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(lì)磁系統(tǒng)PSS模型的區(qū)別，通過(guò)PSS試驗(yàn)得出了電廠PSS投入運(yùn)行，增加了系統(tǒng)的阻尼，對(duì)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(lì)磁系統(tǒng)；PSS；阻尼；低頻振蕩

0 引言

隨著近幾年來(lái)，自并勵(lì)靜止晶閘管微機(jī)勵(lì)磁方式在同步發(fā)電機(jī)組上的廣泛應(yīng)用，大大縮短了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。快速勵(lì)磁系統(tǒng)在提高系統(tǒng)響應(yīng)速度的同時(shí)，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(fù)阻尼，導(dǎo)致系統(tǒng)抑制自身振蕩的能力下降。當(dāng)振蕩嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞互連系統(tǒng)的并列運(yùn)行，造成大面積停電。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究及實(shí)踐,目前消除互聯(lián)電網(wǎng)負(fù)阻尼低頻振蕩最經(jīng)濟(jì)有效的方法就是投入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer，簡(jiǎn)稱 PSS)。

1 電廠簡(jiǎn)介

某電廠地處浙江西部，共有9臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)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(yuǎn)離負(fù)荷中心，通過(guò)長(zhǎng)距離向外輸送電力。一般來(lái)說(shuō)對(duì)于電網(wǎng)的運(yùn)行控制上，可以通過(guò)增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，減少重負(fù)荷輸電線路，減少送、受端間的電氣距離；采用串聯(lián)補(bǔ)償電容，減少送受電端的電氣距離；在長(zhǎng)距離輸電線中部裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償器做電壓支撐，并通過(guò)其控制系統(tǒng)改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。在系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，采取切機(jī)甚至解列等措施來(lái)有效控制低頻振蕩?，F(xiàn)如今電廠勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)靜止晶閘管微機(jī)勵(lì)磁方式，共有兩個(gè)生產(chǎn)廠家，5、7、8號(hào)機(jī)采用南瑞SAVR-2000型，自帶PSS；其余機(jī)組采用ABB公司Unitrol f型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，也自帶PSS。電廠采用三機(jī)一變的擴(kuò)大單元接線，2006年底完成機(jī)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(jī)組勵(lì)磁裝置需投入PSS，以確保改造后系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 PSS原理及作用

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

所謂阻尼就是阻止擾動(dòng)，平息振蕩。負(fù)阻尼跟阻尼相反，打個(gè)比方：在蕩秋千的時(shí)候，當(dāng)把秋千蕩起來(lái)就撒手，這個(gè)秋千就會(huì)在地球引力和機(jī)械摩擦阻力下逐步停止搖擺，這個(gè)阻力就相當(dāng)于電力系統(tǒng)的阻尼。當(dāng)我們?cè)诓粩嗟氖幥锴У倪^(guò)程中，給秋千的動(dòng)力相對(duì)于阻力來(lái)說(shuō)，就是一種負(fù)阻尼。正是由于動(dòng)力（負(fù)阻尼）較多了秋千的阻力（阻尼）而使秋千蕩起來(lái)，并且一直蕩下去不會(huì)停止。穩(wěn)定運(yùn)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(gè)擾動(dòng)的時(shí)候，電力系統(tǒng)就會(huì)逐步穩(wěn)定下來(lái)。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(fù)阻尼，這個(gè)擾動(dòng)所引起的振蕩就不會(huì)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(dòng)電壓調(diào)節(jié)器按照發(fā)電機(jī)端電壓偏差ΔU進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)電力系統(tǒng)的無(wú)功缺少使機(jī)端電壓減少時(shí)，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器就增加勵(lì)磁電流，以保持機(jī)端電壓的恒定。但當(dāng)電力系統(tǒng)的有功發(fā)生變化，運(yùn)行中的功角也會(huì)變化，進(jìn)而引起ΔU的微小變化。對(duì)于現(xiàn)代自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)，其放大倍數(shù)高且反應(yīng)靈敏，調(diào)節(jié)器就會(huì)對(duì)這種因功角變化引起ΔU的微小變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組具有較大的時(shí)間常數(shù)，其勵(lì)磁輸出電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相對(duì)于輸入信號(hào)Δδ必然有一定的延時(shí)，正是這種延時(shí)，使得自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器對(duì)于電力系統(tǒng)阻尼而言不是加強(qiáng)而是減少。于是，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生了負(fù)阻尼。對(duì)于老式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)，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(shuō)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器沒有產(chǎn)生負(fù)阻尼。

對(duì)于僅以機(jī)端電壓為調(diào)節(jié)對(duì)象的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)，當(dāng)電力系統(tǒng)無(wú)功變化時(shí)應(yīng)該進(jìn)行調(diào)節(jié)。而當(dāng)電力系統(tǒng)有功變化時(shí)不應(yīng)該進(jìn)行調(diào)節(jié)，一旦參與調(diào)節(jié)就會(huì)產(chǎn)生負(fù)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(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，通過(guò)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器PSS裝置附加控制提供正阻尼，以補(bǔ)償調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的負(fù)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(biāo)準(zhǔn)《IEEE Std 421.5—2005 IEEE推薦的電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究用勵(lì)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(hào)機(jī)采用ABB公司Unitrol f型勵(lì)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(hào)輸入的PSS2A型（見圖1）；5、7、8號(hào)機(jī)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(hào)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(hào)機(jī)）

