试论电力系统稳定器及整定试验

刘志刚

（云南文山电力股份有限公司 云南文山 663000）

摘 要：低频功率振荡发生可能会引起联络线过流跳闸或造成系统与系统或机组与系统之间的失步而解列，造成电网事故扩大化，解决低频振荡问题是电网安全运行的重要课题。低频振荡产生的原因主要是由于励磁调节器间常数减小增益加大，导致系统阻尼减小，重负荷时出现负阻尼。本文主要对电力系统稳定器(PSS)抑制低频报荡的原理方面进行了分析。 关健词：电力系统稳定器PSS；低频振荡；试验

发电机电磁力矩可分为同步力矩和阻尼力矩。同步力矩与Δδ同相位，阻尼力矩与△ω 同相位。如果同步力矩不足，将发生滑行失步；阻尼力矩不足，将发生振荡失步。低频振荡是发生在弱联系的互联电网之间、发电机群与电网之间、发电机群与发电机群之间的一种有功振荡，其振荡频率在0.2～2.OHz之间。低频振荡的发生有四种可能的原因：

1）系统弱阻尼时，在受到扰动后，其功率发生振荡且长时间才能平息。 2）系统负阻尼时，系统发生扰动而振荡或系统发生自激而引起自激振荡。这种振荡，振荡幅度逐渐增大，直至达到某平衡点后，成为等幅振荡，长时间不能平息。

3)第三种是系统振荡模与某种功率波动的频率相同，引起特殊的强迫振荡，这种振荡随功率波动的原因消除而消除。

4)由发电机转速变化引起的电磁力矩变化和电气回路耦合产生的机电振荡，其频率约为0.2 ～2.0Hz。

低频功率振荡发生可能会引起联络线过流跳闸或造成系统与系统或机组与系统之间的失步而解列，造成电网事故扩大化，解决低频振荡问题是电网安全

运行的重要课题。研究表明，大型弱联系的电力系统本身的固有自然阻尼小。现代电力系统中，大容量发电机组普遍使用快速励磁调节器或使用自并激可控硅快速励磁系统，这些设备的大量使用，其作用常常是削弱了系统阻尼，甚至使系统产生负阻尼，为提高系统稳定性，在励磁系统中利用附加控制，产生附加阻尼转矩，增加正阻尼抑制低频振荡，这就是使用电力系统稳定(PSS)的目的所在。

1 系统低频振荡的产生

目前大型发电机普遍采用了微机(单片机/DRS)和可控硅组成的励磁控制系统，使自动励磁调节器AER的时间常数大为缩短(<20ms)，放大倍数大为提高，而且可控硅快速励磁系统(如自并励、两机他励系统)的普遍采用，使得电力系统的阻尼降低，这是造成低频振荡的直接原因。

现用单机对无穷大系统来分析PSS作用原理，单机对无穷大系统可用图1的等值电路来表示。其小扰动的线性化数学模型传递函数框图，如图2。

图1单机对无穷大系统等值电路图

图2单机无穷大系统小信号模型

1.1不考虑励磁调节的作用

在不考虑励磁调节系统作用时，发电机电磁转矩为：

XqXdEq0UscosoMelElq0USSin0Xeq0qXdXXXqXecdXqXeK1K2Eq 其中：K1XqXdXcXdlq0USSin0Eq0Uccos0XqXcK2

lq0

XqXcXcXdEqK31K3TdoSEfdK3K41K3TdoS （2）

XeXd其中：K3

XdXcK4XdXdUSSin0 XdXcUtdoXqUtq0Utq0XdXe UtUscos0Ussin0EqUXXUXXUXX0tod0todetoq （3） =K5K6EqXqUtq0Utd0Xd其中：K5Uscos0Ussin0

Ut0XqXeUt0XdXe K6Utq0UtoXe XeXdK1 ～K6 都为运行工况的函数，在一定运行方式下为常数，K5在发电机负荷较小时为正值，在负荷较大时因0增大，变为负值，其它5个参数一般都为正值。因为不考虑励磁调节的作用，ΔEfd=O，则电磁转矩为：

MeK1K1K2K3 （4） 1K3Td0S令s=jω，电磁转矩△Me 可整理为：

K2K3K4K2K32K4Td0Me(K1)j 21K32Tdo21K32Td202=Me1Me2 （5）

为同步转矩△Me与超前Δδ轴90°的正的阻尼转矩ΔMe2 的合成，如图3所示。

图3 电磁转矩矢量图

l.2考虑励磁调节的作用

励磁控制系统为高放大倍数的快速响应系统，以P调节方式为例，传递函数为Ge(s)=Ke/(1+Tes )，放大倍数Ke很大，时间常数Te很小，励磁系统的输入为-ΔUt=-(K5△δ+K6△Eq′)，输出为Efd=-Ke△U1/(1+Tes)，略去相对较小的项并整理，此时电磁转矩为△Me′= [K1-K2K5Ke/ (Tdo′s+K6Ke)]△δ，令s=jω)，此时

