电力系统稳定器对三峡输电系统动态稳定的影响

1、文章编号：1000-3673（2002）08-0044-04 电力系统稳定器对三峡输电系统动态稳定的影响朱 方1，刘增煌1，高光华2（1 中国电力科学研究院，北京100085；（2 长江勘测规划设计研究院，湖北省 武汉市 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：对三峡电站发电机采用的电力系统稳定器（PSS）对三峡电力系统动态稳定性的影响进行了分析和计算。以2010年的丰大、丰小、枯大、枯小四种基本潮流为主，计算了大干扰、小干扰时的系统稳定

6、性。研究结果表明，三峡电站发电机无PSS时电力系统因阻尼不足会产生低频振荡，采用PSS可明显增强三峡电力系统的阻尼，提高系统的动态稳定性；三峡电站发电机采用PSS是必要的，可行的。关键词：电力系统；动态稳定性；低频振荡；电力系统稳定器中图分类号：TM712 文献标识码：A1 前言 三峡电站及其输电网的建设是举世瞩目的宏伟工程。建成后的三峡电力系统是否存在动态稳定问题？国产的三峡电站发电机励磁系统应采用什么控制规律？这是大家非常关心的。国内对发电机励磁控制的研究很活跃，这是可喜的现象。但一种控制理论的产生，与应用这种控制理论制成工业产品在生产实际中广泛应用，是两回事。目前我国电力行业，对如何将创

7、新的控制理论转化为工业控制产品，尚缺乏规范的管理。发电机励磁控制中的PID调节和附加的PSS控制，仍是现代大型发电机中最广泛应用的。电力系统稳定器（Power System Stabilizer）自60年代出现以来，已在全世界电力工业中普遍应用，成为改善电力系统动态稳定性的首选措施。国际大电网会议第38组38.01.07工作组对各种阻尼振荡措施进行了研究，并依其效果进行排序，PSS排在首位，其次是HVDC和SVC辅助控制1。文献2作者认为：“以固定的参数满足较宽范围系统条件的要求是可能的。因此，至今为止几乎没有动力来考虑自适应系统”。三峡电站发电机采用电力系统稳定器对改善三峡电力系统稳定的效果

8、如何？固定参数的PSS能满足三峡电力系统各种运行方式的要求吗？本文针对以上问题进行了研究和分析。2 应用PSS 解决三峡电力系统动态稳定的计算分析2.1 三峡电力系统概况 三峡电力系统包括三峡电站及华中、华东和四川电网。三峡电站总装机容量为18200MW，单机为700MW，额定功率因数为0.9，共26台，计划于2010年全部建成投产。三峡电站分为左岸一厂、左岸二厂、右岸一厂、右岸二厂。三峡电站共有15回500kV交流出线。左一共有8台机，通过三回输电线，接至左岸换流站，两回输电线接至四川万县。左二有6台机，有三回出线接至湖北荆门，右一有6台机，四回出线，其中两回接至葛洲坝换流站，两回接至湖北沙

9、市。右二有6台机，三回出线，均接至右岸换流站。华中和华东电网间通过三条±500kV的直流输电线相连。葛洲坝换流站至南桥可送电1200MW，三峡左岸换流站至常州及三峡右岸换流站至练塘两条直流输电线每条均可送电3000MW。 由于华中电网与华东电网采用纯直流送电方式，所以华东电网与华中电网间不存在低频振荡问题。三峡电力系统的动态稳定性问题表现在三峡发电机组与华中电网及四川电网组成的联合电力系统中。三峡水电站发电机采用自并励励磁系统，电压响应速度快。在运行中机端电压偏差量经自动电压调节器后控制发电机励磁电流的大小。这个控制量引起的发电机电磁力矩很容易满足产生负阻尼力矩的条件，加上水轮发电机

