PSS在電力系統低頻振蕩中抑制作用的應用分析

廣西桂能科技發展有限公司 陳智杰

由于電力系統結構的擴大和復雜性導致系統的穩定性日益突出，具體體現在系統低頻振蕩影響較為明顯。而在電力系統低頻振蕩時表現在發電機的角速度、轉矩、有功功率等出現周期性的變化，特別集中表現在功率的振蕩，一般情況在局部小規模的擾動作用下會出現單臺發電機與小范圍電力系統間的非同期失步，危害性不大；而在區域性大規模的擾動作用下會在發電機群之間出現明顯的振蕩模式，相比局部小規模這種危害性也就較大。因此電力系統若沒有足夠的阻尼來抑制系統振蕩擾動，則可能導致電力系統失去動態穩定。電力系統低頻振蕩范圍一般在0.1～2.5Hz,其中區域聯絡線之間一般最低頻率約為0.1～0.6Hz；地區聯絡線之間一般最低頻率約為0.7～1.2Hz；發電機與電力系統聯絡線之間一般最低頻率約為1.3～2.5Hz。

1 PSS的基本原理及組成

PSS的基本原理。勵磁調節器在某些工況下會提供負阻尼，這對穩定性不利。由于勵磁裝置中存在阻尼，單機無窮大母線系統的電磁轉矩在Δω與Δδ坐標系中坐標系為第四象限，該象限與速度相位的方向相反，為系統提供負阻尼轉矩，如圖1ΔM2所示。此時，如果可在第一象限中提供額外的電磁轉矩ΔM3，則ΔM2和和ΔM3矢量和ΔM4將移動到Δω與Δδ坐標系中的第一象限中。此時ΔM4為系統提供正同步阻尼扭矩，低頻振蕩將被抑制。通過額外的控制檢測信號，可實現第一象限的附加電磁轉矩ΔM3，這是PSS的基本原理[1]。

圖1 PSS附加轉矩矢量圖

PSS根據其結構可分為兩部分：控制檢測信號。常見的附加輸入信號是ΔF和ΔP。由于這兩個信號可通過電氣測量方法獲得，因此實現相對簡單，并可很容易地轉換為Δω和Δδ。為確保PSS僅在發生低頻振蕩時起作用，控制檢測信號應具有直流檢測信號的隔離，僅允許引入低頻振蕩信號；檢測信號放大器和相位超前裝置。通過合理選擇PSS的放大系數和相位補償角可提高PSS的輸出，控制電壓通過控制器改變勵磁控制電壓，最終達到勵磁裝置正阻尼轉矩的輸出功能[2]。

2 PSS目前存在的問題

標準問題。對于阻尼比的大小要求問題學術界持有很多不同觀點。按照國內目前比較流行的觀點來看，阻尼比小于0.05則屬于弱阻尼，阻尼比大于0.1才屬于強阻尼。也有一部分學者認為阻尼比偏小一些也可滿足要求，標準可適當降低。國家標準規定發電機的阻尼比應該大于0.1。一般機組只有在投入PSS后，阻尼比才有可能達到0.1的新國標要求[3]。

勵磁系統模型的問題。PSS的設計、計算和現場試驗需要提供正確的勵磁系統數學模型，由于模型的推導、建立，理論性較強，受操作人員水平的限制難以完成，建議各電廠在制定訂貨合同或招標書時，就要明確提出由制造廠提供準確的模型和參數。目前勵磁調節器已經微機化，余下少數也多為集成電路產品，完成這一任務應該不困難。要注意的是有一些廠家提供的與實際情況不相符，只是某一指定工況下的勵磁系統模型。這就要求業主的技術人員能夠發現并與廠家溝通完善，特別注意設計好的PSS參數須經試驗或實際運行檢驗。

