CN103795069A - 基于单机无穷大***的全网pss协调整定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法，属变配电领域。其先确定在电网中选择哪些机组配置PSS，然后构建单机无穷大***，对入选的机组逐台在单机无穷大***中实施其PSS的整定，确定其PSS的相位和增益补偿要求，在单机无穷大***中确定经PSS补偿后待整定机组传递函数的特性是否满足补偿要求，并进一步根据其PSS投入前后待整定机组传递函数的幅频响应特性，确定其PSS整定参数是否满足全网PSS协调整定的要求。其可摆脱对电网计算平台的依赖，不仅能提高机组对地区局部振荡的阻尼，而且能够提高机组对抑制区域全局振荡模式的贡献，整体提高全网的小干扰稳定性能，其不受电网运行方式的影响，鲁棒性强，同时可大大方便于电网对机组PSS投运的管理。

Description

基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法

技术领域

本发明属于变配电领域，尤其涉及一种用于在网络中防止或减少功率振荡/机电振荡的方法。

背景技术

电网互联是现代电网发展的主要趋势，各区域电网通过联络线互相支援，以提高电网运行的可靠性和经济性。

但是，大规模互联电网中大批大容量机组的建设投产，也造成电网稳定问题的复杂性，增加了电网运行发生不稳定时后果的不确定性和严重性。

电网互联规模持续增长的一方面是发电厂机组容量迅速膨胀，另一方面电网输电***强度存在相对薄弱之处，伴随着互联电网内部的大功率传输，在各区域电网之间甚至在区域电网各地区之间呈现隐性的弱阻尼联络线模式低频振荡。小干扰稳定问题对电网安全稳定运行的威胁日益突出，电力***规划和运行必须密切关注互联电网中存在的小干扰稳定问题。

并网运行的单独电厂或发电机组对于电网中的地区局部振荡模式中是处于支配地位的，因而这些机组配置的电力***稳定器（PSS，Power System Stabilization）可以对这种振荡模式起很大的阻尼作用。

而对于表现为联络线模式的区域间低频振荡，单独的电厂或发电机组仅是部分地参与这种模式的振荡，单台发电机组上配置的电力***稳定器（PSS）提供的对于这种区域间振荡模式的阻尼贡献，仅可能是正比于它输送到***中的容量与整个***容量之间的比值。

电力***稳定器（PSS）投运工作的首要准则是应该正确地配置电力***稳定器，使机组在与***弱联系及重负荷的各种运行条件下，对机组在其中起支配作用的地区局部振荡模式能够提供足够的阻尼，而同时应尽可能对机组局部参与的区域间振荡模式提供应有的阻尼；另外，电网运行方式变化纷繁复杂，涉网机组的PSS配置方案必须能够适应电网运行方式的变化，在目前PSS均为固定结构和参数的条件下，在电网运行方式发生改变时，仍旧可以有效满足电网稳定运行的小干扰稳定性能要求。

如何在涉网机组的PSS投运管理工作中贯彻实施这种原则，最为关键的技术难题就是全网机组PSS的协调整定，这包括配置PSS机组的选取和具体PSS参数的整定，这个难题也是所有现代互联电网运行管理中必然会碰到的。

目前的全网PSS协调整定方法多数无法达到预期的鲁棒性，而且很难保证投运PSS机组自身的稳定性能；且以往采用的单机无穷大***平台很难方便地建立各种类型励磁***的模型，传递函数频率特性的线性化计算需要手工进行，很难适用于全网众多机组PSS的整定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法，其可以摆脱对电网计算平台的依赖，建立能够适应各种不同励磁***的单机无穷大***PSS整定方法；所整定的发电机组PSS参数能够确保机组投运PSS后，不仅能提高机组对地区局部振荡的阻尼，而且能够提高机组对抑制区域全局振荡模式的贡献；全网各单独机组PSS分别以此方法整定和投运，能够整体提高全网的小干扰稳定性能，不受电网运行方式的影响，鲁棒性强，同时可大大方便于电网对机组PSS投运的管理。

本发明的技术方案是：提供一种基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法，包括确定全网PSS的配置方案和待整定发电机组PSS参数的设置，其特征是所述的全网PSS协调整定方法包括下列步骤：

A、确定在电网中选择哪些机组配置PSS：

对于与电网联系较弱的机组，需配置PSS，以确保弱阻尼地区振荡模式可以得到有效抑制；所述的与电网联系较弱，是指机端到无穷大母线之间的总联系电抗＞0.2；

选取能够对整体提高电网的小干扰稳定性能起到决定性作用的机组，需配置PSS，以确保电网区域间振荡模式的阻尼性能得到有效提升；所述能起到决定性作用的机组，是指区域电网中容量大于一定值或占较大权重的机组，包括区域电网中200MW及以上容量的火电或核电机组，以及100MW及以上容量的水电或抽水蓄能机；

