( 电 工 下，其中 为常数，设置为 1 2 ， 为中频振荡的 中心频率。其他参数设置为 0 。 m m 1 i2 7 ( 1 )2 “ r r F i 、 T i l T i2 ( 2 ) T i 8 = T i7 R ( 3 ) 。 = K i 2 R 2 + R ( 4 ) 鉴于 P S S 4 B的复杂性 ，且模 型依赖 I) 和 通 道测量 的精确性 ，目前 国内在工程实践当中没用 得 到推广应用 ，在文献【 1 中给出了基于 R T D S 模 型的 P S S 4 B投入效果验证 ，文中可以看 出通过对 P S S 4 B模型 ( 如图 1 所示 )的参数整定 ，在 R T D S 仿 真实验 中 ，励磁系统投入 P S S 4 B后 ，系统 的全 频段阻尼效果 良好 。在文献 1 】 中的实验波形( 图 2 ) 可以看 出，在相同增益下 ，P S S 4 B针对各频段阻 尼 比均较理想 ，全频段适用性 比P S S 2 B抑制效果 更好。其中P S S 2 B在频率为1 H z 以上时对低频振 荡的抑制效果与 P S S 4 B相似 ，但在频率为 1 H z 以 下时则不如P S S 4 B 。因此 P S S 4 B 相 比P S S 2 B的优势 在于其低频段抑制效果较好。可以看出，P S S 4 B 还能有效地抑制区域模式下的低频振荡 ，且抑制 效果 明显优于其他稳定器。 2 F A CT S装置附加控制 2 1 F AC T S的阻尼效果 针对系统中两个不 同地 区机组群之 间的低频 振荡 ，采用 附加阻尼控制器安装在柔性交流输 电 系统 ( F A T C S )可以为其提供有效的解决方法。 文献 2 1 采用了模态分析法 ，文中根据多机系统中 F A C T S 稳定控 制器来评价 F AC T S 的阻尼效果 。有 研究将柔性交流输电系统 的阻尼作用直接加在发 电机 的电磁振荡环节中 ，并通过发电机 的励磁通 道 来 实现 阻 尼 作用 3 1 ，该 研 究 建立 了一个 P h i l l i p s He f f r o n 模 型 ，将 b a n g b a n g 带来 的最强 阻尼 控制解释为F A C T S 装置 的机械特性限制。L u F C 等 将一种变结构理论成功应用于T C S C阻尼低频 振荡控制器设计中。 在串联补偿提高功率 的传输能力 的同时 ，如 果串联容抗与线路感抗相等时 ，即 f = x f e f s 5 则会产生 电气谐振。而发 电机的某一轴 系固 邑 0 2 4 6 8 1 0 1 2 时 间， s ( a )频率为2 H z 0 2 4 6 8 1 0 1 2 时间， s ( b )频率 为0 8 Hz 时间I s ( c )频率为 0 3 Hz 图2 不同频率下扰动试验的阻尼效果图 r ， ， I 曩 曩 厂 T I 嚣 黑 F 需 羔 垒 咖枷枷跏湖栅锄伽渤湖瑚铷伽姗姗 ， r ， 当r ， 落，= I芭r O O 0 0 0 O O O O O O O O 0 O 砷 鲫 卯 砌 鼬 一 _ 一 莎 r 一 占 O 0 0 O O 0 O O岫 O 砷 ：2 砷骆 的 菡6l d c 邑f d 崔俊涛：电力 系统抑制低频振 荡综合控制技 术 电力电 有频率 与产生的电气谐振频率之和接近于工频 时，则有可能会出现机械和电气振荡的互相耦合 作用从而引发轴系扭振。T a n g Y等 通过物理仿真 实验研究 了寄生于 T C S C的次 同步振 荡产生 的影 响。而L i Y J 等6 1应用T C S C 控制器来消除轴系扭 振的幅值及轴系扭振产生的积累效应，说明T C R C 控制能有效消除次同步振荡。Wk o R J P 等 的研 究表明，T C S C 对次同步振荡呈中性，它可以降低 由邻近的串联补偿电容产生的次同步振荡的影响。 2 2 F AC T S装置与 P S S联合控制策略 目前发现 P S S 在 区域 内的低频振荡 的抑制 中 表现较好 ，但对 区域间低频振荡的阻尼却无显著 效果 。现 已有通过 P MU协调各发 电机的 P S S 来阻 尼控制区域间振荡的方法，但非常复杂 ，而且需 要全局的系统信息才能实现控制 】。