PSS在电力系统低频振荡中抑制作用的应用分析

广西桂能科技发展有限公司 陈智杰

由于电力系统结构的扩大和复杂性导致系统的稳定性日益突出，具体体现在系统低频振荡影响较为明显。而在电力系统低频振荡时表现在发电机的角速度、转矩、有功功率等出现周期性的变化，特别集中表现在功率的振荡，一般情况在局部小规模的扰动作用下会出现单台发电机与小范围电力系统间的非同期失步，危害性不大；而在区域性大规模的扰动作用下会在发电机群之间出现明显的振荡模式，相比局部小规模这种危害性也就较大。因此电力系统若没有足够的阻尼来抑制系统振荡扰动，则可能导致电力系统失去动态稳定。电力系统低频振荡范围一般在0.1～2.5Hz,其中区域联络线之间一般最低频率约为0.1～0.6Hz；地区联络线之间一般最低频率约为0.7～1.2Hz；发电机与电力系统联络线之间一般最低频率约为1.3～2.5Hz。

1 PSS的基本原理及组成

PSS的基本原理。励磁调节器在某些工况下会提供负阻尼，这对稳定性不利。由于励磁装置中存在阻尼，单机无穷大母线系统的电磁转矩在Δω与Δδ坐标系中坐标系为第四象限，该象限与速度相位的方向相反，为系统提供负阻尼转矩，如图1ΔM2所示。此时，如果可在第一象限中提供额外的电磁转矩ΔM3，则ΔM2和和ΔM3矢量和ΔM4将移动到Δω与Δδ坐标系中的第一象限中。此时ΔM4为系统提供正同步阻尼扭矩，低频振荡将被抑制。通过额外的控制检测信号，可实现第一象限的附加电磁转矩ΔM3，这是PSS的基本原理[1]。

图1 PSS附加转矩矢量图

PSS根据其结构可分为两部分：控制检测信号。常见的附加输入信号是ΔF和ΔP。由于这两个信号可通过电气测量方法获得，因此实现相对简单，并可很容易地转换为Δω和Δδ。为确保PSS仅在发生低频振荡时起作用，控制检测信号应具有直流检测信号的隔离，仅允许引入低频振荡信号；检测信号放大器和相位超前装置。通过合理选择PSS的放大系数和相位补偿角可提高PSS的输出，控制电压通过控制器改变励磁控制电压，最终达到励磁装置正阻尼转矩的输出功能[2]。

2 PSS目前存在的问题

标准问题。对于阻尼比的大小要求问题学术界持有很多不同观点。按照国内目前比较流行的观点来看，阻尼比小于0.05则属于弱阻尼，阻尼比大于0.1才属于强阻尼。也有一部分学者认为阻尼比偏小一些也可满足要求，标准可适当降低。国家标准规定发电机的阻尼比应该大于0.1。一般机组只有在投入PSS后，阻尼比才有可能达到0.1的新国标要求[3]。

励磁系统模型的问题。PSS的设计、计算和现场试验需要提供正确的励磁系统数学模型，由于模型的推导、建立，理论性较强，受操作人员水平的限制难以完成，建议各电厂在制定订货合同或招标书时，就要明确提出由制造厂提供准确的模型和参数。目前励磁调节器已经微机化，余下少数也多为集成电路产品，完成这一任务应该不困难。要注意的是有一些厂家提供的与实际情况不相符，只是某一指定工况下的励磁系统模型。这就要求业主的技术人员能够发现并与厂家沟通完善，特别注意设计好的PSS参数须经试验或实际运行检验。

励磁系统PSS的性能与分类。PSS信号输入可分为电磁功率、加速功率、频率偏差、转速偏差或复合信号输入等方式，应用最多的是电磁功率信号。超前滞后环节有1阶的、2阶的，甚至还有不带此环节的，从PSS设计的角度来看，采用2阶超滞后环节的PSS性能最好，可调整的补偿角也最大[4]。对于不同的机组所需的补偿角也不同，由于各厂家的设计水平和思想各不相同，因此相应PSS的性能及实用性各不相同。有些厂家的产品不适合进行大角度补偿，因此在产品定货时，建议各电厂在订货合同或招标书中应该根据设备的特点提出具体要求。

PSS的参数设计问题：单点最优法。理论上讲，按振荡频率点设计PSS具有最优补偿的效果，但可能在电网结构或者运行方式发生较大变化后效果明显变差；多点频率设计PSS参数。在参数设计上应充分考虑本地电网的特点，实现PSS具有较宽的补偿频带。

PSS的现场试验问题：厂家的产品应具备必要的测试点来进行试验。但有些厂家的产品缺少必要的测点、还有些产品由于原理特殊，在应用和检验方面尚未有很好、实用的方法。因此在设备订货时，提出在PSS的输入、输出端和励磁调节器的电压相加点处，应预留试验测点和信号加入点。

3 电力系统低频运行的危害

在电力系统有功功率出现下降时，系统的频率相应出现下降，若有功功率缺失较多，频率缺失就越大。当有功功率严重缺失超出额定时，不采取措施及时调整，就会对电力系统带来严重的威胁性。

低频运行对发电机和系统的危害性：当频率下降时，汽轮机的末级叶片振动会增大，若频率低于额定的90%以下时，可能导致汽轮机末级叶片发生共振而断裂；频率低于额定的95%时会导致火电厂一些异步电动机出力下降，即锅炉和汽轮发电机的出力也随之下降，若不能及时遏制就会出现系统频率下降，甚至出现频率严重缺失超过额定范围，最后造成大规模停电或者系统瓦解的结果；当电力系统频率下降时，会出现异步电动机和变压器的励磁电流增加、无功消耗增大，从而导致系统电压下降。