电磁转矩ΔMe可表示为：

Me2K2K5K6Ke2K2K5KeTd0(K122)j 22222K6KeTdoK6Ke2Td0=Me1Me2

当发电机负荷较大，K5变为负值，所以电磁转矩△Me′为同步转矩△Mel′与滞后△δ轴90°的负阻尼转矩△Me2′的合成，如图4所示。又由于励磁系统的增益Ke很大，使得系统的负阻尼增大，当有扰动时系统就会发生低频振荡。

图4 电磁转矩矢量图

2 电力系统稳定器PSS抑制低频振荡的原理

产生低频振荡的原因是系统阻尼的减小，抑制低频振荡可以从两方面人手：减小负阻尼和增加正阻尼。减小负阻尼的措施有：采用动态增益衰减减小负阻尼等。增加正阻尼的措施有：

采用PSS，线性及非线性最优励磁控制，静止补偿器，直流输电控制等。其中电力系统稳定器PSS采用△Pe，△ω，△f中的一个或两个信号作为附加反馈控制。增加正阻尼，不降低励磁系统的闭环增益，不影响励磁系统的暂态性能，效果良好，在国内外都得到了广泛应用。微机型励磁调节器中PSS作为软件模块，非常便于实现。PSS的通用框图如图5所示。

图5 PSS1A 通用框图

PSS由有功采样滤波、隔直、超前-滞后校正、放大、限幅等几个环节组成。PSS的输出加入到励磁调节器的电压相加点。在频域中分析，只要把PSS的相频曲线和励磁系统的相频曲线直接迭加对系统相位进行补偿，就可以得到补偿后系统的相频特性。计算、现场试验技术成熟。

2.1 PSS抑制低频振荡分析

加入PSS后，系统如图6所示。

图6励磁控制系统传递函数图

励磁系统是一个滞后单元，它由励磁滞后角θgl和发电机磁场滞后角θg2构成，系统传递函数为：

GBC(s)K2K5K3Ke 总滞后角θg<θg1十θg。当K5为负时，

(1K3Td0S)(1T4S)K3K6Ke电压调节器产生负阻尼，由电压调节器产生的电磁转矩ΔTE在Δω轴上投影为负，如图7(a)所示。

当PSS输入信号为△ω时，为使PSS产生的附加力矩与△ω 轴同相位，PSS应为超前相位补偿，相位角θd，由PSS的附加力矩△TPSS所产生的正阻尼大于由电压调节器的电磁转矩ΔTE的负阻尼，从而使AER提供正阻尼，抑制系统的低频振荡，如图7(b)所示。

(a)AER产生负阻尼

（b）PSS产生正阻尼 图7 AER及PSS产生的阻尼转矩

2.2 PSS各环节作用

隔直环节是为提取有功的波动量使PSS正常运行而设置的。通常为一个Washout环节励磁系统的频率特性在低频时滞后很小，有的甚至超前，在高频段滞后较多，所以隔直单元在低频时超前是不希望的，因此要求TW较大，使隔直单元尽量少超前。当输入信号为Pe时，如TW太大，在功率调整时达到稳定的时间太长，所以一般PSS输入信号为△Pe时，TW取2-8s。超前-滞后相位补偿可为一级也可为三级串联，不同的励磁系统，其相频特性也各不相同，如快速励磁系统的滞后角较小一般为30°～180°(0.1～2.0Hz)，而三机励磁系统滞后角较大，一般两阶超前滞后单元就能满足要求，必要时采用三级串联，可使频率特性在较宽的频率范围内得到合适的补偿。针对不同励磁系统的特性，合理整定PSS的超前滞后时间常数，可以得到满意的补偿效果。

为防止机电振荡模振荡、励磁反调、功率摆动和限制噪声等，要对PSS的放大倍数进行限制，所示一般在获得PSS的临界增益后留取较大裕度得到PSS增益，经验参数是取临界增益的1/3—1/5。 3 PSS现场整定试验

3.1励磁系统在线无补偿频率特性的测量

发电机在线无补偿频率特性的测量是在发电机并网运行，PSS不投入的情况

下进行的。频谱仪的噪音信号从励磁调节器的模拟量输人口输入，经A/D转换，加入到调节器的给定电压相加点上，发电机的励磁受噪音信号调制，频谱仪测出的噪音源加入点到发电机端电压之间的频率特性即为励磁系统在线无补偿频率特性。由于是三机励磁系统，各频率相位滞后相对自并励系统偏大。

