PSS原理

3 提高电力系统稳定性 a 提高静态稳定性

静态稳定是指电力系统遭受小扰动之后，不发生自发振荡和非周期失步，自动恢复到起始运行状态的能力。电力系统静态稳定性高低，可以用输电线路的输送功率极限的大小来判断，这也是励磁装置常用的静态稳定性试验方法。 在单机-无穷大系统中，如果发电机没有励磁控制，则正常运行时，发电机的空载电势E0 保持不变，那么该系统的静态极限为 Pmax，其功率特性曲线见图 1-5 中的曲线 1。如果发电机具有常规励磁，比如直流励磁机或者交流励磁机带二极管整流的励磁系统，则可保持发电机的暂态电势 Eq’不变，因此有 Pmax’，其功率特性曲线见图 1-5 中的曲线 2。如果发 电机配置高放大倍数的快速励磁系统，比如采用运算放大器和可控硅整流器，并且励磁调节器带电力系统稳定器 PSS 或者采用最优励磁控制，则可接近保持发电机端电压 Ut 不变，因此有 Pmax’’，其功率特性曲线见图 1-5 中的曲线 3。粗约比较一下单机-无穷大系统静稳极限，Pmax ：Pmax’： Pmax’’=1：2：3，可见励磁系统对于提高电力系统静态稳定性的作用非常 明显。特别是带 PSS 或者采用最优控制的快速励磁系统对于电力系统的静态稳定性作用明显。 b 提高动态稳定性

动态稳定是指电力系统遭受小扰动之后，在自动调节装置和附加控制的作用下，保持较长过程稳定运行的能力（通常指不发生周期性振荡失步）。由于影响动态稳定性的主要因数是电力系统的阻尼特性，因而常规励磁系统

对于电力系统的动态稳定性不起多大作用，但是，带 PSS 的快速励磁系统能够阻尼系统的低频振荡，从而提高了电力系统动态稳定性。 C 提高暂态稳定性

暂态稳定是指电力系统遭受大扰动后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或者恢复到原来状态运行的能力（通常指保持第一或第二个摇摆周期不失步）。由于影响暂态稳定性的主要因数是系统中短路故障性质、主保护的动作情况、重合闸动作成功与否，因而调节励磁对暂态稳定的影响没有对静态稳定那么显著。励磁系统对于提高暂态稳定而言，主要表现在快速励磁和强励的作用上。电力系统中发生短路故障时，由于控制输入机械功率的常规调速系统的动作太慢，主要靠快速继电保护切除故障，以减少加速面积；而故障切除后，快速励磁和强励可以增大发电机电势，因而增大输出的电磁功率，增大了制动面积，防止发电机摇摆角过度增大，以利于暂态稳定性的提高。但是发电机励磁回路具有较大的时间常数，即使是快速励磁系统，也只能在故障后 0.4~0.6S，使转子达到最大磁通。由大量计算结果可知，故障后发电机摆到最大角度的时间往往只有 0.5~0.6S，所以快速励磁和强励所能够增加的制动面积是很有限的，其结果是只能稍许降低第一个振荡周期的摇摆角度。

1 电力系统低频振荡

在电力系统中，发电机经输电线路并列运行时，在负荷突变等小扰动的作用下，发电机转子之间会发生相对摇摆，这时电力系统如果缺乏必要的阻尼就会失去动态稳定。由于电力系统的非线性特性，动态失稳表现为发电

机转子之间的持续的振荡，同时输电线路上功率也发生相应的振荡，影响了功率的正常输送。由于这种持续振荡的频率很低，一般在 0.2~2.5HZ 之间，故称为低频振荡。电力系统低频振荡在国内外均有发生，通常出现在远距离、重负荷输电线路上，或者互联系统的弱联络线上，在采用快速响应高放大倍数励磁系统的条件下更容易出现。葛洲坝二江电厂建厂发电初期，曾多次发生低频振荡。近年来，在二江电厂同湖北恩施的联络线路上又出现低频振荡，又引起了人们的注意。

一般认为，发生低频振荡的主要原因是，现代电力系统中大容量发电机的标幺值电抗增大，造成了电气距离的增大，再加之远距离重负荷输电，造成系统对于机械模式（其频率由等值发电机的机械惯性决定）的阻尼减少了；同时由于励磁系统的滞后特性，使得发电机产生一个负的阻尼转矩，导致低频振荡的发生。采用励磁控制系统的附加控制构成的 PSS 或其他方式，可以补偿负的阻尼转矩，抑制低频振荡。

