電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）在某電廠的應(yīng)用

童端宇，鄭賢喜

（新安江水力發(fā)電廠， 浙江省建德市 311608）

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）在某電廠的應(yīng)用

童端宇，鄭賢喜

（新安江水力發(fā)電廠， 浙江省建德市 311608）

本文介紹了PSS定義、原理及作用，分析了某電廠兩種不同的勵磁系統(tǒng)PSS模型的區(qū)別，通過PSS試驗得出了電廠PSS投入運行，增加了系統(tǒng)的阻尼，對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的0.2～2.5Hz區(qū)域間低頻振蕩具有較好的抑制作用。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；勵磁系統(tǒng)；PSS；阻尼；低頻振蕩

0 引言

隨著近幾年來，自并勵靜止晶閘管微機勵磁方式在同步發(fā)電機組上的廣泛應(yīng)用，大大縮短了勵磁調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。快速勵磁系統(tǒng)在提高系統(tǒng)響應(yīng)速度的同時，降低了電力系統(tǒng)阻尼，使系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)弱阻尼甚至是負阻尼，導(dǎo)致系統(tǒng)抑制自身振蕩的能力下降。當(dāng)振蕩嚴重時會破壞互連系統(tǒng)的并列運行，造成大面積停電。根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)研究及實踐,目前消除互聯(lián)電網(wǎng)負阻尼低頻振蕩最經(jīng)濟有效的方法就是投入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer，簡稱 PSS)。

1 電廠簡介

某電廠地處浙江西部，共有9臺機組，總裝機容量850MW。該廠共有6條220kV出線，其中3條送往杭州，2條送往建德，還有1條送往上游淳安縣。電廠遠離負荷中心，通過長距離向外輸送電力。一般來說對于電網(wǎng)的運行控制上，可以通過增強網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，減少重負荷輸電線路，減少送、受端間的電氣距離；采用串聯(lián)補償電容，減少送受電端的電氣距離；在長距離輸電線中部裝設(shè)靜止無功補償器做電壓支撐，并通過其控制系統(tǒng)改善系統(tǒng)動態(tài)性能。在系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，采取切機甚至解列等措施來有效控制低頻振蕩。現(xiàn)如今電廠勵磁系統(tǒng)采用自并勵靜止晶閘管微機勵磁方式，共有兩個生產(chǎn)廠家，5、7、8號機采用南瑞SAVR-2000型，自帶PSS；其余機組采用ABB公司Unitrol f型勵磁調(diào)節(jié)器，也自帶PSS。電廠采用三機一變的擴大單元接線，2006年底完成機組的增容改造工程，2010年經(jīng)華東電網(wǎng)調(diào)度中心要求，電廠機組勵磁裝置需投入PSS，以確保改造后系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2 PSS原理及作用

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS），是勵磁調(diào)節(jié)器通過一種附加控制功能，借助于AVR控制勵磁輸出，阻尼同步電機的低頻功率振蕩，用以改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性能的一個或一組單元。

所謂阻尼就是阻止擾動，平息振蕩。負阻尼跟阻尼相反，打個比方：在蕩秋千的時候，當(dāng)把秋千蕩起來就撒手，這個秋千就會在地球引力和機械摩擦阻力下逐步停止搖擺，這個阻力就相當(dāng)于電力系統(tǒng)的阻尼。當(dāng)我們在不斷的蕩秋千的過程中，給秋千的動力相對于阻力來說，就是一種負阻尼。正是由于動力（負阻尼）較多了秋千的阻力（阻尼）而使秋千蕩起來，并且一直蕩下去不會停止。穩(wěn)定運行的電力系統(tǒng)，必須存在一定大小的阻尼。這樣，當(dāng)電力系統(tǒng)受到一個擾動的時候，電力系統(tǒng)就會逐步穩(wěn)定下來。如果阻尼大，穩(wěn)定就快，如果阻尼小，穩(wěn)定就慢，如果是零阻尼或者是負阻尼，這個擾動所引起的振蕩就不會停息。電力系統(tǒng)本身的阻尼總是正的，只是大小不同而已。

