电力系统稳定器(Pss)

电力系统稳定器（PSS）

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南京申瑞电力电子有限公司

江苏省南京市江宁开发区双龙大道1706号 211100

一、

概述

随着电力系统规模的不断扩大，以及自并励等快速微机励磁系统的广泛应用，动态稳定问题（低频振荡问题）已成为影响电网系统安全、稳定、经济运行的最重要的因素之一。研究表明，在互联的电力系统中一般都存在两种振荡模式，即地区性振荡模式（local model，频率一般在0.5～2.0Hz）和区域间振荡模式（interarea model、tieline model，频率一般在0.1～0.5Hz）。要解决属于地区性振荡模式的弱阻尼或负阻尼低频振荡问题，可以通过在一个或少数几个电厂配置电力系统稳定器来完成；要解决属于区域间振荡模式的弱阻尼或负阻尼低频振荡问题，仅靠在一个或少数几个发电厂配置PSS是不够的，需要在一大批与该振荡模相关的发电机上配置电力系统稳定器（PSS），才能有效地解决区域间振荡模式的弱阻尼或负阻尼低频振荡问题，保证连网系统的安全、稳定、经济运行。

电力系统稳定器(PSS)作为励磁调节器的一种附加功能，能够有效地增强系统阻尼，抑制系统低频振荡的发生，提高电力系统的稳定性，目前在大多发电机的励磁系统上已得到广泛的应用，成为现代励磁调节器不可缺少的功能之一。 二、

PSS基本原理

单机无穷大母线系统图如图一所示，其小信号模型如图二所示：

Ut UcXe

图一、单机无穷大系统图

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K1 ΔMe1 － ΔPMΣ Σ－＋－1Δω MS?0S Δδ K5 ΔMe2 K2 DK4 ΔΕ’q K3 1?SK3T'do－ Σ 励磁模型 Σ ＋ PSS ΔEfd K6 ΔUt

图二、单机无穷大系统小信号模型

如果忽略线路电阻，那么K1～K6可以简化成如下公式： K1?Eq0UcXq?Xecos?0?iqoUcX'd?Xe?xq?xd?sin?0'

K2?iq0'Xq?XeXdd'd?Xeee

K3?XX?X?X

'K4?Uc(xd?xd)sin?0X'd?Xe

UcUtq0X'dK5?UcUtd0Xqcos?0Ut0(Xq?Xe)Utq0Ut0X'?sin?0Ut0(Xd?Xe)

K6?Xed?Xe

式中，Xd、Xq、X'd分别为发电机纵轴电抗、横轴电抗、纵轴暂态电抗； Xe 为线路电抗；

Ut0 、UC 分别为发电机端电压和无限大母线电压

当发电机在重负荷下运行受到干扰时，转子角将产生增量变化Δδ，但是由于励磁系统提供的励磁电势增量ΔEq滞后Δδ，使Δδ有进一步变化的趋势，助长了负阻尼。即

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如下式所示：

ΔUt=K5Δδ+K6ΔE′q≈K5Δδ，

当发电机在重负荷下运行时K5＜0，则ΔUt与Δδ反相。如果励磁系统为简单的比例式调节器，增益为Ke，时间常数为Te，则

?Efd??Ke1?Tes?Ut

如图三所示，在△δ－△ω平面上，和转子速度变化同相的力矩是正阻尼力矩，反相的是负阻尼力矩，和角度变化同相的力矩是正同步力矩，反相的为负同步力矩。在电力系统中并联运行的同步发电机，它稳定运行的必要条件是具有正的阻尼力矩系数和正的同步力矩系数。当阻尼力矩系数为负时，将会因出现自发增幅振荡而最终失去稳定，而当同步力矩系数为负时，发电机将出现爬行失步。

PSS的功能是要提供一个正的阻尼力矩分量以补偿AVR所产生负阻尼，从而提高系统的动态稳定性。要实现PSS功能的基本原理是要生成一个与转子转速同相的信号。由于功率增量产生转子加速度，所以与电功率相关联的任何量，包括Δω、Δδ、Pe、ΔP、Δf等都可以作为PSS的输入信号。由于励磁系统具有滞后特性，故用超前、滞后补偿环节来补偿角度。从PSS模型框图来看，PSS由信号输入，信号测量，隔直，超前滞后，比例放大，输出限幅几个环节单元组成。

如下图所示,图a为AVR产生负阻尼时，各相量之间的关系图，图b为加入PSS后，PSS产生正阻尼，各相量之间的关系图。

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△ω△Utk5△δθgk6△Eq△Utθ1+θ2△δ　(a)AVR产生负阻尼