上述所有需配置PSS机组的集合，构成全网机组PSS配置方案的最小方案；

B、构建单机无穷大***：

在MATLAB／Simulink软件平台上，采用转子四阶的发电机详细PARK方程模型作为发电机模型，所述的发电机模型由电气方程、转子运动方程和网络接口方程构成；

将所述的电气方程、转子运动方程和网络接口方程，以传递函数的形式连接成***，构建所述的单机无穷大***；

根据发电机组所采用的励磁***和PSS结构，利用Simulink软件的建模功能，采用传递函数相连接的方法，构建所述单机无穷大***中发电机组的励磁控制***以及PSS模型；

C、对单机无穷大***进行初始化：

在所述的单机无穷大***中，对于以电功率-P_e为输入信号的PSS，选择满负荷、高功率因素、强联系运行工况对单机无穷大***进行初始化，初始化时设置机组转动惯量为无穷大，即T_j=1.0E+12；

D、对入选电网PSS配置方案的发电机组，逐台在单机无穷大***中实施其PSS的整定：

将待整定机组的PSS励磁控制输入设定为待求传递函数的输入点，将其PSS输出信号设定为待求传递函数的输出点，通过***运行点附近的线性化计算，获得从指定输入到指定输出之间的传递函数GEP(s)，该传递函数GEP(s)以波特图的形式表示，其波特图的频率坐标范围为0.1～3.5Hz；

E、按照既增加阻尼转矩又增加同步转矩的补偿要求，根据待整定机组传递函数GEP(s)的波特图，确定其PSS的相位和增益补偿要求；

F、首先根据相位补偿要求整定PSS相位补偿环节的参数，然后综合相位补偿环节的增益特性和PSS的增益补偿要求进一步确定PSS的增益；

G、在单机无穷大***中确定经PSS补偿后待整定机组传递函数GEP(s)的特性是否满足补偿要求，并进一步根据其PSS投入前后待整定机组传递函数GEP(s)的幅频响应特性，确定其PSS整定参数是否满足全网PSS协调整定的要求。

本发明技术方案所述的全网PSS协调整定方法通过补偿传递函数GEP(s)的相位和增益特性，来协调整定机组PSS，从整体上提高电网的小干扰稳定性能。

具体的，所述B步骤中的电气方程包括下列表达式：

T'_dop(e'_q)=E_fd-X_adI_fd-S_d，

$X_{\mathrm{ad}}{I}_{\mathrm{fd}}=e_q^{\′}+(X_d-X_d^{\′})i_d+\frac{(X_d^{\′}-X_d^{\′\′})(X_d-X_d^{\′})}{{(X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}})}^2}[e_q^{\′}-{\mathrm{\ψ}}_D-(X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}})i_d],$

T'_qop(e'_d)=X_aqI_g+S_q，

$X_{\mathrm{aq}}{I}_g=-e_d^{\′}+(X_q-X_q^{\′})I_q-\frac{(X_q^{\′}-X_q^{\′\′})(X_q-X_q^{\′})}{{(X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}})}^2}[-\left({-\mathrm{\ψ}}_Q\right)+e_d^{\′}+(X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}})I_q],$

T''_dop(ψ_D)=-ψ_D+e'_q-(X'_d-X_σ)i_d，

T''_qop(-ψ_Q)=-(-ψ_Q)+e'_d+(X'_q-X_σ)i_q，

$e_q^{\′\′}=\frac{X_d^{\′\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{e}_q^{\′}+\frac{X_d^{\′}-X_d^{\′\′}}{X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{\mathrm{\ψ}}_D,$

$e_d^{\′\′}=\frac{X_q^{\′\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{e}_d^{\′}+\frac{X_q^{\′}-X_q^{\′\′}}{X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}(-{\mathrm{\ψ}}_Q),$

$i_d=\frac{R_a}{R_a^2+X_d^{\′\′}{X}_q^{\′\′}}(e_d^{\′\′}-e_d)+\frac{X_q^{\′\′}}{R_a^2+X_d^{\′\′}{X}_q^{\′\′}}(e_q^{\′\′}-e_q),$

$i_q=\frac{-X_d^{\′\′}}{R_a^2+X_d^{\′\′}{X}_q^{\′\′}}(e_d^{\′\′}-e_d)+\frac{R_a}{R_a^2+X_d^{\′\′}{X}_q^{\′\′}}(e_q^{\′\′}-e_q),$

${\mathrm{\ψ}}_d=-X_d^{\′\′}{i}_d+\frac{X_d^{\′\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{e}_q^{\′}+\frac{X_d^{\′}-X_d^{\′\′}}{X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{\mathrm{\ψ}}_D=e_q^{\′\′}-X_d^{\′\′}{i}_d,$

$-{\mathrm{\ψ}}_q=X_q^{\′\′}{i}_q+\frac{X_q^{\′\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{e}_d^{\′}+\frac{X_q^{\′}-X_q^{\′\′}}{X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}(-{\mathrm{\ψ}}_Q)=e_d^{\′\′}+X_q^{\′\′}{i}_q,$

