（电气工程专业论文）电力系统稳定器在三峡电站的应用研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文中文摘要 摘要 随着电力系统的发展，同步发电机采用快速励磁系统、在互联的大电网间远 距离、大负荷、高功率因数送电等因素造成系统阻尼不足甚至阻尼为负的状态， 从而导致系统低频振荡。近年来，在我国电力系统中低频振荡现象也时有发生， 成为影响电力系统稳定运行的突出问题。 电力系统稳定器( p s s - p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ) 自1 9 6 6 年在美国投入工业 试运行以来，作为一项经济、实用的抑制低频振荡的技术已被世界各国普遍接受 并采用，c 、i e e e 以及我国电力系统的有关标准都对p s s 的配置和投入提出了 要求。 三峡电站作为我国电网最大的电源点和全国电网互联的中心，电力供应范围 包括华东、华南、华北和重庆地区，三峡机组的稳定运行对全网的安全运行起着 十分重要的作用。 2 0 0 3 年9 月，三峡左岸电站首批4 台机组并网发电，由于p s s 不能满足要求， 国调只允许3 台机组同时并网发电，三峡电厂为此遭受了严重的经济损失。由于 现有的电力系统稳定器存在参数固定、适应性较差等问题，不能简单、直接地应 用于三峡电站，因此需要针对三峡电站的具体情况对电力系统稳定器的应用进行 研究，合理、正确地选择模型及其参数，使电力系统稳定器在三峡电站及相关电 网的安全、稳定、经济运行中发挥重要作用。 本文分析了电力系统稳定器的基本原理，按三峡左岸电站励磁控制系统特性， 针对全国联网对三峡机组电力系统稳定器的要求，对电力系统稳定器在三峡左岸 电站应用的相关技术问题进行了分析与仿真计算，并提供了在三峡左岸电站机组 上的现场试验结果，详细地分析比较了p s s l a 、p s s 3 b 和p s s 2 a 等不同类型的电 力系统稳定器在三峡机组上的使用效果和存在的问题，最终确定了适合于三峡机 组的模型和运行参数。 关键词：电力系统低频振荡电力系统稳定器励磁控制三峡电站 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，d u et ot h ea p p l i c a t i o n so ff a s t e r e x c i t a t i o ns y s t e mo ns y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n dt h el o n gd i s t a n c e ，h e a v yl o a d ，h i g h p o w e rf a c t o rp o w e rt r a n s m i s s i o nb e t w e e np o w e rg r i d ，t h ed a m po f t h ep o w e rs y s t e mg o i n t os h o r t a g ee v e n n e g a t i v ed a m p i n g , c o n s e q u e n t l yl e a d i n gt ot h el o wf r e q u e n c y o s c i l l a t i o no fs y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，t h el o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o no fp o w e rs y s t e mi n o u rc o u n t r yo f t e no c c u r s ，i ta l r e a d yb e c o m e st oas e r i o u s l yp r o b l e mo nt h es t a b i l i z i n go f p o w e rs y s t e m f r o mf i r s t p u t t e di n t oc o m m e r c i a lo p e r a t i o ni nu s a , 1 9 6 6 , a sae c o n o m i c a l ， e f f e c t i v e l yt e c h n o l o g yf o rd e p r e s st h el o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o