一种电力系统稳定器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种电力系统稳定器，包括加法器、临界增益提升模块、以及依次连接的测量模块、增益模块、第一隔直模块、相位补偿模块和第一输出限幅模块；临界增益提升模块的输入端连接至增益模块的输出端，临界增益提升模块的输出端连接至加法器的第二输入端，加法器的第一输入端连接至第一输出限幅模块的输出端；临界增益提升模块用于提升3Hz～20Hz频段电力系统稳定器的相位特性并输出第二电压控制信号；加法器用于将所述第一输出限幅模块输出的第一电压控制信号与第二电压控制信号相加后输出电压控制信号。本发明在抑制低频振荡的同时又能抑制励磁模式振荡的电力系统稳定器，提高电力系统稳定器增益边界，结构简单、可靠，能够提高电力系统稳定控制水平。
【专利说明】-种电力系统稳定器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统稳定控制【技术领域】，是一种能够保证在进行稳定控制时，使 电力系统稳定器（Power System St油ilizerjs巧具有足够的临界增益的一种电力系统稳 定器。
【背景技术】
[0002] 国际大电网会议第38研究委员会曾组织专口工作组（Task化rce38. 01. 07)对电 网低频振荡问题进行研究，其结论指出：为消除振荡的威胁，首先应仔细考虑研究整定系统 中主要发电机的电力系统稳定器（PSS);其次应研究系统中现有高压直流输电（HVDC)、静 止无功补偿器（SVC)附加控制器的参数整定，使之提供附加阻尼效果；然后考虑利用TCSC 等FACTS装置提供平滑的阻尼控制；最后可考虑在系统中增加完全用于阻尼振荡的新装 置。
[0003] 随着控制理论和智能算法的发展，关于电力系统稳定器（PSS)的设计及其参数 整定已经有大量的研究，文献"An approach to PSS desi即 for transient stability improvement through supplementary damping of the common low-frequency". (Grondin R. , Kamwa I.，Soulieres L, et al. IEEE Transactions on Power Systems, 1993,8(3) :954-963)提出了一种多通道PSS，拓宽了 PSS的致稳频带；文献"Desi即of an adaptive PSS based on recurrent adaptive control theory'，(Peng Z，Malik 0 P. IEEE Transactions on !Energy Conversion, 2009, 24 (4) :884-892.)提出一种使用自适应算法 的智能控制PSS ;文献"一种基于协同控制理论的分散非线性PSS"(赵平，姚伟，王少荣， 等.中国电机工程学报，2013,33(25) =115-122.)提出了一种基于非线性控制理论的PSS， 为电力系统稳定控制提供了丰富的手段。
[0004] 上述的研究分别W提高系统小干扰稳定性为目标，主要开展控制器的结构设计、 算法设计或参数优化工作，在针对实际问题时，由于算法上的复杂度W及实现方式的复杂 度等原因，不能在实际工程中应用。而目前，我国大量的发电机均使用了 W功率型PSS为模 型的电力系统稳定器，在实际应用中，由于多机系统下PSS的整定技术尚不成熟，关于其参 数整定方式仍是按照基于单机无穷大的相位补偿法进行整定。但是，在一些系统中，该样整 定的PSS将会因为临界增益达不到增益整定值的3倍而不能满足《电力系统稳定器整定试 验导则》中关于PSS并网运行的要求。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电力系统稳定器，旨在解决现 有的电力系统稳定器在进行低频振荡控制时临界增益不足的问题。