△ω△TpssUpssθdθg△δ(b) PSS产生正阻尼

图三、 AVR及PSS产生的阻尼力矩

三、AVR及PSS模型框图

GER3000励磁调节器的PSS模型框图采用的是PSS2A模型形式，为满足现场需要，经过适当调整参数，不需要修改程序，也可以将PSS2A模型简化为PSS1A模型使用。PSS2A模型输入信号为：转速和功率。PSS2A模型的实现方式是：用转速作为输入以产生等值的

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机械功率信号，使总信号对机械功率的变化不敏感；在系统振荡的频率范围内，PSS起电气功率输入稳定器的作用。

A点UFG+KPKI/Sarccos11+TS余弦移相B点UF-G(S)发电机-KDSKS11+T5S1+T6S1+T3S1+T4S1+T1S1+T2S转速信号Kp11+T6STW1S1+TW1STW2S1+TW2S++[ ](1+TS)9M1+T8SN+－KS3C电功率点信号Ks21+T7STW3S1+TW3STW4S1+TW4S注：KP1 ，KS2，KS3，KS1放大倍数 T6，T7惯性时间常数 TW1，TW2，TW3，TW4 隔直时间常数 TS1，TS2一阶超前滞后时间常数 TS3，TS4两阶超前滞后时间常数注：通过适当整定参数，可以将上图中虚框内的模型简化为以下模型： TS5，TS6三阶超前滞后时间常数 T8，T9高频滤波器时间常数 M，N高频滤波器指数－PKS11+T1STW1S1+TW1S1+TS1S1+TS2S1+TS3S1+TS4S1+TS5S1+TS6S-Upss 为了整定各个参数，使补偿后的特性满足要求，必须先测量AVR、功率部分、转子以及

发电机整体环节的相频特性，从而得到需要补偿的角度，然后再适当整定TS1、TS2、 TS3、TS4、TS5、 TS6。测量这个部分AVR、功率部分、转子以及发电机整体环节相频特性的试验就叫做无补偿特性测量试验。做该项试验时从A点加入噪声信号，然后测量A点和B点之间的相频特性。

四、

PSS现场试验

下面以山东××电厂使用GER3000励磁调节器PSS1A模型现场试验为例介绍PSS现场试验项目及方法：

1、励磁系统滞后特性测量（无补偿特性） 1.1试验方法

发电机有功功率尽量接近额定（要求大于额定有功功率的80%），无功功率尽量接近零

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（要求发电机滞相运行，无功功率小于额定无功功率的20%）。励磁调节器单柜自动运行，PSS退出，微机励磁调节器对HP35670A频谱分析仪输出的白噪声信号进行采样并将采样信号与AVR的给定参考电压相加.缓慢增加白噪声信号的电平使发电机电压出现不超过2%左右的波动。用HP35670A频谱分析仪测量频谱仪输出的白噪声信号与发电机电压之间的频率特性即为励磁系统本身的滞后特性，又称无补偿特性,用Фe表示。 1.2 励磁系统滞后特性测量试验 1、PSS参数整定

PSS参数整定要求PSS的作用需兼顾0.2Hz左右的系统振荡频率和1.4Hz左右的地区振荡频率。因此，PSS参数整定应使PSS产生的电磁力矩（在额定有功功率和无功很小的情况下，可近似认为基本与ΔVt同相）在0.1Hz～2.0Hz的频率范围内滞后-ΔPe 信号30°～120°,即在Δω轴的±30°范围内。如果用φe表示励磁系统的相位，用φpss表示PSS的相位，则要求PSS的参数整定应使得在0.1Hz～2.0Hz的频率范围内φe＋φpss在-60°～-120°之间。

励磁系统的频率响应特性通过测量得到，PSS的模型已知，根据上述PSS参数的整定原则用逐步逼近的方法可确定PSS的参数如下，其中PSS的增益通过临界增益试验确定（见7.3节）。整定的PSS参数如下：

Kp=0.8，T1＝0.35，T2＝4.5，T3＝0.25，T4＝0.02，T5＝T6＝0 Tp=0.1 Tw= 6。 根据上面所列的PSS参数，计算可得到PSS环节的频率特性（见表2）。

由表1可以看出：在0.2～2Hz的频率范围内，由#4机PSS产生的电磁力矩（认为与ΔVt基本同相）滞后-ΔP 信号81°—110°,（即在Δω轴的-9°——+20°范围内）， #4机的PSS对1.4Hz左右的地区振荡频率和0.2Hz左右的联网系统振荡频率都具有较好的阻尼，PSS相位补偿满足要求。

表1 PSS有无补偿相频表

序号 频率f(Hz) 1 2 3 4 5 6 7 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 无补偿Ф(°) -21.1 -32.6 -42.5 -49.7 -55.0 -59.1 -64.3 有补偿Ф(°) -60.6 -77.8 -88.6 -84.9 -79.9 -83 -82.7 计算PSS补偿 Ф(°) -44.6535 -48.4348 -42.9527 -36.0707 -29.3532 -23.1889 -17.633 计算有补偿Ф(°) -65.7535 -81.0348 -85.4527 -85.7707 -84.3532 -82.2889 -81.933 南京申瑞电力电子有限公司 6 http://www.lici.com.cn

