1、文章編號：1000-3673（2002）08-0044-04 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對三峽輸電系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的影響朱 方1，劉增煌1，高光華2（1 中國電力科學(xué)研究院，北京100085；（2 長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北省 武漢市 430010）INFLUENCES OF POWER SYSTEM STABILIZER ON DYNAMIC STABILITY OF THREE GORGES POWER SYSTEMZHU Fang1, LIU Zheng-huang1, GAO Guang-hua2(1. China Electric Power Research Institute, Beijing

2、 100085, China;（2. Changjiang Institute of Servey Planning Design and Research, Wuhan 430010, Hubei Province, China)ABSTRACT: The influences of power system stabilizers (PSS) which are applied in the generator excitation control systems of Three Gorges Power Station on the dynamic stability of Three

3、 Gorges Power System are analyzed and calculated. Giving priority to the four basic power flows, i.e., the flood season large power flow, the flood season small power flow, the dry season large power flow and the dry season small power flow, the system stabilities under large disturbance and small d

4、isturbance are calculated. The research results show that when the PSS is not equipped, the damping of Three Gorges Power System will be insufficient and the low frequency oscillations will occur. Therefore, when the PSS are applied, the damping of Three Gorges Power System will be remarkably enhanc

5、ed and the system stability will be improved, therefore, it is feasible and necessary to install PSS in Three Gorges Power Station. KEY WORDS: power system; dynamic stability; low frequency oscillation ; PSS摘要：對三峽電站發(fā)電機(jī)采用的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）對三峽電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析和計(jì)算。以2010年的豐大、豐小、枯大、枯小四種基本潮流為主，計(jì)算了大干擾、小干擾時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定

6、性。研究結(jié)果表明，三峽電站發(fā)電機(jī)無PSS時(shí)電力系統(tǒng)因阻尼不足會產(chǎn)生低頻振蕩，采用PSS可明顯增強(qiáng)三峽電力系統(tǒng)的阻尼，提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性；三峽電站發(fā)電機(jī)采用PSS是必要的，可行的。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；動態(tài)穩(wěn)定性；低頻振蕩；電力系統(tǒng)穩(wěn)定器中圖分類號：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A1 前言 三峽電站及其輸電網(wǎng)的建設(shè)是舉世矚目的宏偉工程。建成后的三峽電力系統(tǒng)是否存在動態(tài)穩(wěn)定問題？國產(chǎn)的三峽電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)采用什么控制規(guī)律？這是大家非常關(guān)心的。國內(nèi)對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的研究很活躍，這是可喜的現(xiàn)象。但一種控制理論的產(chǎn)生，與應(yīng)用這種控制理論制成工業(yè)產(chǎn)品在生產(chǎn)實(shí)際中廣泛應(yīng)用，是兩回事。目前我國電力行業(yè)，對如何將創(chuàng)

7、新的控制理論轉(zhuǎn)化為工業(yè)控制產(chǎn)品，尚缺乏規(guī)范的管理。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制中的PID調(diào)節(jié)和附加的PSS控制，仍是現(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)中最廣泛應(yīng)用的。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer）自60年代出現(xiàn)以來，已在全世界電力工業(yè)中普遍應(yīng)用，成為改善電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的首選措施。國際大電網(wǎng)會議第38組38.01.07工作組對各種阻尼振蕩措施進(jìn)行了研究，并依其效果進(jìn)行排序，PSS排在首位，其次是HVDC和SVC輔助控制1。文獻(xiàn)2作者認(rèn)為：“以固定的參數(shù)滿足較寬范圍系統(tǒng)條件的要求是可能的。因此，至今為止幾乎沒有動力來考慮自適應(yīng)系統(tǒng)”。三峽電站發(fā)電機(jī)采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對改善三峽電力系統(tǒng)穩(wěn)定的效果

