廣西桂能科技發(fā)展有限公司 陳智杰

由于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大和復(fù)雜性導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性日益突出，具體體現(xiàn)在系統(tǒng)低頻振蕩影響較為明顯。而在電力系統(tǒng)低頻振蕩時(shí)表現(xiàn)在發(fā)電機(jī)的角速度、轉(zhuǎn)矩、有功功率等出現(xiàn)周期性的變化，特別集中表現(xiàn)在功率的振蕩，一般情況在局部小規(guī)模的擾動作用下會出現(xiàn)單臺發(fā)電機(jī)與小范圍電力系統(tǒng)間的非同期失步，危害性不大；而在區(qū)域性大規(guī)模的擾動作用下會在發(fā)電機(jī)群之間出現(xiàn)明顯的振蕩模式，相比局部小規(guī)模這種危害性也就較大。因此電力系統(tǒng)若沒有足夠的阻尼來抑制系統(tǒng)振蕩擾動，則可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)失去動態(tài)穩(wěn)定。電力系統(tǒng)低頻振蕩范圍一般在0.1～2.5Hz,其中區(qū)域聯(lián)絡(luò)線之間一般最低頻率約為0.1～0.6Hz；地區(qū)聯(lián)絡(luò)線之間一般最低頻率約為0.7～1.2Hz；發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)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(diào)節(jié)器在某些工況下會提供負(fù)阻尼，這對穩(wěn)定性不利。由于勵磁裝置中存在阻尼，單機(jī)無窮大母線系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩在Δω與Δδ坐標(biāo)系中坐標(biāo)系為第四象限，該象限與速度相位的方向相反，為系統(tǒng)提供負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩，如圖1ΔM2所示。此時(shí)，如果可在第一象限中提供額外的電磁轉(zhuǎn)矩ΔM3，則ΔM2和和ΔM3矢量和ΔM4將移動到Δω與Δδ坐標(biāo)系中的第一象限中。此時(shí)ΔM4為系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)第一象限的附加電磁轉(zhuǎn)矩ΔM3，這是PSS的基本原理[1]。

圖1 PSS附加轉(zhuǎn)矩矢量圖

PSS根據(jù)其結(jié)構(gòu)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(gè)信號可通過電氣測量方法獲得，因此實(shí)現(xiàn)相對簡單，并可很容易地轉(zhuǎn)換為Δω和Δδ。為確保PSS僅在發(fā)生低頻振蕩時(shí)起作用，控制檢測信號應(yīng)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(shù)和相位補(bǔ)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(dá)到勵磁裝置正阻尼轉(zhuǎn)矩的輸出功能[2]。

2 PSS目前存在的問題

標(biāo)準(zhǔn)問題。對于阻尼比的大小要求問題學(xué)術(shù)界持有很多不同觀點(diǎn)。按照國內(nèi)目前比較流行的觀點(diǎn)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(qiáng)阻尼。也有一部分學(xué)者認(rèn)為阻尼比偏小一些也可滿足要求，標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)降低。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定發(fā)電機(jī)的阻尼比應(yīng)該大于0.1。一般機(jī)組只有在投入PSS后，阻尼比才有可能達(dá)到0.1的新國標(biāo)要求[3]。

勵磁系統(tǒng)模型的問題。PSS的設(shè)計(jì)、計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)需要提供正確的勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，由于模型的推導(dǎo)、建立，理論性較強(qiáng)，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(biāo)書時(shí)，就要明確提出由制造廠提供準(zhǔn)確的模型和參數(shù)。目前勵磁調(diào)節(jié)器已經(jīng)微機(jī)化，余下少數(shù)也多為集成電路產(chǎn)品，完成這一任務(wù)應(yīng)該不困難。要注意的是有一些廠家提供的與實(shí)際情況不相符，只是某一指定工況下的勵磁系統(tǒng)模型。這就要求業(yè)主的技術(shù)人員能夠發(fā)現(xiàn)并與廠家溝通完善，特別注意設(shè)計(jì)好的PSS參數(shù)須經(jīng)試驗(yàn)或?qū)嶋H運(yùn)行檢驗(yàn)。

