電力系統(tǒng)穩(wěn)定器SS及其在三峽機組的應用

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）及其在三峽機組的應用彭煒東，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。關鍵詞：電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；阻尼；低頻振蕩；反調作者簡介：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）在中國電機工程學會大電機專委會勵磁分專業(yè)委員會（海南三亞會議）上合影。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注，其中大電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題一直是專家們關注的焦點。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)。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)構架薄弱，各區(qū)域電網(wǎng)之間的阻尼較小，當系統(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)結構、改變運行方式、減小聯(lián)絡線的輸送功率、調整勵磁調節(jié)器的相關參數(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)。從勵磁調節(jié)器的信號測量到發(fā)電機轉子繞組，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子角的變化，加劇了轉子角的擺動，也就是提供了負的阻尼。PSS的任務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是如何提供正的阻尼的，建立一個δ－ω平面坐標系，在δ－ω平面上，和轉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ΔP為機械功率Pm與電功率Pe之差，功率增量產(chǎn)生轉子加速度，轉子速度ω滯后于加速度90度，而轉子角度δ又滯后于轉子速度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ΔU與ΔP反向。由此可以確定各變量在δ－ω平面的方向如圖一所示。當電力系統(tǒng)中發(fā)生功率擾動時，機組的轉子角Δδ要發(fā)生變化，但是由于勵磁調節(jié)器是采用按電壓偏差信號-ΔU進行調節(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Δδ一個角度φ1，從圖中可以看出，T1在ω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ΔP與Δδ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矩T∑在ω軸上的分量為正值，即提供正的阻尼，則由PSS調節(jié)信號產(chǎn)生的電磁力矩T2必須落在第Ⅰ象限，因此，必須對PSS的輸入信號ΔP提供一個相位滯后。圖中φ2為PSS環(huán)節(jié)本身對特定頻率的輸入信號產(chǎn)生的相位移，是一個滯后角度，φ3是勵磁系統(tǒng)對PSS調節(jié)信號ΔPSS產(chǎn)生的相位滯后角度。從圖中可知，只要適當調整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。Δδ、Pe、-ΔUΔωΔP=Pm-PeT1ΔPSST2T∑φ2φ3φ1欺圖一竊Δδ、Pe、-ΔUΔωΔP=Pm-PeT1ΔPSST2T∑φ2φ3φ1量從本稱質上帝講，貿引入蜂PS陽S是拳為了院補償緊勵磁只調節(jié)判器對生機電撲振蕩郵產(chǎn)生角的負筍阻尼模，以慣提高全系統(tǒng)或的動社態(tài)穩(wěn)仔定性嗎。因賭此，榜在原臺理上邁，P體SS公的輸粗入信住號可亞以是裂與電四功率蔽有關粒聯(lián)的轉任何僻量，斧包括基Δω塑、出Δδ播、P窩e、憶Δ怨P、朗Δ搞f等秧。但陪不同敞的輸宣入信敏號其庫處理確方法患及相果應存輸在的胃問題伯是不毀同的突。測諸軸轉祖速的鍛PS喪S原晃理上餡是用匯Δω毀為輸快入信蛇號，窮它在稠使用倒中的央問題喘是發(fā)待電機陶軸上飼通常迫都有廳軸系喂扭轉銅，使沙得信忙號的殃測量魚和處傍理比飛較復爹雜；疾以過陵剩功娛率捐Δ彎P為導輸入慚信號奮的P夠SS障效果化可以鋸與測怪軸轉腫速的且PS夠S相關當，諒它的錢缺點象是機澡械功胞率的帆測量旗與模樹擬都丑較復蓄雜，補一般肚情況扔下輸盆入信裁號上瞧止一遲個；預測電硬功率井Pe甘的P溝SS蘿實際剃上是貼在測閉過剩竊功率驢的情鈔況下蓬假定捉機械惡功率柏不變洽而得煤到的夏，在與使用魄上效責果也咸不錯梳，只競是在賭原動舅機功應率變道化時嘉會出薦現(xiàn)反旺調現(xiàn)和象，迎一般鎮(zhèn)采用宵的方池法是償在調頑原動階機功麻率時墻將測脾電功造率的貍PS半S閉禁鎖；深測機哲端電立壓頻磨率蹤△共f的昌PS換S克準服了某測軸進轉速硬PS攜S信躲號處伴理上府的困小難，丟但由縮于發(fā)翅電機假電抗抽的影偉響，結△蝕f與攜頻差做Δω岸不完待全一橡致，璃因而謹效果線上稍悄差。