n , p s s ( p o w e rs y s t e m s t a b i l i z e r ) i sa c c e p t e db ym a n yc o u n t r i e s ，i e c ，i e e ea n dc h i n ap o w e rs t a n d a r d sa l l h a v et h eo r d i n a n c e so ft h ec o n f i g u r ea n da p p l i c a t i o no fi t a st h eb i g g e s tp o w e r8 0 u r c ea n dt h ec e n t r a lo ft h ec h i n ag r i d ，t g p s ( t h r e eg o r g e s p o w e rs t a t i o n ) s u p p l yt h ep o w e rt o e a s tc h i n a , c e n t r a lc h i n a , s o u t hc h i n aa n d c h o n g q i n g , s ot h es e c u r i t yo p e r a t i o ns t a b i f i t yo fw h i c hi sv e r yi m p o r t a n tt op o w e r s y s t e m i ns e p t 2 0 0 3 ，t h ef l r s tb a t c ho ff o u ru n i t so ft g l p s ( t h r e e g o r g e sl e f tb a n kp o w e r s t a t i o n ) w e r ep u t t e di n t oo p e r a t i o n , s i n c et h ef u n c t i o no ft h ep s si n s t a l l e di nt h et g l p s h a s n o tm e tt h er e q u i r e m e n t s , n d c ( n a t i o n a ld i s p a t c h i n gc e n t e r ) o n l yp e r m i t t e dt h r e eu n i t s 啪 o p e r a t i n gs y n c h r o n o u s l y , i t ss u f f e r e d ag r e a tl o s st ot g p s d u et ot h ep a r a m e t e r sa r e i m m o b i l ea n dt h er o b u s ti sn o tg o o d , p s sc a n n o tu s ei nt g p sd i r e c t l y i tn e e d st o r e s e a r c ht h ep s sw h i c hw i l lb eu s e dt ot g p s ，s e l e c tt h em o d e la n dt h ep a r a m e t e r s r i g h t l y , t h e ne n s u r et h ep s sc a ni m p r o v et h es t a b i f i t yo ft h et h r e eg o r g e sp o w e rs y s t e m r e a l l y t h i st h e s i sa n a l y z e dt h eb a s i ct h e o r yo fp s s ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e e x c i t a t i o ns y s t e mo ft g l p sa n dt h er e q u i r e m e n tb yn a t i o n a ln e t w o r ki n t e r c o n n e c t i o n ， r e s e a r c h e dt h et e c h n i c a lp r o b l e m so ft h ep s s l ap s s 3 ba n dp s s 2 aw h i c ha p p l yi n t g l p sa n ds u p p l i e st h er e s u l t so fr e a lt i