新型并行PSS的研究(最终版)

夏潮，刘增煌，朱方，赵红光

中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192

Study on the New Type Parallel Power System Stabilizer

XIA Chao, LIU Zheng-huang, ZHU Fang, ZHAO Hong-guang

China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing 100192，China

Abstract: Based on the actual operating situation of PSS (Power System Stabilizer) in China as well as overseas, this paper points out that while PSS is an important method of damping low frequency oscillation, its current models cannot meet the demands for amplitude- and phase-frequency characteristics simultaneously at times when running in a very wide frequency range. To address this issue, the paper reviews and analyzes the parallel PSS model as applied domestically and overseas at present. It then proposes a new parallel PSS model which can significantly improve the amplitude- and phase-frequency characteristics in comparison with the existing models. The paper provides detailed analysis of the model’s frequency characteristic in high pass and low pass branches, and validates the effectiveness of its application in a real system by using the Matlab software package and the Power System Analysis Software Package via the power system digital simulation platform.

KEY WORDS: PSS; low frequency oscillation；amplitude frequency characteristics；phase frequency characteristics

摘要：本文从目前国内外PSS运行的实际情况入手，指出PSS是抑制低频振荡的重要手段，但现有PSS模型在很宽频带范围运行时，其幅频特性和相频特性有时候不能同时满足要求，需加以解决。然后分析了并行PSS（Parallel PSS）模型在国内外的应用现状。在此基础上，作者提出了一种新型并行PSS模型，能很好的改善现有PSS模型的幅频特性与相频特性。本文详细分析了新型并行PSS模型的高通分枝、低通分枝的频率特性，并使用Matlab软件和PSASP程序，在电力系统数字仿真平台上对新型并行PSS模型在某实际系统的应用效果进行了仿真验证。

关键词：并行电力系统稳定器；低频振荡；幅频特性；相频特性

0 引言

随着我国电力系统联网程度不断提高，系统中出现了频率很低的振荡模式[14]，需要PSS有较宽的工作频带。现有PSS的幅频特性在低频段高，随频率的升高幅值下降较快。如果通过提高PSS装置

－

直流增益的方法来保证高频段PSS的阻尼效果，可能会导致低频段幅值过大，引起发电机的无功波动

[5]

。为此，课题组在国内外并行PSS模型的基础上，研究出一种新型并行PSS模型，并对其在实际系统中的应用进行了仿真，效果良好。

1 并行PSS

并行PSS模型是建立在适应宽频带要求基础上的，各个分枝为不同频段的低频振荡提供阻尼，各分枝的输出信号叠加形成PSS总的输出信号。各个分枝可以根据需要来设置自己的参数，不同分枝的参数整定要有一定的独立性。

国外对并行PSS已经有了一些研究，比较经典的是加拿大的PSS4B模型[6]和日本的Parallel PSS模型[7]。

PSS4B模型是在2000年由加拿大学者提出来的, 并收录进修订的IEEE Std421.5版本，其传递函数如图1所示。

图1 PSS4B模型 Fig.1 PSS4B model

PSS4B装置通过三个中心频率及增益可调的带通滤波器，分别控制三个不同的分枝，对不同频率的振荡进行相位补偿。三个分枝的输出信号叠加后，经过限幅器，最后输出一个总的信号，使PSS4B在一个较宽的频率范围内，平滑均匀的提供相位补 偿[8]。

日本的Parallel PSS模型 (见图2)是在(ΔP+Δω) PSS模型的基础上增加了一个以Δω为输入的分枝。通过对第三条分枝参数的选择，可以对原来(ΔP+Δω) PSS模型的幅频特性做一定程度的修正，使得Parallel PSS模型有较好的频率特性。但是Parallel PSS模型并不是严格意义上的并行PSS模型，实质上只是增大速度分量而扩大频宽。

ω-ω0的高通分枝是在现有PSS模型[9－14] (本文中选取国内使用产品中技术较为成熟的一种模型,后面统称为现有PSS模型)的超前滞后环节上串入一个增益随频率逐步变大的环节，见式（1）:

asT11bsT1310.001s10.001s （1）

这个环节在0.01-2Hz的频率范围内,其相频特性值都很小。而其幅值随频率增加而变大,这就很好的改善了现有PSS模型的幅频特性。通过修改这个环节的参数a 、b和T11、T13，新型并行PSS模型具有很大的适应性。新型并行PSS模型低通分枝的补偿环节设置成滞后特性。由于它的高频段幅值很小,基本不影响高通分枝的相位和幅值，而低频段幅值较大且有较大的滞后角度，因此能将PSS的低频段的相频特性做较大的滞后修改。