豐標準被的P皆SS湊模型公一般臟由如帝圖所勇示的筋幾個攜環(huán)節(jié)菊組成吼，這致也是說被I符EE果E及途IE勾C推況薦的辱標準缸模型輔。maxminP、ω、f信號采集環(huán)節(jié)高頻濾波環(huán)節(jié)超前滯后環(huán)節(jié)放大及自動復位環(huán)節(jié)限幅環(huán)節(jié)租圖二重maxminP、ω、f信號采集環(huán)節(jié)高頻濾波環(huán)節(jié)超前滯后環(huán)節(jié)放大及自動復位環(huán)節(jié)限幅環(huán)節(jié)差信號屠采集盲環(huán)節(jié)廈對輸剩入的扶信號泉進行灰變換屋處理獸，并是一乒個慣慧性環(huán)晚節(jié)，墳會綁產(chǎn)生乓一定劈的論時延駁。一攪般來獸說，壓希望璃由該鳥環(huán)節(jié)深產(chǎn)生廈的延堵時越朽小越曲好，雄但同耐時需困要將通輸入丘信號族中的添白噪狐聲抑切制在牲一定庭的范潔圍內遭，因糠此其樓值顯也不恐可太騙小較。識可根洽據(jù)現(xiàn)辛場情炎況進勵行調嫩整。旦高頻琴濾波彎環(huán)節(jié)棗是用于于抑送制發(fā)脾電機肢有關裕振蕩蚊的，俱經(jīng)過澤信號慢采集緞環(huán)節(jié)濟變換方后唐的主憐信號哀的頻或率都偶不大澇于3沾Hz隨。所辮以在渣由P欠SS陵所構禮成的暗閉環(huán)課回路無中，幅稱頻雖率大咳于3銷Hz綢的信皂號為栗高頻京信號蓮。這涼種高恥頻信鋼號會神有信繭號采耍集環(huán)應節(jié)輸錯出主頃信號團中所妙夾雜瞇的脈傍動、緣白噪統(tǒng)聲以載及頻庫率不賄小于配4H需z的炕機組犬軸系建扭振仗信號似。高樓頻濾淺波機環(huán)節(jié)宜對機鬧組的逼安全偷運行坊，尤伏其是載對抑走制扭籃振信水號的較破壞隸作用劈至關北重要夸。識其設隨計原宇則，袍首先籌必須積把機護組軸偽系扭烏振信純號笑、旋信號技采集賞環(huán)節(jié)面輸出框的脈兇動及催白噪吩聲的蹤幅值哈抑制擋到幻較低醬的水罰平盜,同壯時必紫須保擋證幅涌值為煌3H洋z的貞信號來輸出走不會姥太小滲，這撇就得災把其爬幅頻偵曲線辭在帶勞寬頻植率(發(fā)即低旅通截妖止頻兔率)堤附近思的斜帳率調拖試得食越小搶(即憑曲線獨越陡紙)越熄好?？指哳l劉濾波覆環(huán)節(jié)致的低倉通截辛止頻儀率設猛計值斧通常亮為3關.5極～3雙.8層Hz戒。彈一般色為了勤調試霉方便側，在普設計幻中蔽可殺采用服了兩怎級濾演波方糟式希。糞兩級叢超前傭—滯托后補廳償懸環(huán)節(jié)燈。這緊種補始償器眉的實纏質是厘一種姐比例峰系數(shù)誰為1腰的帶繪有慣由性的燦比例百微分勝環(huán)節(jié)摘，每懂一級啟補償臣器的紀最大盈補償副角通度常設芝計為嗎70玻°左膜右?？诜QT跨1佛(或每T矛3語)為捉超前城時間材常數(shù)己，T譜2煎(或告T郊4仍)為模滯后捐時間具常數(shù)型。視祖現(xiàn)場傲需要蛙，補野償器典可為庭一級還，也捎可為況三級航。T尊2拾及T秋4鏈的取做值主然要根烘據(jù)前橋述濾砍波器蔑帶寬親頻率道附近鞋的幅雞頻曲倘線陡撥度而筑定，刮若曲惹線越滑陡，拘取值輪應越埋大。部T時1料及T湖3差的整緞定值偏決定互于勵巧磁控炕制系魚統(tǒng)(恨含前漿述信肝號采患集環(huán)徒節(jié)及名濾波遣器)來所造嗽成的管振蕩甲反饋確信號厘的滯逢后程勞度，形即要連求出龜超前脊補償掩的角已度委。漿圖父二例中的飛放大抖環(huán)節(jié)芒是指賣調節(jié)豈器中曲的K灑S坊，其祥實質出是一予個比億例放叉大環(huán)冊節(jié)。捕K對S亡的大槳小主眼要取奪決于逆上述菜信號獲采集肅環(huán)節(jié)址、濾結波順環(huán)節(jié)新及補蠶償泰環(huán)節(jié)襯對主遣信號盟的衰拌減程耽度；努該值枕的大豆小還動表征巷著由滑PS茅S所暑構成壯閉環(huán)呀回路移的開由環(huán)增照益，瓦它與乞根軌齊跡增魂益僅貿差一磁個由爽傳感桌器、總濾波牽器及恥補償肚器增致益構制成的怒比例歪系數(shù)泛，因勁此直盒接影蘭響著融該回蚊路的擴調整論時間賤、上扮升時訂間及花超調沈量等訊動態(tài)鼠性能敞。命自動領復位塊環(huán)節(jié)斑是指匠圖中應的啦部分嗓，實命質是菠一個流帶有恐慣性掉的微布分環(huán)別節(jié)，璃可改付寫為達，盟相當兔于是慣一個添單位橫環(huán)節(jié)爛和一膊個負茄輸出雄慣性荷環(huán)節(jié)暢的并剩聯(lián)，騎是一努組阻墾隔各臘類漂判移信娛號通鉛過的浙隔“駕直”麗電路爛，只脂有交邊流主支信號期經(jīng)過匆時，笛才允芒許通焦過，衣否則巧便把渾輸出炭回路譽自動動關閉襪，鬧國內湖習慣寶把該艷電路獎稱為兩自動勝復位便器，偷在I線EE陪E及放IE她C標本準文仙件中遷稱為陶沖洗固器，評T睛5泡為沖些洗時羅間常奇數(shù)。煤該時努間常傅數(shù)整酬定值努越大罵，此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