m es i m u l a t i o na n ds i t et e s t ，d e s c r i b e st h e p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c s ，i nt h ee n d , s e l e c t e dt h em o d e la n dp a r a m e t e r so fp s s w h i c hu s e dt ot g p sr i g h t l y 重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e ml o wf r e q u e n c yo s d l l m i o n ，p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r , e x c i t a t i o ns y s t e mc o n t r o l ，t h r e eg o r g e sp o w e rs t m i o n i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：可彳签字日期：扣，名年，月m 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( i ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：- 4 勺卜缈导师签名：学位论文作者签名：吖卜妒u l ，导师签名： 签字日期：弘石年ff 月j 卜汨签字日期：撕：匀e 月豺日 9 0 p 一磊r。 几彳， 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 三峡电站概况及特点 举世瞩目的三峡工程位于长江西陵峡中段，是我国具有防洪、发电、航运综 合效益的特大型水利工程。坝址在湖北省宜昌市三斗坪，多年平均径流量约 4 5 1 2 g m 3 ，流域面积1 8 c , - m 2 。三峡工程具有防洪、发电、航运、灌溉等综合效益， 是治理长江的关键工程，也是跨世纪的、世界上规模最大的工程之一。三峡大坝 坝顶高程1 8 5 m ，最大坝高1 8 1 m ，坝顶全长1 9 8 3 m ，正常蓄水位1 7 5 m ，总库容 3 9 3 g i n 3 ，防洪库容2 2 1 g i n 3 。三峡工程建成后，将有效地拦截宜昌上游的洪水， 使荆江地区的防洪标准由目前的十年一遇提高到百年一遇水平，三峡工程装机容 量为1 8 2 g w ，送电到华中、华东、广东和四川、重庆地区，具有巨大的发电效益， 三峡水库建成后，万吨级船队可直达重庆港，使长江中上游成为昼夜通航的黄金 水道。 1 1 1 三峡电站概况 三峡电站系坝后式厂房，分置于溢洪坝段两侧坝后，共装机2 6 台机组，左岸 厂房安装1 4 台，右岸厂房安装1 2 台，单机容量均为7 0 0 m w ，总装机容量1 8 2 g w , 年发电量8 4 7 t w h 。在三峡大坝的右岸预留扩建6 台7 0 0 m w 机组的地下厂房。全部 机组以发电机、变压器组扩大单元形式接入5 0 0 k v 电网。三峡电站分为左i 、左、 右i 、右i i 四个分厂：左i 有8 台机，四回出线，分别是连接川渝电网的三万线和 到华中龙泉换流站的3 回线：左有6 台机，三回出线至江陵换流站；右i 有6 台机， 四回出线，其中两回接至葛洲坝换流站，两回接至湖北沙市；右二有6 台机，三回 出线，均接至右岸换流站。 2 0 0 3 年三峡电站第一批机组发电，到2 0 0 9 年全部机组建成投产。三峡电站供 电范围包括华中、华东和广东地区，其最大设计送电容量分别为1 2 g w ，7 2 g w 和 3 g w 。为利于西电东输，三峡电站与川渝电网相连，有季节性的潮流交换。考虑 到防洪、航运的综合效益，三峡电站具有下述特点：调节库容相对较小( 1 6 5 c , m 3 ) , 汛期不能调蓄，年发电量主要集中在6 、7 、8 、9 四个月( 占年发电量5 1 4 ) ；枯水 期1 至4 月份月的最小保证出力为4 9 9 g w ，电站的调峰能力较大，发电量仅占年发 电量的1 7 ，电网需较多火电机组配合运行；为满足航运要求，三峡电站最小下泄 流量大于天然来水最小下泄流量，并需要电力系统配合运行。 1 1 2 三峡电力外送系统概况 三峡电站高压母线电压为交流5 0 0 k v ，通过5 0 0 k v 线路直接向华中、重庆 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 电网送电，另外，采用5 0 0 k v 直流输电系统向华东电网送电。