低频运行对电力用户的危害性：电力系统的频率波动时，可能影响一些供测量或控制的电子设备的准确性，若出现频率严重偏低时甚至还会导致一些设备无法正常运行。当电力系统频率降低或频繁波动时会导致电动机的转速和所带的机械设备的转速或者输出功率有所影响，甚至导致用户设备的正常运行。

4 电力系统低频振荡抑制方法现状

电力系统在低频振荡抑制方法上主要从一次、二次系统方面采取对策。

一次系统方面的对策：对电网增强网架减少相对负荷较重的输电线路和减少送受电之间的输电距离；在输电线路上采用串联的补偿电容，减少电抗；采用可靠的直流输电方案使得送受电之间减少或不发生功率振荡；在较长的输电线路中段布置装设静态无功补偿器（SVC）作为电压的支撑作用，并通过静态无功补偿器改善电力系统的动态特性。

二次系统方面的对策：采用目前国内通用的措施在发电机励磁系统上加装PSS装置，达到抑制低频振荡所需的附加阻尼力矩，在PSS投入后可以阻尼区域之间的低频振荡和阻尼局部范围的低频振荡；在交流并列运行的电力系统中，可以利用两侧频率调制器的输入信号如整流侧或者逆变侧的频率偏差、两侧的频率偏差、线路功率偏差、线路电流偏差等抑制区域性的低频振荡；在电力系统上选取合适的安装点和控制策略投入FACTS装置，提供低频振荡的附加阻尼可以起到调节迅速、灵活等特点，对改善电力系统的稳定性具有较好的作用。

5 电力系统产生低频振荡的机理

电力系统稳定器（PSS）是一种广泛应用于发电机励磁控制的辅助调节器。其作用是改善系统机电振荡方式的衰减，抑制低频自激振荡，减小负荷波动引起的输电线路的负荷波动，加速负荷功率振荡的衰减，达到提高电力系统的稳定特性。其基本原理是通过励磁调节器提供附加的阻尼信号，使发电机产生与转子角偏差相同的电磁分量。也就是说，PSS输入信号可以取自同步发动机的电功率差、发动机功角差、轴速差或其组合作为辅助信号，产生正阻尼以补偿系统的负衰减，所以整个系统的阻尼系数为正。加入PSS后机组励磁系统传递函数如图2。

图2 机组励磁系统传递函数图

设PSS输入信号为电磁功率，补偿环节的传递函数为：

Gpss(s)=Kpss×sT0/(1+sT0)×1/(1+sTh)×(1+sT1)/(1+sT2)×(1+sT3)/(1+sT4)

其中：Kpss为PSS放大系数，T0为隔离功率信号与直流分量时间常数，Th为为隔离功率信号与高频分量时间常数，T1、T2、T3、T4为相位补偿环节的时间常数。以PSS信号为电磁功率进行分析，其中PSS输入信号的相位角补偿图如2所示。

电磁功率与电磁转矩的关系Pe=ωTe，ΔPe≈ΔTe根据转子运动方程式TjsΔw=ΔTm-ΔTe-DΔω，设发电机机械转矩增量ΔTm＝0，转子机械阻尼D=0，可知：发生低频振荡时，电磁功率的负偏差（-APe）超前于角速度偏差Δω角度为90度。设PSS补偿环节的超前角度为θc，PSS装置产生的超前角θc-arctg(ωdTh)，从PSS装置的输出信号经过励磁系统和发电机磁场的相位滞后为0E，为了使电磁功率信号产生的附加阻尼的方向必在Δω轴上得到θc-arctg(ωdTh)+90°=|θe|。

图3 PSS输入信号相位角补偿图

6 PSS抑制低频振荡验证试验

依照南方电网PSS参数整定要求，将PSS输出限制值整定为±10%，验证PSS输出限制功能的有效性；将PSS自动投入、退出值整定为20%和18%额定功率，验证PSS自动投入、退出值的有效性。PSS性能验证试验采用的励磁调节器具体传递函数框图如4。

图4 励磁调节器PSS 传递函数框图

分别在机组60%及100%有功负荷（相应的无功出力在零左右）工况下进行定子电压阶跃试验，验证PSS整定值的适用性，主要目标是PSS 正阻尼要满足要求；在PSS输出限制值有效性验证试验中，分别将PSS输出限制值整定为±10%和±0.01%，在机组有功输出90%以上额定有功（无功为10%额定无功）的工况下，开展定子电压阶跃试验，通过对比不同输出限制值下PSS的阻尼比变化，验证PSS输出限制值有效性；在PSS自动投入、退出值有效性验证试验中，分别将PSS自动投入、退出值整定为50%、48%，在机组有功输出55%额定有功（无功为10%额定无功）的工况下，调整机组有功功率，通过观察转子电压变化，验证PSS自动投入、退出值有效性。

PSS增益整定试验，在机组有功输出90%以上额定有功（无功为10%额定无功）的工况下，首先PSS增益ks1取较小值（3.0），投入机组PSS，观察机组转子电压和无功功率波动情况，过程中不断增大PSS增益Ks1，直到机组转子电压和无功功率出现明显的振荡，则这时的ks1就是机组PSS临界增益值；依照南方电网PSS参数整定要求，将机组PSS增益ks1整定为PSS临界增益值的1/3至1/2；最后，分别在机组有功输出90%、100%额定有功（无功为10%额定无功）的工况下，开展定子电压阶跃试验，通过计算PSS的阻尼比大小，验证PSS增益ks1可用性。

综上，电力系统在低频振荡抑制采取多种对策，目前国内PSS已经成功广泛应用于电力系统中，由此证明电力系统稳定器对提高电力系统的稳定性和安全性起到关键性作用。