T_e=i_qψ_d+i_d(-ψ_q)，

$P=i_q{\mathrm{\ψ}}_d+i_d(-{\mathrm{\ψ}}_q)-(i_d^2+i_q^2)R_a,$

Q=i_dψ_d-i_q(-ψ_q)，

其发电机饱和只考虑直轴的饱和，忽略交轴的饱和，饱和方程表达如下

$e^{\′\′}=\sqrt{{\left(e_q^{\′\′}\right)}^2+{\left(e_d^{\′\′}\right)}^2},$

$S_d=\frac{e_q^{\′\′}}{e^{\′\′}}\·b{(e^{\′\′}-a)}^2,$ S_q=0。

具体的，所述B步骤中的转子运动方程包括下列表达式：

T_jp(ω)=T_m-T_e

p(δ)=ω-ω₀。

具体的，所述B步骤中的网络接口方程以x-y轴为坐标轴，x轴以无穷大电网电压E_B为基准，即

$\left[\begin{array}{c}{e}_x\\ e_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_e& -X_e\\ X_e& R_e\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\\ -\cos \mathrm{\δ}& \sin \mathrm{\δ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{E}_B\\ 0\end{array}\right]$

所述发电机模型内部以d-q轴为坐标轴，即

$\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\δ}& -\cos \mathrm{\δ}\\ \cos \mathrm{\δ}& \sin \mathrm{\δ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_x\\ e_y\end{array}\right]$

进一步的，所述的全网PSS协调整定方法，用励磁控制至发电机输出功率的传递函数GEP(s)的幅频特性，来比较PSS投运前后发电机组阻尼变化的情况；或者，比较PSS投入前后传递函数GEP(s)波特图中的幅频特性，直观地确定PSS阻尼功率波动的效果，由此来检验PSS参数整定的效果。

进一步的，所述传递函数GEP(s)的相位特性，通过由机端电压变化间接地测量出来。

进一步的，在所述E步骤的补偿要求中，其相位补偿原则为在0.1～3.5Hz频率范围内，使由PSS补偿后产生的处于滞后轴角度小于45°的范围内，以PSS投运后在增加机组阻尼转矩的同时也能增加同步转矩作为补偿预期的理想效果。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.本方法兼顾了发电机组自身的稳定性能要求和抑制电网地区全局振荡模式的要求，使得各发电机组投运PSS后，在保证机组自身稳定的同时，可有效地提高电网整体的稳定性能；

2.本方法摆脱了对电网计算平台的依赖，解决了多运行方式下的PSS协调整定问题，建立了一种能够适应各种不同励磁***的单机无穷大***PSS整定平台；

3.本方法不仅能提高机组对地区局部振荡的阻尼，而且能够提高机组对抑制区域全局振荡模式的贡献；

4.全网各单独机组PSS分别以本方法整定和投运，能够整体提高全网的小干扰稳定性能，不受电网运行方式的影响，鲁棒性强，同时极大地便于电网对机组PSS投运的管理。

附图说明

图1是本发明方法步骤的方框图；

图2是本发明单机无穷大***的接线图；

图3是本发明单机无穷大***的***框图；

图4是用于确定相位补偿要求的传递函数GEP(s)的波特图；

图5是PSS投入前后待整定机组传递函数GEP(s)的波特图；

图6是四机两区域***的***构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1中，给出了本发明技术方案提供的“基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法”，其包括确定全网PSS的配置方案和待整定发电机组PSS参数的设置，其所述的全网PSS协调整定方法至少包括下列步骤：

A、确定在电网中选择哪些机组配置PSS：

对于与电网联系较弱的机组，需配置PSS，以确保弱阻尼地区振荡模式可以得到有效抑制；所述的与电网联系较弱，是指机端到无穷大母线之间的总联系电抗＞0.2；

选取能够对整体提高电网的小干扰稳定性能起到决定性作用的机组，需配置PSS，以确保电网区域间振荡模式的阻尼性能得到有效提升；所述能起到决定性作用的机组，是指区域电网中容量大于一定值或占较大权重的机组，包括区域电网中200MW及以上容量的火电或核电机组，以及100MW及以上容量的水电或抽水蓄能机；

上述所有需配置PSS机组的集合，构成全网机组PSS配置方案的最小方案；

B、构建单机无穷大***：

在MATLAB／Simulink软件平台上，采用转子四阶的发电机详细PARK方程模型作为发电机模型，所述的发电机模型由电气方程、转子运动方程和网络接口方程构成；

将所述的电气方程、转子运动方程和网络接口方程，以传递函数的形式连接成***，构建所述的单机无穷大***；

根据发电机组所采用的励磁***和PSS结构，利用Simulink软件的建模功能，采用传递函数相连接的方法，构建所述单机无穷大***中发电机组的励磁控制***以及PSS模型；

