李志強 寧夏電力科學(xué)研究院， 銀川市 750011

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對抑制低頻振蕩的作用

李志強 寧夏電力科學(xué)研究院， 銀川市 750011

機端自并勵等勵磁調(diào)節(jié)器的大量使用，使系統(tǒng)產(chǎn)生負阻尼，PSS是一種裝置，它裝在勵磁調(diào)節(jié)器上，以轉(zhuǎn)速偏差、功率偏差、頻率偏差中的一種或兩種信號作為附加控制，增加對系統(tǒng)的正阻尼從而抑制低頻振蕩減少對電力系統(tǒng)的影響

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；低頻振蕩

引言

1 低頻振蕩的產(chǎn)生的原因

低頻振蕩主要是指發(fā)電機控制系統(tǒng)，特別是勵磁調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的附加阻尼為負值，抵消了系統(tǒng)本身所固有的正阻尼，使系統(tǒng)的總阻尼減少或成為負值，以致系統(tǒng)在擾動作用后的功率振蕩長久不能平息，導(dǎo)致自發(fā)的低頻振蕩。電力系統(tǒng)低頻振蕩可以分為地區(qū)振蕩模式和聯(lián)絡(luò)線振蕩模式，地區(qū)振蕩模式是指一個發(fā)電廠一臺或多臺發(fā)電機組一起相對于電力系統(tǒng)或負荷中心產(chǎn)生的頻率范圍在0.7Hz～2Hz左右的振蕩模式。聯(lián)絡(luò)線是指電力系統(tǒng)中一部分機群相對于另一部分機群的擺動，振蕩頻率一般小于0.5Hz，低頻振蕩發(fā)生的原因有以下幾種：

1.1 沒有作動態(tài)穩(wěn)定性分析，無任何措施。

1.2 相關(guān)電廠沒執(zhí)行投PSS的指令。

1.3 進行動態(tài)穩(wěn)定性分析時采用的勵磁系統(tǒng)的模型或參數(shù)與實際不符。

1.4 關(guān)鍵電廠PSS雖投運，但由于勵磁設(shè)備設(shè)計缺陷，在伏/赫限制動作時將PSS閉鎖。

1.5 系統(tǒng)配置的PSS數(shù)量不足，不能滿足事故后運行方式的需要。

低頻振蕩會引起聯(lián)絡(luò)線過流跳閘或造成系統(tǒng)與系統(tǒng)或機組與系統(tǒng)之間的失步而解列，造成電網(wǎng)事故擴大化，解決低頻振蕩問題是電網(wǎng)安全運行的重要課題。

研究表明，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，大容量發(fā)電機組普遍使用機端自并勵勵磁調(diào)節(jié)器，這些設(shè)備的大量使用，削弱了系統(tǒng)阻尼甚至使系統(tǒng)產(chǎn)生負阻尼，例如：發(fā)電機在正常運行條件下，以發(fā)電機端電壓為負反饋量的發(fā)電機閉環(huán)勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，當轉(zhuǎn)子功率角發(fā)生振蕩時，勵磁系統(tǒng)提供的勵磁電流的相位滯后于轉(zhuǎn)子功率角，在某一頻率下，當滯后角度達到180°時，原來的負反饋變?yōu)檎答?，勵磁電流的變化進一步導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子功率角的振蕩，即產(chǎn)生了所謂的“負阻尼力矩”，這是快速勵磁調(diào)節(jié)器過分靈敏時產(chǎn)生振蕩的原因。于是，我們可以在勵磁系統(tǒng)中采用某個附加信號，經(jīng)過相位補償，使其產(chǎn)生正阻尼轉(zhuǎn)矩并且用硬件加以實現(xiàn)，這就是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power system stabilizer），簡稱PSS。

