电力系统稳定器（PSS）在某电厂的应用

童端宇，郑贤喜

（新安江水力发电厂， 浙江省建德市 311608）

电力系统稳定器（PSS）在某电厂的应用

童端宇，郑贤喜

（新安江水力发电厂， 浙江省建德市 311608）

本文介绍了PSS定义、原理及作用，分析了某电厂两种不同的励磁系统PSS模型的区别，通过PSS试验得出了电厂PSS投入运行，增加了系统的阻尼，对系统中可能出现的0.2～2.5Hz区域间低频振荡具有较好的抑制作用。

电力系统稳定器；励磁系统；PSS；阻尼；低频振荡

0 引言

随着近几年来，自并励静止晶闸管微机励磁方式在同步发电机组上的广泛应用，大大缩短了励磁调节器的时间常数，提高系统响应速度。快速励磁系统在提高系统响应速度的同时，降低了电力系统阻尼，使系统中经常出现弱阻尼甚至是负阻尼，导致系统抑制自身振荡的能力下降。当振荡严重时会破坏互连系统的并列运行，造成大面积停电。根据国内外的相关研究及实践,目前消除互联电网负阻尼低频振荡最经济有效的方法就是投入电力系统稳定器（Power System Stabilizer，简称 PSS)。

1 电厂简介

某电厂地处浙江西部，共有9台机组，总装机容量850MW。该厂共有6条220kV出线，其中3条送往杭州，2条送往建德，还有1条送往上游淳安县。电厂远离负荷中心，通过长距离向外输送电力。一般来说对于电网的运行控制上，可以通过增强网架结构，减少重负荷输电线路，减少送、受端间的电气距离；采用串联补偿电容，减少送受电端的电气距离；在长距离输电线中部装设静止无功补偿器做电压支撑，并通过其控制系统改善系统动态性能。在系统发生振荡时，采取切机甚至解列等措施来有效控制低频振荡。现如今电厂励磁系统采用自并励静止晶闸管微机励磁方式，共有两个生产厂家，5、7、8号机采用南瑞SAVR-2000型，自带PSS；其余机组采用ABB公司Unitrol f型励磁调节器，也自带PSS。电厂采用三机一变的扩大单元接线，2006年底完成机组的增容改造工程，2010年经华东电网调度中心要求，电厂机组励磁装置需投入PSS，以确保改造后系统的稳定运行。

2 PSS原理及作用

电力系统稳定器（PSS），是励磁调节器通过一种附加控制功能，借助于AVR控制励磁输出，阻尼同步电机的低频功率振荡，用以改善电力系统稳定性能的一个或一组单元。

所谓阻尼就是阻止扰动，平息振荡。负阻尼跟阻尼相反，打个比方：在荡秋千的时候，当把秋千荡起来就撒手，这个秋千就会在地球引力和机械摩擦阻力下逐步停止摇摆，这个阻力就相当于电力系统的阻尼。当我们在不断的荡秋千的过程中，给秋千的动力相对于阻力来说，就是一种负阻尼。正是由于动力（负阻尼）较多了秋千的阻力（阻尼）而使秋千荡起来，并且一直荡下去不会停止。稳定运行的电力系统，必须存在一定大小的阻尼。这样，当电力系统受到一个扰动的时候，电力系统就会逐步稳定下来。如果阻尼大，稳定就快，如果阻尼小，稳定就慢，如果是零阻尼或者是负阻尼，这个扰动所引起的振荡就不会停息。电力系统本身的阻尼总是正的，只是大小不同而已。

