電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）及其在三峽機組的應(yīng)用

1、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）及其在三峽機組的應(yīng)用彭煒東，薛福文（三峽水力發(fā)電廠，湖北宜昌市，443113）摘要：介紹了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的基本原理及設(shè)計方法，針對全國聯(lián)網(wǎng)對三峽機組PSS要求，比較了不同類型的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在三峽機組上的使用情況及存在的問題，最終確定了一種適合的三峽機組的模型。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；阻尼；低頻振蕩；反調(diào)作者簡介：彭煒東（1968），碩士，男，高級工程師，長期從事勵磁系統(tǒng)的檢修和維護工作，現(xiàn)從事水電廠二次設(shè)備的管理工作。作者照片：彭煒東（左三）、邵顯鈞（左一）、王思南（左二）、陳小明（右三）、曾濤（右二）、王波（右一）在中國電機工程學(xué)會大電機專委會勵磁分專業(yè)委員會（海南

2、三亞會議）上合影。1. 前言隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴大，大電網(wǎng)存在的問題也逐步顯現(xiàn)出來，美國、英國、意大利等國都相繼發(fā)生過大規(guī)模的停電事故，各國專家對大電網(wǎng)存在的問題也越來越關(guān)注，其中大電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題一直是專家們關(guān)注的焦點。低頻振蕩是影響電網(wǎng)穩(wěn)定性的一個重要因素，對低頻振蕩的抑制早在70年代就有了比較成熟的方法，其中最典型的就是采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)。2. PSS的基本原理電力系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩的原因很多，其中主要原因是電網(wǎng)構(gòu)架薄弱，各區(qū)域電網(wǎng)之間的阻尼較小，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時，會出現(xiàn)功率的振蕩，弱阻尼系統(tǒng)不能依靠自身的阻尼來平息振蕩，從而使得振蕩得到進一步的放大。因此，要防止

3、低頻振蕩，就要增加系統(tǒng)的正阻尼，減小負阻尼。有很多方法都可以達到這個目的，如改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改變運行方式、減小聯(lián)絡(luò)線的輸送功率、調(diào)整勵磁調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)等，但最為有效且經(jīng)濟的方法是采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）。發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)是一個由多個慣性環(huán)節(jié)組成的反饋控制系統(tǒng)。從勵磁調(diào)節(jié)器的信號測量到發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組，每一個環(huán)節(jié)都具有慣性，其中主要的慣性是發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組。因此，總體來看，勵磁系統(tǒng)是一個滯后環(huán)節(jié)。正是由于這種滯后性，使得在系統(tǒng)低頻振蕩時，勵磁電流的變化滯后于轉(zhuǎn)子角的變化，加劇了轉(zhuǎn)子角的擺動，也就是提供了負的阻尼。PSS的任務(wù)就是抵消這種負的阻尼，同時還要提供正的阻尼。為了便于說明PSS是如何

4、提供正的阻尼的，建立一個平面坐標(biāo)系，在平面上，和轉(zhuǎn)子速度變化同相的力矩是正阻尼力矩，反相的是負阻尼力矩，和角度變化同相的力矩是正同步力矩，反相的為負同步力矩。在電力系統(tǒng)中并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，它穩(wěn)定運行的必要條件是具有正的阻尼力矩系數(shù)和正的同步力矩系數(shù)。當(dāng)阻尼力矩系數(shù)為負時，將會因出現(xiàn)自發(fā)增幅振蕩而最終失去穩(wěn)定，而當(dāng)同步力矩系數(shù)為負時，發(fā)電機將出現(xiàn)爬行失步。功率增量P為機械功率Pm與電功率Pe之差，功率增量產(chǎn)生轉(zhuǎn)子加速度，轉(zhuǎn)子速度滯后于加速度90度，而轉(zhuǎn)子角度又滯后于轉(zhuǎn)子速度90度。在低頻振蕩中，電壓的變化與有功的變化基本是反向的，即U與P反向。由此可以確定各變量在平面的方向如圖一所示。當(dāng)電力