勵磁系統PSS的性能與分類。PSS信號輸入可分為電磁功率、加速功率、頻率偏差、轉速偏差或復合信號輸入等方式，應用最多的是電磁功率信號。超前滯后環節有1階的、2階的，甚至還有不帶此環節的，從PSS設計的角度來看，采用2階超滯后環節的PSS性能最好，可調整的補償角也最大[4]。對于不同的機組所需的補償角也不同，由于各廠家的設計水平和思想各不相同，因此相應PSS的性能及實用性各不相同。有些廠家的產品不適合進行大角度補償，因此在產品定貨時，建議各電廠在訂貨合同或招標書中應該根據設備的特點提出具體要求。

PSS的參數設計問題：單點最優法。理論上講，按振蕩頻率點設計PSS具有最優補償的效果，但可能在電網結構或者運行方式發生較大變化后效果明顯變差；多點頻率設計PSS參數。在參數設計上應充分考慮本地電網的特點，實現PSS具有較寬的補償頻帶。

PSS的現場試驗問題：廠家的產品應具備必要的測試點來進行試驗。但有些廠家的產品缺少必要的測點、還有些產品由于原理特殊，在應用和檢驗方面尚未有很好、實用的方法。因此在設備訂貨時，提出在PSS的輸入、輸出端和勵磁調節器的電壓相加點處，應預留試驗測點和信號加入點。

3 電力系統低頻運行的危害

在電力系統有功功率出現下降時，系統的頻率相應出現下降，若有功功率缺失較多，頻率缺失就越大。當有功功率嚴重缺失超出額定時，不采取措施及時調整，就會對電力系統帶來嚴重的威脅性。

低頻運行對發電機和系統的危害性：當頻率下降時，汽輪機的末級葉片振動會增大，若頻率低于額定的90%以下時，可能導致汽輪機末級葉片發生共振而斷裂；頻率低于額定的95%時會導致火電廠一些異步電動機出力下降，即鍋爐和汽輪發電機的出力也隨之下降，若不能及時遏制就會出現系統頻率下降，甚至出現頻率嚴重缺失超過額定范圍，最后造成大規模停電或者系統瓦解的結果；當電力系統頻率下降時，會出現異步電動機和變壓器的勵磁電流增加、無功消耗增大，從而導致系統電壓下降。

低頻運行對電力用戶的危害性：電力系統的頻率波動時，可能影響一些供測量或控制的電子設備的準確性，若出現頻率嚴重偏低時甚至還會導致一些設備無法正常運行。當電力系統頻率降低或頻繁波動時會導致電動機的轉速和所帶的機械設備的轉速或者輸出功率有所影響，甚至導致用戶設備的正常運行。

4 電力系統低頻振蕩抑制方法現狀

電力系統在低頻振蕩抑制方法上主要從一次、二次系統方面采取對策。

一次系統方面的對策：對電網增強網架減少相對負荷較重的輸電線路和減少送受電之間的輸電距離；在輸電線路上采用串聯的補償電容，減少電抗；采用可靠的直流輸電方案使得送受電之間減少或不發生功率振蕩；在較長的輸電線路中段布置裝設靜態無功補償器（SVC）作為電壓的支撐作用，并通過靜態無功補償器改善電力系統的動態特性。

二次系統方面的對策：采用目前國內通用的措施在發電機勵磁系統上加裝PSS裝置，達到抑制低頻振蕩所需的附加阻尼力矩，在PSS投入后可以阻尼區域之間的低頻振蕩和阻尼局部范圍的低頻振蕩；在交流并列運行的電力系統中，可以利用兩側頻率調制器的輸入信號如整流側或者逆變側的頻率偏差、兩側的頻率偏差、線路功率偏差、線路電流偏差等抑制區域性的低頻振蕩；在電力系統上選取合適的安裝點和控制策略投入FACTS裝置，提供低頻振蕩的附加阻尼可以起到調節迅速、靈活等特點，對改善電力系統的穩定性具有較好的作用。