10、的固有阻尼较小，励磁调节产生的负阻尼力矩很容易使电力系统的阻尼特性变坏而造成动态不稳定。因此在三峡发电机的励磁控制系统中采用PSS的必要性和可行性必须进行研究。 由于三峡电力系统是一个多机、互联的复杂电力系统，解决这样一个复杂电力系统的稳定措施也是多方面的，不会仅采用单一的方法。本课题集中对三峡发电机采用PSS增强三峡电力系统的动态稳定性进行分析，而不涉及全系统的PSS配置、参数协调及优化问题。众所周知，三峡水电站的库区来水量随季节有很大变化。三峡电站的发电量主要集中在汛期，6至9月四个月的发电量占全年发电量的49%55%，有明显的季节性。三峡电力系统的潮流在一年中有很大变化，本报告按2010

11、年的运行水平分丰水期大发（丰大）、丰水期小发（丰小）、枯水期大发（枯大）、枯水期小发（枯小）四种基本潮流方式，研究三峡发电机PSS对三峡电力系统动态稳定特性的改善作用。2.2 计算条件2.2.1 计算采用的潮流方式丰大方式：华中电网向华东电网送电7200MW（由送端计），三峡电站发电及出线功率(MW)如下： 左一发电8×700 右一发电 6×700 左一送左换3×1866.4 右一送葛换2×1006.4 左一送万县2×0.3 右一送沙市 2×1093.6 左二发电 6×700 右二发电 6×700 左二送荆门3&#

12、215;1400.0 右二送右换3×1400.0 丰小方式：华中电网向华东电网送电7200MW（由送端计），三峡电站发电及出线功率(MW)如下： 左一发电8×700 右一发电 6×700 左一送左换3×1866.4 右一送葛换2×1159.5 左一送万县2×0.4 右一送沙市 2×940.5 左二发电 6×700 右二发电 6×700 左二送荆门3×1400.0 右二送右换3×1400.0 枯大方式：华中电网向华东电网送电7200MW（由送端计），三峡电站发电及出线功率(MW)如下：

13、左一发电7×700 右一发电 5×700 左一送左换3×1033.3 右一送葛换2×983.4 左一送万县2×900.0 右一送沙市 2×766.6 左二发电 5×700 右二发电 5×700 左二送荆门3×1166.7 右二送右换3×1166.7枯小方式：华东电网向华中电网送电3600MW（由送端计），三峡电站发电及出线功率(MW)如下： 左一发电0 右一发电 700 左换送左一3×400.0 葛换送右一2×37.3 左一送万县2×600.0 右一送沙市 2

14、15;387.3 左二发电 700 右二发电 0 左二送荆门3×233.3 右二送右换02.2.2 发电机及励磁控制模型计算程序用1999年11月中国版BPA暂态稳定程序。计算中所有机组均采用和变化模型，考虑调压及调速系统，所有机组计及机械阻尼转矩系数，汽轮发电机取为2，水轮发电机取为0.05。三峡电站发电机的励磁模型如图1所示。图1 三峡电站发电机的励磁模型Fig. 1 The model of Three Gorges generator excitation control 三峡励磁调节器采用PI调节，比例放大系数为50倍，积分时间常数为3s。 PSS 以发电机加速功率输入信号

15、。PSS的传递函数为 限幅值为±0.15 。 三峡电力系统内除三峡电站发电机外，四川网的二滩水电站、瀑布沟水电站等及华中网的小浪底水电站、葛洲坝水电站、隔河岩水电站、五强溪水电站等一些大、中型水电厂的发电机也采用了快速励磁调节系统。 汽轮发电机一般采用常规励磁系统，交流励磁机时间常数取为0.35s，直流励磁机的时间常数一般取0.5s。 计算中主要考察三峡电站发电机励磁控制对系统动态稳定的影响，其它电站均不加PSS。 负荷模型 负荷模型采用由恒定阻抗、恒定电流、恒定功率并计及频率特性因子的综合负荷模型，对应于BPA程序中的LB型负荷模型。具体为： 四川电网：30%恒定阻抗，30%恒定电