5、系統(tǒng)中發(fā)生功率擾動時，機組的轉(zhuǎn)子角要發(fā)生變化，但是由于勵磁調(diào)節(jié)器是采用按電壓偏差信號-U進行調(diào)節(jié)的，經(jīng)過勵磁系統(tǒng)這個滯后環(huán)節(jié)后，其所產(chǎn)生的電磁力矩T1滯后于一個角度1，從圖中可以看出，T1在軸上的分量是負值，即其提供負的阻尼。為了消除這種負阻尼，需要提供一個附加控制信號，這個信號就是PSS信號。以取功率增量作為輸入信號的PSS為例來說明其作用原理。功率增量P與反向，從圖中可以看出，要使機組穩(wěn)定運行并使最后合成的電磁轉(zhuǎn)矩T在軸上的分量為正值，即提供正的阻尼，則由PSS調(diào)節(jié)信號產(chǎn)生的電磁力矩T2必須落在第象限，因此，必須對PSS的輸入信號P提供一個相位滯后。圖中2為PSS環(huán)節(jié)本身對特定頻率的輸入信

6、號產(chǎn)生的相位移，是一個滯后角度，3是勵磁系統(tǒng)對PSS調(diào)節(jié)信號PSS產(chǎn)生的相位滯后角度。從圖中可知，只要適當(dāng)調(diào)整PSS輸出信號的相位及放大倍數(shù)，就可以使最后的合成電磁力矩提供正的阻尼力矩及正的同步力矩。、Pe、-UP=Pm-PeT1PSST2T231 圖一：在平面的PSS原理示意圖從本質(zhì)上講，引入PSS是為了補償勵磁調(diào)節(jié)器對機電振蕩產(chǎn)生的負阻尼，以提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。因此，在原理上，PSS的輸入信號可以是與電功率有關(guān)聯(lián)的任何量，包括、Pe、P、f等。但不同的輸入信號其處理方法及相應(yīng)存在的問題是不同的。測軸轉(zhuǎn)速的PSS原理上是用為輸入信號，它在使用中的問題是發(fā)電機軸上通常都有軸系扭轉(zhuǎn)，使得信號的

7、測量和處理比較復(fù)雜；以過剩功率P為輸入信號的PSS效果可以與測軸轉(zhuǎn)速的PSS相當(dāng)，它的缺點是機械功率的測量與模擬都較復(fù)雜，一般情況下輸入信號上止一個；測電功率Pe的PSS實際上是在測過剩功率的情況下假定機械功率不變而得到的，在使用上效果也不錯，只是在原動機功率變化時會出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象，一般采用的方法是在調(diào)原動機功率時將測電功率的PSS閉鎖；測機端電壓頻率f的PSS克服了測軸轉(zhuǎn)速PSS信號處理上的困難，但由于發(fā)電機電抗的影響，f與頻差不完全一致，因而效果上稍差。標(biāo)準(zhǔn)的PSS模型一般由如圖所示的幾個環(huán)節(jié)組成，這也是被IEEE及IEC推薦的標(biāo)準(zhǔn)模型。 maxminP、f信號采集環(huán)節(jié)高頻濾波環(huán)節(jié) 超前滯后

8、環(huán)節(jié) 放大及自動復(fù)位環(huán)節(jié) 限幅環(huán)節(jié) 圖二：標(biāo)準(zhǔn)PSS結(jié)構(gòu)框圖信號采集環(huán)節(jié)對輸入的信號進行變換處理，是一個慣性環(huán)節(jié)，會產(chǎn)生一定的時延。一般來說，希望由該環(huán)節(jié)產(chǎn)生的延時越小越好，但同時需要將輸入信號中的白噪聲抑制在一定的范圍內(nèi)，因此其值也不可太小?？筛鶕?jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整。高頻濾波環(huán)節(jié)是用于抑制發(fā)電機有關(guān)振蕩的，經(jīng)過信號采集環(huán)節(jié)變換后的主信號的頻率都不大于3Hz。所以在由PSS所構(gòu)成的閉環(huán)回路中，稱頻率大于3Hz的信號為高頻信號。這種高頻信號會有信號采集環(huán)節(jié)輸出主信號中所夾雜的脈動、白噪聲以及頻率不小于4Hz的機組軸系扭振信號。高頻濾波環(huán)節(jié)對機組的安全運行，尤其是對抑制扭振信號的破壞作用至關(guān)重要。其