自動電壓調(diào)節(jié)器按照發(fā)電機端電壓偏差ΔU進行調(diào)節(jié)，當(dāng)電力系統(tǒng)的無功缺少使機端電壓減少時，自動電壓調(diào)節(jié)器就增加勵磁電流，以保持機端電壓的恒定。但當(dāng)電力系統(tǒng)的有功發(fā)生變化，運行中的功角也會變化，進而引起ΔU的微小變化。對于現(xiàn)代自動電壓調(diào)節(jié)器來說，其放大倍數(shù)高且反應(yīng)靈敏，調(diào)節(jié)器就會對這種因功角變化引起ΔU的微小變化進行調(diào)節(jié)。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組具有較大的時間常數(shù)，其勵磁輸出電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相對于輸入信號Δδ必然有一定的延時，正是這種延時，使得自動電壓調(diào)節(jié)器對于電力系統(tǒng)阻尼而言不是加強而是減少。于是，自動電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生了負阻尼。對于老式自動電壓調(diào)節(jié)器來說，由于放大倍數(shù)低且反應(yīng)遲鈍，這種因功角變化引起ΔU的微小變化，調(diào)節(jié)器幾乎不作反應(yīng)，于是就說自動電壓調(diào)節(jié)器沒有產(chǎn)生負阻尼。

對于僅以機端電壓為調(diào)節(jié)對象的自動電壓調(diào)節(jié)器來說，當(dāng)電力系統(tǒng)無功變化時應(yīng)該進行調(diào)節(jié)。而當(dāng)電力系統(tǒng)有功變化時不應(yīng)該進行調(diào)節(jié)，一旦參與調(diào)節(jié)就會產(chǎn)生負阻尼，使電力系統(tǒng)的正阻尼減小。然而，不調(diào)節(jié)是不可能的。于是，我們就把電力系統(tǒng)的有功或頻率引入自動電壓調(diào)節(jié)器，通過自動電壓調(diào)節(jié)器PSS裝置附加控制提供正阻尼，以補償調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的負阻尼，使得系統(tǒng)總的阻尼為正值，這就是PSS(電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)的作用。

3 電廠PSS模型及分類

根據(jù)IEEE標準《IEEE Std 421.5—2005 IEEE推薦的電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究用勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型》，電廠PSS模型分兩種：1、2、3、4、6、9號機采用ABB公司Unitrol f型勵磁調(diào)節(jié)器，其PSS裝置采用電磁功率Pe和角速度ω作為兩路信號輸入的PSS2A型（見圖1）；5、7、8號機采用南瑞SAVR-2000型其PSS裝置采用電磁功率Pe和角速度ω作為兩路信號輸入的PSS2B型（見圖2）。

圖1 PSS2A型傳遞函數(shù)模型框圖（1、2、3、4、6、9號機）

圖2 PSS2B型傳遞函數(shù)模型框圖（5、7、8號機）

PSS2A型和PSS2B型兩者都是雙輸入PSS，都是采用加速功率計算原理。唯一的區(qū)別是PSS2A只有兩級超前滯后環(huán)節(jié)，而PSS2B具有三級超前滯后環(huán)節(jié)。超前滯后環(huán)節(jié)多，參數(shù)的調(diào)整方便，更加適用于工程領(lǐng)域。

4 電廠PSS應(yīng)用

20世紀60年代，北美學(xué)者Concadia和DeMello采用考慮發(fā)電機暫態(tài)電勢E′q變化的飛利普斯—海佛容（Phillips-Heffrom）模型（單機——無限大母線系統(tǒng)）,揭示了發(fā)生電力系統(tǒng)低頻振蕩的物理本質(zhì)。

在一定的電力系統(tǒng)運行條件下（例如遠距離、重負荷等），自動電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的阻尼力矩分量與轉(zhuǎn)速變化反方向，因而是負阻尼力矩分量；當(dāng)自動電壓調(diào)節(jié)器的負阻尼分量超過發(fā)電機的固有正阻尼分量時，就會發(fā)生低頻振蕩，電壓調(diào)節(jié)器的負阻尼作用是產(chǎn)生低頻振蕩的根本原因。

4.1 有PSS作用的小階躍試驗

PSS旨在減小有功功率振蕩，其作用與有功功率振蕩方向相反成為判斷PSS功能是否正確的首要標準。以該廠2號機為例，在給機組3%小階躍響應(yīng)過程中，隨著有功的增加，端電流增加，PSS作用減小勵磁電流，減小無功，減小電磁功率，來抑制機組的有功增加。PSS使得勵磁變化波形與有功相反。PSS起作用只是個短暫過程，在振蕩時，有功突然增加，PSS減小勵磁，有功突然減小，PSS增加勵磁。這個過程只是為了給有功變化一個緩沖，從而平息有功波動。如圖3所示，觀察勵磁電壓的響應(yīng)過程可以清晰地看到PSS投入閉環(huán)所起到的作用。

圖3 有PSS作用的機組3%小階躍響應(yīng)