C、对单机无穷大***进行初始化：

在所述的单机无穷大***中，对于以电功率-P_e为输入信号的PSS，选择满负荷、高功率因素、强联系运行工况对单机无穷大***进行初始化，初始化时设置机组转动惯量为无穷大，即T_j=1.0E+12；

D、对入选电网PSS配置方案的发电机组，逐台在单机无穷大***中实施其PSS的整定：

将待整定机组的PSS励磁控制输入设定为待求传递函数的输入点，将其PSS输出信号设定为待求传递函数的输出点，通过***运行点附近的线性化计算，获得从指定输入到指定输出之间的传递函数GEP(s)，该传递函数GEP(s)以波特图的形式表示，其波特图的频率坐标范围为0.1～3.5Hz；

E、按照既增加阻尼转矩又增加同步转矩的补偿要求，根据待整定机组传递函数GEP(s)的波特图，确定其PSS的相位和增益补偿要求；

F、首先根据相位补偿要求整定PSS相位补偿环节的参数，然后综合相位补偿环节的增益特性和PSS的增益补偿要求进一步确定PSS的增益；

G、在单机无穷大***中确定经PSS补偿后待整定机组传递函数GEP(s)的特性是否满足补偿要求，并进一步根据其PSS投入前后待整定机组传递函数GEP(s)的幅频响应特性，确定其PSS整定参数是否满足全网PSS协调整定的要求。

本发明技术方案所述的全网PSS协调整定方法，通过补偿传递函数GEP(s)的相位和增益特性，来协调整定机组PSS，从整体上提高电网的小干扰稳定性能。

本技术方案可以摆脱对电网计算平台的依赖，建立能够适应各种不同励磁***的单机无穷大***PSS整定方法；所整定的发电机组PSS参数能够确保机组投运PSS后，不仅能提高机组对地区局部振荡的阻尼，而且能够提高机组对抑制区域全局振荡模式的贡献；全网各单独机组PSS分别以此方法整定和投运，能够整体提高全网的小干扰稳定性能，不受电网运行方式的影响，鲁棒性强，同时可大大方便于电网对机组PSS投运的管理。

图2中，为了获得发电机组特定工况下传递函数GEP(s)的相位和增益特性，必须有一个通用的整定研究平台。

为了适应全网机组PSS协调整定的要求，该整定研究平台必须能够适应各种类型发电机组，最为重要的是还应包括励磁***，励磁***多种多样，必须能够对各种类型励磁***进行建模；并且能够对发电机的运行工况进行初始化，在确定的初始工况下进行全***的线性化计算，获取从指定输入点到输出点的传递函数。

本技术方案在MATLAB/Simulink软件环境中开发该整定研究平台，可以充分实现上述的单机无穷大***建模及计算分析功能。

所述的单机无穷大***接线图如图2所示，改变机端到无穷大母线之间的总联系电抗，就等于改变机组与***的联系强度。

图3中，发电机阻尼绕组对发电机组的相位特性有很大的影响，因而在确定PSS参数的整定研究平台上必须考虑采取详细的发电机模型。

本技术方案中，所述的发电机模型采用转子四阶（转子d、q轴各有两个绕组）的发电机详细PARK方程模型，该模型包括如下方程组：

（1）电气方程：

T'_dop(e'_q)=E_fd-X_adI_fd-S_d

$X_{\mathrm{ad}}{I}_{\mathrm{fd}}=e_q^{\′}+(X_d-X_d^{\′})i_d+\frac{(X_d^{\′}-X_d^{\′\′})(X_d-X_d^{\′})}{{(X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}})}^2}[e_q^{\′}-{\mathrm{\ψ}}_D-(X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}})i_d]$

T'_qop(e'_d)=X_aqI_g+S_q

$X_{\mathrm{aq}}{I}_g=-e_d^{\′}+(X_q-X_q^{\′})I_q-\frac{(X_q^{\′}-X_q^{\′\′})(X_q-X_q^{\′})}{{(X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}})}^2}[-(-{\mathrm{\ψ}}_Q)+e_d^{\′}+(X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}})I_q]$

T''_dop(ψ_D)=-ψ_D+e'_q-(X'_d-X_σ)i_d

T''_qop(-ψ_Q)=-(-ψ_Q)+e'_d+(X'_q-X_σ)i_q

$e_q^{\′\′}=\frac{X_d^{\′\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{e}_q^{\′}+\frac{X_d^{\′}-X_d^{\′\′}}{X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{\mathrm{\ψ}}_D$

$e_d^{\′\′}=\frac{X_q^{\′\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{e}_d^{\′}+\frac{X_q^{\′}-X_q^{\′\′}}{X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}(-{\mathrm{\ψ}}_Q)$

