PSS配置、構(gòu)成、參數(shù)計算及投運試驗

1、中國電力科學(xué)研究院方思立華北電力科學(xué)研究院蘇為民摘要本文介紹了PSS的配置要求及各種輸入信號的PSS的特點及適用范圍, 論述了PSS相位補償及增益選取的計算方法, 以及PSS的現(xiàn)場試驗方法等.1 PSS配置 PSS是采用勵磁附加控制，增加對低頻振蕩的阻尼，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定的裝置，對于數(shù)字式AVR，它不需要增加設(shè)備，又有很好的阻尼效果，因此近年來在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的采用。經(jīng)驗表明，不僅快速勵磁系統(tǒng)采用PSS增大系統(tǒng)阻尼的效果良好，即使常規(guī)勵磁系統(tǒng)，采用PSS也有良好效果。美國西部和加拿大聯(lián)合電力系統(tǒng)(WSCC)建議60MW 及以上機組，勵磁控制系統(tǒng)遲后角小于（1）式三階典型系統(tǒng)時應(yīng)配置PSS

2、。(6.28) 3Ts = (S+0.628)(S+6.28)(S+62.8)(1)+式（1）的遲后特性見表1。表 1 三階典型系統(tǒng)遲后角頻率特性振蕩頻率 (Hz)0.16 2遲后角 (度)6590100115135163某快速勵磁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式2F(ex)=30/ (1+0.03S) 1+(1/2S) (2) 如發(fā)電機時間常數(shù)Tdo=6s, 其勵磁控制系統(tǒng)的遲后特性見表2a，某常規(guī)交流勵磁機勵磁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式3F(ex)=300(1+1.6S)/(1+16S)(1+0.5S)/(1+0.05S)1/(1+0.03S)1/(1+0.8S) (3)同上發(fā)電機采用式（3）勵磁的遲后特性見表

3、2b. 式（3）中勵磁機簡化為一階慣性環(huán)節(jié)雖有較大的時間常數(shù)，因采用較強的超前補償，其遲后特性仍小于1式?？焖賱畲畔到y(tǒng)的遲后特性則較1式小很多. 因此要求勵磁系統(tǒng)性能良好的發(fā)電機，普遍采用PSS。我國勵磁系統(tǒng)行標L/T 6501998，DL/T 8432003均將PSS作為必備的附加單元，并規(guī)定其投入率分別不低于99%（自并勵）及90%（交流勵磁機勵磁）。2 PSS輸入信號及其數(shù)學(xué)模型PSS各輸入信號的優(yōu)缺點PSS是在AVR輸入附加控制信號，如轉(zhuǎn)速偏差（或頻率偏差f），功率偏差e（或加速功率偏差a）或兩個信號的綜合，使發(fā)電機產(chǎn)生軸方向的阻尼力矩（e）以抑制電力系統(tǒng)的低頻功率振蕩，各輸入信號的優(yōu)

4、缺點如下：2.1.1 或f因為勵磁控制系統(tǒng)是一個遲后環(huán)節(jié)，有較大的遲后角，要求以為輸入信號的PSS，有很大的超前角補償，以便PSS的輸出使發(fā)電機產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩與同相位，從表2可見，當振蕩頻率為1Hz時，超前補償角在100 o左右，超前補償角大，微分作用強，控制回路就容易發(fā)生諧振，臨界增益就較小，限制了使用增益. 此外信號的測取比較困難，這也限制了為輸入信號的PSS的采用。f為輸入信號的PSS，與有相同的缺點，也需要大的超前補償。而且信號是在發(fā)電機軸上測取，是軸功角的變化, 而f從機端電壓測取，是機端電壓功角的變化，因此f較的靈敏度低，一般很少采用f作為PSS單一的輸入信號，通常與Pe組合使用。

5、2.1.2 Pa或Pe加速功率Pa的相位超前90°，因此它減小了PSS所需要的超前相位校正，設(shè)=0時勵磁遲后角為90°，則Pa為輸入信號的PSS,所需相位校正,在0時為遲后校正，0只需進行很小的超前校正. 所以電路穩(wěn)定，可采用較大的增益，充分發(fā)揮PSS的作用.Pa為機械功率Pm與電功率Pe之差，采樣很困難，當Pm不變時,Pa=-Pe，測取Pe比較方便，因此一般都以Pe代替Pa，但Pe為輸入信號的PSS有反調(diào)的缺點，當Pm增大,PSS的輸出使勵磁減小，這可能影響電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定，但對汽輪發(fā)電機影響不大，由于其電路簡單，效果良好，除美國外，大都采用以Pe為輸入信號的PSS。2.