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8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 67.0 -69.6 -71.1 -70.9 -66.5 -67.3 -81.8 -92.6 -96.3 -100 -103 -106 -76 -76.8 -73.5 -65.7 -62.3 -60.8 -69.8 -79.8 -81.7 -81.9 -83 -77.3 -12.6384 -8.13336 -4.04778 -0.32103 3.096905 6.24651 9.160416 11.865 14.38177 16.72839 18.91961 20.96788 -79.6384 -77.7334 -75.1478 -71.221 -63.4031 -61.0535 -72.6396 -80.735 -81.9182 -83.2716 -84.0804 -85.0321 -83.1162 -106 -85.3 22.88384 自并机系统PSS有无补偿表 序号 频率f(Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

3、PSS增益调整

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 无补偿Ф(°) -9.2 -16.3 -29.2 -34.7 -48.8 -62 -68.4 -79.1 -83.7 -87.4 -91.7 -92.6 -96.1 -97.3 -93.5 -87.3 -90.7 -103.9 -117.6 -119 有补偿Ф(°) -52.4 -67.3 -74.4 -78.0 -79.0 -82.4 -84.3 -86.0 -87.7 -86.9 -86.7 -85.6 -81.8 -79.4 -73.5 -61.8 -64.9 -75.6 -82.4 计算PSS补偿 Ф(°) -49.5288 -53.609 -48.5281 -41.5368 -34.1925 -27.0168 -20.2097 -13.8424 -7.92854 -2.45527 2.601757 7.270938 11.58114 15.55999 19.23325 22.62456 25.7555 28.64576 31.31329 33.77449 计算有补偿Ф(°) -58.7288 -69.909 -77.7281 -76.2368 -82.9925 -89.0168 -88.6097 -92.9424 -91.6285 -89.8553 -89.0982 -85.3291 -84.5189 -81.74 -74.2667 -64.6754 -64.9445 -75.2542 -86.2867 -85.2255 -85.1 三机系统PSS有无补偿表

理论上讲，在正确的相位补偿下，PSS的增益越大，其提供的正阻尼越强，但实际上，

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电力系统是一个高阶的复杂系统，增加PSS的增益虽然可以增加某些机电振荡的阻尼，但如果PSS增益过大，也可能引起电磁振荡的负阻尼使系统出现不稳定现象，此时，机组的有功和转速仍无明显的振荡，但励磁电压和无功功率可能出现明显振荡甚至是等幅或增幅振荡，另一方面，过大的PSS增益对其他机电振荡模的阻尼也可能带来一些不利影响。因此，PSS实际存在一个最大增益。

PSS临界增益是由很多因素决定的，如发电机的负荷水平、PSS的在电厂和系统中的配置和投退情况、机组的力率和电力系统的运行方式等，所以一般用现场试验的方法来确定。在选定的相位补偿下，缓慢增大PSS的增益，同时观察励磁系统的变化，直到出现不稳定现象为止（主要标志是调节器输出电压、发电机转子电压出现频率较高（1～4Hz）的剧烈振荡），这时的PSS增益即为最大增益或不稳定增益。

图3 ××电厂4号机PSS增益为Kpss=1.2时的录波图

从图3中可以看出和转子电压未出现明显的电磁环振荡趋势。考虑到临界增益试验的危险性，采取计算和试验相结合的方式，取0.8作为4号机的PSS的运行增益。

4 、PSS阻尼效果校核试验

发电机并网运行，有功功率接近额定，将发电机PT及CT二次侧三相电压和两相电流

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接入WFLC电量分析仪中准备录波。在PSS投入和退出两种工况下进行发电机负载阶跃响应试验，记录并且比较有功功率的摆动幅值和次数。

根据PSS退出和投入两种情况下发电机负载4%电压阶跃响应试验的录波图分析，在4%阶跃响应的情况下，PSS退出，上阶跃时有功振荡次数约为3.5次，下阶跃时有功振荡次数为4次；PSS投入后，上、下阶跃振荡次数为1次。说明PSS提供了正阻尼。图4为#4号机无PSS时正负4%阶跃响应试验录波图，图5为#4号机有PSS时正负4%阶跃响应试验录波图。

图4 ××电厂4号机无PSS 4%阶跃试验

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图5 ××电厂4号机有PSS 4%阶跃试验

5 、PSS反调试验

投入PSS,快速调整汽机出力，使得发电机在2分钟内有功变化20MW，观察无功变化情况，试验表明无功波动在合适范围之内，反调较小。

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