$i_d=\frac{R_a}{R_a^2+X_d^{\′\′}{X}_q^{\′\′}}(e_d^{\′\′}-e_d)+\frac{X_q^{\′\′}}{R_a^2+X_d^{\′\′}{X}_q^{\′\′}}(e_q^{\′\′}-e_q)$

$i_q=\frac{-X_d^{\′\′}}{R_a^2+X_d^{\′\′}{X}_q^{\′\′}}(e_d^{\′\′}-e_d)+\frac{R_a}{R_a^2+X_d^{\′\′}{X}_q^{\′\′}}(e_q^{\′\′}-e_q)$

${\mathrm{\ψ}}_d=-X_d^{\′\′}{i}_d+\frac{X_d^{\′\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{e}_q^{\′}+\frac{X_d^{\′}-X_d^{\′\′}}{X_d^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{\mathrm{\ψ}}_D=e_q^{\′\′}-X_d^{\′\′}{i}_d$

$-{\mathrm{\ψ}}_q=X_q^{\′\′}{i}_q+\frac{X_q^{\′\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}{e}_d^{\′}+\frac{X_q^{\′}-X_q^{\′\′}}{X_q^{\′}-X_{\mathrm{\σ}}}(-{\mathrm{\ψ}}_Q)=e_d^{\′\′}+X_q^{\′\′}{i}_q$

T_e=i_qψ_d+i_d(-ψ_q)

$P=i_q{\mathrm{\ψ}}_d+i_d(-{\mathrm{\ψ}}_q)-(i_d^2+i_q^2)R_a$

Q=i_dψ_d-i_q(-ψ_q)

发电机饱和只考虑直轴的饱和，忽略交轴的饱和，饱和方程如下：

$e^{\′\′}=\sqrt{{\left(e_q^{\′\′}\right)}^2+{\left(e_d^{\′\′}\right)}^2}$

$S_d=\frac{e_q^{\′\′}}{e^{\′\′}}\·b{(e^{\′\′}-a)}^2,$ S_q=0

（2）转子运动方程：

T_jp(ω)=T_m-T_e

p(δ)=ω-ω₀

（3）网络接口方程：

网络接口方程以x-y轴为坐标轴，x轴以无穷大电网电压EB为基准

$\left[\begin{array}{c}{e}_x\\ e_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_e& -X_e\\ X_e& R_e\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\\ -\cos \mathrm{\δ}& \sin \mathrm{\δ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{E}_B\\ 0\end{array}\right]$

发电机模型内部以d-q轴为坐标轴

$\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\δ}& -\cos \mathrm{\δ}\\ \cos \mathrm{\δ}& \sin \mathrm{\δ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_x\\ e_y\end{array}\right]$

将上述方程，以传递函数的形式连接成***即为所述的单机无穷大***。

在由于上述表达式中各个函数、字母所代表的变量或参数的含义均与现有规范或教科书中的常规用法相同，为节省篇幅，在此不再一一叙述。

电力***稳定器（PSS）是为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。它在励磁电压调节器中，引入领先于轴速度的附加信号，产生一个正阻尼转矩，去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用。用于提高电力***阻尼、解决低频振荡问题，是提高电力***动态稳定性的重要措施之一。它抽取与此振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。

励磁控制***滞后特性即无补偿频率特性。因励磁控制***滞后特性的存在，加到励磁调节器的附加信号经滞后才能产生附加力矩。测量励磁控制***滞后特性，应测量附加力矩对PSS迭加点的滞后角度。由于附加力矩无法测量，实际上是测量机端电压对PSS迭加点的滞后角度。因为在发电机高功率因数运行时，机端电压对PSS迭加点的滞后角度近似等于附加力矩对PSS迭加点的滞后角度。

鲁棒性/抗变换性（robustness）原是统计学中的一个专门术语，20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起来，用以表征控制***对特性或参数扰动的不敏感性。鉴于中文“鲁棒性”的词义不易被理解，在近期一些文献中，“robustness”开始被翻译成了语义更加易懂的“抗变换性””，“抗变换性”和“鲁棒性”在译文中经常互相通用。

控制***的“鲁棒性通”常是指控制***在某种类型的扰动作用下，包括自身模型的扰动下，***某个性能指标保持不变的能力，即抗干扰能力较强。

对于实际工程***，人们最关心的问题是一个控制***当其模型参数发生大幅度变化或其结构发生变化时能否仍保持渐近稳定，这叫稳定鲁棒性。进而还要求在模型扰动下***的品质指标仍然保持在某个许可范围内，这称为品质鲁棒性。鲁棒性理论目前正致力于研究多变量***具有稳定鲁棒性和品质鲁棒性的各种条件，它的进一步发展和应用，将是控制***最终能否成功应用于实践的关键。

图3所示的单机无穷大***中的励磁控制***以及PSS模型根据涉网机组所采用的励磁***和PSS结构，同样采用传递函数相连接的方法构建。

建立了通用的单机无穷大***PSS研究整定平台，即可以围绕如何补偿GEP(s)的相位和增益特性协调整定机组PSS，从整体上提高电网的小干扰稳定性能这个核心内容开展计算分析研究。