8、如何？固定參數(shù)的PSS能滿足三峽電力系統(tǒng)各種運(yùn)行方式的要求嗎？本文針對以上問題進(jìn)行了研究和分析。2 應(yīng)用PSS 解決三峽電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的計(jì)算分析2.1 三峽電力系統(tǒng)概況 三峽電力系統(tǒng)包括三峽電站及華中、華東和四川電網(wǎng)。三峽電站總裝機(jī)容量為18200MW，單機(jī)為700MW，額定功率因數(shù)為0.9，共26臺，計(jì)劃于2010年全部建成投產(chǎn)。三峽電站分為左岸一廠、左岸二廠、右岸一廠、右岸二廠。三峽電站共有15回500kV交流出線。左一共有8臺機(jī)，通過三回輸電線，接至左岸換流站，兩回輸電線接至四川萬縣。左二有6臺機(jī)，有三回出線接至湖北荊門，右一有6臺機(jī)，四回出線，其中兩回接至葛洲壩換流站，兩回接至湖北沙

9、市。右二有6臺機(jī)，三回出線，均接至右岸換流站。華中和華東電網(wǎng)間通過三條±500kV的直流輸電線相連。葛洲壩換流站至南橋可送電1200MW，三峽左岸換流站至常州及三峽右岸換流站至練塘兩條直流輸電線每條均可送電3000MW。 由于華中電網(wǎng)與華東電網(wǎng)采用純直流送電方式，所以華東電網(wǎng)與華中電網(wǎng)間不存在低頻振蕩問題。三峽電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性問題表現(xiàn)在三峽發(fā)電機(jī)組與華中電網(wǎng)及四川電網(wǎng)組成的聯(lián)合電力系統(tǒng)中。三峽水電站發(fā)電機(jī)采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，電壓響應(yīng)速度快。在運(yùn)行中機(jī)端電壓偏差量經(jīng)自動電壓調(diào)節(jié)器后控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小。這個(gè)控制量引起的發(fā)電機(jī)電磁力矩很容易滿足產(chǎn)生負(fù)阻尼力矩的條件，加上水輪發(fā)電機(jī)

10、的固有阻尼較小，勵(lì)磁調(diào)節(jié)產(chǎn)生的負(fù)阻尼力矩很容易使電力系統(tǒng)的阻尼特性變壞而造成動態(tài)不穩(wěn)定。因此在三峽發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)中采用PSS的必要性和可行性必須進(jìn)行研究。 由于三峽電力系統(tǒng)是一個(gè)多機(jī)、互聯(lián)的復(fù)雜電力系統(tǒng)，解決這樣一個(gè)復(fù)雜電力系統(tǒng)的穩(wěn)定措施也是多方面的，不會僅采用單一的方法。本課題集中對三峽發(fā)電機(jī)采用PSS增強(qiáng)三峽電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，而不涉及全系統(tǒng)的PSS配置、參數(shù)協(xié)調(diào)及優(yōu)化問題。眾所周知，三峽水電站的庫區(qū)來水量隨季節(jié)有很大變化。三峽電站的發(fā)電量主要集中在汛期，6至9月四個(gè)月的發(fā)電量占全年發(fā)電量的49%55%，有明顯的季節(jié)性。三峽電力系統(tǒng)的潮流在一年中有很大變化，本報(bào)告按2010

11、年的運(yùn)行水平分豐水期大發(fā)（豐大）、豐水期小發(fā)（豐?。?、枯水期大發(fā)（枯大）、枯水期小發(fā)（枯?。┧姆N基本潮流方式，研究三峽發(fā)電機(jī)PSS對三峽電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定特性的改善作用。2.2 計(jì)算條件2.2.1 計(jì)算采用的潮流方式豐大方式：華中電網(wǎng)向華東電網(wǎng)送電7200MW（由送端計(jì)），三峽電站發(fā)電及出線功率(MW)如下： 左一發(fā)電8×700 右一發(fā)電 6×700 左一送左換3×1866.4 右一送葛換2×1006.4 左一送萬縣2×0.3 右一送沙市 2×1093.6 左二發(fā)電 6×700 右二發(fā)電 6×700 左二送荊門3&#

