電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Pss)

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）

南京申瑞電力電子

江蘇省南京市江寧開發(fā)區(qū)雙龍大道1706號211100

一、概述

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及自并勵等快速微機(jī)勵磁系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，動態(tài)穩(wěn)定問題（低頻

振蕩問題）已成為影響電網(wǎng)系統(tǒng)平安、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行的最重要的因素之一。研究說明，在互聯(lián)的電力

系統(tǒng)中一般都存在兩種振蕩模式，即地區(qū)性振蕩模式（localirodel,頻率一般在?）和區(qū)域間振蕩模

式［interareamodel、tielinemodel,頻率一般在?）。要解決屬于地區(qū)性振蕩模式的弱住尼或負(fù)阻

尼低頻振蕩問題，可以通過在一個或少數(shù)幾個電廠配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器來完成：要解決屬于區(qū)域間振蕩

模式的弱阻尼或負(fù)阻尼低頻振蕩問題，僅靠在一個或少數(shù)幾個發(fā)電廠配置PSS是不夠的，需要在一大批

與該振蕩模相關(guān)的發(fā)電機(jī)上配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）,才能有效地解決區(qū)域間振蕩模式的弱阻尼或

負(fù)阻尼低頻振蕩問題，保證連網(wǎng)系統(tǒng)的平安、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）作為勵磁調(diào)節(jié)器的一種附加功能，能夠有效地增強系統(tǒng)阻尼，抑制系統(tǒng)低頻

振蕩的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，目前在大多發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)上已得到廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代勵磁

調(diào)節(jié)器不可缺少的功能之一。

二、PSS根本原理

單機(jī)無窮大母線系統(tǒng)圖如圖一所示，其小信號模型如圖二所示：

圖一、單機(jī)無窮大系統(tǒng)圖

圖二、單機(jī)無窮大系統(tǒng)小信號模型

如果忽略線路電阻，那么冷?可以簡化成如下公式：

式中，Xd、Xq、X'd分別為發(fā)電機(jī)縱軸電抗、橫軸電抗、縱軸暫態(tài)電抗；

Xe為線路電抗；

Uto、Uc分別為發(fā)電機(jī)端電壓和無限大母線電壓

當(dāng)發(fā)電機(jī)在重負(fù)荷下運行受到干擾時，轉(zhuǎn)子角將產(chǎn)生增量變化A3,但是由于勵磁系統(tǒng)提供的勵磁

電勢增量AEq滯后A6,使△5有進(jìn)一步變化的趨勢，助長了負(fù)阻尼。即如下式所示：

,

AUt=K5A6+K6AEq=K5A8,

當(dāng)發(fā)電機(jī)在重負(fù)荷下運行時KsVO,那么AU與Ab反相。如果勵磁系統(tǒng)為簡單的比例式調(diào)節(jié)器，

增益為Kc,時間常數(shù)為Te,那么

如圖三所示，在一平面上，和轉(zhuǎn)子速度變化同相的力矩是正阻尼力矩，反相的是負(fù)阻尼力

知.和角度變化同相的力矩是正同步力矩,反相的為負(fù)同步力矩.在電力系統(tǒng)中并聯(lián)運行的同步發(fā)電機(jī)，

它穩(wěn)定運行的必要條件是具有正的阻尼力矩系數(shù)和正的同步力矩系數(shù)。為阻尼力矩系數(shù)為負(fù)時，將會因

出現(xiàn)自發(fā)增幅振蕩而最終失去穩(wěn)定，而當(dāng)同步力矩系數(shù)為負(fù)時，發(fā)電機(jī)將出現(xiàn)爬行失步。

PSS的功能是要提供一個正的阻尼力矩分量以補償AVR所產(chǎn)生負(fù)阻尼，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定

性.要實現(xiàn)PSS功能的根本原理是要生成一個與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同相的信號。由于功率增量產(chǎn)生轉(zhuǎn)子加速度，

所以與電功率相關(guān)聯(lián)的任何量，包括八3、A6、Pe、AP、Af等都可以作為PSS的輸入信號。由于

質(zhì)磁系統(tǒng)具有滯后特性，故用超前、滯后補償環(huán)節(jié)來補償角度。從PSS模型框圖來看，PSS由信號輸入,

信號測量，隔直，超前滯后，比例放大，輸由限幅幾個環(huán)節(jié)單元組成。

如下列圖所示，圖a為AVR產(chǎn)生負(fù)阻尼時，各相量之間的關(guān)系圖，圖b為參加PSS后，PSS產(chǎn)生正阻

尼，各相量之間的關(guān)系圖。

圖三、AVR及PSS產(chǎn)生的阻尼力矩

三、AVR及PSS模型框圖

GER3000勵磁調(diào)節(jié)器的PSS模型框圖采用的是PSS2A模型形式，為滿足現(xiàn)場需要，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整

參數(shù)，不需要修改程序，也可以將PSS2A模型簡化為PSS1A模型使用。PSS2A模型輸入信號為：轉(zhuǎn)速

和功率。PSS2A模型的實現(xiàn)方式是：用轉(zhuǎn)速作為輸入以產(chǎn)生等值的機(jī)械功率信號，使總信號對機(jī)械功率

的變化不敏感；在系統(tǒng)振蕩的頻率范圍內(nèi)，PSS起電氣功率輸入穩(wěn)定器的作用。

注：KPI.KS2.KSX.K$I放大倍數(shù)

T6.T?慣性時間常數(shù)