对于以电功率-P_e为输入信号的PSS，选择满负荷、高功率因素、强联系运行工况对单机无穷大***进行初始化。根据传递函数GEP(s)的特殊要求，即发电机组的转速不变，初始化时设置机组转动惯量为无穷大，即T_j=1.0E+12。机组与***强联系是指机端到无穷大母线之间的总联系电抗<0.2。

将励磁控制输入（通常和PSS的输出在同一位置）设定为待求传递函数的输入点，设定发电机输出电气功率为待求传递函数的输出点，开启Simulink软件的控制***计算功能，通过***运行点附近的线性化计算就能获得从指定输入到指定输出之间的传递函数GEP(s)，计算求得的传递函数GEP(s)以波特图的形式表示，如图4所示。其波特图的频率坐标范围为0.1～3.5Hz，这是电网小干扰稳定问题涉及的频率范围。

由于PSS输出与励磁控制输入点在同一处进行叠加，PSS对励磁***提供辅助控制来达到增加阻尼的效果。根据PSS对地区局部振荡和区域间振荡的阻尼作用机理，励磁控制至发电机输出功率的传递函数的幅频特性也可以用来比较PSS投运前后发电机组阻尼变化的情况，由此检验PSS参数整定的效果。

图5中，给出了PSS投入前、后待整定机组传递函数GEP(s)的波特图，比较PSS投入前后传递函数GEP(s)波特图中的幅频特性，可以直观地确定PSS阻尼功率波动的效果。

基于单机无穷大***的全网PSS协调整定平台的应用结果必须通过机组的PSS投运试验进行验证，PSS投运试验结果显然还可以用来检验励磁***建模的准确性。

电厂机组实施PSS投运试验，首先安排机组运行于满负荷、高功率因素、强联系工况，并列运行机组是否投运PSS不作具体要求，***运行于正常方式，机组励磁***运行于自动电压调节模式，无任何限制器动作。

整定PSS参数首先要获得GEP(s)的相位和增益特性，而GEP(s)的相位特性是必须的。由于机组的转速实际上不可能保持不变，因此与励磁控制直接相关的电磁转矩在现场无法直接测量，即在现场无法直接测量得到GEP(s)，但因电磁转矩与磁链变化有关，GEP(s)的相位特性可以间接地由机端电压变化测量出来。

在前述的单机无穷大***整定研究平台上，设定输入为励磁控制信号，输出为发电机机端电压，机组转动惯量为正常值，由此求得的传递函数波特图与所要求的传递函数GEP(s)的波特图同时陈列于图5中。

由图5所示可以看出，机端电压量测结果中的相位特性在0.1～3.5Hz频率范围内可以近似表示传递函数GEP(s)的相位滞后特性，但机端电压量测结果的幅频特性却不能确定PSS增益补偿要求。

在PSS投运试验中，可以通过比较PSS在不同增益下的阻尼效果来确定PSS最终采用的增益值。

四机两区域***是研究电网小干扰稳定问题普遍采用的最小***，如图6所示。

其中，机1和机2以及机3和机4分别形成了两个区域，***中存在机1对机2以及机3对机4的两个地区局部振荡模式，并且存在机1和机2对机3和机4的联络线模式区域间振荡模式。

