PSS2B 与PSS4比较9页word.doc
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1、如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流PSS2B 与PSS4比较【精品文档】第 9 页 IEEE PSS2B 与PSS4:现代PSS性能的限制摘要:电气和电子工程师协会励磁小组委员会修订的IEEE 421.5版标准将介绍一种新的PSS模型.多频带的PSS模型,尽管一个完整的加速功率PSS模型与已经广泛应用的PSS2B模型一样需要两个输入量,在第九十节的开始就被做为一种数字PSS装置的实际应用进行了介绍,但IEEE PSS4B模型的基本原理已经发生了根本的改变。本文着重评价在处理广泛的电力系统问题时,当采用同一套要效通用的设置,这两个家族的PSS模型的相对表现。这些结论是一些测试系统和一个实际
2、的魁北克水电系统上的进行的大量小信号与大信号分析中得出来的。在一个标准的当地或区间振荡模式下,由于这两个PSS模型都能很容易地调整到有效的性能,因此我们将重点强调在PSS概念内它们各自内在的限制(包括大型发电机并网时的过剩的无功调制,水氢机组的快速加功率,和大型汽轮发电机发生故障时的过剩扭矩)。 I 介绍对世界上的大多数公司,在解决振荡稳定问题时,最常用的装置就是PSS。尽管PSS装置在很早前就被介绍和广泛使用和本质简单,但PSS装置一直是发电机控制系统中总是被误解和误用的一块。在美国西部电网1996年大停电中,后来就发现那些关键的PSS装置不是退出运行就是调的特别差。即使是现在这些问题都解决
3、后,电网中大的扰动开始趋向于引起0.2HZ的低频振荡.在巴西南北互联电网中产生的一个介于0.17HZ-0.25HZ的新的区间振荡模式,迫使整个系统对PSS装置进行了重新调整.在欧洲,UCTE/CENTREL 互联电网还发生了0.36, 0.26甚至0.19HZ的区间振荡. 在加拿大和美国西部电网中最近发生的几次紧急事故中同样伴随着发生了0.4HZ的振荡. 因此PSS技术还有许多的工作需要我们去做. 在历史上,魁北克公司非常依赖PSS装置来改善电网的性能.到2000年,26个电厂,总装机容量38000MW中的80%发电机已经安装了140套PSS装置,通过重新调整和协调使他们更加有效,电网改善了中
4、心频率为0.6HZ的区间振荡的阻尼,在主要联络线上赢得了约400MW的传输容量. 然而大多数系统中使用的PSS装置还是1980设计的,电网在90年代在厂家购买的数字PSS模型.那些PSS模型基于完整功率加速器(在IEEE Std 421.5中描述过), 这个现代PSS模型能够轻易的调制成基于速度的PSS模型,来减轻老的PSS模型中两个主要的操作问题(限制了老的PSS装置的应用),这主要是利用电功率和机端频率来实现.也就是说在机械功率发生改变和有害的扭矩发生时的过剩的无功调制问题. 到了2000年,一个新PSS模型的概念提了出来,并后来收录进修订的IEEE Std421.5版本,并命名为PSS4
5、B. 利用一个电功率传感器来捕获高频动态,PSS4B模型能够保留PSS2B模型所拥有在当地和扭振模型中的大部分优良特性.此外,通过对区域间振荡和固定的振荡使用一个单独的内部频率传感器,提供了一个有特色的改善的低频区间模型的信号,并有一个显剧的dc 90度的相位超前(PSS2B则超前180度), 而且PSS4B模型是建立在一个十年前提出的灵活的多频段传递涵数结构.可以在更大的频率范围内提供更好的灵活性来获得更健全的调节性能.尽管对于设计者来说会导致更复杂的操作和更多矛盾的协调 本文的目的不是设计一个新颖的PSS2B或PSS4B模型的调试程序,这个有价值的目标在17-21中处理.我们的目的主要是用