12、215;1400.0 右二送右換3×1400.0 豐小方式：華中電網(wǎng)向華東電網(wǎng)送電7200MW（由送端計(jì)），三峽電站發(fā)電及出線功率(MW)如下： 左一發(fā)電8×700 右一發(fā)電 6×700 左一送左換3×1866.4 右一送葛換2×1159.5 左一送萬縣2×0.4 右一送沙市 2×940.5 左二發(fā)電 6×700 右二發(fā)電 6×700 左二送荊門3×1400.0 右二送右換3×1400.0 枯大方式：華中電網(wǎng)向華東電網(wǎng)送電7200MW（由送端計(jì)），三峽電站發(fā)電及出線功率(MW)如下：

13、左一發(fā)電7×700 右一發(fā)電 5×700 左一送左換3×1033.3 右一送葛換2×983.4 左一送萬縣2×900.0 右一送沙市 2×766.6 左二發(fā)電 5×700 右二發(fā)電 5×700 左二送荊門3×1166.7 右二送右換3×1166.7枯小方式：華東電網(wǎng)向華中電網(wǎng)送電3600MW（由送端計(jì)），三峽電站發(fā)電及出線功率(MW)如下： 左一發(fā)電0 右一發(fā)電 700 左換送左一3×400.0 葛換送右一2×37.3 左一送萬縣2×600.0 右一送沙市 2

14、15;387.3 左二發(fā)電 700 右二發(fā)電 0 左二送荊門3×233.3 右二送右換02.2.2 發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁控制模型計(jì)算程序用1999年11月中國版BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序。計(jì)算中所有機(jī)組均采用和變化模型，考慮調(diào)壓及調(diào)速系統(tǒng)，所有機(jī)組計(jì)及機(jī)械阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，汽輪發(fā)電機(jī)取為2，水輪發(fā)電機(jī)取為0.05。三峽電站發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁模型如圖1所示。圖1 三峽電站發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁模型Fig. 1 The model of Three Gorges generator excitation control 三峽勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)，比例放大系數(shù)為50倍，積分時(shí)間常數(shù)為3s。 PSS 以發(fā)電機(jī)加速功率輸入信號

15、。PSS的傳遞函數(shù)為 限幅值為±0.15 。 三峽電力系統(tǒng)內(nèi)除三峽電站發(fā)電機(jī)外，四川網(wǎng)的二灘水電站、瀑布溝水電站等及華中網(wǎng)的小浪底水電站、葛洲壩水電站、隔河巖水電站、五強(qiáng)溪水電站等一些大、中型水電廠的發(fā)電機(jī)也采用了快速勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 汽輪發(fā)電機(jī)一般采用常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)，交流勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)取為0.35s，直流勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)一般取0.5s。 計(jì)算中主要考察三峽電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的影響，其它電站均不加PSS。 負(fù)荷模型 負(fù)荷模型采用由恒定阻抗、恒定電流、恒定功率并計(jì)及頻率特性因子的綜合負(fù)荷模型，對應(yīng)于BPA程序中的LB型負(fù)荷模型。具體為： 四川電網(wǎng)：30%恒定阻抗，30%恒定電

16、流，40%恒定功率。 華中電網(wǎng)：40%恒定阻抗，60%恒定功率。 華東電網(wǎng)：40%恒定阻抗，60%恒定功率。各電網(wǎng)有功負(fù)荷的頻率因子取為1.8，無功負(fù)荷頻率因子取為-2.0。2.2.4 直流控制系統(tǒng)模型 華中和華東電網(wǎng)間用純直流輸電方式連接，計(jì)算中采用能模擬直流電壓和電流測量環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器VDCOL限制環(huán)節(jié)和觸發(fā)控制環(huán)節(jié)的直流系統(tǒng)模型。該直流控制系統(tǒng)可模擬直流調(diào)制并可進(jìn)行直流線路的故障操作。直流系統(tǒng)可按定功率或定電流控制方式運(yùn)行，并可自動進(jìn)行方式變換。2.2.5 故障模擬方案 計(jì)算中分別用小干擾信號和大干擾信號對三峽電站高壓出線首端進(jìn)行擾動。小干擾信號為在三峽電站出口高壓母線三相短路二個(gè)周波

