电力系统稳定器对抑制低频振荡的作用

李志强 宁夏电力科学研究院， 银川市 750011

电力系统稳定器对抑制低频振荡的作用

李志强 宁夏电力科学研究院， 银川市 750011

机端自并励等励磁调节器的大量使用，使系统产生负阻尼，PSS是一种装置，它装在励磁调节器上，以转速偏差、功率偏差、频率偏差中的一种或两种信号作为附加控制，增加对系统的正阻尼从而抑制低频振荡减少对电力系统的影响

电力系统稳定器；低频振荡

引言

1 低频振荡的产生的原因

低频振荡主要是指发电机控制系统，特别是励磁调节器产生的附加阻尼为负值，抵消了系统本身所固有的正阻尼，使系统的总阻尼减少或成为负值，以致系统在扰动作用后的功率振荡长久不能平息，导致自发的低频振荡。电力系统低频振荡可以分为地区振荡模式和联络线振荡模式，地区振荡模式是指一个发电厂一台或多台发电机组一起相对于电力系统或负荷中心产生的频率范围在0.7Hz～2Hz左右的振荡模式。联络线是指电力系统中一部分机群相对于另一部分机群的摆动，振荡频率一般小于0.5Hz，低频振荡发生的原因有以下几种：

1.1 没有作动态稳定性分析，无任何措施。

1.2 相关电厂没执行投PSS的指令。

1.3 进行动态稳定性分析时采用的励磁系统的模型或参数与实际不符。

1.4 关键电厂PSS虽投运，但由于励磁设备设计缺陷，在伏/赫限制动作时将PSS闭锁。

1.5 系统配置的PSS数量不足，不能满足事故后运行方式的需要。

低频振荡会引起联络线过流跳闸或造成系统与系统或机组与系统之间的失步而解列，造成电网事故扩大化，解决低频振荡问题是电网安全运行的重要课题。

研究表明，现代电力系统中，大容量发电机组普遍使用机端自并励励磁调节器，这些设备的大量使用，削弱了系统阻尼甚至使系统产生负阻尼，例如：发电机在正常运行条件下，以发电机端电压为负反馈量的发电机闭环励磁调节系统是稳定的，当转子功率角发生振荡时，励磁系统提供的励磁电流的相位滞后于转子功率角，在某一频率下，当滞后角度达到180°时，原来的负反馈变为正反馈，励磁电流的变化进一步导致了转子功率角的振荡，即产生了所谓的“负阻尼力矩”，这是快速励磁调节器过分灵敏时产生振荡的原因。于是，我们可以在励磁系统中采用某个附加信号，经过相位补偿，使其产生正阻尼转矩并且用硬件加以实现，这就是电力系统稳定器（Power system stabilizer），简称PSS。

PSS是一种装置，它是在自动电压调节的基础上以转速偏差、功率偏差、频率偏差中的一种或两种信号作为附加控制，增加对电力系统机电振荡的阻尼，以增强电力系统动态稳定性。为了提高系统稳定性，在励磁系统中利用附加控制，产生附加阻尼转矩，增加正阻尼抑制低频振荡，这就是使用电力系统稳定器（PSS）的目的所在。

2 如何利用电力系统稳定器解决低频振荡

2.1 电力系统稳定器的作用

2.1.1 提高输送功率极限；

2.1.2 减少低频振荡；

2.1.3 降低功率振荡。

2.2 电力系统稳定器的原理

电力系统稳定器可以产生正阻尼的转矩，不仅抵消了励磁调节器自身产生的负阻尼转矩，还提供正阻尼转矩。如图1，我们可以看到：发电机电磁转矩可分为同步转矩和阻尼转矩，同步转矩与Δδ同相位，阻尼转矩与Δω同相位，如果同步转矩不足，功角非周期性增长将发生滑行失步；如果阻尼转矩为负值，系统出现增幅的低频振荡而造成失去同步将发生振荡失步。

图1 阻尼转矩相量图

电压调节器产生的附加转矩Δ Me落后Δδ的相位为φx，在多数情况下决定发电机转子振荡的量Δδ、Δω是与机械惯性时间常数有关的，它的振荡频率最低且衰减较慢。如果我们能产生一个足够大的纯粹的正阻尼转矩Δ Mp,则Δ Mp与Δ Me的合成转矩ΔMD就位于第一象限，而它的两个分量—同步转矩及阻尼转矩都是正的。正阻尼转矩Δ Mp是在电压调节器输入一个附加信号Δ Us来产生的，所以要使ΔUs产生纯粹正阻尼转矩（相位上与转速同方向），ΔUs的相位必须领先Δω轴φx角，这样输入电压调节器后，经过电压调节器及励磁系统的滞后，刚好可以产生纯粹正阻尼的转矩，从而以一种相位补偿的方式提供正阻尼转矩。