[0006] 本发明提供了一种电力系统稳定器，包括加法器、临界增益提升模块、W及依次连 接的测量模块、增益模块、第一隔直模块、相位补偿模块和第一输出限幅模块；所述临界增 益提升模块的输入端连接至所述增益模块的输出端，所述临界增益提升模块的输出端连接 至所述加法器的第二输入端，所述加法器的第一输入端连接至所述第一输出限幅模块的输 出端；所述临界增益提升模块用于提升抓Z?20化频段所述电力系统稳定器的相位特性并 输出第二电压控制信号Au,2 ;所述加法器用于将所述第一输出限幅模块输出的第一电压 控制信号AUd与所述第二电压控制信号Au,2相加后输出电压控制信号Au,。
[0007] 其中，所述临界增益提升模块的传递函数为T。为临界增益提升模 t* 块的时间常数，Tc<0. Ols, K。为临界增益提升模块的增益，K。= (1. 1-1. 2)KcmW Kcmh为临界 增益提升模块的增益最小值。
[0008] 其中，通过调节临界增益提升模块的增益K。的值，直到临界增益提升模块相位特 性的极小值对应的点同时满足疗冷,，巧,）= -时的K。即为K"i。，其中，￠1指的是AUs 信号相位，《。指的是该相位特性极小值点所对应的角速度。
[0009] 其中，所述临界增益提升模块包括依次连接的第二隔直模块、相位提升模块和第 二输出限幅模块；所述第二隔直模块用于滤除直流分量，所述相位提升模块用于提高所述 电力系统稳定器在抓Z?20化频段的相位，所述第二输出限幅模块用于调节电压控制信号 W防止控制量过大。
[0010] 其中，所述相位提升模块包括相位补偿单元，所述相位补偿单元能够在0. 2化? 2. 5化有较低增益W减少对低频振荡段PSS相位特性的影响，且在抓Z?20化有较高增益 和较大的超前角W提升PSS在该频段相位。所述相位补偿单元可W为超前校正装置，包括 有源超前网络、无源超前网络、无源迟后-超前校正网络和有源迟后-超前网络。
[0011] 本发明由于增加了一个临界增益提升模块，能够极大的提升PSS临界增益，在满 足其阻尼控制水平的同时，能够更好地满足PSS并网运行的临界增益要求。功率型PSS结 构简单，高通滤波环节也属于模拟电子技术中最基本的环节，在PSS上并联高通滤波环节 的控制器结构十分简单。控制器参数设计时，PSS相位补偿环节参数整定采用的方法为传 统单机无穷大的相位补偿法，高通环节参数采用小干扰特征根轨迹计算整定，方法简单；控 制器参数设计简单，且在实际电网中易实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是含功率型PSS的单机无穷大电力系统下的发电机菲利普斯-海佛容 (Philips-Heffron)模型。
[0013] 图2是化简后的励磁系统控制回路框图。
[0014] 图3是励磁系统传递函数GE_all (S)与PSS传递函数GPSS(S)的相位特性图。
[0015] 图4是典型功率型PSS功能框图。
[0016] 图5是改进型PSS功能框图。
[0017] 图6是改进型PSS与典型功率PSS相位特性区别图。
[0018] 图7是某电网系统结构图。
[0019] 图8是该电网系统中发电机使用的典型自并励静止励磁系统传递函数框图。
[0020] 图9是根据相位补偿原理设计的PSS的补偿特性、相位特性W及发电机励磁系统 滞后相位。
[0021] 图10使用改进型PSS时Kc变化时励磁系统控制回路开环波特图其中图10(a)是 幅频特性，图10(b)是相频特性。
[002引图11是两种PSS3校验对比图，其中图11 (a)是整定后两种PSS作用效果，图11化） 是增益扩大3倍校验时两种PSS的作用效果。
【具体实施方式】
[0023] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0024] 本发明所提出的改进型PSS及其设计方法，W发电机本地功率偏差量作为输入， 基于相位补偿原理及自动控制原理设计了简单有效的改进型PSS，其在能够为低频振荡提 供阻尼的同时，能够提高现有PSS临界增益，从而能够解决PSS在进行低频振荡控制时的临 界增益不足问题。
[0025] 本发明所要解决的技术问题是；提供一种简单有效的、用于在抑制系统低频振荡 的同时，大幅提升PSS临界增益，W解决PSS在电力系统稳定控制中可能导致的临界增益不 足的问题。其中，PSS增益边界指的是PSS增益升高至系统出现无法平息的振荡时的增益 值。限制PSS增益边界的因素有很多，本发明针对其中一种限制PSS增益边界的因素，即 励磁模式振荡因素进行控制，W提升PSS增益边界。励磁模式振荡所指的是电力系统小干 扰计算中励磁回路相关比大于1的振荡模式。回路相关比是一种度量某一部分状态变量 与某一振荡相关度的指标，其计算方法属于业界公知。励磁回路相关比是一种度量励磁系 统状态变量对某一个振荡模式相关度的指标，本发明中所指励磁系统状态变量包括发电机 A E'。、A E' d、A E"。、A E" d W及调压器状态变量和PSS状态变量。
