低频振荡检测装置(PSS)在吉林台和恰甫其海电厂验证分析

□王军德 胡 斌 牛丹凤 施桂芳

电力系统的安全稳定运行是首要问题。安全稳定措施的提高主要有两方面：一是合理安排电网结构并加强建设，二是继电保护措施的完善。保证电力系统稳定运行的物质基础是电力系统的电源配置和电网结构，这个基础很大程度上决定了电力系统稳定的水平。但大量的重大事故证明：继电保护装置不能被强大的网架代替，在系统发生严重故障时，保证系统稳定运行的有效手段是自动检测和继电保护[1～4]。下面就一种低频振荡检测装置在水电机组的应用效果分别进行动态模拟和现场验证分析。

一、动态模型实验

试验中重点采用测电功率(Pe)的稳定器实验所用主系统为一水轮发电机，经长线送电给无穷大系统，模拟系统接线图，发电机采用自并励励磁方式。

(一)振荡中投入稳定器。在系统发生0.9Hz的低频持续振荡时投入稳定器，经l～2周(2s以内)振荡就完全平息了,平息低频振荡的效果都十分显著。

(二)线路参数突变。这种情况相当于发电机的负荷发生一个扰动，是否投入稳定器，其响应特性有很大差别。无稳定器时，线路参数变动以后，至少要4周后振荡才能平息下来，超调量达到13%～15%，而有稳定器时，1周即平息下来，超调量约3%。

(三)原动机功率突变。当原动机功率突变后，观察到以频率为信号的稳定器，具有良好反应特性，10%原动机突增，仅摆动一次，就接近新的稳定值，过调量约9%，而无稳定器时，将出现持续振荡。

但是，以电功率Pe为信号的稳定器，当原动机功率变化时，稳定器的响应特性反而不如无稳定器的，当原动机功率突增10%后，投入稳定器时，端电压下降最大达15%，不但使最大摆角增大，而且也呈现了明显的振荡，这种现象称之为“反调现象”[5～6]。虽然，在真实的机组上，原动机功率不可能像模型试验中那样，作突然的改变，但是只要采用电功率为信号的稳定器，或多或少的都会出现这种“反调现象”。试验中观察到，当原动机功率变化缓慢，或变化很小时，反调现象就可以减轻。

至于“反调现象”的原因，可作如下解释：在同步转速时，若原动机功率Pm恒定(△Pm=0)，则过剩功率即等于电功率Pe偏差的负值，并与角加速度α成正比，即

ΔP=ΔPm-ΔPe=-ΔPe=TJα

(1)

式中，TJ为机组惯性常数；α为角加速度。

如果对-△Pe在时间间隔△t内取积分，就得到与角速度偏差成正比的量，即

=TJΔω

(2)

但是当原动机功率变化时，情形就有所不同。原动机功率由Pm1增至Pm2，电功率Pe将沿着螺线变化，在1～2阶段内，Pm>Pe，所以过剩功率△P>0，在这个阶段内电功率是增大的，所以△Pe>0，但稳定器测量的实际值为-△Pe，这样就造成稳定器测量的信号与实际过剩功率反号，信号经过处理后得到的加速度与速度信号也与要求的相反，因而提供了负值的阻尼转矩及负值同步转矩。在阶段3～4内，测得的信号相位与要求的也相反。虽然2～3、4～5两个阶段，稳定器提供的信号的相位是正确的，但就整个过程来说，过渡过程仍然被恶化了。

二、现场试验

吉林台电站有4台115MVA的机组，采用自并励励磁方式，稳定器采用频率偏差为信号[7～8]，其传递函数如下：

(3)

稳定器的输出送到磁放大器的附加绕组上，并且把4台发电机的附加绕组连接在一起。阶跃干扰后，发电机动态响应的现场试验结果及模拟计算机计算结果。

在上述动模及现场试验中，稳定器的作用在于改变了自然响应中的特征根λ，无论是原动机功率改变或线路参数突变，都相当于一个外部阶跃输入，阶跃输入的稳态值是恒定的，所以试验中记录下的动态响应，相当于零状态响应，只要是特征根具有足够的阻尼比，响应就可以从初始状态平稳地过渡到一个新的平衡状态。这种情况，类似于直流电源向电容充电的情况。