5 電力系統產生低頻振蕩的機理

電力系統穩定器（PSS）是一種廣泛應用于發電機勵磁控制的輔助調節器。其作用是改善系統機電振蕩方式的衰減，抑制低頻自激振蕩，減小負荷波動引起的輸電線路的負荷波動，加速負荷功率振蕩的衰減，達到提高電力系統的穩定特性。其基本原理是通過勵磁調節器提供附加的阻尼信號，使發電機產生與轉子角偏差相同的電磁分量。也就是說，PSS輸入信號可以取自同步發動機的電功率差、發動機功角差、軸速差或其組合作為輔助信號，產生正阻尼以補償系統的負衰減，所以整個系統的阻尼系數為正。加入PSS后機組勵磁系統傳遞函數如圖2。

圖2 機組勵磁系統傳遞函數圖

設PSS輸入信號為電磁功率，補償環節的傳遞函數為：

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

其中：Kpss為PSS放大系數，T0為隔離功率信號與直流分量時間常數，Th為為隔離功率信號與高頻分量時間常數，T1、T2、T3、T4為相位補償環節的時間常數。以PSS信號為電磁功率進行分析，其中PSS輸入信號的相位角補償圖如2所示。

電磁功率與電磁轉矩的關系Pe=ωTe，ΔPe≈ΔTe根據轉子運動方程式TjsΔw=ΔTm-ΔTe-DΔω，設發電機機械轉矩增量ΔTm＝0，轉子機械阻尼D=0，可知：發生低頻振蕩時，電磁功率的負偏差（-APe）超前于角速度偏差Δω角度為90度。設PSS補償環節的超前角度為θc，PSS裝置產生的超前角θc-arctg(ωdTh)，從PSS裝置的輸出信號經過勵磁系統和發電機磁場的相位滯后為0E，為了使電磁功率信號產生的附加阻尼的方向必在Δω軸上得到θc-arctg(ωdTh)+90°=|θe|。

圖3 PSS輸入信號相位角補償圖

6 PSS抑制低頻振蕩驗證試驗

依照南方電網PSS參數整定要求，將PSS輸出限制值整定為±10%，驗證PSS輸出限制功能的有效性；將PSS自動投入、退出值整定為20%和18%額定功率，驗證PSS自動投入、退出值的有效性。PSS性能驗證試驗采用的勵磁調節器具體傳遞函數框圖如4。

圖4 勵磁調節器PSS 傳遞函數框圖

分別在機組60%及100%有功負荷（相應的無功出力在零左右）工況下進行定子電壓階躍試驗，驗證PSS整定值的適用性，主要目標是PSS 正阻尼要滿足要求；在PSS輸出限制值有效性驗證試驗中，分別將PSS輸出限制值整定為±10%和±0.01%，在機組有功輸出90%以上額定有功（無功為10%額定無功）的工況下，開展定子電壓階躍試驗，通過對比不同輸出限制值下PSS的阻尼比變化，驗證PSS輸出限制值有效性；在PSS自動投入、退出值有效性驗證試驗中，分別將PSS自動投入、退出值整定為50%、48%，在機組有功輸出55%額定有功（無功為10%額定無功）的工況下，調整機組有功功率，通過觀察轉子電壓變化，驗證PSS自動投入、退出值有效性。

PSS增益整定試驗，在機組有功輸出90%以上額定有功（無功為10%額定無功）的工況下，首先PSS增益ks1取較小值（3.0），投入機組PSS，觀察機組轉子電壓和無功功率波動情況，過程中不斷增大PSS增益Ks1，直到機組轉子電壓和無功功率出現明顯的振蕩，則這時的ks1就是機組PSS臨界增益值；依照南方電網PSS參數整定要求，將機組PSS增益ks1整定為PSS臨界增益值的1/3至1/2；最后，分別在機組有功輸出90%、100%額定有功（無功為10%額定無功）的工況下，開展定子電壓階躍試驗，通過計算PSS的阻尼比大小，驗證PSS增益ks1可用性。

綜上，電力系統在低頻振蕩抑制采取多種對策，目前國內PSS已經成功廣泛應用于電力系統中，由此證明電力系統穩定器對提高電力系統的穩定性和安全性起到關鍵性作用。