2 PSS 原理简介

a 励磁装置的负阻尼作用

所谓阻尼就是阻止扰动，平息振荡，而负阻尼恰恰相反。励磁装置的负阻尼，是指励磁装置对于系统功角摆动所作出的调节作用，会加大这种摆动，不利于系统的稳定。 并联在电力系统中运行的同步发电机，其稳定运行的必要充分条件是有正的阻尼转矩和正的同步转矩。阻尼转矩△MD 为负时将会因为出现自发增幅振荡而最终失去稳定，而当同步转矩△MS 为负时，发电机将出现爬步失步。在同步发电机受到小扰动，引起系统振

荡期间，电磁转矩 M、功角δ和角频率ω都作周期性变化，故可以在△δ△ω坐标中表示△M、△MD和△MS。△MD 同△ω基本同相，△MS 同△δ同相，二者之和就是和△M，这就是说电磁转矩既包含了同步转矩分量又包含了阻尼转矩分量。（分析低频振荡时，通常用频域法将电磁转矩△M分为同步转矩△MS和阻尼转矩△MD，即△M=△MS+j△MD。用△MS＞0，△MD＞0作为稳定判据）

在不考虑励磁装置的负阻尼情况下，阻尼转矩就是阻止发电机转速偏离同步转速的一种转矩，其作用力的方向总是指向阻止转子偏离同步速度的方向，当转速高于同步速度时，阻尼转矩是制动的；当转速低于同步转速时，阻尼转矩却是驱动的，正是这两种作用，才使得振荡衰减。阻尼转矩包括两种：一种是一般忽略不计的机械性阻尼，它反映了机械运动的惯 性原理；另一种是发电机转子中阻尼绕组产生的阻尼，这种阻尼是在发电机转速不同于同步转速时，二者就在转子上产生相对运动，阻尼绕组中就感应出一个转差频率的感应电流，并产生感应电动机那样的转矩，即阻尼转矩。在单机-无穷大系统简化线性模型的电磁转矩矢量图图 1-6 中，△MD1 是不考虑调节器负阻尼情况下的阻尼转矩，△M1 能抑制系统振荡。 在考虑励磁装置的负阻尼情况下，阻尼转矩就有了正负之分。当励磁装置产生的负阻尼大于阻尼绕组产生的正阻尼时，阻尼转矩就变成图 1-6 中的△MD2，△M2 则不能抑制系统振荡。我们知道，自动电压调节器按照发电机端电压偏差△Ut 调节，当系统发生振荡时，△δ的变化就会引起△Ut 变化，调节器就会依据△Ut 进行调节，由于发电机转子绕组具有较大的 时间常数，其励磁输出所产生的转矩相对于输入信号△δ必然有一定的延

时，正是这种延时才使励磁装置产生的负阻尼转矩。

当然，并不是所有励磁装置都产生负阻尼，理论和实践都证明，在单机-无穷大系统的完整的线性模型，又称 Phillips-Heffron 模型中，只有当参数 K5 为负时，阻尼转矩才为负。在远距离重负荷输电的单机-无穷大系统中，由于 K5 可能变负值，并且由于高放大倍数快速响应励磁系统的存在，可能导致系统中的阻尼为负，这时如果实际存在的发电机电气的和机械的正阻尼较小，则该系统可能发生低频振荡。

b PSS 的基本原理

前面已经说到，励磁调节器在某些运行条件下，可能提供负阻尼，对稳定不利。在考虑励磁装置产生负阻尼情况下，单机-无穷大系统的电磁转矩位于△δ△ω坐标的第四象限，因与转速相位方向相反，它给系统提供的是负阻尼转矩，如图 1-7 中的△M2。这时如果能提供一个位于第一象限的附加电磁转矩△M3，则△M2 和△M3 的矢量和△M4 就可以在第一象限，此时的△M4 ，它给系统提供具有正的同步转矩和阻尼转矩，低频振荡将受到抑制。这个第一象限的附加电磁转矩△M3 可以引进附加控制信号的PSS 来获得，这就是 PSS 的基本原理。

PSS 励磁附加控制器，是一种附加反馈控制，即在励磁调节器中，除了引入发电机端电压作为主要控制信号外，再引入一个与△ω同相位的信号，则将产生一个正的几乎和△ω同相位的电磁转矩△M3（超前△δ附加控制信号，作用于调节器）如图 1-1 中的其他信号，改变励磁输出，使整个励磁装置产生正阻尼转矩，从而提高系统稳定性。

PSS 一般由两部分组成，第一部分是附加信号的检测单元，常用的附加输入信号有△f 和△P，因为这两种信号都可以采用电气测量方法得到，实施比较简单，且二者很容易转换成△ω和△δ。为了保证 PSS 只在低频振荡发生时起作用，测量单元必须有一个低通滤过器和直流信号隔离环节，只让低频振荡信号输入。

第二部分是附加信号放大和相位超前单元，合理选择 PSS的放大倍数和相位补偿角，就能使 PSS 输出一个超前于△δ的附加控制电压，该控制电压通过调节器，改变励磁控制电压，最终达到励磁装置输出正阻尼转矩的目的。

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