本文用matlab程序分别绘制新型并行PSS模

11STr1Kq1STw11STw1STw21STw2Pe-Pe011STr2Kq2-+∑+1ST11ST21ST31ST4VsmaxVsVsminω-ω011STiKq3STw31STw31ST51ST6图2 Parallel PSS模型 Fig.2 Parallel PSS model

型和现有PSS模型的频率特性,通过对比分析,来说明新型并行PSS的优点。

2 新型并行PSS

2.1 模型

按照并行PSS的概念，本文设计了一个两分枝的新型并行PSS模型。新型并行PSS模型(图3)

图3 新型并行PSS传递函数

Fig.3 Transform function of the new parallel PSS model

2.2 高通分枝

用四组不同的参数来分析变增益环节对高通分枝的影响，四组参数如下：参数组1：T11=T13=0.1，a=b=0.95；参数组2：T11=T13=0.07，a=b=1；参数组3：T11=T13=0.02，a=b=1；参数组4：T11=T13=0.07，a=b=0.5。

图5 变增益环节串入前后高通分枝频率特性

Fig.5 Frequency characteristic of high pass branch before and after connecting the variable gain

controller in series

由图可见，在变增益环节串入后,高通分枝在

图4 变增益环节的频率特性

Fig.4 Frequency characteristic of the variable gain

controller

0.01-0.5Hz范围内幅频值下降，0.5Hz-2Hz范围内则有所提高。

2.3 低通分枝

低通分枝的幅值在高频段非常小,对PSS高频段的影响基本可以不用考虑。由于低通分枝采用的是滞后参数，并联低通分枝后PSS低频段的相频特性比没有并联低通分枝时有了很大的滞后，能够在一定范围内解决低频段相位滞后不够的问题。 2.4 频率特性

新型并行PSS与现有PSS分别取下列两组参数时的频率特性如图6所示。

新型并行PSS模型：Tw1=Tw2=Tw3=T7=5，Ks2=0.6738，T8=0.2， T9=0.1，KS3=1，T1=0.15，T2=0.01，T3=0.2 ，T4=0.02，T5=T6=0，Vsmax=5，Vsmin=-5，a=b=0.95 ，T11=T13 =0.2， KS5=1，KS4=0.5，T21=0.02，T22=3.3，T23=0.01，T24=2.2。 KS1分别取0.5、0.6、0.7、0.8四个参数进行比较， 现有PSS模型：TW1=TW2=TW3=T7=5，KS2=0.6738，T8=0.2，T9=0.1，S3=1，T1=0.15，T2=0.01，T3=0.2， T4=0.02，T5=T6=0，Vsmax=5，Vsmin=-5， KS1=1。

由图4可见，减小参数a、b的设置值, 可以降低低频段的幅值；增加参数T11和T13的设置值,

可以提高高频段的幅值。

如图4中曲线2所示，上述四组参数具有相同的相频特性。曲线2说明参数a、b、T11、T13对变增益环节的相频特性没有影响。

将变增益环节串入新型并行PSS模型高通分枝,对比串入前后频率特性的变化如图5所示。 变增益环节取参数组1,高通分枝其它参数如下:Tw1=Tw2=Tw3=T7=5，Ks2=0.6738，T8=0.2 T9=0.1，KS3=1，T1=0.15，T2=0.01，T3=0.2 T4=0.02，T5=T6=0，KS1=1，KS5=1。

3

图7 发电机PSS用原始参数时站内某电站两台机组

间功角振荡曲线图

图6 新型并行PSS模型与现有PSS模型频率特性比

较

Fig.6 Comparison of frequency characteristic of new

parallel PSS model and that of current model

Fig.7 Power angle oscillation curve of two generators in the power station when PSS uses original parameters

3.2 发电厂现有PSS模型及参数

对此问题课题组应用PSASP程序进行研究，提出了优化该电站PSS参数，提高该振荡模式阻尼的解决方案，并对PSS参数重新进行了优化整定。该电站发电机原始PSS模型如图8所示。

由图6可见，在 O.3Hz以后，新型并行PSS幅频特性曲线比现有PSS有了较明显的提高。而0.1-0.3Hz 范围内，新型并行PSS幅频特性则比现有PSS有所下降，且相位也有较大的滞后。

3 新型并行PSS模型在实际系统的数字仿真

3.1 系统资料

随着某大型电站外送功率进一步加大，系统中出现一个与该电站发电机强相关的弱阻尼振荡模式，其特征值为：-0.098399±j5.550361，振荡频率f=0.88Hz，阻尼比ξ=0.017726。