勵磁系統(tǒng)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(zhuǎn)速偏差或復(fù)合信號輸入等方式，應(yīng)用最多的是電磁功率信號。超前滯后環(huán)節(jié)有1階的、2階的，甚至還有不帶此環(huán)節(jié)的，從PSS設(shè)計(jì)的角度來看，采用2階超滯后環(huán)節(jié)的PSS性能最好，可調(diào)整的補(bǔ)償角也最大[4]。對于不同的機(jī)組所需的補(bǔ)償角也不同，由于各廠家的設(shè)計(jì)水平和思想各不相同，因此相應(yīng)PSS的性能及實(shí)用性各不相同。有些廠家的產(chǎn)品不適合進(jìn)行大角度補(bǔ)償，因此在產(chǎn)品定貨時(shí)，建議各電廠在訂貨合同或招標(biāo)書中應(yīng)該根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)提出具體要求。

PSS的參數(shù)設(shè)計(jì)問題：單點(diǎn)最優(yōu)法。理論上講，按振蕩頻率點(diǎn)設(shè)計(jì)PSS具有最優(yōu)補(bǔ)償?shù)男Ч?，但可能在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或者運(yùn)行方式發(fā)生較大變化后效果明顯變差；多點(diǎn)頻率設(shè)計(jì)PSS參數(shù)。在參數(shù)設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮本地電網(wǎng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)PSS具有較寬的補(bǔ)償頻帶。

PSS的現(xiàn)場試驗(yàn)問題：廠家的產(chǎn)品應(yīng)具備必要的測試點(diǎn)來進(jìn)行試驗(yàn)。但有些廠家的產(chǎn)品缺少必要的測點(diǎn)、還有些產(chǎn)品由于原理特殊，在應(yīng)用和檢驗(yàn)方面尚未有很好、實(shí)用的方法。因此在設(shè)備訂貨時(shí)，提出在PSS的輸入、輸出端和勵磁調(diào)節(jié)器的電壓相加點(diǎn)處，應(yīng)預(yù)留試驗(yàn)測點(diǎn)和信號加入點(diǎn)。

3 電力系統(tǒng)低頻運(yùn)行的危害

在電力系統(tǒng)有功功率出現(xiàn)下降時(shí)，系統(tǒng)的頻率相應(yīng)出現(xiàn)下降，若有功功率缺失較多，頻率缺失就越大。當(dāng)有功功率嚴(yán)重缺失超出額定時(shí)，不采取措施及時(shí)調(diào)整，就會對電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的威脅性。

低頻運(yùn)行對發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的危害性：當(dāng)頻率下降時(shí)，汽輪機(jī)的末級葉片振動會增大，若頻率低于額定的90%以下時(shí)，可能導(dǎo)致汽輪機(jī)末級葉片發(fā)生共振而斷裂；頻率低于額定的95%時(shí)會導(dǎo)致火電廠一些異步電動機(jī)出力下降，即鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)的出力也隨之下降，若不能及時(shí)遏制就會出現(xiàn)系統(tǒng)頻率下降，甚至出現(xiàn)頻率嚴(yán)重缺失超過額定范圍，最后造成大規(guī)模停電或者系統(tǒng)瓦解的結(jié)果；當(dāng)電力系統(tǒng)頻率下降時(shí)，會出現(xiàn)異步電動機(jī)和變壓器的勵磁電流增加、無功消耗增大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降。

低頻運(yùn)行對電力用戶的危害性：電力系統(tǒng)的頻率波動時(shí)，可能影響一些供測量或控制的電子設(shè)備的準(zhǔn)確性，若出現(xiàn)頻率嚴(yán)重偏低時(shí)甚至還會導(dǎo)致一些設(shè)備無法正常運(yùn)行。當(dāng)電力系統(tǒng)頻率降低或頻繁波動時(shí)會導(dǎo)致電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和所帶的機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速或者輸出功率有所影響，甚至導(dǎo)致用戶設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制方法現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)在低頻振蕩抑制方法上主要從一次、二次系統(tǒng)方面采取對策。

一次系統(tǒng)方面的對策：對電網(wǎng)增強(qiáng)網(wǎng)架減少相對負(fù)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(lián)的補(bǔ)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(fā)生功率振蕩；在較長的輸電線路中段布置裝設(shè)靜態(tài)無功補(bǔ)償器（SVC）作為電壓的支撐作用，并通過靜態(tài)無功補(bǔ)償器改善電力系統(tǒng)的動態(tài)特性。