F A C T S 装置鉴 于其安装地点灵活的优势 ( 相比较 P S S 只能安装 于发电机 内) ，可有选择性地安装于可能会发生低 频振荡 的区域联络线上来实现低频振荡抑制 。另 外 ，F A C T S 装置能够有效调节系统电压 ，提高互 联线路输送容量 ，增强互联区域间的阻尼，因此 能够很好的抑制区间振荡。 然 而实际 中，P S S 与 F A C T S 设备对低频振 荡 的抑制效果与如何选择相应 的控制信号密不可 分。F A C T S 附加阻尼控制的输入信号一般包括线 路的电流幅值 ， m 、线路 中有功电流分量 ， a 、有功功 率P 和区域惯量中心角频率c c， 。严伟佳等-引 系统研 究 了在不同情况下各 种输入信号对区间振荡产生 的阻尼效果。为了更好的提升系统组尼，每个阻 尼控制器还能选择多种不同的控制信号，同时在 系统运行方式发生变化的时候其鲁棒性也会更 强。P S S 一般采用转速偏差、电磁功率偏差P e 、 加速功率P 一 P 。 和频率偏差A f 中的一个或几个信 号作为 附加控制 ，从而产生与 a 同轴 的附加力 矩，增加系统对低频振荡的正阻尼，提高电力系 统的动态稳定性 。 目前 ，P S S 与 F A C T S 装置协调控制技术进入 了快速发展 时期 。宁琳 等t i e 和李 国杰等 U l 报 道了 P S S 与 T C S C、V S C HV D C附加阻尼控制器之间协 调控制 的研究。2 0 1 2 年我国建成的特高压局部电 网中，蒋平等 】提出了采用P r o n y 分析检测联络线 主 导振 荡模 式 ，并采 用 P S S 控 制 电 网区域 内振 荡 ，采用 S V C控制区域 间振荡 的方案 。另外 ，对 A C T S 装置的控制带宽和控制精度 的提升也是发展 趋势，如U P F C 、I P F C 等控制技术的成熟【1 1 。可以 预期 ，P S S 与 F A C T S 装置综合控制技术将是解决 智能 电网低频和超低频振荡问题 的重要途径。 3 抑制电力系统低频振荡方法比较 由于电力 系统容 易受 到外 部扰 动 以及 自身 因素 的影 响 ，为 了更有 条理 的分析 抑制低 频振 荡 ，抑 制方 法被分 为一 次系统 对策 和二次 系统 对策n 。一 次系统对策 主要包括减少重负荷输 电 线路并增强网架结构 ，同时减少送 、受端 的电气 距离 ；采用串联电容补偿及直流输电方式 ，在输 电线上装设 F AC T S 装置。二次系统对策主要采用 附加控制装置 ，并适 当整定参数 以增加抑制低频 振 荡 的阻尼 力矩 ，由此达 到抑 制低频 振荡 的 目 的。鉴于负阻尼机理得到了广泛 的认可 ，基于这 个思想 ，针对 F A C T S 方法和电力系统稳定器进行 了方法比较。F A C T S 方法包括S V C 、U P F C 等侧重 于从负载特性 、系统结构及运行方式几方面改善 系统的阻尼特性 ，从而达到提高系统稳定性的目 的 。尽 管改变 电网结 构是 防止 弱阻尼 的根本措 施 ，但是投 资巨大 ，而且 随着系统的变化 ，又可 能发生新的弱联 系 ，因此通过改进控制调节系统 来增强 阻尼是必要的 。而 P S S 是抑制低频振荡 的 一 种有效 的方法 ，但是传统的 P S S 参数是针对某 个低频振荡频率设计的，在其他运行情况下却不 能得 到最佳控制 。P S S 4 B的出现 ，基本上解 决了 这一问题，但就 目前投运情况来看，国内主要还 处在建模和设计阶段 ，实际系统运用的比较少。 4总 结 由于抑制电力系统低频振荡中 ，负阻尼机理 得到 了广泛的认可 ，本文重点对新 型电力系统稳 定器 P S S 4 B和 F A C T S 装置 附加控 制进行 了综述 。 从 目前发展状况来看 ，P S S 4 B应 当是今 后推广应 用 的一个 主流趋势 。该装置 目前存 在的问题 是 ： P S S 4 B的传递函数相比其他模型更加复杂，模型 依赖 和 。 通道测量的精确性 ，并且对励磁系统 控制器的调节精度和速度要求较高。需要针对这 些问题进行研究。