6、1.3 Pe與f（）組合對于快速勵磁系統(tǒng)，如自并勵或高起始勵磁，其勵磁控制系統(tǒng)遲后角較小如表2，當f=時，遲后角為93°仍不需超前補償，而采用Pe及f信號相加，可得到090°之間任何需要的超前相位，因此快速勵磁系統(tǒng)可采用Pe與f直接相加的PSS,其數(shù)學(xué)模型及超前相位組成,如圖1所示在考慮將Pe的輸出Vp及f的輸出Vf相加時，要考慮信號=-Pe/MS，因為S=j，所以的信號較Pe的信號小M倍，因此增益K應(yīng)為Kp的M倍，才能使兩通道的輸出相當，如M=6 ， =5，Kp=1，則K=30時，V=Vp，PSS的超前角為45度. 圖中=tan-1 Vp /V= KpM/K由Pe和相加作

7、為PSS的輸入信號，不但在某一頻率時得到要求的超前相位，還可以改善PSS的補償頻率特性。因為當頻率改變時Vp與V的比例也隨之改變. 振蕩頻率減小，超前角也減小，這與勵磁控制系統(tǒng)遲后角的變化是一致的，因此可改善PSS的相頻補償特性。此外采用Pe及f雙輸入信號，還可以在一定程度上減輕反調(diào)作用，因為或f沒有反調(diào)，所以Pe與f合成的PSS反調(diào)作用較小。Pe和組成模擬Pa為了徹底消除反調(diào)的影響，ABB等制造廠采用圖2電路圖2（a）經(jīng)微分處理后得加速度，在第一相加點與Pe相加得Pm=Pe+MS，經(jīng)高頻濾波器后，在第二相加點再減去Pe，得加速功率Pa，由于原動機功率變化的頻率較低，可以通過高頻濾波器，因此在

8、二次相加中消除了原動機功率變化的影響，也就消除了反調(diào)。對于電力系統(tǒng)的低頻振蕩，經(jīng)高頻濾器后有較大衰減，如果高頻濾過器能完全阻止低頻振蕩信號通過,則此時相當于Pe輸入信號的PSS，但實際上高頻濾波器不能完全阻止低頻信號通過，所以要經(jīng)第一相加點構(gòu)成Pm，然而在第一相加點的輸出信號，也不可能是純的Pm, 因此還必須有高頻濾過器，以減弱第一相加點輸出的低頻振蕩分量。該電路的缺點之一是經(jīng)微分后容易發(fā)生諧振，為了使電路穩(wěn)定，將兩個輸入信號均除以MS，但Pe除以MS后,響應(yīng)不夠靈敏，所以將1/MS改為1/TmS，Tm一般選用2秒，分母改為2S后，分子也需乘2/M，才能與通道相應(yīng)，此外，因2S>>

9、1，因此可以(2/m)/(1+2s)代替(2/m)/2S。得到圖2（b）.經(jīng)這樣處理后，雖在輸入通道減少了超前環(huán)節(jié), 但由于電路繁復(fù)，仍有引起高頻電氣振蕩的可能性。 不同機組宜采用相應(yīng)的輸入信號。汽輪發(fā)電機組有功調(diào)節(jié)的速度較慢，經(jīng)過多年運行經(jīng)驗，以Pe為輸入信號的PSS，只要參數(shù)合理，反調(diào)不明顯，不必采用特殊的減小反調(diào)的措施.常規(guī)勵磁系統(tǒng)遲后角較大，適宜采用以Pe為輸入信號的PSS，自并勵系統(tǒng)或高起始勵磁系統(tǒng)，遲后角較小可以采用Pe為輸入信號的PSS，也可以采用Pe與f簡單相加的PSS。有的汽輪發(fā)電機采用圖2的PSS，這沒有必要,會使電路復(fù)雜化，建議改為簡單的，以Pe為輸入信號的PSS。水輪發(fā)

10、電機有功調(diào)節(jié)速度較快，要考慮反調(diào)的影響，適宜采用Pe與f相加的PSS，或者采用對抑制反調(diào)更有效的邏輯控制電路。 西門子公司PSS的結(jié)構(gòu)。西門子生產(chǎn)的PSS輸入信號為Pe，其相位補償比較特殊如圖3所示圖中AB為隔直環(huán)節(jié)，C 點將Pe及各級的反饋相加，并使其輸出相位在給定頻率時與Pe同相位，因為遲后90°,2遲后90°與反相，為Pe，又遲后290°。選用不同的K1-K3值，就可以使K3輸出在0°-360°之間的任意相位，如圖4，V1超前-Pe 90°， 遲后-Pe 90°。從幅值看 V3 =(1/T1S)(1/T2S)V1= V