PSS是一種裝置，它是在自動電壓調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上以轉(zhuǎn)速偏差、功率偏差、頻率偏差中的一種或兩種信號作為附加控制，增加對電力系統(tǒng)機電振蕩的阻尼，以增強電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在勵磁系統(tǒng)中利用附加控制，產(chǎn)生附加阻尼轉(zhuǎn)矩，增加正阻尼抑制低頻振蕩，這就是使用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的目的所在。

2 如何利用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器解決低頻振蕩

2.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的作用

2.1.1 提高輸送功率極限；

2.1.2 減少低頻振蕩；

2.1.3 降低功率振蕩。

2.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的原理

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器可以產(chǎn)生正阻尼的轉(zhuǎn)矩，不僅抵消了勵磁調(diào)節(jié)器自身產(chǎn)生的負阻尼轉(zhuǎn)矩，還提供正阻尼轉(zhuǎn)矩。如圖1，我們可以看到：發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩可分為同步轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩，同步轉(zhuǎn)矩與Δδ同相位，阻尼轉(zhuǎn)矩與Δω同相位，如果同步轉(zhuǎn)矩不足，功角非周期性增長將發(fā)生滑行失步；如果阻尼轉(zhuǎn)矩為負值，系統(tǒng)出現(xiàn)增幅的低頻振蕩而造成失去同步將發(fā)生振蕩失步。

圖1 阻尼轉(zhuǎn)矩相量圖

電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩Δ Me落后Δδ的相位為φx，在多數(shù)情況下決定發(fā)電機轉(zhuǎn)子振蕩的量Δδ、Δω是與機械慣性時間常數(shù)有關(guān)的，它的振蕩頻率最低且衰減較慢。如果我們能產(chǎn)生一個足夠大的純粹的正阻尼轉(zhuǎn)矩Δ Mp,則Δ Mp與Δ Me的合成轉(zhuǎn)矩ΔMD就位于第一象限，而它的兩個分量—同步轉(zhuǎn)矩及阻尼轉(zhuǎn)矩都是正的。正阻尼轉(zhuǎn)矩Δ Mp是在電壓調(diào)節(jié)器輸入一個附加信號Δ Us來產(chǎn)生的，所以要使ΔUs產(chǎn)生純粹正阻尼轉(zhuǎn)矩（相位上與轉(zhuǎn)速同方向），ΔUs的相位必須領(lǐng)先Δω軸φx角，這樣輸入電壓調(diào)節(jié)器后，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器及勵磁系統(tǒng)的滯后，剛好可以產(chǎn)生純粹正阻尼的轉(zhuǎn)矩，從而以一種相位補償?shù)姆绞教峁┱枘徂D(zhuǎn)矩。

為抵消勵磁調(diào)節(jié)器帶來的負阻尼轉(zhuǎn)矩并加強機組的正阻尼，必須輸入一個與低頻振蕩相關(guān)的電氣量，如Δω經(jīng)過一定的超前或滯后的相位校正，再按一定的增益倍數(shù)放大后，疊加到勵磁調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，該附加控制分量將在發(fā)電機中產(chǎn)生一附加轉(zhuǎn)矩，通過設(shè)計和計算，使該附加轉(zhuǎn)矩與Δω同相，則該附加轉(zhuǎn)矩即對低頻振蕩起到阻尼作用。

PSS需要測量與振蕩有關(guān)的量，如加速功率、轉(zhuǎn)速（頻率），但是轉(zhuǎn)速和加速功率測量困難。加速功率（Pa）等于機械功率（Pm）減去電氣功率（Pe），當機械功率變化比電氣功率慢得多時近似認為ΔPa=-Δ Pe（加速轉(zhuǎn)矩）。電氣功率容易測量，因此常用的PSS采用發(fā)電機有功功率作為PSS信號，稱有功PSS。與轉(zhuǎn)速信號相比，有功功率信號具有信號強、不易引入干擾、不會激發(fā)軸系扭振的特點。