4.2 反調(diào)試驗

無功功率的“反調(diào)”是指增加機械功率輸入時發(fā)電機發(fā)出的無功功率會減少；相反，在減少機械功率輸入時發(fā)電機發(fā)出的無功功率會增加。PSS的原理是通過勵磁系統(tǒng)的作用抑制有功功率的低頻振蕩，可以說PSS是通過無功功率的波動來抑制有功功率的波動。采用單一電功率輸入信號的PSS在調(diào)整機組的機械功率輸入時會出現(xiàn)無功功率的“反調(diào)”現(xiàn)象。該廠采用雙輸入PSS，一個輸入量是ω，一個是P，三級超前滯后環(huán)節(jié)。其原理是利用ω和P計算發(fā)電機機械功率ΔPm和電磁功率ΔPe，二者相減得到發(fā)電機的加速功率ΔPa，這樣當(dāng)機組單方向增負荷或單方向減負荷時，加速功率等于零，PSS不起作用即不產(chǎn)生無功反調(diào)。只有當(dāng)機組有功增減變化即振動時，PSS才起作用，抑制系統(tǒng)低頻振蕩。

以該廠8號機為例，當(dāng)機組有功負荷從90MW下降到80MW再上升到90MW的連續(xù)快速變化過程，大約經(jīng)歷了40s，平均調(diào)節(jié)速度為0.5%/s。在此試驗過程中，未發(fā)現(xiàn)無功功率與有功功率調(diào)整方向相反的變換，機端電壓和無功功率基本保持穩(wěn)定，見圖4。由此判斷，在報告所示的參數(shù)配置下，PSS投入閉環(huán)沒有給勵磁控制系統(tǒng)帶來功率反調(diào)問題，可以投入實際運行。

圖4 機組有功負荷從90%下降到80%再上升到90%的連續(xù)快速變化過程

4.3 PSS補償效果的試驗

對該廠自并勵勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機進行實測。該機組采用自并勵靜止勵磁方式, 由ABB公司Unitrol f型勵磁調(diào)節(jié)器, 全控橋晶閘管整流器、勵磁調(diào)節(jié)器和控制電路組成。在PSS 輸出迭加點加入白噪聲信號, 用動態(tài)信號分析儀測量相頻特性,即勵磁系統(tǒng)滯后特性。現(xiàn)場實測勵磁系統(tǒng)無補償相頻特性見表1。補償采用的PSS參數(shù):Te= 10,T1= 3,T2=0. 1,T3= 5,T4= 0. 1,T5= 0. 05,T6= 0. 09,T7=0. 05,計算的補償特性見表 2 。勵磁系統(tǒng)補償后計算頻率特性見表 3。由表 3 可知, 補償后的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)在0. 1～2Hz頻率范圍內(nèi), 機端電壓滯后PID信號相加點的角度基本滿足 90°±30°的工程要求。

表1 現(xiàn)場實測勵磁系統(tǒng)無補償相頻特性

表2 PSS計算補償特性

表3 勵磁系統(tǒng)補償后計算頻率特性

5 結(jié)論

盡管PSS已是成熟的普遍技術(shù)，但它仍是消除互聯(lián)電網(wǎng)負阻尼低頻振蕩最經(jīng)濟有效的方法。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較小、互聯(lián)程度較低時，系統(tǒng)振蕩不明顯，PSS整定不為人們所關(guān)注。但在當(dāng)今大電網(wǎng)互聯(lián)迅速發(fā)展的情況下，PSS的作用已經(jīng)引起人們的高度重視。PSS(電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)是目前已經(jīng)被證實的最經(jīng)濟有效的阻尼低頻振蕩的手段，也是國際大電網(wǎng)會議推薦的首選措施。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，低頻振蕩的發(fā)生也越來越多，從電廠的實際投入PSS裝置運行以來，能抑制低頻振蕩、加強系統(tǒng)阻尼、提高電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

[1] 楊漢如，閻偉，王濤，楊國清.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）設(shè)計的一種新思路 ［J］.內(nèi)蒙古電力，2008，26(1)：43-45.

[2] 劉增煌，方思立.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的作用及與其他控制方式的比較［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1998，22(3)：4-10.

童端宇 (1990—)，男， 本科，助理工程師，水電運行操作及分析，主要研究方向：勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定應(yīng)用。987188152@qq.com

鄭賢喜 (1977—)，男， 碩士，工程師，主要從事水電運行管理，主要研究方向：電力系統(tǒng)控制安全可靠性。

Power System Stabilizer（PSS） Application in a Power Plant

TONG Duanyu, ZHENG Xianxi
(Xin'An River Hydropower Plant,Jiande 311608,China)

This paper introduces the definition, principle and function of PSS. Analysis of the difference between two kinds of excitation system PSS model of a Power Plant. Through the PSS test shows the PSS of power plant put into operation,increases the damping of the system. On may appear in the system of 0.2 ～ 2.5Hz inter area low frequency oscillation has better inhibition action.

Power system stabilizer; excitation system; PSS;damping low frequency oscillation