6、一套全面的测试系统和一个性能标准来比较,是读者更容易理解两种PSS模型的区别.这个工作的一个副产品是可以获得涉及系统数据及紧急事故的适用性及PSS结构和设置,用来做为其他科研人员改善PSS调试程序的基础.因此,所有的在论文中使用的测试系统和matlab 软件都可以通过email的方式获得. II 待比较PSS 设计一个高性能的PSS,特别是对小信号而言,不管他们的结构多么的特殊,都是件很简单的事情. 因此真正的挑战不是去评估不同的PSS是否有好的当地模型阻尼,而是给出一个相似的当地和intra-unit模型的阻尼水平,去判断他们在区间模型和克服所有PSS模型通用的限制因数上的表现,例如孤立操作
7、,快速机械功率变化,扭矩作用的影响等.我们的实现方法是把不同的PSS在当地模型上的阻尼效果仔细地校准在同一水平,然后去评估他们的区间阻尼和他们在通常不利因数出现时的性能极限.A. 稳定模型尽管这两个PSS家族的IEEE模型如图1所示,他们都有相同的外部输入(电功率和角速度),然而,PSS2B采用一个速度传感器,PSS4B装了两个速度传感器.第一个主要通过来自转子角速度的低频分量WL-I ,通过低通滤到它的raw estimate(内部频率),而第二个通过来自有功的高频分量.他们的频率响应如图3所示. 表明PSS2B有3-DB低频 cut-off 在0.025HZ处. 通过比较,我们发现PSS4
8、B模型的高频速度传感器在0.25HZ处有它的3-db cut-off 频率,不管是PSS2B还是PSS4B传感器都有可选择的凹槽,从补偿传递涵数来看,图1还强调了这两个PSS模型的一些本质的区别.PSS2B在所有感兴趣的频率段的相位超前补偿是靠一个单一的三阶超前滞后环节来实现的.一个可选择的隔直环节可以增加到输出上来限制PSS对低频显现的反应. 与此不同的是,PSS4B是在低(0.01-0.1HZ) 中(0.1-1HZ), 高(1-4HZ)三个波段各提供一个各自不同的滤波器来进行超前的补偿. 从表四可以看出有三个滤波器利用可调整的中心频率与幅值,用做各个波段通过的滤波器. 最具代表的是,在中心
9、频率处,相位偏移是0,增益最大.因此确定高频波通(band-pass)是10HZ能够保证在0-10HZ都保持相位超前.咋一看,与只有六个时间常数的PSS2B模型相比, PSS4B模型大量可调的参数好像增加了装置调试的难度.,事实上,经验表明,对于大型互联系统,PSS4B的设计者在面临大量的矛盾协议(contradictory trade-offs)时更容易获得更灵活的解决方案,此外一个基于中心频率与幅值的简化的六参数调试方法在大部分情况下是可行的.B设置表I提供了一个PSS2B模型的参考设置,它们是选自最近的文献,以反应PSS调试的最实际的情况.设置2是由Klein提供,并被收录到了Kundu
10、r的经典书籍里面,作为典型PSS在发电机上应用的例子.设置3是来自巴西的一所学校,这个时间常数的选择是为了在0.15-0.25HZ之间获得一个最优的相位超前,而可以在时间常数为3S的隔值环节上让低频响应最小化. 设置4是在魁北克水电局的一台大型水氢机组上找到的.它主要针对在0.6HZ的区间模型上有最好的阻尼性能.表II提供了四组PSS模型紧密联系的参数,设置1 kernel是其它的几组数据的基础 .尽管它获得一个从0.04-7HZ相对均衡的相位超前,但它的增益有点高,在这儿研究它仅仅是为了证实PSS4B能够在需要的时候提供一个相对较高的增益.设置2减少了低中频增益的33%和高频增益的20%,这
11、个设置与PSS2B模型设置1大致等效,在当地模型和扭振模型中,被用来作为比较比较这两种结构的基础. 设置3和设置2有大致相等的增益,但是在高频波段增加了一个隔值环节,用来减少PSS4B模型对快速机械功率(ramp)的灵敏度.最后一种设置是对三个对称波段一种简化的设置,利用六参数在一个宽的频率范围内近似模拟设置2 ,它是论证PSS4B模型看似复杂,但实际可以在不损失太多性能的情况下进行简化的调试. 各种不同设置的PSS4B模型的频率响应在图5中列出.并与PSS2B的相关参数进行比较.后者可以看出超过20HZ的后有一个较高的增益和相位,此外,不同的PSS在0.1-5HZ有非常相似的相频响应的波形,