现阶段由于P S S 与F A C T S 装置 协调控制技术趋于成熟 ，本文概述了 F AC T S 装置 的阻尼效果 以及 F AC T S 装置与 P S S 的联合控制策 电工 略 ，比较了电力系统抑制振荡的方法 ，认为 电力 系统低频振荡多角度，多方式综合控制是今后的 主要研究 目标。 参考文献： 1 袁亚洲，许其品，徐蓉，等 基于R T D S 的多频段电力 系统稳定器效果验证 J 电力系统 自动化，2 0 1 3 ， 3 7 ( 1 8 ) ：1 2 6 1 3 1 2 P o u r b e i k P， G i b b a r d M J D a m p i n g a n d S y n c h r o n i z i n g To r q u e s I n d u c e d o n G e n e r a t o r s b y F AC T S S t a b i l i z e r s i n Mu l t i Ma c h i n e P o w e r S y s t e m s J JI E E E E T r a n s o n P o w e r S y s t e m s ，1 9 9 6 ，1 1( 4 ) ：1 9 2 0 1 9 2 5 3 Wa n g H F， S w i f t F J ， I J i M C o m p a ri s o n o f M o d a l C o n - t r o l l a b i l i t y B e t w e e n F AC T S - B a s e d S t a b i l i z e r s a n d P S S i n I n c r e a s i n g t h e Os c i l l a t i o n S t a b i l i t y o f Mu h i ma c h i n e P o we r S y s t e ms J 1 E E P r o c e e d i n g s o n G e n e r a t i o n ， T r a n s mi s s i o n a n d Di s t rib u t i o n ， 1 9 9 6， 1 4 3 ( 6) ： 1 3 5 0 - 2 3 6 0 4 L u F C， L i G Y， Z h a n g J C， e t a 1 T h e S t u d y o n t h e VS C C o n t r o l o f T C S C f o r Da mp i n g P o w e r S y s t e m L o w F r e q u e n c y O s c i l l a t i o n C P O WE R C O N9 8 B e i j i n g ： 1 998 5 T a n g Y， L i N H， C h e n H， e t a 1 A P h y s i c a l Mo d e l S t u d y o f S S R S t e mme d f r o m T h y r i s t o r Co n t r o l l e d S e r i e s C a p a c i t o r C P O WE R C O N9 8 B e i j i n g ：1 9 9 8 6 j L i Y J ， Z h o uXX， Wu S Y， e t a 1 C h a r a c t e ri s t i c S t u d i e s o f T C S C C o n t r o l l e r o n An a l o g S i mu l a t o r C J P O W E R C O N9 8 B e ij i n g ：1 9 9 8 7 Wk o R J P，We g n e r CA，K i n e y S J ，e t a 1 S l a t t 可控 硅控制的 串联 电容器S S R性能测试 J 柔性交流输 电技 术专辑 ：下， 1 9 9 7 ：6 6 0 6 6 7 8 严伟佳 ，蒋平 抑制区域间低频振荡的F A C T S阻尼控 制 J 高电压技术，2 0 0 7 ，3 3( 1 ) ：1 8 9 1 9 2 9 严伟佳，蒋平，顾伟 S V C阻尼控制附加信号选取的 