三峡电力外送采 用1 5 回5 0 0 k v 电压等级出线，以9 1 0 0 k a n 交、直流线路，2 4 7 5 g v a 的变电容 量以及3 回送电容量均为3 g w 的士5 0 0k v 直流输电工程建设为骨干，加上各 网、省配套建设输变电工程，联结华中、华东、华南、j | l 渝四大区域电网而形成 的大型电力系统，如图1 1 所示。 图1 1 三峡左岸电站外送系统结构 f i g a 1 s t r u c t u r e o f t h r e e g o r g e s l e f t b a n k p o w e rs t a t i o n p o w e r t r a n s m i s s i o ns y s t e m 2 0 0 3 年三峡电站的首批4 台水轮发电机机组正式投入运行，现左岸电站1 4 台机 组已全部投产，受围堰发电期水头所限，现阶段总出力为8 4 0 0 m w 。到2 0 0 9 年三峡 电站全部建成时，三峡电站及其周边电网装机容量达到2 0 0 g w 左右，是中国最大 电网，也是世界上大型电网之一。三峡电站的建设及其周边电网的互联必将进一 步加大“西电东送”和“南北互供”的力度，推动和促进全国联网的形成和发展。 1 2 电力系统稳定问题 电力系统稳定，目前人们关注的主要是功角稳定、频率稳定和电压稳定，其 中功角稳定是最为重要的。功角稳定一般而言指发电机组之间和发电机群之间转 角运动的相对稳定性，它包括静态稳定性和暂态稳定性。静态稳定性又称小干扰 稳定性，是指系统在遭受很小的干扰时，维持稳定运行，不发生爬行失步和振荡 失步的能力。暂态稳定性一般指各种短路故障后是否能维持在原运行点或过渡到 2 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 新的运行点稳定运行的能力。一个系统如果大干扰下稳定，则小干扰下必然稳定， 但如小干扰下不稳定则大干扰下必然不稳定，故静态稳定作为电力系统稳定行为 的极限情况来研究有其重大意义的。 电力系统中，发电机经输电线并列运行时，在小扰动的作用下会发生发电机转 子的相对摇摆，并在缺乏阻尼时就会失去动态稳定。由于电力系统的非线性特性， 动态失稳表现为发电机转子之间的持续振荡，同时输电线路上功率也发生相应的 振荡，影响了功率的正常输送。由于这种持续振荡的频率很低，一般在0 1 3h z 之间，故称为低频振荡( 又称为功率振荡，机电振荡) 。同一电力系统可能会出现不 同频率的振荡，我们把每一种频率的振荡称为一个振荡模式。振荡模式往往指的 是机电振荡模式，即与发电机转子运动和电磁回路都有关的振荡模式，由于发电 机组的惯性比较大，因此他们表现为低频振荡。系统低频振荡一经开始，可能持 续一段时间后消失，也可能振荡幅值持续增大，以破坏两系统之间的稳定性，最 终使互联系统解列；或者由于系统中某些参数的非线性而使振荡的幅值最终趋于 某一定值。 六十年代初，美国的西北联合系统与西南联合系统试行互联时，首次观察到 低频振荡的现象，振荡频率为0 1 h z 。联络线被解开后，又形成西北联合系统0 0 5h z 的振荡以及西南联合系统o 1 8h z 的振荡【n 。此后，在我国也发生了几次电力系统 低频振荡1 2 】。1 9 7 9 年4 月在广东到九龙的弱联络线上，国内首次观察到低频振荡【3 l 。 1 9 8 3 年5 月2 1 日，葛洲坝电厂在同一母线上的1 号、3 号及5 号机通过双回线路向系 统输送功率。其中一回线发生单相永久故障，联切一号机，剩下3 号与5 号机经线 路发生频率0 7 1 1 的低频振荡数分钟，以切掉负荷2 3 0 m w 而告终1 9 9 7 年1 0 月至 1 9 9 8 年6 月，上安电厂3 、4 号机多次发生机组和安( 上安) 一一保( 保定) 线的功率低频 振荡阱( 频率在1 1 5 1 2 5 h z 之间) ，并造成多次解列停机，对电厂设备和电网安全 构成了很大威胁。 1 9 6 9 年，f p d e m e l l o 等运用阻尼转矩的概念对单机无穷大系统产生低频振 荡现象的原因进行了机理分析和解释，指出电力系统中产生持续的或增幅性的低 频振荡，其根本原因是由于系统中产生了负阻尼作用，抵消了系统的固有正阻尼， 使系统的总阻尼很小或为负值。远距离、重负荷线路、现代快速励磁和高顶值倍 数的励磁系统是造成系统出现负阻尼的主要原因1 4 习。为了解决励磁系统中增大 放大系数和获得较大的稳定极限之间的矛盾，近年来国内外开发了电力系统稳定 器( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r 即p s s ) ，并获得了广泛的应用。