3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器抑制低頻振蕩的試驗方法

3.1 試驗的目的

3.1.1 設(shè)計PSS，使之滿足在整個低頻振蕩頻率段上均能提供良好的正阻尼，而且還不會對電網(wǎng)內(nèi)的其它振蕩模式和運行方式產(chǎn)生副作用。

3.1.2 進行電網(wǎng)典型運行方式下PSS的頻域和時域驗證計算，篩選出用于現(xiàn)場試驗用的參數(shù)組。

3.2 試驗條件

系統(tǒng)母線電壓維持在1.0～1.1倍額定電壓之間，廠用母線電壓維持在0.95～1.05倍額定電壓之間，發(fā)電機端電壓維持在0.95～1.05倍額定電壓之間，發(fā)電機定子電流不應(yīng)超過1.1倍額定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流不應(yīng)超過1.1倍額定值，機組有功應(yīng)大于80%額定有功，無功應(yīng)應(yīng)小于20%額定無功，在勵磁調(diào)節(jié)器電壓閉環(huán)控制狀態(tài)下，加入白噪聲信號并迭加到電壓給定值上，利用頻譜儀對機端電壓和白噪聲信號進行分析，獲得勵磁系統(tǒng)在0.1Hz～2.5Hz范圍內(nèi)的相頻特性

3.3 試驗過程簡介

3.3.1 參數(shù)整定

針對勵磁系統(tǒng)的相頻特性，整定PSS環(huán)節(jié)的相頻特性，即整定二階超前和滯后時間及增益。

3.3.2 效果驗證

做機組的電壓擾動試驗（一般在2%～3%左右），使機組產(chǎn)生有功振蕩，比較不投PSS和投入不同參數(shù)的PSS的各個波形，根據(jù)有功的振蕩次數(shù)、幅值等，分析不同參數(shù)下的PSS抑制低頻振蕩的效果，選取最優(yōu)的一組為最終參數(shù)。

3.3.3 臨界增益試驗[1]

投入PSS功能，不斷增加PSS的增益，直至勵磁電壓和勵磁電流在穩(wěn)定運行時發(fā)生波動，此即為PSS的臨界增益值，PSS的輸入信號為電功率時使用增益可取臨界增益的1/3～1/5，當PSS的輸入信號為Δf或Δω時，使用增益可取臨界增益的1/2～1/3。

3.3.4 反調(diào)試驗[2]

反調(diào)[4]是指因PSS的原因，原動機輸出功率ΔPm遠大于ΔPa且ΔPe遠大于ΔPa時，有功PSS得到的信號遠大于需要的信號ΔPa，造成不必要的勵磁電壓和無功功率大幅變化。這種因采用有功PSS及原動機出力變化引起勵磁電壓和無功功率大幅變化的現(xiàn)象稱為反調(diào)。反調(diào)是由采用發(fā)電機有功功率信號的PSS造成的，無PSS和轉(zhuǎn)速PSS不產(chǎn)生反調(diào)。

投入PSS功能，調(diào)整機組有功，按每分鐘20%有功調(diào)整，觀察有無“反調(diào)”現(xiàn)象，若反調(diào)現(xiàn)象明顯，則應(yīng)在有功增、減時閉鎖PSS輸出。

4 結(jié)語

隨著電網(wǎng)的擴大、輸電距離的增加，電網(wǎng)的小干擾穩(wěn)定性減弱，最為經(jīng)濟的措施是投入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）當系統(tǒng)發(fā)生0.9Hz的低頻持續(xù)振蕩投入PSS，經(jīng)過1～2周期（2s以內(nèi)）振蕩就可以完全平息了。不論以電功率Pe為信號的穩(wěn)定器或是以頻率f為信號的穩(wěn)定器，平息低頻振蕩的效果都十分顯著。

［1］DL/T843-2003.大型汽輪發(fā)電機交流勵磁機勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件

［2］Q/GDW 143-2006.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗導(dǎo)則

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.012

李志強（1974-），男，工程師，從事繼電保護及勵磁試驗方面的工作。