探讨 J 电力系统及 自动化学报 ，2 0 0 8 ，2 0( 2 ) ： 7 0-7 3 1 0 宁琳 P S S和 T C S C抑制低 频振 荡交互及协调研 究 D 南宁：广西大学，2 0 0 8 1 1 李国杰，马锋 P S S与V S C H V D C附加 阻尼控制器参 数协调优化设计 J 电网技术，2 0 0 9 ，3 3( 1 1 ) ： 3 9 4 3 1 2 蒋平 ，栗楠 ，颜伟 ，等 P S S 和 S V C联合抑制特 高 压 网络低 频振 荡 J 电力 自动化设 备 ，2 0 0 9 ， 2 9 ( 7 ) ：1 3 1 7 1 3 J a l i l z a d e h S ， S h a y e g h i H， S a f a r i A， c t a 1 O u t p u t f e e d b a c k UP F C c o n t r o l l e r d e s i g n b y u s i n g q u a n t u m p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o n C C o mp u t e r ， T e l e c o m mu n i c a t i o n s a n d I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y ， 6 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e 2 0 0 9 ( 1 ) ：2 8 3 1 1 4 倪以信，陈寿孙，张宝霖 动态电力系统的理论和分 析 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 2 作者简介：崔俊涛，男 ，1 9 8 2年生 ，天津人 ，硕士，讲 师。研究领域 ：控制理论与控制工程。 ( 编辑 ： 向飞) + - 一 - -卜 - +- +- 一- - 卜- 一- - 一- 卜一 卜- +- 一- 一 - 一- +- +一 +- +一 +- +- +- +- +- +- +- 十- +- + - a t - - +- + +- 一 ( 上接 第 1 4 0页) 6 1 7 2 6 2 降至2 3 2 4 3 2 M P a ，降幅达到6 2 3 ，稍低 于热压机框架 所采用 的 Q 2 3 5 材料 的屈服强度极 限，而且优化后的热压机倒角处的应力分布较没 有修改前时的应力分布更加均匀 ，如此可有效减 少木板热压机在每一次工作循环过程 的局部应力 集中处结构发生循环塑性变形累积 ，大幅增加了 木板热压机整体框架 的使用寿命 ；最后 ，基于 A N S Y S 的等效应力仿真计算可以为木板热压机相 关机械设备的强度优化设计提供可行的设计方法。 参考文献 ： 1 胡广斌 人造板热压机 的发展历程 J 林产工业， 2 0 0 5 ，3 2( 1 ) ：5 0 5 3 2 盛振湘 我国人造板机械发展方略 刍议 J 林产工 业 ，2 0 0 5 ，3 2( 4 ) ：5 1 5 3 3 李绍昆，姜仁龙 中密度纤维板 多层热压机的热压过 程分析 J 中国人造板，2 0 0 8( 6 ) ：2 0 2 3 4 吴静 ，郑玉卿 ，陈志威 ，等 木板热压机整体框 架 结构应力 强度分析及 改进措 施 J 现 代机械 ， 2 0 1 1 ( 6 ) ：5 4 5 6 5 王勖成 有限单元法 M 北京：清华大学出版社 ， 20 03 6 赵恒华 ，高兴军 A N S Y S 软件及其使 用 J 制造业 自动化 ，2 0 0 4 2 6 ( 5 ) ：2 0 2 3 7 高翔，胡淼 框式热压机机架有限元分析及结构优化 设计 J 机械设计，2 0 0 9 ，2 6( 4 ) ：6 2 6 4 8 常楠，杨伟 ，赵美英 典型复合材料加筋壁板优化设 计 J 机械设计 ，2 0 0 7 ，2 4( 1 2 ) ：4 6 4 8 第一作者简介：张杰 ，男， 学本科，工程师。研究领域： 组件开发。 1 9 8 1 年生 ，安徽涡阳人 ，大 机电一体化设计和线缆连接 ( 编辑 ： 向飞)