一种西门子PSS3B模型参数整定方法

技术领域

本发明属于网源协调技术领域，涉及一种利用待定系数法及非线性最小二乘法的西门子PSS3B参数整定方法。

背景技术

由于励磁调节器、励磁系统及发电机磁场绕组的相位滞后特性，励磁调节器产生了相位滞后于功角并与转速变化反相位的负阻尼转矩，从而导致低频振荡。电力系统稳定器(PSS)是为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。电力系统稳定器引入领先于轴速度的附加信号，克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩，合成产生正阻尼转矩，解决低频振荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。

西门子PSS3B模型采用非常规形式，并非常见的超前-滞后环节串联形式，多个参数位于多个串联的反馈环节中导致PSS3B形式复杂。电力行业标准中对PSS相位补偿有定量要求，因此需要将西门子PSS3B模型转化为常见的超前-滞后环节进行相位补偿。

采用相位补偿原理配置PSS时，需要根据励磁系统无补偿相频特性来确定PSS的相频特性，进而整定PSS参数。设PSS相频特性为励磁系统无补偿相频特性为则理论上对的要求为：

1)以Δω为输入信号的PSS，有

2)以-ΔPe为输入信号的PSS，有

对PSS3B进行现场整定时，实测发电机励磁系统无补偿相频特性计算PSS相频特性为采用拟合PSS相频曲线的方法设计PSS相位补偿参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种使用待定系数法及非线性最小二乘法的西门子PSS3B参数整定方法，以满足现场试验的需求。

为实现上述目的，本发明所采用的方法为：

一种西门子PSS3B模型参数整定方法，包括以下步骤：

步骤一，利用梅森公式，根据西门子PSS3B模型框图得到传递函数表达式；

步骤二，将步骤一中的传递函数转化为超前-滞后环节串联传递函数形式；

步骤三，实测发电机励磁系统无补偿相频特性，并对本征点附近的相位大幅变化进行人工平滑后得到应用于工程实践中的励磁系统无补偿相频特性，然后据此得到PSS相频特性；

步骤四，基于非线性最小二乘法拟合步骤三中表达PSS相频特性的相频函数，然后串联超前-滞后相位补偿环节，最后得到补偿后的相频函数；

步骤五，根据步骤四中拟合结果与步骤二中转化过程的系数关系得到PSS3B整定参数。

所述的方法，所述的步骤一中，传递函数表达式为：

其中，

s：传递函数自变量；

K：增益系数；

T_D:隔直环节时间常数；

K₀～K₄:移相环节比例系数；

T₁～T₄:移相环节时间常数。

所述的方法，所述的步骤二中，转化后的函数表达式为：

转化中K₀＝1并存在系数关系：

其中T1'～T4':转化后的传递函数的移相环节时间常数；

A₁～A₄:中间环节系数；

B₁～B₄:中间环节系数。

所述的方法，所述的步骤三中，发电机励磁系统无补偿相频特性为PSS相频特性为：

所述的方法，所述的步骤四中，补偿后的相频函数表达式为：

F(f)＝90°-arctan(2πfT_D)+2[arctan(2πfT₁')-arctan(2πfT₂')+arctan(2πfT₃')-arctan(2πfT₄')]。

所述的方法，所述的步骤五中，PSS3B整定参数为T_D，T₁、T₂、T₃、T₄、K₁、K₂、K₃、K₄、K₀，其中偏差放大系数K通过临界增益试验后确定。

本发明的技术效果在于，提出了一种针对于西门子PSS3B模型参数整定的方法，能提供0.1～2Hz频段的相位补偿，有效提高抑制机组低频振荡的能力。

附图说明

图1为本发明实施流程图；

图2为西门子PSS3B模型图；

图3为PSS应补偿相位与其拟合曲线图；

图4为有无PSS小扰动有功功率响应曲线；

图5为人工平滑示意图。

具体实施方式

如图1所示，1)利用梅森公式，根据西门子PSS3B模型框图得到传递函数表达式。

s：传递函数自变量；

K：增益系数；

T_D:隔直环节时间常数；

K₀～K₄:移相环节比例系数；

T₁～T₄:移相环节时间常数；

2)将西门子PSS3B传递函数转化为超前-滞后环节串联传递函数形式。

本实施例通过人为指定超前-滞后串联环节的形式，在补偿效果不变的情况下减少了待定时间常数的个数，简化了转换过程。

3)实测发电机励磁系统无补偿相频特性对本征点附近的相位大幅变化进行“人工平滑”后得到应用于工程实践中的励磁系统无补偿相频特性；计算PSS相频特性其中人工平滑是指对于相频特性中的相位突变点不予考虑，将其按照之前的趋势进行认为拟合，具体可参见图5，图中1.2Hz附近大幅变化的相位，采用人工平滑得到加粗部分曲线将振荡点两侧的曲线联合起来。另外，传递函数虽然是s的函数，但当考虑相量关系的传递函数时需要用jw代替s进行代入，此处w＝2πf，其中频率f的范围为0.1～2.0Hz。

4)基于非线性最小二乘法拟合转换后的串联超前-滞后相位补偿环节的相频函数为

F(f)＝90°-arctan(2πfT_D)+2[arctan(2πfT₁')-arctan(2πfT₂')+arctan(2πfT₃')-arctan(2πfT₄')]利用matlab中的lsqcurvefit函数对进行非线性最小二乘法拟合。其中进行拟合的方法有多种选择，出于简单化的考虑，本实施例直接使用了matlab内部的最小二乘函数进行拟合。

本实施例拟合函数中包含了隔直环节相位，即考虑了隔直环节的时间常数。

5)由超前-滞后环节参数转换为PSS3B模型参数。转换关系为

T1'～T4':转化后的传递函数的移相环节时间常数；

A₁～A₄:中间环节系数；

B₁～B₄:中间环节系数；

本实施例免解非线性方程即可进行参数转换。

偏差放大系数K通过临界增益试验后确定。

计算实例：

构建一个单机-无穷大系统计算其发电机的励磁系统无补偿相频特性的理论值，对频率0.1～2Hz范围内“人工平滑”后的无补偿相频特性曲线进行取点如表1所示，

表1无补偿相频特性

根据式计算PSS应补偿相位如表2所示

表2 PSS应补偿相位

基于非线性最小二乘法拟合转换后的串联超前-滞后相位补偿环节的相频函数为

F(f)＝90°-arctan(2πfT_D)+2[arctan(2πfT₁')-arctan(2πfT₂')+arctan(2πfT₃')-arctan(2πfT₄')]利用matlab中的lsqcurvefit函数对进行非线性最小二乘法拟合。拟合曲线如图3所示。

对拟合结果进行处理，得到PSS3B模型参数如表3所示。偏差放大系数K通过临界增益试验仿真后最终取1.4。

表3整定参数

根据表3中数据设置PSS3B模型并进行有无PSS的小扰动仿真，小扰动形式为励磁参考电压的4％阶跃，仿真效果如图4所示。表4为图4对应的单机-无穷大系统小干扰频域特征值计算结果。结果表明投入PSS后正阻尼增加，对低频振荡起到了抑制的作用。

表4有无PSS机组有功功率分析结果