16、流，40%恒定功率。 华中电网：40%恒定阻抗，60%恒定功率。 华东电网：40%恒定阻抗，60%恒定功率。各电网有功负荷的频率因子取为1.8，无功负荷频率因子取为-2.0。2.2.4 直流控制系统模型 华中和华东电网间用纯直流输电方式连接，计算中采用能模拟直流电压和电流测量环节、电流调节器VDCOL限制环节和触发控制环节的直流系统模型。该直流控制系统可模拟直流调制并可进行直流线路的故障操作。直流系统可按定功率或定电流控制方式运行，并可自动进行方式变换。2.2.5 故障模拟方案 计算中分别用小干扰信号和大干扰信号对三峡电站高压出线首端进行扰动。小干扰信号为在三峡电站出口高压母线三相短路二个周波

17、后故障自动消失，不切线路。大干扰信号为在三峡电站出口高压输电线首端，三相短路五个周波后，线路两端同时切除故障线。2.3 计算结果（1）丰大方式下，三峡发电机无PSS时，在所有扰动地点发生任一种扰动，三峡电力系统会产生增幅功率振荡，动态不稳定（见图2上）。三峡发电机采用PSS后，三峡电力系统的阻尼得到明显改善,小扰动功率振荡经过3次摆动就平息了（见图2下），阻尼比大于0.15；大扰动功率振荡经过4次摆动后也基本衰减下来。图3是在三峡电力系统中的一些大型水电厂也投入PSS后的长过程计算，5次摇摆后振幅衰减为初值的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图2 丰大方式左一高压母线小扰动时三峡发电机的功率波形图Fig. 2 Active power wave form of the Three Gorges generators, flood season large power flower, the left 1 high voltage bus small disturbance图3 丰大方式左一左换线首端大扰动时三峡发电机的功率波形图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）丰小方式下的计算结果与丰大方式下的计算结果基本相同。无PSS时，在所有扰动地点发生任一种扰动，都导致三峡电力系统动态不稳定（见图4上）。采用PSS后，系统的阻尼得到加强，小扰动功率振荡经过1次摆动就平息了（见图4下）；大扰动功率振荡经过4次摆动后也基本衰减下来。（3）枯大方式下三峡发电机无PSS时，三峡电力系统受扰动后，功率振荡不衰减，是动态不稳定的。采用PSS后，小扰动功率振荡经过2次摆动就平息了,大扰动功率振荡经过2次摆动后也基本衰减下来。图4 丰小方

20、式左二高压母线小扰动时三峡发电机的功率波形图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 故障计算项目表之一Tab. 1 Items 1 of fault calculation潮流故障线路扰动方式有PSS丰大方式左一左换小功率3摆平息大功率4摆平息左一万县小功率3摆平息大功率4摆平息左二荆门小功率1摆平息大功率4摆平息右一葛换小功率1摆平息大功率3摆平息右一

21、沙市小功率1摆平息大功率3摆平息右二右换小功率2摆平息大功率3摆平息表2 故障计算项目表之二Tab. 2 Items 2 of fault calculation潮流故障线路扰动方式有PSS丰小方式左一左换小功率3摆平息大功率4摆平息左一万县小功率3摆平息大功率4摆平息左二荆门小功率1摆平息大功率3摆平息右一葛换小功率1摆平息大功率3摆平息右一沙市小功率1摆平息大功率3摆平息右二右换小功率2摆平息大功率3摆平息 （4）枯小方式下由于三峡发电机只开两台，三峡电站的出线是轻负荷，电力系统在扰动后为衰减振荡，其功率振荡的阻尼比小于0.05。有PSS 时小扰动功率振荡1次就平息了，大扰动功率振荡经过2次摆动后也平息了。表3 故障计算项目表之三Tab. 3 Items 3 of fault calculatio