***包括了用一条弱联络线连接的两个相似的区域。每个区域都有两台紧密耦合的机组，每台机组的额定容量都为900MVA，额定电压为20kV。在额定容量（MVA）和额定电压（kV）下的发电机标幺参数为：

X_d=1.8  X_q=1.7  X_l=0.2  X'_d=0.3  X'_q=0.55

X''_d=0.25  X''_q=0.25  R_a=0.0025  T'_do=8.0s  T'_qo=0.4s

T''_do=0.03s  T''_qo=0.05s  A_sat=0.015  B_sat=9.6  

H=6.5(对应G1和G2)  H=6.175(对应G3和G4)  K_D=0

每台升压变压器在900MVA和20/230kV基准下的阻抗为0+j0.15pu，变比为1.0。

输电***的额定电压为230kV。图中标出了线路长度。线路参数在以100MVA，230kV为基准下的标幺值为：

r=0.0001pu/km  x_L=0.001pu/km  b_C=0.00175pu/km

***运行在区域1向区域2输送400MW功率状态，各发电机所带负荷为：

G1：P=700MW，Q=185Mvar，E_t=1.03∠20.2°

G2：P=700MW，Q=235Mvar，E_t=1.01∠10.5°

G3：P=719MW，Q=176Mvar，E_t=1.03∠-6.8°

G4：P=700MW，Q=202Mvar，E_t=1.01∠-17.0°

负荷以及由节点7和9处的并联电容器供给的无功功率如下：

节点7：P_L=967MW，Q_L=100Mvar，Q_C=200Mvar

节点9：P_L=1767MW，Q_L=100Mvar，Q_C=350Mvar。

四机两区域***中的四台机组均采用EXAC2型励磁***，EXAC2型励磁***代表传统的三机高起始响应励磁***，具备典型的软负反馈和硬负反馈环节。

在单机无穷大***PSS整定研究平台上对四台机组的PSS进行整定。

1）整定PSS采用第一种相位补偿原则，即在0.1～3.5Hz频率范围内，使由PSS补偿后产生的

处于超前

轴角度小于45°的范围内。其PSS参数整定如下：

T_W=3.0s，T₁=0.335553s，T₂=3.3553s，T₃=0.086633s，T₄=0.014439s，

T₅=0.086633s，T₆=0.014439s，K_S=5.0，V_SMAX=0.05，V_SMIN=-0.05。

2）整定PSS采用第二种相位补偿原则，即在0.1～3.5Hz频率范围内，使由PSS补偿后产生的

处于滞后

轴角度小于45°的范围内。其PSS参数整定如下：

T_W=3.0s，T₁=0.22508s，T₂=1.8006s，T₃=0.22508s，T₄=1.8006s，

T₅=0.16776s，T₆=0.016776s，K_S=18.0，V_SMAX=0.05，V_SMIN=-0.05。

由上述结果可以看出，采用两种相位补偿原则整定PSS参数，都能显著提高机组对地区局部振荡模式的阻尼性能，采用第一种相位补偿原则，偏重于提高机组高频段的阻尼性能，而采用第二种相位补偿原则，则偏重于提高机组低频段的阻尼性能。另外由于采用第二种相位补偿原则，要求PSS提供比采用第一种相位补偿原则更多的相位滞后，在相位滞后环节上造成的增益衰减较大，因此采用第二种相位补偿原则要采用相对较大的增益补偿。

本技术方案中，按照既增加阻尼转矩又增加同步转矩的补偿要求（即上述第二种相位补偿原则），根据待整定机组传递函数GEP(s)的波特图，确定其PSS的相位和增益补偿要求。

以励磁***为EXAC2型为例，针对PSS不投、以及PSS分别采用两套参数情况下，四机两区域小***的小干扰稳定结果如下表所示。

表1励磁***为EXAC2型，四机两区域***小干扰稳定计算结果：

由表1可以看出，在增益补偿程度相近的情况下，PSS采用第一种相位补偿原则可以较采用第二种相位补偿原则获得对地区局部振荡模式更好的阻尼效果，但由于第一种相位补偿原则的效果是偏重于提高机组高频段的阻尼性能，而第二种相位补偿原则的效果却是侧重于提高机组低频段的阻尼性能，因此，对于区域一和区域而间的联络线振荡模式，第二种相位补偿原则比第一种相位补偿原则获得更好的阻尼性能。

比较四机分别采用两种相位补偿原则整定PSS参数的***小干扰计算结果，可以得出明确的结论：励磁***结构和参数不同，其传递函数GEP(s)的相位和增益特性也相应地有较大的区别，相应地对***小干扰稳定性能也产生不同的影响；无论采用何种类型和结构的励磁***，PSS参数按照第一种或第二种相位补偿原则进行整定后，都能够有效提高单独机组在其中起支配作用的地区局部振荡的阻尼，而且对提高***区域间振荡的阻尼也有显著的贡献。但相比之下，在所有列举的励磁***类型的计算结果中，在提高电网区域间振荡模式的阻尼性能方面，采用第二种相位补偿原则的效果明显优于采用第一种相位补偿原则。

本技术方案在MATLAB公司的Simulink软件平台上建立单机无穷大***，利用Simulink软件的建模功能可以建立各种不同结构的励磁***，同时可以利用Simulink的计算分析功能可以计算确定相位补偿性能所必须的传递函数频率特性；其兼顾了机组自身的稳定性能要求和抑制电网地区全局振荡模式的要求，使得各机组投运PSS后，在保证机组自身稳定的同时，有效地提高了电网整体的稳定性能。

本技术方案在单机无穷大***上确定全网机组PSS协调整定方案，通过四机***验证计算，并在XX电网计算平台上实施全网机组PSS协调整定方案，几种典型运行方式的验证计算结果都证明了该方案能够整体提高电网的小干扰稳定性能。该方法易于在电厂现场实施，能够适应的变化复杂多样的电网运行方式，鲁棒性强，极大地便于电网对涉网机组PSS投运工作的管理。

Claims (8)

1.一种基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法，包括确定全网PSS的配置方案和待整定发电机组PSS参数的设置，其特征是所述的全网PSS协调整定方法包括下列步骤： 