9、設(shè)計原則，首先必須把機組軸系扭振信號、信號采集環(huán)節(jié)輸出的脈動及白噪聲的幅值抑制到較低的水平,同時必須保證幅值為3Hz的信號輸出不會太小，這就得把其幅頻曲線在帶寬頻率(即低通截止頻率)附近的斜率調(diào)試得越小(即曲線越陡)越好。高頻濾波環(huán)節(jié)的低通截止頻率設(shè)計值通常為3.53.8Hz。一般為了調(diào)試方便，在設(shè)計中可采用了兩級濾波方式。兩級超前滯后補償環(huán)節(jié)。這種補償器的實質(zhì)是一種比例系數(shù)為1的帶有慣性的比例微分環(huán)節(jié)，每一級補償器的最大補償角通常設(shè)計為70°左右。稱T1(或T3)為超前時間常數(shù)，T2(或T4)為滯后時間常數(shù)。視現(xiàn)場需要，補償器可為一級，也可為三級。T2及T4的取值主要根據(jù)前述濾波器

10、帶寬頻率附近的幅頻曲線陡度而定，若曲線越陡，取值應(yīng)越大。T1及T3的整定值決定于勵磁控制系統(tǒng)(含前述信號采集環(huán)節(jié)及濾波器)所造成的振蕩反饋信號的滯后程度，即要求出超前補償?shù)慕嵌?。圖二中的放大環(huán)節(jié)是指調(diào)節(jié)器中的KS，其實質(zhì)是一個比例放大環(huán)節(jié)。KS的大小主要取決于上述信號采集環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)及補償環(huán)節(jié)對主信號的衰減程度；該值的大小還表征著由PSS所構(gòu)成閉環(huán)回路的開環(huán)增益，它與根軌跡增益僅差一個由傳感器、濾波器及補償器增益構(gòu)成的比例系數(shù)，因此直接影響著該回路的調(diào)整時間、上升時間及超調(diào)量等動態(tài)性能。自動復(fù)位環(huán)節(jié)是指圖中的部分，實質(zhì)是一個帶有慣性的微分環(huán)節(jié)，可改寫為，相當(dāng)于是一個單位環(huán)節(jié)和一個負輸出慣性環(huán)

11、節(jié)的并聯(lián)，是一組阻隔各類漂移信號通過的隔“直”電路，只有交流主信號經(jīng)過時，才允許通過，否則便把輸出回路自動關(guān)閉，國內(nèi)習(xí)慣把該電路稱為自動復(fù)位器，在IEEE及IEC標(biāo)準(zhǔn)文件中稱為沖洗器，T5為沖洗時間常數(shù)。該時間常數(shù)整定值越大，此環(huán)節(jié)對主信號的干擾就越小，但PSS對電壓調(diào)節(jié)回路的影響也越大。上述標(biāo)準(zhǔn)型PSS可用于抑制可能發(fā)生的局部電機與系統(tǒng)間的振蕩、區(qū)域間振蕩及機組間振蕩。局部電機與系統(tǒng)間的振蕩是指同一電廠一臺或多臺電機與系統(tǒng)間發(fā)生的擺動，頻率一般為0.72Hz。對于具有靜止勵磁裝置(可控硅整流勵磁)的勵磁系統(tǒng)，由于響應(yīng)速度快，引發(fā)這種可能性大，因此必須裝設(shè)PSS。區(qū)域間振蕩是指系統(tǒng)中一個區(qū)域的