[0026] 励磁模式的频率范围通常在抓Z?細Z。说明励磁模式振荡原理需要使用发电机 菲利普斯-海佛容（Philips-HefTron,H-FO模型，W及控制理论中正反馈现象，该两者属于 业界公知。其中，H-P模型见图1。
[0027] 励磁模式是由于发电机加入PSS后，形成的励磁系统控制回路上出现正反馈，正 反馈是由于控制回路的幅值相位响应不良造成的。励磁系统控制回路为图1中标粗部分， 由于图1中未标粗的部分在励磁模式的频率范围幅值响应太低，对励磁模式的影响非常 小，因而可W将图1简化为图2,就是最终确定的励磁系统控制回路。
[0028] 对于使用最为广泛的自并励静止励磁系统W及功率PSS而言，励磁系统传递函数 Gc aii(S)与PSS传递函数Gpss(S)的相位特性如图3所示，励磁系统的滞后相角从0°开始， 随着频率的升高不断加大，在0?2化段上升较快，并出现一个小的尖峰，之后随着频率的 升高缓慢上升。PSS的相位特性从90°开始，在0. IHz W前迅速下降到-50°左右，之后在 0?甜Z频段随着频率的升高迅速上升，频率超过甜Z后，PSS的相位特性开始随着频率升 高缓慢下降。典型的功率PSS的功能框图如图4所示，功率PSS是W负的功率偏差量-A P。 作为输入，首先经过测量模块，将输入信号转换为能够由控制器使用的电信号；之后经过增 益模块改变信号幅值；再经过第一隔直模块，隔离信号中的直流分量；再之后使信号通过 相位补偿环节，改变信号相位；最后经过输出限幅，保证控制量不会过大之后，形成控制信 号Au,, Au,将作为励磁系统的一个输入信号。
[0029] 结合正反馈理论和图2,在Au,信号的相位达到-180°的频率点处，如果回路增 益由于PSS增益提升达到0地，回路上将出现正反馈，产生振荡，此时的PSS增益称为临界增 益。
[0030] 由上述可知，励磁控制模式振荡是由于励磁系统控制回路的幅值相位条件不良引 起的，因此，本发明提出在PSS上添加一个临界增益提升模块，改善励磁模式频率段的相位 特性，提高临界增益，从而形成一种新结构的PSS，如图5所示。电力系统稳定器包括加法 器、临界增益提升模块、W及依次连接的测量模块、增益模块、第一隔直模块、相位补偿模块 和第一输出限幅模块；临界增益提升模块的输入端连接至增益模块的输出端，临界增益提 升模块的输出端连接至加法器的第二输入端，加法器的第一输入端连接至第一输出限幅模 块的输出端；测量模块用于将实际信号采集并转换为可用于控制的信号，增益模块用于调 整转换后的信号幅值大小，第一隔直模块用于隔离信号中的偏置量，相位补偿模块用于补 偿励磁系统滞后相位，第一输出限幅模块用于限制稳定器输出不致过大，临界增益提升模 块用于提升抓Z?20化频段电力系统稳定器的相位特性并输出第二电压控制信号Au,2 ; 加法器用于将第一输出限幅模块输出的第一电压控制信号Aud与所述第二电压控制信号 Au,2相加后输出电压控制信号Au,;电压控制信号Au,用于控制振荡过程中的发电机机 端电压。
[0031] 在本发明实施例中，临界增益提升模块包括依次连接的第二隔直模块、相位提升 模块和第二输出限幅模块；所述第二隔直模块用于滤除直流分量，所述相位提升模块用于 提高所述电力系统稳定器在抓Z?20化频段的相位，所述第二输出限幅模块用于调节电压 控制信号W防止控制量过大。
[0032] 其中，相位提升模块具体包括一个或依次串行连接的多个相位补偿单元，相位 补偿单元具体为超前校正装置，其电路包括无源超前网络、有源超前网络、也包含无源迟 后-超前校正网络和有源迟后-超前校正网络。它们的电路结构参见沈传文"自动控制理 论"一书第202页W及206-207页。该些超前校正装置是的经过合理参数设计的超前网络 电路，其功能在于能够在0. 2?2. 5化有较低增益W减少对低频振荡段PSS相位特性的影 响，而在3?20化有较高增益和较大的超前角W提升PSS在该频段相位。其目标在于使得 Au,信号相位达到-180。时所对应的频率提高到20化W上。