11、1/T1T2S2 即 V3/ V1正比1/2,當增大時3減小，輸出合成向量有更多的超前補償，反之減小，則超前補償減小, 這有利于改善PSS的補償特性。3 PSS參數(shù)計算 勵磁系統(tǒng)遲后及PSS相位補償 勵磁控制及遲后角對于一機無限大系統(tǒng)，勵磁控制的遲后角可按圖5計算。PSS輸出Vpss與發(fā)電機電磁功率的變化Pe之間的相角差，為勵磁控制系統(tǒng)EC的遲后角，由圖3b采用 SME或其他程序可計算出EC遲后角的頻率特性。從圖5a，當5時，Pe與t同相位，K5時，t與Pe相位不同，例如IEEE編寫的采用勵磁控制增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性資料中,某系統(tǒng)等值電抗及e時，Pe對Ppss 和t對Ppss之間的相位遲后特性見

12、圖從圖可見，對于強系統(tǒng)（e）t與Pe的相位，基本相同，但對于弱系統(tǒng)，K5為負值，當小于地區(qū)模振蕩頻率時,t相位較Pe相位超前約10°20°。式（）及式（）勵磁系統(tǒng)，與系統(tǒng)連接的等值電抗不同時，勵磁控制系統(tǒng)相位遲后特性見表從表2可見，Xe加大，在低頻區(qū)GEC遲后角減小約1020°表 2 不同系統(tǒng)等值電抗,勵磁控制系統(tǒng)相位遲后特性a)自并勵（式）f（Hz）2xe=0.2(pu)4564758193109xe=0.4(pu)3656687690 o107 oxe=0.6(pu)33 o53 o6674 o89107 ob)交流機勵磁（式）xe=0.2(pu) 56 o8

13、6 o95 o104 o114 o131 oxe=0.4(pu)43o78 o92 o100 o112 o130 oxe=0.6(pu)38o75 o91 o99 o111 o130 o 可見勵磁控制系統(tǒng)遲后特性如采用實測則要考慮t與Pe之差及運行方式改變時相位的變化.如進行計算，則需計算多種運行方式，使PSS的相位超前遲后補償,滿足各種運行方式的要求。3.1.2 PSS的相位補償在考慮PSS的相位補償時，要著重考慮PSS的魯棒性，不能只考慮一種運行方式，對一種振蕩頻率,阻尼效果最佳. 制造廠在選擇PSS參數(shù)時, 常只注意本機振蕩頻率，而忽略了系統(tǒng)中更重要,頻率較低的振蕩模。PSS相位計算舉例

14、如下,某系統(tǒng)的振蕩頻率范圍為:最低振蕩頻率f=Hz，最高f=1.6Hz，該機為自并勵，勵磁模型如式（2），本機振蕩頻率f=Hz，PSS輸入信號為Pe,從表2Hz時無需補償，f時，需遲后補償，f >Hz時,需超前補償。遲后補償?shù)闹行念l率取f=左右，選取PSS遲后函數(shù)為（）/（1+2s）其實際中心頻率 fc1=1 /2 (×2)超前補償中心頻率取f=2 Hz左右，選取超前函數(shù)為（1+）/(1+0.05s)，其實際中心頻率為fc2×0.05)PSS（1）=Kpss(1+0.35S)/(1+2S)*(1+0.1S)/(1+0.05S) (4) 該PSS的頻率特性見表3表3 P

15、SS相位補償特性(表中正值為遲后-Pe的角度, 負值為超前-Pe角度, C項中為90 o-)F(Hz)2a)PSS(1)42o38 o26 o18 o2 o-6 ob)PSS(2)5 o4 o-1 o-11 o-18 o-25 oc)Pe+50 o26 o22 o17 o9 o4 o對比表2及表3, PSS的相角補償特性，可以滿足式（2）自并勵系統(tǒng)不同運行方式時的補償要求。對于式（3）的交流勵磁機勵磁，則在以上主要考慮超前補償,中心頻率取左右，超前函數(shù)?。?+）/(1+0.04s)fc2=1/2(×0.04)因為f不需要遲后補償,所以只需在很低頻時,略有遲后. 取遲后環(huán)節(jié)函數(shù)為(1+