12、然而PSS4B的增益在关键的区间模型(0.1-1)频率上表现更好.表3提供了这些频率响应的数字值来使得这些感兴趣的经典频率下的比较更加轻松.当所有的PSS4B模型在0.1HZ仅仅有81度的相位超前的时候,PSS2B最好的设置也有碍125度的超前角.此外,由于PSS的顶值增益是在10HZ左右如此低的扭振频率将有可能使得凹曹过滤器变得有必要.最后,对于1-13HZ左右的当地模型,PSS4B和PSS2B模型有相似的增益和相位,但在区间模型的低端(0.1-0.3HZ),PSS4B虽然和PSS2B虽然也有相似的增益,但在高端(0.4-0.7HZ)却要比PSS2B高50%的增益. 在分析结束的时候,表6论
13、述了所谓的两输入的灵敏度.此时的传递涵数从单输入到输出,而让第二个输入置0,幅频特性的灵敏度在频率渐进线上更容易引起注意,也就是说,在低于0.1HZ和高于10HZ的时候.因此图6揭示了由于斜坡处理器的作用,大于10HZ处,PSS2B的速度传感器在本质上对噪音不如PSS4B灵敏.而相反,PSS2B的电功率分支对于高频噪比PSS4B更加灵敏,因为与PSS2B的多级超前滞后环节相比后者的高频波段有一个自然的减幅特性, PSS2B的多级超前滞后环节的高频渐近增益是一个高值常数.对PSS4B来说,电功率路径的低频率段灵敏度更为重要,因为它测量的是PSS对机械功率的跃变(step and ramp),例如
14、在设置3中增加一个额外的隔直(T=24?)在高频率波段来增加0.01HZ的衰减,(by a factor of 24),对比设置1和设置2的14. III 小信号评估A. 单机无穷大系统任何PSS安装的第一目标是针对当地模型,因此我们用线性化的经典的单机无穷大系统来开始比较这两种PSS结构,在这个系统中,一台安装了快速励磁系统的发电机,发电功率恒并与大系统通过两条传输线来联接.选择的基准模型在Taranto et al. 24的文章中充分表述.其中状态空间表达式的数值提供了三套不同的配置:强的,中等的,若的系统(各自有一个小,平均水品,大的线路阻抗来描述),图7描绘了PSS2B 与PSS4B在
15、24里按照各自的最初良好的设置下的阻尼性能.为了公平的评估,24的w pss串了一个与PSS2B(可以在图2(b)中看到)同样的速度传感器(可以在图2(a)中看到), 包括一个12.5ms的功率传递时间常数.我们可以得出结论选择的PSS2B和PSS4B都比24中使用了复杂技术最有效的设置表现更为良好.更具体的说,PSS2B比PSS4B在弱系统中表现稍微好一些.而在中等或强系统中则不如PSS4B表现出色.有趣的是,所有PSS的闭环当地振荡频率都是一样的.图7的右边还显示了生成的增益和相位. 综上所述,这些控制系统的的效果按照惯例(6db for 增益和30度for 相位)都是非常优秀的.最后,表
16、四阐述了用MATLAB根轨迹法计算的闭环不稳定增益(是通常增益的数倍),正如1,21先前的作者提到的,为了防止非典型的高频动态增益值应该比2大.尽管PSS2B有最大的不稳定增益,当是PSS4B模型的也能获得满意的临界增益.结合图7和表I,我们可以得出结论:,在弱系统的当地模型中需要一个高的PSS增益来获得较好的性能.然而,由于高增益威胁强系统的稳定极限,因此增益的选择反映了性能和robustness.之间的一个妥协.B 四机两地区系统 在当地模型(of widely differing shapes)中展示PSS的满意效果后,接下来我们在一个强的区间多机系统中来证实它的好的性能.我们选择一个众
17、所周知的在2,22中论述过的测试系统,如图8所示.这个系统最大的好处就是每个人都可以使用.这儿使用表I中的设置3,数据指定的来自3,22.假设两条联络线(图8中的开关闭合?)和两个输送功率水平(0和400MW),线性的状态空间模型,包括在3中论述过的通用目的的负荷方程.并使用先前提到25.的小信号分析软件. 这些小信号模型的精确性用(3,P.813)中的特征根分析结果进行了详细的比较并得到了证实.接下来,一套PSS装置使用同样的参数同时安装在G1和G4上,而G2和G3却不安装,这样可以更好的区别一个非常好的PSS设置和一个普通适用的设置.待研究的PSS2B与PSS4B的阻尼性能在图9中与3,2
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