二次系統(tǒng)方面的對策：采用目前國內(nèi)通用的措施在發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)上加裝PSS裝置，達(dá)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(qū)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(yùn)行的電力系統(tǒng)中，可以利用兩側(cè)頻率調(diào)制器的輸入信號如整流側(cè)或者逆變側(cè)的頻率偏差、兩側(cè)的頻率偏差、線路功率偏差、線路電流偏差等抑制區(qū)域性的低頻振蕩；在電力系統(tǒng)上選取合適的安裝點(diǎn)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(diào)節(jié)迅速、靈活等特點(diǎn)，對改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有較好的作用。

5 電力系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩的機(jī)理

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）是一種廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)勵磁控制的輔助調(diào)節(jié)器。其作用是改善系統(tǒng)機(jī)電振蕩方式的衰減，抑制低頻自激振蕩，減小負(fù)荷波動引起的輸電線路的負(fù)荷波動，加速負(fù)荷功率振蕩的衰減，達(dá)到提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定特性。其基本原理是通過勵磁調(diào)節(jié)器提供附加的阻尼信號，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)的電功率差、發(fā)動機(jī)功角差、軸速差或其組合作為輔助信號，產(chǎn)生正阻尼以補(bǔ)償系統(tǒng)的負(fù)衰減，所以整個(gè)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)為正。加入PSS后機(jī)組勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)如圖2。

圖2 機(jī)組勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖

設(shè)PSS輸入信號為電磁功率，補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)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(shù)，T0為隔離功率信號與直流分量時(shí)間常數(shù)，Th為為隔離功率信號與高頻分量時(shí)間常數(shù)，T1、T2、T3、T4為相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。以PSS信號為電磁功率進(jìn)行分析，其中PSS輸入信號的相位角補(bǔ)償圖如2所示。

電磁功率與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系Pe=ωTe，ΔPe≈ΔTe根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程式TjsΔw=ΔTm-ΔTe-DΔω，設(shè)發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩增量ΔTm＝0，轉(zhuǎn)子機(jī)械阻尼D=0，可知：發(fā)生低頻振蕩時(shí)，電磁功率的負(fù)偏差（-APe）超前于角速度偏差Δω角度為90度。設(shè)PSS補(bǔ)償環(huán)節(jié)的超前角度為θc，PSS裝置產(chǎn)生的超前角θc-arctg(ωdTh)，從PSS裝置的輸出信號經(jīng)過勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)磁場的相位滯后為0E，為了使電磁功率信號產(chǎn)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(bǔ)償圖

6 PSS抑制低頻振蕩驗(yàn)證試驗(yàn)

依照南方電網(wǎng)PSS參數(shù)整定要求，將PSS輸出限制值整定為±10%，驗(yàn)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(yàn)證PSS自動投入、退出值的有效性。PSS性能驗(yàn)證試驗(yàn)采用的勵磁調(diào)節(jié)器具體傳遞函數(shù)框圖如4。

圖4 勵磁調(diào)節(jié)器PSS 傳遞函數(shù)框圖

分別在機(jī)組60%及100%有功負(fù)荷（相應(yīng)的無功出力在零左右）工況下進(jìn)行定子電壓階躍試驗(yàn)，驗(yàn)證PSS整定值的適用性，主要目標(biāo)是PSS 正阻尼要滿足要求；在PSS輸出限制值有效性驗(yàn)證試驗(yàn)中，分別將PSS輸出限制值整定為±10%和±0.01%，在機(jī)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(yàn)，通過對比不同輸出限制值下PSS的阻尼比變化，驗(yàn)證PSS輸出限制值有效性；在PSS自動投入、退出值有效性驗(yàn)證試驗(yàn)中，分別將PSS自動投入、退出值整定為50%、48%，在機(jī)組有功輸出55%額定有功（無功為10%額定無功）的工況下，調(diào)整機(jī)組有功功率，通過觀察轉(zhuǎn)子電壓變化，驗(yàn)證PSS自動投入、退出值有效性。

PSS增益整定試驗(yàn)，在機(jī)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(jī)組PSS，觀察機(jī)組轉(zhuǎn)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(jī)組轉(zhuǎn)子電壓和無功功率出現(xiàn)明顯的振蕩，則這時(shí)的ks1就是機(jī)組PSS臨界增益值；依照南方電網(wǎng)PSS參數(shù)整定要求，將機(jī)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(jī)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(yàn)，通過計(jì)算PSS的阻尼比大小，驗(yàn)證PSS增益ks1可用性。

綜上，電力系統(tǒng)在低頻振蕩抑制采取多種對策，目前國內(nèi)PSS已經(jīng)成功廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，由此證明電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性起到關(guān)鍵性作用。