16、S)/(1+1.2S)。中心頻率計算值為fc1 =1/2(1×1.2)其傳遞函數(shù)為：PSS(2)=Kpss(1+S)/(1+1.2S)*(1+0.1S)/(1+0.04S) (5)相位補償見表3b ,因該系統(tǒng)的最低頻率f=0.3Hz 所以PSS(2)勵磁控制系統(tǒng)的遲后得到了很好的補償。對于輸入信號為Pe+f的自并勵磁系統(tǒng)，因為它的最大超前軸的角度為90 o，所以在選擇補償?shù)挠嬎泐l率時不宜太靠近90 o , 式（2）自并勵系統(tǒng)計算頻率取Hz(W=3r/s)，當X時，遲后角為68 o則PSS的輸出電壓Vp/Vf = Tan-168 o =2.5 (6)以Vp=KpPeVf=Kff=KfP

17、e/M代入（6）式得KpM設(shè) Kp=1 則Kf=M/2.5=6×如振蕩頻率=4(f=0.64). 因Vf=KfVp/KpM,以上述參數(shù)代入=tan-1(Vp/ Vf )= Tan-1 (KpM/Kf )73 o 不同振蕩頻率時遲后于Pe的相角,列于表（），從表可見電功率與頻率直接相加的,使快速勵磁系統(tǒng)的相位遲后得到了較好的補償。以上可見，自并勵系統(tǒng)及高起始響應(yīng)交流勵磁系統(tǒng)，如輸入信號為Pe，則其相位補償主要在低頻段采用遲后補償，高頻段采用少量的超前補償. 輸入如采用Pef，則選取計算Kf的頻率時，不宜使Kf值過小，要使該系統(tǒng)低頻振蕩范圍內(nèi),補償后的頻率特性完全符合標準要求。常規(guī)勵磁系

18、統(tǒng)的相位補償,應(yīng)著重在高頻段的超前補償，在低頻段采用少量遲后補償. 對于Te較大的勵磁系統(tǒng),適當采用負反饋,減小勵磁機時間常數(shù)，不僅可以提高勵磁響應(yīng)速度,還可以減小勵磁控制系統(tǒng)的遲后角，有利于的相位補償。3.2 PSS增益增益Kpss是指不考慮低頻通過超前遲后等環(huán)節(jié)，對增益的影響，又稱直流增益。交流增益是在一定振蕩頻率時PSS的實際增益，不同振蕩頻率時交流增益值不同，所以一般只以直流增益作為PSS的增益，但PSS超前遲后環(huán)節(jié)的參數(shù),對實際交流增益是有影響的。例如節(jié)中快速勵磁(4) 及常規(guī)勵磁(5), PSS不同振蕩頻率時,其實際增益如表4.表4 不同振蕩頻率時PSS的交流增益rad/s2581

19、0式5 PSS式6PSS從表中可見在考慮PSS的增益時，需考慮超前遲后環(huán)節(jié)對實際增益的影響。限制PSS增益的因素有以下幾種：(a)機電振蕩模阻尼下降由于PSS輸出產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與軸有一定的相位差，所以PSS的輸出不但會影響阻尼轉(zhuǎn)矩，還會影響同轉(zhuǎn)短，如PSS輸出有較大超前，則PSS輸出的同轉(zhuǎn)矩為負值，使振蕩頻率下降，從而超前角更大,使負同轉(zhuǎn)矩更大，當Kpss 達到一定值,PSS增益再加大，輸出轉(zhuǎn)矩雖然增加，但如果由于頻率下降，超前角加大，使阻尼轉(zhuǎn)矩分量反而減小，則使用的Kpss應(yīng)小于該值。(b)PSS控制電路的振蕩當PSS的增益增大時，PSS控制回路振蕩模阻尼減小，直至阻尼由正變負，產(chǎn)生振蕩，通常這

20、是限制PSS增益的主要因素，因此控制回路發(fā)生振蕩時的Kpss稱為PSS的臨界增益，PSS的使用增益與臨界增益之間應(yīng)有較大裕度。（c）Pe為輸入信號的PSS，調(diào)節(jié)有功功率時，勵磁產(chǎn)生反調(diào),為限制反調(diào)，有時也需限制Kpss。（d）發(fā)電機正常運行時，由于調(diào)速器等的原因，有功有些擺動，使Pe為輸入的PSS輸出產(chǎn)生相應(yīng)的擺動，如擺動較大要減小Kpss。（e）有的PSS輸出噪音較大，也需減小Kpss，以限制噪音量PSS增益的計算一般是根據(jù)勵磁控制環(huán)的臨界增益，其他的因素大都由現(xiàn)場試驗時根據(jù)實際情況確定。3.2.1 根軌跡法采用小干擾程序，電力系統(tǒng)為實際系統(tǒng),PSS按選定的相位補償投入，Kpss從零開始增大