Twi.Twa.TW3,TW4隔直時間常數(shù)

TSLTsz一階超前滯后時間常數(shù)

注：通過適當(dāng)整定參數(shù)，可以將上圖中虛框內(nèi)的模型簡化為以下模型：晨黑編黑黑;篇

IVT9高頻泄波器時間常數(shù)

M.N高頻濾波器指數(shù)

為了整

定各個參數(shù)，使補償后的特性滿足耍求，必須先測量AVR、功率局部、轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機(jī)整體環(huán)節(jié)的相頻

特性，從而得到需要補償?shù)慕嵌?，然后再適當(dāng)整定TSI、TS2、TS3、TS4、TS5、TS6。測量這個局部

AVR、功率局部、轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機(jī)整體環(huán)節(jié)相頻特性的試驗就叫做無補償特性測量試驗。做該項試驗時

從A點參加噪聲信號，然后測量A點和B點之間的相頻特性。

四、PSS現(xiàn)場試驗

下面以山東XX電廠使用GER3000勵磁調(diào)節(jié)器PSS1A模型現(xiàn)場試驗為例介紹PSS現(xiàn)場試驗工程及方

法：

1、勵磁系統(tǒng)滯后特性測量1無補償特性）

發(fā)電機(jī)有功功率盡量接近額定（要求大于額定有功功率的80%）,無功功率盡量接近零（要求發(fā)電

機(jī)滯相運行，無功功率小于額定無功功率的20的。勵磁調(diào)節(jié)器單柜自動運行，PSS退出，微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)

器對HP35670A頻譜分析儀輸出的白噪聲信號進(jìn)行采樣并將采樣信號與AVR的給定參考電壓桿加.緩慢增

加白噪聲信號的電平使發(fā)電機(jī)電壓出現(xiàn)不超過2%左右的波動。用HP35670A頻譜分析儀測量頻譜儀輸出

的白噪聲信號與發(fā)電機(jī)電壓之間的頻率特性即為勵磁系統(tǒng)本身的滯后特性，又稱無補償特性，用①e表

/J'o

1.2勵磁系統(tǒng)滯后特性測量試驗

1、PSS參數(shù)整定

PSS參數(shù)整定要求PSS的作用需兼顧0.2Hz左右的系統(tǒng)振蕩頻率和1.411z左右的地區(qū)振蕩頻率。因

此，PSS參數(shù)整定應(yīng)使PSS產(chǎn)生的電磁力矩（在額定有功功率和無功很小的情況下，可近似認(rèn)為根本與

AVt同相）在0.1Hz?2.0Hz的頻率范圍內(nèi)滯后-APe信號30°?120°,即在△3軸的±30°范圍內(nèi)。

如果用ee表示勵磁系統(tǒng)的相位，用6Pss表示PSS的相位，那么要求PSS的參數(shù)整定應(yīng)使得在0.1Hz?

的頻率范圍內(nèi)6e+6Pss在-60°?-120°之間。

勵磁系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性通過測量得到，PSS的模型，根裾上述PSS參數(shù)的整定原那么用逐步逼近

的方法可確定PSS）。整定的PSS參數(shù)如下：

Kp=0.8,Tl=0.35,T2=4.5,13=0.25,T4=0.02,T5=T6=0Tp=0.1Tw=6。

根據(jù)上面所列的PSS參數(shù)，計算可得到PSS環(huán)節(jié)的頻率特性（見表2）。

由表1可以看出：在0.2?2Hz的頻率范圍內(nèi)，由#4機(jī)PSS產(chǎn)生?的電磁力矩（認(rèn)為與AVI根本同相）

滯后-AP信號81°—110°,（即在As軸的-9°——+20°范圍內(nèi)），#4機(jī)的PSS對1.4Hz左右的地

區(qū)振蕩頻率和0.2Hz左右的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)振蕩頻率都具有較好的阻尼，PSS相位補償滿足要求。

表1PSS有無補償相頻表

計算PSS補償計算有補償①

序號頻率f(Hz)無補償中（°）有補償①（°）

中C）（0）

3、PSS增益調(diào)整

理論上講，在正確的相位補償下，PSS的增益越大，其提供的正阻尼越強，但實際上，電力系統(tǒng)是

一個高階的復(fù)雜系統(tǒng)，增加PSS的增益雖然可以增加某些機(jī)電振蕩的阻尼，但如果PSS增益過大，也可

能引起電磁振蕩的負(fù)阻尼使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，此時，機(jī)組的有功和轉(zhuǎn)速仍無明顯的振蕩，但勵磁電

壓和無功功率可能出現(xiàn)明顯振蕩甚至是等幅或增幅振蕩，另一方面，過大的PSS增益對其他機(jī)電振蕩模

的阻尼也可能帶來一些不利影響。因此，PSS實際存在一個最大增益。

FSS臨界增益是由很多因素決定的，如發(fā)電機(jī)的負(fù)荷水平、%S的在電廠和系統(tǒng)中的配置和投退情

況、機(jī)組的力率和電力系統(tǒng)的運行方式等，所以一般用現(xiàn)場試驗的方法來確定。在選定的相位補償下，

緩慢增大PSS的增益，同時觀察勵磁系統(tǒng)的變化，直到出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象為止［主要標(biāo)志是調(diào)節(jié)器輸出電

壓、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓出現(xiàn)頻率較高（1?4IIz）的劇烈振蕩），這時的PSS增益即為最大增益或不穩(wěn)定增

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