12、機組群與另一區(qū)域機組群所發(fā)生的擺動，頻率一般不大于0.5Hz。為抑制該類振蕩，對于各類勵磁系統(tǒng)應(yīng)配置PSS。機組間振蕩是指同一電廠或相鄰電廠兩臺以上機組間的相互擺動，頻率一般為1.53Hz。由于該類振蕩的頻率較高，受高頻濾波器的影響，對該類振蕩的抑制作用可能會不及對前兩類振蕩的抑制效果來得明顯。為了避免機組軸系扭振信號不經(jīng)過PSS而形成閉環(huán)回路，使扭振迅速發(fā)展到對機組具有破壞性的程度，必須采用勵磁系統(tǒng)及發(fā)電機的精確模型來分析機組的扭振信號，以便高頻濾波器能抑制扭振信號。3. PSS在三峽機組的應(yīng)用三峽電站設(shè)計總裝機26臺，總裝機容量1820萬KW，其中左岸電站裝機14臺，右岸電站裝機12臺，計

13、劃于2009年全部建成投產(chǎn)發(fā)電，總裝機容量目前為世界第一。三峽左岸電站已有八臺機組投產(chǎn)發(fā)電，其實際裝機容量及年發(fā)電量目前已躍居全國第一，共設(shè)計有8回出線，一回接至四川萬縣，三回接至湖北龍泉換流站，三回接至湖北江陵換流站，一回備用，成為聯(lián)結(jié)川渝、華中、華東及南方電網(wǎng)的樞紐，在全國電網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。因此，三峽機組的穩(wěn)定運行對全網(wǎng)的安全運行有著至關(guān)重要的作用。國家電網(wǎng)公司的仿真計算表明，三峽機組PSS的投退與否以及其對低頻段振蕩抑制作用的好壞對川渝、華中電網(wǎng)的潮流及全國聯(lián)網(wǎng)的安全性有重要影響。圖三：華中電網(wǎng)2004年底網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖三峽左岸電站目前有兩種類型的發(fā)電機組，一種由ALSTOM公司提供

14、，另一種由VGS聯(lián)營體提供，這兩種機組的參數(shù)略有不同。兩種機組均采用同一廠家的勵磁系統(tǒng)，勵磁方式為自并勵可控硅靜止勵磁，勵磁調(diào)節(jié)器采用PID附加PSS的調(diào)節(jié)方式，機組及勵磁系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表一及表二所示。表一：發(fā)電機組參數(shù)序號參數(shù)名稱數(shù)值單位備注VGSABB額定容量777.8777.8MVA最大容量840840MVA最大容量時功率因數(shù)0.90.9額定電壓2020KV額定功率因數(shù)0.90.9額定頻率5050Hz相數(shù)33額定轉(zhuǎn)速7575R/min定子繞組連接方式Y(jié)Y直軸同步電抗Xd0.97/0.881.05/0.950.939/0.8351.014/0.902不飽和/飽和，額定容量時不飽和/飽和，

15、最大容量時直軸瞬變電抗Xd0.32/0.300.35/0.320.315/0.2950.340/0.319不飽和/飽和，額定容量時不飽和/飽和，最大容量時直軸超瞬變電抗X”d0.22/0.200.23/0.210.240/0.2000.259/0.216不飽和/飽和，額定容量時不飽和/飽和，最大容量時直軸瞬變開路時間常數(shù)Tdo11.110.1直軸瞬變短路時間常數(shù)Td4.03.2定子繞組短路時間常數(shù)Ta0.320.28勵磁繞組對地電容2.60.55uF勵磁繞組自感0.943H定子繞組對地電容1.351.81uF/相轉(zhuǎn)子繞組電阻0.096430.1144VGS 90時，ABB 130時表二：勵磁系統(tǒng)參數(shù)序號參數(shù)名稱數(shù)值單位備注VGSABB空載勵磁電壓211191.8V空載勵磁電流21902352A負載勵磁電壓364/409475.9/497.