自动电压调节器按照发电机端电压偏差ΔU进行调节，当电力系统的无功缺少使机端电压减少时，自动电压调节器就增加励磁电流，以保持机端电压的恒定。但当电力系统的有功发生变化，运行中的功角也会变化，进而引起ΔU的微小变化。对于现代自动电压调节器来说，其放大倍数高且反应灵敏，调节器就会对这种因功角变化引起ΔU的微小变化进行调节。由于发电机转子绕组具有较大的时间常数，其励磁输出电流所产生的转矩相对于输入信号Δδ必然有一定的延时，正是这种延时，使得自动电压调节器对于电力系统阻尼而言不是加强而是减少。于是，自动电压调节器产生了负阻尼。对于老式自动电压调节器来说，由于放大倍数低且反应迟钝，这种因功角变化引起ΔU的微小变化，调节器几乎不作反应，于是就说自动电压调节器没有产生负阻尼。

对于仅以机端电压为调节对象的自动电压调节器来说，当电力系统无功变化时应该进行调节。而当电力系统有功变化时不应该进行调节，一旦参与调节就会产生负阻尼，使电力系统的正阻尼减小。然而，不调节是不可能的。于是，我们就把电力系统的有功或频率引入自动电压调节器，通过自动电压调节器PSS装置附加控制提供正阻尼，以补偿调节所产生的负阻尼，使得系统总的阻尼为正值，这就是PSS(电力系统稳定器)的作用。

3 电厂PSS模型及分类

根据IEEE标准《IEEE Std 421.5—2005 IEEE推荐的电力系统稳定研究用励磁系统数学模型》，电厂PSS模型分两种：1、2、3、4、6、9号机采用ABB公司Unitrol f型励磁调节器，其PSS装置采用电磁功率Pe和角速度ω作为两路信号输入的PSS2A型（见图1）；5、7、8号机采用南瑞SAVR-2000型其PSS装置采用电磁功率Pe和角速度ω作为两路信号输入的PSS2B型（见图2）。

图1 PSS2A型传递函数模型框图（1、2、3、4、6、9号机）

图2 PSS2B型传递函数模型框图（5、7、8号机）

PSS2A型和PSS2B型两者都是双输入PSS，都是采用加速功率计算原理。唯一的区别是PSS2A只有两级超前滞后环节，而PSS2B具有三级超前滞后环节。超前滞后环节多，参数的调整方便，更加适用于工程领域。

4 电厂PSS应用

20世纪60年代，北美学者Concadia和DeMello采用考虑发电机暂态电势E′q变化的飞利普斯—海佛容（Phillips-Heffrom）模型（单机——无限大母线系统）,揭示了发生电力系统低频振荡的物理本质。

在一定的电力系统运行条件下（例如远距离、重负荷等），自动电压调节器产生的阻尼力矩分量与转速变化反方向，因而是负阻尼力矩分量；当自动电压调节器的负阻尼分量超过发电机的固有正阻尼分量时，就会发生低频振荡，电压调节器的负阻尼作用是产生低频振荡的根本原因。

4.1 有PSS作用的小阶跃试验

PSS旨在减小有功功率振荡，其作用与有功功率振荡方向相反成为判断PSS功能是否正确的首要标准。以该厂2号机为例，在给机组3%小阶跃响应过程中，随着有功的增加，端电流增加，PSS作用减小励磁电流，减小无功，减小电磁功率，来抑制机组的有功增加。PSS使得励磁变化波形与有功相反。PSS起作用只是个短暂过程，在振荡时，有功突然增加，PSS减小励磁，有功突然减小，PSS增加励磁。这个过程只是为了给有功变化一个缓冲，从而平息有功波动。如图3所示，观察励磁电压的响应过程可以清晰地看到PSS投入闭环所起到的作用。

图3 有PSS作用的机组3%小阶跃响应

4.2 反调试验

无功功率的“反调”是指增加机械功率输入时发电机发出的无功功率会减少；相反，在减少机械功率输入时发电机发出的无功功率会增加。PSS的原理是通过励磁系统的作用抑制有功功率的低频振荡，可以说PSS是通过无功功率的波动来抑制有功功率的波动。采用单一电功率输入信号的PSS在调整机组的机械功率输入时会出现无功功率的“反调”现象。该厂采用双输入PSS，一个输入量是ω，一个是P，三级超前滞后环节。其原理是利用ω和P计算发电机机械功率ΔPm和电磁功率ΔPe，二者相减得到发电机的加速功率ΔPa，这样当机组单方向增负荷或单方向减负荷时，加速功率等于零，PSS不起作用即不产生无功反调。只有当机组有功增减变化即振动时，PSS才起作用，抑制系统低频振荡。