[0033] 该临界增益提升模块可W根据需要取不同的传递函数。其主要的作用是，在尽量 不影响PSS在0. 1?2. 5化频段的相位特性前提下，将图3中所示Au,信号相位在3? 20化范围的相位特性提升，使得该信号相位达到-180°的所对应的频率的位置向更高频 段移动，移动到20化W上，如图6所示。图6显示出，在改进型PSS的作用下，Au,的相位 在达到-180°时对应的频率达到26化，此时该临界增益提升模块就能达到极大提升PSS临 界增益的效果。
[0034] 本发明给出一种简单的临界增益提升模块结构及其对应的参数设计方法。该模块 可W由第二隔直模块W及相位提升模块W及第二输出限幅模块组成，分别滤除直流分量、 提高PSS在抓Z?20化频段的相位W及防止控制量过大。根据励磁系统滞后情况W及PSS 相位补偿环节相位特性，可由通过合适参数设计方法的W下传递函数实现，G(X) = ; 该传递函数通过合适的参数设计能够同时实现隔直和相位提升的功能。
[0035] 本发明保护的是含有该样一种临界增益提升模块结构的PSS及其参数设计方法， 该模块是具有提升抓Z?20化频段PSS相位特性的模块，其作用效果是使得A U,信号相 位达到-180°时所对应的频率向超过8化的更高频率移动，W改善如图2所示的励磁控制 回路相位特性的模块。参数设计方法是针对6,(~0^^^该一传递函数所构成的临界增益 提升模块的参数设计方法。
[0036] 本发明提供的基于相位补偿原理和自动控制原理的改进型PSS结构及其设计方 法，是一种拥有高临界增益的改进型PSS的设计方法，该控制器的结构是：在W发电机输出 电磁功率偏差量为输入的功率型PSS上并联一个临界增益提升模块的PSS，如图5所示。所 设计的改进型PSS参数包括；PSS增益Kp, PSS隔离直流量模块时间常数T"，PSS相位补偿 模块参数Tl?Ta ;临界增益提升模块传递函数及参数，根据需要，此处W-个传递函数为： 6b) 的环节为例进行设计，参数包括增益K。及时间常数T。。形成的改进型功率PSS 传递函数如下：
[0037]
【权利要求】
1. 一种电力系统稳定器，其特征在于，包括加法器、临界增益提升模块、以及依次连接 的测量模块、增益模块、第一隔直模块、相位补偿模块和第一输出限幅模块； 所述临界增益提升模块的输入端连接至所述增益模块的输出端，所述临界增益提升模 块的输出端连接至所述加法器的第二输入端，所述加法器的第一输入端连接至所述第一输 出限幅模块的输出端； 所述临界增益提升模块用于提升3Hz?20Hz频段所述电力系统稳定器的相位特性并 输出第二电压控制信号Aus2; 所述加法器用于将所述第一输出限幅模块输出的第一电压控制信号Ausl与所述第二 电压控制信号A us2相加后输出电压控制信号A us。
2. 如权利要求1所述的电力系统稳定器，其特征在于，所述临界增益提升模块的传递
T。为临界增益提升模块的时间常数，TcXO. 01s，K。为临界增益提升模 块的增益，K。= (1. 1-1. 2) K"in，Kanin为临界增益提升模块的增益最小值。
3. 如权利要求2所述的电力系统稳定器，其特征在于，通过调节临界增益提升 模块的增益K。的值，直到临界增益提升模块相位特性的极小值对应的点同时满足 史(iTc,^) = -180°时的K。即为Kanin，其中，炉指的是Aus信号相位，指的是该相位特 性极小值点所对应的角速度。
4. 如权利要求2所述的电力系统稳定器，其特征在于，所述临界增益提升模块包括依 次连接的第二隔直模块、相位提升模块和第二输出限幅模块；所述第二隔直模块用于滤除 直流分量，所述相位提升模块用于提高所述电力系统稳定器在3Hz?20Hz频段的相位，所 述第二输出限幅模块用于调节电压控制信号以防止控制量过大。
5. 如权利要求4所述的电力系统稳定器，其特征在于，所述相位提升模块包括相位补 偿单元，所述相位补偿单元为超前校正装置。
【文档编号】H02J3/24GK104362653SQ201410594645
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】刘子全, 文劲宇, 高磊, 姚伟 申请人:华中科技大学