理论分析和实际应用 都证明了p s s 能够为系统提供良好的阻尼，提高了系统在不同负荷和干扰运行 情况下的稳定性。目前，低频振荡的抑制策略主要集中在下列几个方面：发电机 励磁控制技术、f a c t s 技术的应用、电网结构的优化以及直流输电技术的应等 3 重庆大学t 程硕士学位论文1 绪论 用，而运行经验证明：在发电机励磁控制系统中配置电力系统稳定器p s s 是一项 成熟、经济、实用的技术1 6 j 。 三峡发电机组与华中电网及四川电网组成的联合电力系统中，由于大容量机 组、长距离重负荷输电线路、高顶值倍数和快速励磁系统等因素，存在负阻尼和 弱阻尼的振荡模式【6 】。并且由于三峡水电站发电机采用自并励励磁系统，电压响应 速度快，在运行中机端电压偏差量经自动电压调节器后控制发电机励磁电流的大 小，该控制量引起的发电机电磁力矩很容易满足产生负阻尼力矩的条件，加上水 轮发电机的固有阻尼较小，励磁调节产生的负阻尼力矩很容易使电力系统的阻尼 特性变坏而造成动态不稳定。有关研究表明：( 1 ) - - 蛱电站发电机采用快速励磁， 如无p s s ，三峡发电机组与华中电网及四川电网组成的联合电力系统因阻尼不足会 产生低频振荡，系统动态不稳定：( 2 ) 三峡电站发电机励磁系统采用p s s 后，可以明 显提高三峡发电机组与华中电网及四川电网组成的联合电力系统的阻尼，满足小 扰动和大扰动后的系统动态稳定，并改善这一联合电力系统的暂态稳定性 7 - 6 1 。 1 3 本文研究的主要内容 尽管电力系统稳定器已经是一个早已投入应用的产品，但依然存在参数固定 和适应性较差的问题，虽然近年来各方进行了大量研究并衍生了多种模型和算法， 但都不能完全解决这些问题。 2 0 0 3 年9 月，三峡左岸电站首批4 台机组并网发电，由于p s s 不能满是要求， 国调只允许3 台机组同时并网发电，一直到选用了合适的p s s 参数和模型后才得 到改变。围堰期三峡一台机组一天的发电收入达3 0 0 万元，且当时全国各地都面 临电力紧缺的局面，三峡其它机组如果因为p s s 的原因不能并网发电，对国家和 企业都是巨大的损失在这种情况下，选择能够满足抑制低频振荡需求并且经过 现场试验证实能够稳定运行的成熟、可靠的p s s ，成为一个极为迫切的课题和需求， 因此，针对三峡电站的具体情况对电力系统稳定器在三峡电站的应用进行研究， 合理、正确地选择模型及其参数，具有非常重要的意义。 本论文介绍了电力系统稳定器的基本原理，针对全国联网对三峡机组电力系 统稳定器的要求，根据现场试验结果和电力系统稳定器在三峡的实际应用情况， 详细分析比较了p s s i a 、p s s 3 b 和p s s 2 a 改进型等不同类型的电力系统稳定器在 三峡机组上的使用情况及存在的问题，最终确定了一种适合于三峡机组的模型和 运行参数。 4 重庆大学工程硕士学位论文2 电力系统稳定器基本原理及应用情况 2 电力系统稳定器基本原理及应用情况 2 1 电力系统稳定器在国内外的应用 i e c 对电力系统稳定器的定义是：一种装置，它借助于电压调节器控制励磁机 的输出，来阻尼同步电机的功率振荡。输入变量可以是转速、频率或功率f 或多个 变量的综合) 。这里指的“励磁机”为各种励磁系统的输出功率部件，包括静止整 流部件l 虬1 2 1 。 p s s 是励磁调节器中的一个功能部件，它的主要作用是在系统发生低频振荡时 提供一个附加阻尼，相当于提高功率阻尼系统d ，使转子振荡的阻尼比达到一个 理想的数值，响应特性就能较快的达到稳态值，提高了电力系统的静态稳定。p s s 在转速恒定不变时，输出为零，不起作用，这是因为发电机正常运行中，我们不 希望稳定器对机端电压产生持续的影响。只有在转速或有功功率或频率发生变化 时，才起作用。因此，从这点上来说，p s s 如果参数选取不对，不但不能帮助系统 稳定，还可能会起反作用，影响系统的稳定性1 1 3 - 堋。 自从1 9 6 6 年美国第一台抑制低频振荡的p s s 投入工业试运行以来，p s s 已被 世界各国接受、普遍采用：日本1 0 大电力公司8 0 年代以来均以快速励磁+ p s s 作 为提高电力系统稳定的基本措施；加拿大、英国8 0 年代以来新机组均采用快速励 磁+ p s s ，并逐渐采用快速励磁+ p s s 更新老机励磁系统；法、德、澳大利亚等8 0 年代以后均以p s s 作为提高电力系统阻尼，防止低频的措施1 1 9 - 2 5 1 。 