A、确定在电网中选择哪些机组配置PSS： 

对于与电网联系较弱的机组，需配置PSS，以确保弱阻尼地区振荡模式可以得到有效抑制；所述的与电网联系较弱，是指机端到无穷大母线之间的总联系电抗＞0.2； 

选取能够对整体提高电网的小干扰稳定性能起到决定性作用的机组，需配置PSS，以确保电网区域间振荡模式的阻尼性能得到有效提升；所述能起到决定性作用的机组，是指区域电网中容量大于一定值或占较大权重的机组，包括区域电网中200MW及以上容量的火电或核电机组，以及100MW及以上容量的水电或抽水蓄能机； 

上述所有需配置PSS机组的集合，构成全网机组PSS配置方案的最小方案； 

B、构建单机无穷大***： 

在MATLAB／Simulink软件平台上，采用转子四阶的发电机详细PARK方程模型作为发电机模型，所述的发电机模型由电气方程、转子运动方程和网络接口方程构成； 

将所述的电气方程、转子运动方程和网络接口方程，以传递函数的形式连接成***，构建所述的单机无穷大***； 

根据发电机组所采用的励磁***和PSS结构，利用Simulink软件的建模功能，采用传递函数相连接的方法，构建所述单机无穷大***中发电机组的励磁控制***以及PSS模型； 

C、对单机无穷大***进行初始化： 

在所述的单机无穷大***中，对于以电功率-P_e为输入信号的PSS，选择满负荷、高功率因素、强联系运行工况对单机无穷大***进行初始化，初始化时设置机组转动惯量为无穷大，即T_j=1.0E+12； 

D、对入选电网PSS配置方案的发电机组，逐台在单机无穷大***中实施其PSS的整定： 

将待整定机组的PSS励磁控制输入设定为待求传递函数的输入点，将其PSS输出信号设定为待求传递函数的输出点，通过***运行点附近的线性化计算，获得从指定输入到指定输出之间的传递函数GEP(s)，该传递函数GEP(s)以波特图的形式表示，其波特图的频率坐标范围为0.1～3.5Hz； 

E、按照既增加阻尼转矩又增加同步转矩的补偿要求，根据待整定机组传递函数GEP(s)的波特图，确定其PSS的相位和增益补偿要求； 

F、首先根据相位补偿要求整定PSS相位补偿环节的参数，然后综合相位补偿环节的增益特性和PSS的增益补偿要求进一步确定PSS的增益； 

G、在单机无穷大***中确定经PSS补偿后待整定机组传递函数GEP(s)的特性是否满足补偿要求，并进一步根据其PSS投入前后待整定机组传递函数GEP(s)的幅频响应特性，确定其PSS整定参数是否满足全网PSS协调整定的要求。 

2.按照权利要求1所述的基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法，其特征是所述的全网PSS协调整定方法通过补偿传递函数GEP(s)的相位和增益特性，来协调整定机组PSS，从整体上提高电网的小干扰稳定性能。 

3.按照权利要求1所述的基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法，其特征是所述B步骤中的电气方程包括下列表达式： 

T'_dop(e'_q)=E_fd-X_adI_fd-S_d， 

T'_qop(e'_d)=X_aqI_g+S_q， 

T''_dop(ψ_D)=-ψ_D+e'_q-(X'_d-X_σ)i_d， 

T''_qop(-ψ_Q)=-(-ψ_Q)+e'_d+(X'_q-X_σ)i_q， 

T_e=i_qψ_d+i_d(-ψ_q)， 

Q=i_dψ_d-i_q(-ψ_q)， 

其发电机饱和只考虑直轴的饱和，忽略交轴的饱和，饱和方程表达如下 

S_q=0。 

4.按照权利要求1所述的基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法，其特征是所述B步骤中的转子运动方程包括下列表达式： 

T_jp(ω)=T_m-T_e

p(δ)=ω-ω₀。 

5.按照权利要求1所述的基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法，其特征是所述B步骤中的网络接口方程以x-y轴为坐标轴，x轴以无穷大电网电压E_B为基准，即 

所述发电机模型内部以d-q轴为坐标轴，即 

。

6.按照权利要求1所述的基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法，其特征是所述的全网PSS协调整定方法，用励磁控制至发电机输出功率的传递函数GEP(s)的幅频特性，来比较PSS投运前后发电机组阻尼变化的情况；或者，比较PSS投入前后传递函数GEP(s)波特图中的幅频特性，直观地确定PSS阻尼功率波动的效果，由此来检验PSS参数整定的效果。 

7.按照权利要求6所述的基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法，其特征是所述传递函数GEP(s)的相位特性，通过由机端电压变化间接地测量出来。 

8.按照权利要求1所述的基于单机无穷大***的全网PSS协调整定方法，其特征是在所述E步骤的补偿要求中，其相位补偿原则为在0.1～3.5Hz频率范围内，使由PSS补偿后产生的

处于滞后

轴角度小于45°的范围内，以PSS投运后在增加机组阻尼转矩的同时也能增加同步转矩作为补偿预期的理想效果。 

Images