圖2 PSS2B型傳遞函數(shù)模型框圖（5、7、8號(hào)機(jī)）

PSS2A型和PSS2B型兩者都是雙輸入PSS，都是采用加速功率計(jì)算原理。唯一的區(qū)別是PSS2A只有兩級(jí)超前滯后環(huán)節(jié)，而PSS2B具有三級(jí)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(jì)60年代，北美學(xué)者Concadia和DeMello采用考慮發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢(shì)E′q變化的飛利普斯—海佛容（Phillips-Heffrom）模型（單機(jī)——無(wú)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(yùn)行條件下（例如遠(yuǎn)距離、重負(fù)荷等），自動(dòng)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(fù)阻尼力矩分量；當(dāng)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)阻尼分量超過(guò)發(fā)電機(jī)的固有正阻尼分量時(shí)，就會(huì)發(fā)生低頻振蕩，電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)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(yàn)

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(biāo)準(zhǔn)。以該廠2號(hào)機(jī)為例，在給機(jī)組3%小階躍響應(yīng)過(guò)程中，隨著有功的增加，端電流增加，PSS作用減小勵(lì)磁電流，減小無(wú)功，減小電磁功率，來(lái)抑制機(jī)組的有功增加。PSS使得勵(lì)磁變化波形與有功相反。PSS起作用只是個(gè)短暫過(guò)程，在振蕩時(shí)，有功突然增加，PSS減小勵(lì)磁，有功突然減小，PSS增加勵(lì)磁。這個(gè)過(guò)程只是為了給有功變化一個(gè)緩沖，從而平息有功波動(dòng)。如圖3所示，觀察勵(lì)磁電壓的響應(yīng)過(guò)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(jī)組3%小階躍響應(yīng)

4.2 反調(diào)試驗(yàn)

無(wú)功功率的“反調(diào)”是指增加機(jī)械功率輸入時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功功率會(huì)減少；相反，在減少機(jī)械功率輸入時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功功率會(huì)增加。PSS的原理是通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)的作用抑制有功功率的低頻振蕩，可以說(shuō)PSS是通過(guò)無(wú)功功率的波動(dòng)來(lái)抑制有功功率的波動(dòng)。采用單一電功率輸入信號(hào)的PSS在調(diào)整機(jī)組的機(jī)械功率輸入時(shí)會(huì)出現(xiàn)無(wú)功功率的“反調(diào)”現(xiàn)象。該廠采用雙輸入PSS，一個(gè)輸入量是ω，一個(gè)是P，三級(jí)超前滯后環(huán)節(jié)。其原理是利用ω和P計(jì)算發(fā)電機(jī)機(jī)械功率ΔPm和電磁功率ΔPe，二者相減得到發(fā)電機(jī)的加速功率ΔPa，這樣當(dāng)機(jī)組單方向增負(fù)荷或單方向減負(fù)荷時(shí)，加速功率等于零，PSS不起作用即不產(chǎn)生無(wú)功反調(diào)。只有當(dāng)機(jī)組有功增減變化即振動(dòng)時(shí)，PSS才起作用，抑制系統(tǒng)低頻振蕩。

以該廠8號(hào)機(jī)為例，當(dāng)機(jī)組有功負(fù)荷從90MW下降到80MW再上升到90MW的連續(xù)快速變化過(guò)程，大約經(jīng)歷了40s，平均調(diào)節(jié)速度為0.5%/s。在此試驗(yàn)過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)無(wú)功功率與有功功率調(diào)整方向相反的變換，機(jī)端電壓和無(wú)功功率基本保持穩(wěn)定，見圖4。由此判斷，在報(bào)告所示的參數(shù)配置下，PSS投入閉環(huán)沒有給勵(lì)磁控制系統(tǒng)帶來(lái)功率反調(diào)問(wèn)題，可以投入實(shí)際運(yùn)行。

圖4 機(jī)組有功負(fù)荷從90%下降到80%再上升到90%的連續(xù)快速變化過(guò)程

4.3 PSS補(bǔ)償效果的試驗(yàn)

對(duì)該廠自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)。該機(jī)組采用自并勵(lì)靜止勵(lì)磁方式, 由ABB公司Unitrol f型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器, 全控橋晶閘管整流器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和控制電路組成。在PSS 輸出迭加點(diǎn)加入白噪聲信號(hào), 用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量相頻特性,即勵(lì)磁系統(tǒng)滯后特性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償相頻特性見表1。補(bǔ)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(jì)算的補(bǔ)償特性見表 2 。勵(lì)磁系統(tǒng)補(bǔ)償后計(jì)算頻率特性見表 3。由表 3 可知, 補(bǔ)償后的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在0. 1～2Hz頻率范圍內(nèi), 機(jī)端電壓滯后PID信號(hào)相加點(diǎn)的角度基本滿足 90°±30°的工程要求。

表1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償相頻特性

表2 PSS計(jì)算補(bǔ)償特性

表3 勵(lì)磁系統(tǒng)補(bǔ)償后計(jì)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(fù)阻尼低頻振蕩最經(jīng)濟(jì)有效的方法。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較小、互聯(lián)程度較低時(shí)，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(shí)的最經(jīng)濟(jì)有效的阻尼低頻振蕩的手段，也是國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議推薦的首選措施。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，低頻振蕩的發(fā)生也越來(lái)越多，從電廠的實(shí)際投入PSS裝置運(yùn)行以來(lái)，能抑制低頻振蕩、加強(qiáng)系統(tǒng)阻尼、提高電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

[1] 楊漢如，閻偉，王濤，楊國(guó)清.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）設(shè)計(jì)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(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)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(yùn)行操作及分析，主要研究方向：勵(lì)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(yùn)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