c 3 4 1 6 - _ 3 ( 1 9 9 6 ) 标准和美国1 9 9 0 年发布的i e e es t d 4 2 1 2 标准，以及我国电 力系统的有关规定都要求每一台并网运行的发电机组，特别是采用静止励磁的发 电机，必须在其励磁控制系统中配置p s s ，以适应大联网、高参数的要求，阻尼机 组在运行中可能出现的低频振荡。我国自第一套p s s 子1 9 8 0 年在八盘蛱电厂投运 以来，p s s 已成为各种励磁控制系统的重要功能单元，大部分主力水力机组均安装 了p s s 装置，取得了良好的运行效果，但目前我国p s s 的投入率仍然较低1 2 6 - 3 4 1 。 目前p s s 的使用存在一些问题，尽管p s s 的物理概念清晰，易于实现，但是 通常情况下p s s 只能在某一给定运行方式和某一电网振荡频率下设计参数，在参 数设计选择合适的情况下，可改善系统的阻尼特性和提高稳定性。但由于电力系 统的典型的非线性和干扰的随机性，这种控制方式仍然存在一些问题： ( 1 ) p s s 环节中，参数按照某一振荡频率整定时，由于电力系统运行状态或 网络结构的变化，使系统实际振荡频率落在p s s 有效抑制振荡频率范围之外，p s s 无法发挥作用。 5 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力系统稳定器基本原理及应用情况 ( 2 ) 适应性较差，所以设计的p s s 只在小干扰情况下，才具有较好的控制效 果，在大范围长时问扰动的作用下，调节作用较差。而且，对于多机系统，p s s 装置的安装地点选择及参数协调问题至今还没有解决1 3 5 1 。 2 2 电力系统稳定器基本原理 发电机的励磁控制系统是一个由多个惯性环节组成的反馈控制系统。从励磁 调节器的信号测量到发电机转子绕组，每一个环节都具有惯性，其中主要的惯性 是发电机转子绕组。因此，总体来看，励磁系统是一个滞后环节。正是由于这种 滞后性，使得在系统低频振荡时，励磁电流的变化滞后于转子角的变化，加剧了 转子角的摆动，也就是提供了负的阻尼。p s s 的任务就是抵消这种负的阻尼，同时 还要提供正的阻尼。 下文通过建立单机无穷大系统的数学模型来介绍p s s 的原理。 ( 1 ) 发电机的转子运动方程如下； 睁州m 埘。 旺。， 1 d 6 “7 陌叫。1 式中，肘j 为发电机机械转矩；肘。为发电机电磁转矩；乃为转子的转动惯量；6 为 发电机转子角速度；为发电机转子q 轴的相对电角度。 ( 2 ) 发电机的定子方程如下： 单机无穷大系统的矢量图如图2 1 所示，根据矢量图可以得到如下关系 幽2 1 单机无男大系统矢量阻 f i 晷2 1v e c t o rg r a p ho fs i n g l em h m ei n f i n i t eb u sp o w e rs y s t e m 其中，定子电压方程为： u d x q l q e q 劫l ( 2 2 ) x t l t j? 式中，u d 为定子端电压d 轴分量；u q 为定子端电压q 轴分量；i d 为定子电流d 轴 分量：i q 为定子电流q 轴分量；】【d 为发电机直轴电抗；】【q 为发电机交轴电抗；e q 6 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力系统稳定器基本原理及应用情况 为发电机定子侧空载电势。 电磁转矩方程为： m ，一u d i d + 【，q ，4 ( 2 3 ) 定子电流方程为： n e q - u c c o s 6 j 心+ t ( 2 4 ) i ， u 。s i n r9 。i 屯 式中，e 为发电机定子侧暂态电势；u c 为母线电压：为发电机暂态电抗；为 系统等值电抗。 ( 3 ) 单机无穷大系统的机械运动方程为： 岍警+ 【譬摆苎+ 等警卜( 2 勋 一毛砭+ k i a 6 式中，a 膨。发电机电磁转矩的变化量；巨为发电机定子侧暂态电势的变化量； 为定子电流q 轴分量的初值；a 6 为发电机转子q 轴相对电角度的变化量； 氏为发电机转子q 轴相对电角度的初值 由式2 4 可瓢- 等朋贿 墨( x , - x ， , k o u os i n 6 0 + e q o u c c o s 8 0 ( 2 6 ) xt+x。xt4 - x t k 2 u c s i n b o ( 2 7 ) 箕4 七x t 再建立单机无穷大系统的简化线性化模型。 ( 4 ) 单机无穷大系统的电势方程为： - 志峨一羔6 包8 ， 式中，丝，为外加励磁电压的变化量，a - a 毛+ 巧。e ；巧。