为抵消励磁调节器带来的负阻尼转矩并加强机组的正阻尼，必须输入一个与低频振荡相关的电气量，如Δω经过一定的超前或滞后的相位校正，再按一定的增益倍数放大后，叠加到励磁调节环节中，该附加控制分量将在发电机中产生一附加转矩，通过设计和计算，使该附加转矩与Δω同相，则该附加转矩即对低频振荡起到阻尼作用。

PSS需要测量与振荡有关的量，如加速功率、转速（频率），但是转速和加速功率测量困难。加速功率（Pa）等于机械功率（Pm）减去电气功率（Pe），当机械功率变化比电气功率慢得多时近似认为ΔPa=-Δ Pe（加速转矩）。电气功率容易测量，因此常用的PSS采用发电机有功功率作为PSS信号，称有功PSS。与转速信号相比，有功功率信号具有信号强、不易引入干扰、不会激发轴系扭振的特点。

3 电力系统稳定器抑制低频振荡的试验方法

3.1 试验的目的

3.1.1 设计PSS，使之满足在整个低频振荡频率段上均能提供良好的正阻尼，而且还不会对电网内的其它振荡模式和运行方式产生副作用。

3.1.2 进行电网典型运行方式下PSS的频域和时域验证计算，筛选出用于现场试验用的参数组。

3.2 试验条件

系统母线电压维持在1.0～1.1倍额定电压之间，厂用母线电压维持在0.95～1.05倍额定电压之间，发电机端电压维持在0.95～1.05倍额定电压之间，发电机定子电流不应超过1.1倍额定值，发电机转子电流不应超过1.1倍额定值，机组有功应大于80%额定有功，无功应应小于20%额定无功，在励磁调节器电压闭环控制状态下，加入白噪声信号并迭加到电压给定值上，利用频谱仪对机端电压和白噪声信号进行分析，获得励磁系统在0.1Hz～2.5Hz范围内的相频特性

3.3 试验过程简介

3.3.1 参数整定

针对励磁系统的相频特性，整定PSS环节的相频特性，即整定二阶超前和滞后时间及增益。

3.3.2 效果验证

做机组的电压扰动试验（一般在2%～3%左右），使机组产生有功振荡，比较不投PSS和投入不同参数的PSS的各个波形，根据有功的振荡次数、幅值等，分析不同参数下的PSS抑制低频振荡的效果，选取最优的一组为最终参数。

3.3.3 临界增益试验[1]

投入PSS功能，不断增加PSS的增益，直至励磁电压和励磁电流在稳定运行时发生波动，此即为PSS的临界增益值，PSS的输入信号为电功率时使用增益可取临界增益的1/3～1/5，当PSS的输入信号为Δf或Δω时，使用增益可取临界增益的1/2～1/3。

3.3.4 反调试验[2]

反调[4]是指因PSS的原因，原动机输出功率ΔPm远大于ΔPa且ΔPe远大于ΔPa时，有功PSS得到的信号远大于需要的信号ΔPa，造成不必要的励磁电压和无功功率大幅变化。这种因采用有功PSS及原动机出力变化引起励磁电压和无功功率大幅变化的现象称为反调。反调是由采用发电机有功功率信号的PSS造成的，无PSS和转速PSS不产生反调。

投入PSS功能，调整机组有功，按每分钟20%有功调整，观察有无“反调”现象，若反调现象明显，则应在有功增、减时闭锁PSS输出。

4 结语

随着电网的扩大、输电距离的增加，电网的小干扰稳定性减弱，最为经济的措施是投入电力系统稳定器（PSS）当系统发生0.9Hz的低频持续振荡投入PSS，经过1～2周期（2s以内）振荡就可以完全平息了。不论以电功率Pe为信号的稳定器或是以频率f为信号的稳定器，平息低频振荡的效果都十分显著。

［1］DL/T843-2003.大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件

［2］Q/GDW 143-2006.电力系统稳定器整定试验导则

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.012

李志强（1974-），男，工程师，从事继电保护及励磁试验方面的工作。