3.2 PSS参数的整定计算 3.2.1 PSS相位补偿和参数整定

PSS由隔直和超前滞后等环节组成，输入信号为电功率(-ΔPe)。PSS的参数整定应使PSS产生的电磁力矩(在额定有功功率和零无功情况下，可认为与△U同相)在0.25Hz ～2.4Hz的频率范围内滞后-△Pe信号8O°-135°(参见DL/T650—1998)。如果用Φe表示励磁系统的相位，用 Φpss表示PSS的相位，则要求PSS的参数整定应使得在0.25Hz～2.0Hz的频率范围内 Φe+Φpss在-80°～-135°之间。

通过逐步逼近法，计算机仿真计算可确定PSS环节的各参数以满足相位补偿原则。经过多次计算确定，100MW 机组PSS参数为：

表1：1O0MW 机组仿真计算PSS参数

由表2可以看出，PSS在0.20—2.5Hz范围内都提供了较好的阻尼。PSS参数在相位补偿方面是比较合适的。

3.2.2 PSS增益的选择

理论上讲，在正确的相位补偿下，PSS的增益越大，其提供的正阻尼越强，但实际上，电力系统是一个高阶的复杂系统，增加PSS的增益虽然可以增加某些机电振荡的阻尼，但如果PSS增益过大，也可能引起电磁振荡的负阻尼使系统出

现不稳定现象，此时，机组的有功和转速仍无明显的振荡，但励磁电压和无功功率可能出现明显振荡甚至是等幅或增幅振荡，另一方面，过大的PSS增益对其他机电振荡模的阻尼也可能带来一些不利影响。因此，PSS实际存在一个最大增益。PSS临界增益是由很多因素决定的，如发电机的负荷水平、

表2：10OMW 机组仿真计算得到的励磁系统在线补偿频率特性

PSS在电厂和系统中的配置和投退情况、机组的力率和电力系统的运行方式等，所以一般用现场试验的方法来确定。在选定的相位补偿下，缓慢增大PSS的增益，同时观察励磁系统的变化。直到出现不稳定现象为止(主要标志是调节器输出电压、发电机转子电压出现频率较高(1～4Hz)的剧烈振荡)，这时的PSS增益即为最大增益或不稳定增益。

PSS的增益一般取临界增益的1/3—1/5。

从100MW 发电机PSS增益增大为Kpss=2.8时的录波图可以看出，发电机转子电压出现微弱的电磁环振荡，但发电机电压及无功功率变化较大，可近似地将此时的PSS增益作为PSS临界增益。实际取Kpss=l。

另外，根据经验，可按照在1.0Hz时的交流增益在0.3左右进行增益调整。

根据图5参数计算，在1.0Hz时的交流增益为0.264，说明PSS增益整定是合理的。 4 PSS参数现场校核试验

4.1 100MW 机组PSS参数校核试验

在发电机组上进行在线电压阶跃响应试验，以校核PSS阻尼系统功率振荡的能力。试验在发电机并网运行，P接近额定，Q接近0的工况下进行。

在PSS投入和退出两种工况下进行发电机负载阶跃响应试验，计算两种工况下有功功率振荡的阻尼比，阻尼比可近似地用第二个幅值开始的第一峰峰值与第二峰峰值的自然对数比除2π计算。

根据PSS退出和投入两种情况下发电机负载±3％电压阶跃响应试验的录波图分析，在+3％阶跃响应的情况下，PSS退出时发电机有功功率振荡次数为2.5次，阻尼比为0.17；PSS投入后，振荡次数为1.5次，阻尼比提高到0.23。在-3％阶跃响应的情况下，PSS退出时发电机有功功率振荡次数为2.5次，阻尼比为0.15；PSS投入后，振荡次数为1.5次，阻尼比提高到0.31。可以看出，PSS投入后，大大提高了机组抑制系统低频振荡的能力。 5 结论

PSS采用△Pe，Δω，Δf中的一个或两个信号作为附加反馈控制，对励磁系统进行相位补偿，增加系统的正阻尼。通过100MW机组现场试验的录波图分析，可以得到以下结论：PSS投入后，发电机励磁系统阻尼系统低频振荡的能力大大增强，目前整定的PSS参数是合理的，同时，经计算核实，在低频振荡(O.2Hz～2.5Hz)范围内，PSS都有较强的阻尼作用，装置工作正常，可以投入运行。由上面的分析和实测数据可以看出，PSS对励磁系统的相频特性有良好的补偿作用，能有效地改善系统阻尼，抑制低频振荡。

参考文献：

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[2] 方思立，苏为民.电力系统稳定器配置、构成、参数设计及投运试验.中国电力，2004.

[3]电力系统稳定器整定试验导则.Q/GDW 143-2006.国家电网公司企业标准.2006.