以该厂8号机为例，当机组有功负荷从90MW下降到80MW再上升到90MW的连续快速变化过程，大约经历了40s，平均调节速度为0.5%/s。在此试验过程中，未发现无功功率与有功功率调整方向相反的变换，机端电压和无功功率基本保持稳定，见图4。由此判断，在报告所示的参数配置下，PSS投入闭环没有给励磁控制系统带来功率反调问题，可以投入实际运行。

图4 机组有功负荷从90%下降到80%再上升到90%的连续快速变化过程

4.3 PSS补偿效果的试验

对该厂自并励励磁系统的发电机进行实测。该机组采用自并励静止励磁方式, 由ABB公司Unitrol f型励磁调节器, 全控桥晶闸管整流器、励磁调节器和控制电路组成。在PSS 输出迭加点加入白噪声信号, 用动态信号分析仪测量相频特性,即励磁系统滞后特性。现场实测励磁系统无补偿相频特性见表1。补偿采用的PSS参数:Te= 10,T1= 3,T2=0. 1,T3= 5,T4= 0. 1,T5= 0. 05,T6= 0. 09,T7=0. 05,计算的补偿特性见表 2 。励磁系统补偿后计算频率特性见表 3。由表 3 可知, 补偿后的发电机励磁系统在0. 1～2Hz频率范围内, 机端电压滞后PID信号相加点的角度基本满足 90°±30°的工程要求。

表1 现场实测励磁系统无补偿相频特性

表2 PSS计算补偿特性

表3 励磁系统补偿后计算频率特性

5 结论

尽管PSS已是成熟的普遍技术，但它仍是消除互联电网负阻尼低频振荡最经济有效的方法。当系统规模较小、互联程度较低时，系统振荡不明显，PSS整定不为人们所关注。但在当今大电网互联迅速发展的情况下，PSS的作用已经引起人们的高度重视。PSS(电力系统稳定器)是目前已经被证实的最经济有效的阻尼低频振荡的手段，也是国际大电网会议推荐的首选措施。随着电网规模的不断扩大，低频振荡的发生也越来越多，从电厂的实际投入PSS装置运行以来，能抑制低频振荡、加强系统阻尼、提高电网的动态稳定性。

[1] 杨汉如，阎伟，王涛，杨国清.电力系统稳定器（PSS）设计的一种新思路 ［J］.内蒙古电力，2008，26(1)：43-45.

[2] 刘增煌，方思立.电力系统稳定器对电力系统动态稳定的作用及与其他控制方式的比较［J］.电网技术，1998，22(3)：4-10.

童端宇 (1990—)，男， 本科，助理工程师，水电运行操作及分析，主要研究方向：励磁控制系统的稳定应用。987188152@qq.com

郑贤喜 (1977—)，男， 硕士，工程师，主要从事水电运行管理，主要研究方向：电力系统控制安全可靠性。

Power System Stabilizer（PSS） Application in a Power Plant

TONG Duanyu, ZHENG Xianxi
(Xin'An River Hydropower Plant,Jiande 311608,China)

This paper introduces the definition, principle and function of PSS. Analysis of the difference between two kinds of excitation system PSS model of a Power Plant. Through the PSS test shows the PSS of power plant put into operation,increases the damping of the system. On may appear in the system of 0.2 ～ 2.5Hz inter area low frequency oscillation has better inhibition action.

Power system stabilizer; excitation system; PSS;damping low frequency oscillation