需要指出的是：如果外部输入是随时间按某种规律或随机地改变，则所得的响应，就不可能过渡到一个新的平衡状态。例如，电力系统中的负荷变化，有可能在联络线或发电机上造成功率的随机波动。前面已指出，这时系统的零状态响应，不仅包含了自然模eλt，还包含了与输入函数f(t)有关的强迫响应。可以想象，装设了稳定器后，可以使自然模具有足够的阻尼比，改善自然响应。但是无法消除与输入函数有关的强迫响应。当然，如果外部输入函数是具有一定间隔的阶跃函数，并且间隔时间足够长，则稳定器改善自然响应特性的作用，就反映在阶跃响应的后续过程衰减加快了，而摆动的幅值变化不大。

现场试验系统的接线，试验时，吉林台电站开1、3、4号机，改变恰甫其海电厂的出力，以调整吉林台两回出线的总功率，并在不同的两回线总功率时，切断F—C线,试验稳定器对这种大干扰的作用。

试验采用励磁系统传递函数框图，稳定器采用电功率信号，并采用了两个隔离环节，输出的限幅为±5%，1、2号机的传递函数为

(4)

3号机采用相同传递函数，只是放大系数为0.354。

吉林台电厂的现场试验，说明了稳定器确实对于大干扰稳定性，具有明显的效益，试验成功地得出了切除一回线时，无稳定器的功率极限为162MW，而投入稳定器后，极限功率可达到244MW，提高了功率极限50%左右。这里输送功率极限受到了事故后以振荡形式出现的不稳定性限制，所以稳定器发挥了它的重要作用，在这种情况下，采用稳定器，可以减少为保持稳定性在送端电厂切除的机组的台数。同时，也看到整定稳定器的参数使其兼顾事故前及事故后系统情况是有可能的。当然，不可能在两种情况下都达到最佳状态(阻尼比=0.707)，例如总功率为182.3MW时，试验所得到的事故后系统的阻尼比为0.084，但从运行的角度来看，已经满足要求。

根据动模实验和现场试验，对大干扰以后第一摆的摆幅的影响分析如下：由于稳定器提高了事故后的功角特性，增大了减速面积，这有利于克服第一摆失去稳定。从动模试验的结果来看，在故障期间，励磁电压Ufd因电压调节器的作用，快速的达到顶值，当故障切除以后，励磁电压ufd在0.4～0.8s之间，维持着比无稳定器时相应的电压更高的数值，因而第一摆的摆幅也减小了。由吉林台电厂现场试验的结果来看(见表5.1)，投入稳定器后，大干扰后第一摆的摆幅减小了，仍然起到了稳定的作用。

三、存在的不足及改进措施

根据分析，以电功率为信号的稳定器，当快速增加或减小原动机的功率时，它的“反调作用”是有害的，尤其是当工作到人工稳定区的时侯，这种反调作用会使静态功率极限下降，对远距离送电的机组，使用这种信号并不理想。所以，对稳定器的输入信号、限制稳定器作用的因素以及稳定器对系统参数变化的适应能力的研究仍然十分重要，也十分迫切，需要进一步的、反复的实践，以使电力系统稳定器发挥更加理想的作用。

综上所述，由于PSS技术的应用，使得电网的系统稳定性大为增强，改善了系统的阻尼特性，提高了系统的抗干扰能力，使电网的稳定运行得到了加强。

四、结语

通过对低频振荡自动检测装置(稳定器)在吉林台和恰甫其海电厂的动模实验和现场实验情况进行分析，得出以下结论：一是对于自发低频振荡，电力系统稳定器具有良好的抑制能力，当发电机采用稳定器后，可以使特征根实部由正值变为负值，并且可以达到事前给定的阻尼比，不但可以克服低频振荡，而且可以大大改善系统的动态品质。二是稳定器可以有效地提高系统在受到小干扰时的稳定功率极限，也就是说可以达到最大可能的稳定极限。三是对于系统受到大干扰而引起的振荡，无论是因瞬时故障引起的振荡还是永久性的故障引起的振荡，对第一摆及后续的摇摆均具有明显的抵制和克服作用。