用暂态稳定程序进行时域解计算。故障点在远离该电站的某条联络线中侧，单相短路故障，0.09秒切除近端故障相，0.1秒切除远端故障相，故障相切除1秒后重合。该电站中某台发电机相对本站内另一台发电机的功角摇摆曲线示于图7。由图7可见，在初期阶段振荡频率较低约为0.3～0.4Hz，低频振荡模式衰减很快，经过4次振荡后基本平息。但随后出现了较高频率的几乎不衰减的振荡，振荡频率约为0.88Hz[15]。若采用提高该电站现有的PSS运行增益Kp的方法，电站中发电机的无功会出现明显的波动现象[16]。

图8 该电站现有PSS模型图

Fig.8 Model of current PSS in the power station

优化后PSS模型参数： Kw=1，Trw=0.02，

T5=T6=T7=5，T9=0.6，T10=T12=0.12，Kr=0.01444，Trp=0.02，Tw=Tw1=Tw2=5，Ks=1，T1=2，T2=8，T3=0.24，T4=0.02，T13=0.5，T14=0.1，Kp=8 3.3 新型并行PSS模型参数

使用新型并行PSS整定一组参数,分别与发电机原始PSS模型中优化前后的参数进行比较。 新型并行PSS参数整定值：Tw1=Tw2=Tw3= T7＝5，T8=0.6，T9=0.12，T21=0.01，T22=0.04，T23=0.02，T24=1.25，Ks2=0.07222，Ks3=1，Ks5=5，Ks4=0.5，Ks1=1.7，a=b=0.9；T1=2， T2=8，T3=0.24，T4=0.02，T5=0.5，T6=0.1，T11= T13=0.1。 3.4 新型并行PSS与现有PSS频率特性比较

现有PSS模型采用3.2节中优化后参数,新

型并行PSS采用3.3节中参数,比较它们的频率特性如图9所示。

4

图11给出新型并行PSS模型与优化参数的现有PSS模型在另一系统故障下的仿真计算结果。

图9 新型并行PSS与优化参数的现有PSS频率特性 Fig.9 Frequency characteristic of the new parallel PSS model and that of current PSS with optimized parameters

由图9可见，该组参数下的新型并行PSS比优化参数的现有PSS有如下优点：正常运行时，负荷波动所引起的PSS输出要小于现有PSS，发电机无功波动小。对于系统中存在的0.88Hz弱阻尼振

图11 新型并行PSS模型与现有PSS模型优化后参数

阻尼效果比较

Fig.11 comparison of damping effect of the new parallel

荡模式,新型并行PSS比优化参数的现有PSS能 PSS and that of current PSS with optimized parameters

提供更大的阻尼。 从图11可以看出,对于新型并行PSS，有功波3.5 新型并行PSS与现有PSS阻尼效果比较 动6个周波后振幅衰减到第一个振幅的5%以内 。图10给出新型并行PSS模型、现有PSS模型原始参数和优化参数对系统中弱阻尼模式的阻尼效果的仿真结果。

而现有PSS时有功波动了10个周波后振幅才衰减至第一振幅的5%以内。可见对0.88Hz的振荡模式，新型并行PSS比优化参数的现有PSS有更好的阻尼效果。

4 结论

（1）研究表明，新型并行PSS比现有PSS能提供更好的幅频特性和相频特性，有更宽的工作频域。 （2）新型并行PSS模型保留了现有PSS模型的加速功率部分，具有现有PSS模型防止无功反调的优点。另外，新型并行PSS模型能有效改善现有PSS模型在0.1Hz-2Hz范围内的相频特性与幅频特性，能有效改善发电机正常运行时的无功波动现象且

图10 新型并行PSS模型阻尼效果校验 Fig.10 Damping effect of the new parallel PSS

比现有PSS有更宽的工作频域。

（3）通过对某实际系统的计算机仿真分析发现，新型并行PSS模型能很好的修改现有PSS模型的幅频特性与相频特性，有效抑制低频振荡，提高系统的稳定性，并且能很好地适应系统运行状态的变化，从而为PSS的设计提出了一条新的思路。

从图10可以看出,新型并行PSS和现PSS(参数优化前后两种情况)在初期阶段约0.3～0.4Hz振荡模式下具有比较接近的阻尼效果，对后期阶段约0.88Hz的振荡模式,采用新型PSS对阻尼有明显改善，可得到满意的效果。

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夏潮 (1974—)，男，工程师，研究方向为发电机励磁控制及电力系统稳定，E-mail：xiachao @epri.ac.cn

刘增煌 (1938—)，男，教授级高级工程师，研究方向为发电机励磁控制及电力系统稳定。

朱方 （1945—)，男，教授级高级工程师，研究方向为发电机励磁控制及电力系统稳定。

赵红光，（1963—)，男，教授级高级工程师，电机控制及电网工程技术研究中心主任。

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