17、后故障自動消失，不切線路。大干擾信號為在三峽電站出口高壓輸電線首端，三相短路五個(gè)周波后，線路兩端同時(shí)切除故障線。2.3 計(jì)算結(jié)果（1）豐大方式下，三峽發(fā)電機(jī)無PSS時(shí)，在所有擾動地點(diǎn)發(fā)生任一種擾動，三峽電力系統(tǒng)會產(chǎn)生增幅功率振蕩，動態(tài)不穩(wěn)定（見圖2上）。三峽發(fā)電機(jī)采用PSS后，三峽電力系統(tǒng)的阻尼得到明顯改善,小擾動功率振蕩經(jīng)過3次擺動就平息了（見圖2下），阻尼比大于0.15；大擾動功率振蕩經(jīng)過4次擺動后也基本衰減下來。圖3是在三峽電力系統(tǒng)中的一些大型水電廠也投入PSS后的長過程計(jì)算，5次搖擺后振幅衰減為初值的2左右，其阻尼比大于0.12。Y 左一 + 右一X 左二 * 右二0.00Y 左一 +

18、 右一X 左二 * 右二00.0圖2 豐大方式左一高壓母線小擾動時(shí)三峽發(fā)電機(jī)的功率波形圖Fig. 2 Active power wave form of the Three Gorges generators, flood season large power flower, the left 1 high voltage bus small disturbance圖3 豐大方式左一左換線首端大擾動時(shí)三峽發(fā)電機(jī)的功率波形圖Fig.3 Active power wave form of the Three Gorges generators, flood season large power f

19、lower, the left 1 left converter line start point large disturbance（2）豐小方式下的計(jì)算結(jié)果與豐大方式下的計(jì)算結(jié)果基本相同。無PSS時(shí)，在所有擾動地點(diǎn)發(fā)生任一種擾動，都導(dǎo)致三峽電力系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定（見圖4上）。采用PSS后，系統(tǒng)的阻尼得到加強(qiáng)，小擾動功率振蕩經(jīng)過1次擺動就平息了（見圖4下）；大擾動功率振蕩經(jīng)過4次擺動后也基本衰減下來。（3）枯大方式下三峽發(fā)電機(jī)無PSS時(shí)，三峽電力系統(tǒng)受擾動后，功率振蕩不衰減，是動態(tài)不穩(wěn)定的。采用PSS后，小擾動功率振蕩經(jīng)過2次擺動就平息了,大擾動功率振蕩經(jīng)過2次擺動后也基本衰減下來。圖4 豐小方

20、式左二高壓母線小擾動時(shí)三峽發(fā)電機(jī)的功率波形圖Fig. 4 Active power wave form of the Three Gorges generators, flood season small power flower,the left 2 high voltage bus small disturbance表1 故障計(jì)算項(xiàng)目表之一Tab. 1 Items 1 of fault calculation潮流故障線路擾動方式有PSS豐大方式左一左換小功率3擺平息大功率4擺平息左一萬縣小功率3擺平息大功率4擺平息左二荊門小功率1擺平息大功率4擺平息右一葛換小功率1擺平息大功率3擺平息右一

21、沙市小功率1擺平息大功率3擺平息右二右換小功率2擺平息大功率3擺平息表2 故障計(jì)算項(xiàng)目表之二Tab. 2 Items 2 of fault calculation潮流故障線路擾動方式有PSS豐小方式左一左換小功率3擺平息大功率4擺平息左一萬縣小功率3擺平息大功率4擺平息左二荊門小功率1擺平息大功率3擺平息右一葛換小功率1擺平息大功率3擺平息右一沙市小功率1擺平息大功率3擺平息右二右換小功率2擺平息大功率3擺平息 （4）枯小方式下由于三峽發(fā)電機(jī)只開兩臺，三峽電站的出線是輕負(fù)荷，電力系統(tǒng)在擾動后為衰減振蕩，其功率振蕩的阻尼比小于0.05。有PSS 時(shí)小擾動功率振蕩1次就平息了，大擾動功率振蕩經(jīng)過2次擺動后也平息了。表3 故障計(jì)算項(xiàng)目表之三Tab. 3 Items 3 of fault calculatio