为励磁绕组时间 常数；玛x a + + t x e ；蜀- x d + - - x 畅d x a 玑s i n 岛 x 4 x e x d ( 5 ) 单机无穷大系统的端电压方程为： 7 重庆大学工稃硕士学位论文2 电力系统稳定器基本原理及应用情况 a u s k s a 6 + k 6 a e g k。一udo x d u cc o s 6 0 一坠x a u , s i nt 5 0 ： u mx d + x c u x 4 x e 即器蠹 ( 2 9 ) 式中，u 。为定子端电压d 轴分量的初值；u q o 为定子端电压q 轴分量的初值；u i 。 为定予端电压的初值。 通过以上的方程分析可画出单机无穷大系统的完整的线性化模型，又称 p h i l l i p s h e f r o n 模型，如图2 2 所示。 圈2 2 单机无穷大系统框图 f i g 2 2f r a m ed i a g r a mo fs i n g l em a c h i n ei n f i n i t eb u sp o w e rs y s t e m 为了便于说明p s s 是如何提供正的阻尼的，建立一个6 一平面坐标系，在 6 一埘平面上，和转子速度变化同相的力矩是正阻尼力矩，反相的是负阻尼力矩， 和角度变化同相的力矩是正同步力矩，反相的为负同步力矩。在电力系统中并联 运行的同步发电机，它稳定运行的必要条件是具有正的阻尼力矩系数和正的同步 力矩系数。当阻尼力矩系数为负时，将会因出现自发增幅振荡而最终失去稳定， 而当同步力矩系数为负时，发电机将出现爬行失步。 当电力系统中发生低频振荡时，电压的变化与有功的变化基本是反向的，即 a u 与a p 反向，此时机组转子角6 发生变化，但是由于励磁调节器是采用按电 8 重庆大学工程硕七学位论文2 电力系统稳定器基本原理及应用情况 压偏差信号a u 进行调节的，如图2 - 3 所示，经过励磁系统这个滞后环节后，单机 无穷大系统产生的电磁转矩m c 滞后于6 一个角度，a m c7 在( - ) 轴上的 分量是负值，即其提供负的阻尼。为了消除这种负阻尼，需要提供一个附加控制 信号，这个信号就是p s s 信号。由p s s 调节信号产生的电磁转矩m 。”必须在第 1 象限，并且m c 与m 。”合成的电磁力矩a m e ”在u 轴上的分量为正值时， 即提供正的阻尼，单机无穷大系统就具有正的阻尼力矩及正的同步力矩，低频振 荡将受到抑制。 蘑地 0； 图2 3 在d m 平面的p s s 原理示意图 f i 9 2 3p r i n c i p l eo fp s so nd mp l a n e 下面以引入a o o 信号为例，来获得p s s 的传递函数。考虑单独由p s s 提供的 附加电磁转矩a m ”，根据图2 2 所示的单机无穷大系统的框图，从此图中的a c o 处取得仿信号，经过传递函数g 。i ( s ) 的p s s 环节送到u l 。f 相加点，具体路径如 图2 4 所示。 图2 4 附加信号a c e 产生电磁转矩地”的路径 f i g 2 4 p a t ho f a d d i t i o n a l s i g n a l p r o d u c i n g e l e c t r o m a g n e t i s m t o r q u e m c ” 图2 4 中高放大倍数快速励磁系统的传递函数为： e g ) 。惫 9 ( 2 1 2 ) 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力系统稳定器基本原理及应用情况 式中，k a 为励磁系统的增益；t a 为励磁系统的时间常数。 g ，g ) 。量 ( 2 1 3 ) 一 1 + k 3 l 0 5 当u 耐- - 0 时，附加励磁转矩为： 埘：- 铡措g 3s a 包 1 + 蚝j g f 扛j 将式2 1 2 、式2 1 3 带入式2 1 4 ，忽略相对较小的项，整理可得 a m 。- 一$ 24 2 竺d z址o)z$4(i)z2玩k2katos 心 l l o 热魄为无阻尼自然振荡脯吐- 愿为系统的阻眦 o ，互；兰茎2 圣g 。 ，- 1 = = = = = = = = 。 2 r , 4 t a 瓦o k 6 蜀 代入d 6 ) - ，2 + 2 文峨s + 畋2 ，则式2 1 5 可化为 埘：- 错笼如 包 由式2 1 6 可见，如果g 芦s ( s ) 与d ( s ) 相等，则该两项相消，m c ”与a o 成正 比，在图2 9 中，即m e ”与a c 0 轴方向相同，提供了正的阻尼转矩。实际上并不 要求g 芦( s ) 与d ( s ) 完全相等，只要在低频振荡的频率范围内，两者具有相似的相频 特性，其超前相角与滞后相角基本上抵消，p s s 就能提供一定的正阻尼转矩。