21、，計算特征根，PSS控制回路振蕩模從正逐漸減小到零，此時PSS增益為臨界增益, 見圖7(參考IEEE勵磁控制增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性)。孝以Pe為輸入信號的PSS，電路穩(wěn)定,臨界增益較大，使用增益一般為臨界的增益的1/31/5。 以或f為輸入信號的PSS，由于超前校正較大,電路容易發(fā)生振蕩，臨界增益較小，使用增益取臨界增益的1/21/3。如果Kpss在小于臨界增益之前，低頻振蕩模發(fā)生Kpss增大阻尼下降的情況，則使用增益應(yīng)小于該增益, 并有一定裕度。3.2.2 仿真計算在根據(jù)頻率特性初步選定PSS的相位校正參數(shù)后, 再通過仿真計算，進一步確定PSS的參數(shù)。仿真計算時發(fā)電機P=Pn ，Q0，以一機無限

22、大系統(tǒng)，采用不同的等值電抗,如Xe=、等，先以設(shè)定的Kpss及幾種超前遲后參數(shù)，在AVR輸入加2%左右的階躍響應(yīng)，測量發(fā)電機功率輸出的波動情況。在選定PSS相位補償后，逐漸增大Kpss，直至勵磁電壓等發(fā)生振蕩。不同PSS增益對本機振蕩的阻尼見圖8從圖8可見，Kpss=時，功率振蕩已得到有效的阻尼，阻尼比為=當Kpss=0.3,振蕩不到一周，阻尼比約為，再增大Kpss，阻尼無明顯變化，但勵磁電壓VfD將逐漸出現(xiàn)高次諧波，因此取Kpss為到0.3.以上兩種方法,雖初步計算出PSS的使用增益，但尚需進行現(xiàn)場校核。4 PSS現(xiàn)場試驗相頻特性及臨界增益試驗勵磁控制系統(tǒng)和PSS的相頻特性及臨界增益值,一般

23、可由計算確定，但如果未進行計算或要求對計算結(jié)果及數(shù)學(xué)模型進行驗證，可以進行實測。4.1.1 頻率特性測定勵磁控制系統(tǒng)的頻率特性一般用頻譜儀或信號分析儀測量Vpss與Vt之間的相位遲后特性及PSS的相位補償特性。測量一般在發(fā)電機有功接近額定時進行，如與系統(tǒng)連系較強，無功可取較小值.如與系統(tǒng)連系較弱，無功可取較大值或適當減小有功，使一機無限大模型中的K5 0PSS的頻率特性是PSS輸入到輸出的相位補償特性，數(shù)字式AVR要求有相應(yīng)的接口，如不能實測,則以仿真計算校核。4.1.2 臨界增益試驗在發(fā)電機正常運行工況，PSS投入,超前遲后參數(shù)為設(shè)定值,PSS增益從零逐漸增大，至勵磁電壓等開始發(fā)生

24、小幅度振蕩，此時的PSS增益即臨界增益。這項試驗應(yīng)在PSS各單元試驗及其他各參數(shù)設(shè)定后進行。4.2 PSS投運試驗4.2.1 檢查PSS各單元如果是模擬式PSS，在投運前，應(yīng)詳細檢查PSS各板的性能，例如功率變換器的增益及時間常數(shù)，隔直環(huán)節(jié)及超前遲后環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，增益及限幅值等，并應(yīng)檢查輸出噪音水平及漂移程度，如果是數(shù)字式PSS，則根據(jù)實際裝置的可能性，核對各單元的參數(shù)。4.2.2 發(fā)電機負載階躍響應(yīng)試驗發(fā)電機有功為額定，無功較小，系統(tǒng)為正常運行條件，PSS退出,在AVR輸入加14%的階躍量，測錄發(fā)電機有功、無功，勵磁電壓等的波動。投入PSS，PSS增益開始用較小值，然后用予定值及大于予定值進行階躍響應(yīng)試驗，測錄有PSS時功率振蕩的阻尼情況。因為擾動是在AVR加入的，主要激發(fā)本機振蕩模，因此試驗的目的是檢查PSS工作是否