因此 p s s 必须具有超前环节，其传递函数为 g ，g ) - 品面l + t 1 s 面l + t 3 s ( 2 1 7 ) 虽然式2 1 7 是由附加信号推导出来的，但它可以作为p s s 传递函数的一 般形式，只是取用不同信号的p s s 可能需要的环节有所不同。实际应用的p s s ， 还有测量不同信号的测量单元；为了防止机组的轴系扭振信号串入而激励轴系扭 振，还有相应频率的滤波器；以及为了防止p s s 的输出过大造成发电机过电压， 还应有限幅环节。 1 0 磊 重庆大学工程硕士学位论文2 电力系统稳定器基本原理及应用情况 从本质上讲，引入p s s 是为了补偿励磁调节器对机电振荡产生的负阻尼，以 提高系统的动态稳定性。因此，在原理上，p s s 的输入信号可以是与电功率有关联 的任何量，包括a 、a8 、p e 、p 、a f 等，这也产生了多种p s s 模型。但不 同的输入信号其处理方法及相应存在的问题是不同的：测轴转速的p s s 原理上是 用au 为输入信号，它在使用中的问题是发电机轴上通常都有轴系扭转，使得信 号的测量和处理比较复杂；以过剩功率p 为输入信号的p s s 效果可以与测轴转 速的p s s 相当，它的缺点是机械功率的测量与模拟都较复杂，一般情况下输入信 号不止一个；测电功率p e 的p s s 实际上是在测过剩功率的情况下假定机械功率不 变而得到的，在使用上效果也不错，只是在原动机功率变化时会出现反调现象， 一般采用的方法是在调原动机功率时将测电功率的p s s 闭锁；测机端电压频率f 的p s s 克服了测轴转速p s s 信号处理上的困难，但由于发电机电抗的影响，f 与频差a 不完全一致，因而效果上稍差。 2 3 标准的p s s 模型 标准的p s s 模型一般由图2 5 所示的几个环节组成，包括信号采集环节、高频 滤波环节、两级超前( 滞后) 补偿环节、放大环节、自动复位环节和限幅环节等， 这也是i e e e 及i e c 推荐的标准模型。 一日 1 + a ，s + a 6 s 2。周医司 7 l ! ：翌i ( 1 + a l s + a 2 s 2 x 1 + a 3 s + a 4 s 2 )一面11 + s t , i 信号采集环节高频滤波环节超前( 滞后) 环节 1x 。生堕1 m a x 7 lv 1 + s t 6 广_ m i n ， 放大及自动复位环节限幅环节 图2 5 标准p s s 结构框图 f i 9 2 5s t r u c t u r ef i g u r eo fs t a n d a r dp s s 信号采集环节对输入的信号进行变换处理，是一个惯性环节，会产生一定的 时延。般来说，希望由该环节产生的延时越小越好，但同时需要将输入信号中 的白噪声抑制在一定的范围内，因此其值也不可太小。可根据现场情况进行调整。 1 1 重庆大学工程硕士学位论文2 电力系统稳定器基本原理及应用情况 高频滤波环节是用于抑制发电机有关振荡的，经过信号采集环节变换后的主 信号的频率都不大于3 h z 。所以在由p s s 所构成的闭环回路中，称频率大于3 h z 的信号为高频信号。这种高频信号会有信号采集环节输出主信号中所夹杂的脉动、 自噪声以及频率不小于4 h z 的机组轴系扭振信号。高频滤波环节对机组的安全运 行，尤其是对抑制扭振信号的破坏作用至关重要。其设计原则，首先必须把机组 轴系扭振信号、信号采集环节输出的脉动及白噪声的幅值抑制到较低的水平。同时 必须保证幅值为3 h z 的信号输出不会太小，这就得把其幅频曲线在带宽频率( 即低 通截止频率) 附近的斜率调试得越小( 即曲线越陡) 越好。高频滤波环节的低通截 止频率设计值通常为3 5 3 8 h z 。一般为了调试方便，在设计中可采用了两级滤波 方式。 两级超前滞后补偿环节。这种补偿器的实质是一种比例系数为1 的带有惯 性的比例微分环节，每一级补偿器的最大补偿角通常设计为7 0 。左右。称t 1 ( 或t 3 ) 为超前时间常数，t 2 ( 或t 4 ) 为滞后时间常数。视现场需要，补偿器可为一级，也可 为三级。t 2 及t 4 的取值主要根据前述滤波器带宽频率附近的幅频曲线陡度而定， 若曲线越陡，取值应越大。t 1 及t 3 的整定值决定于励磁控制系统( 含前述信号采集 环节及滤波器) 所造成的振荡反馈信号的滞后程度，即要求出超前补偿的角度。 图2 5 中的放大环节是指调节器中的l 【s ，其实质是一个比例放大环节。l 【s 的 大小主要取决于上述信号采集环节、滤波环节及补偿环节对主信号的衰减程度； 该值的大小还表征着由p s s 所构成闭环回路的开环增益，它与根轨迹增益仅差一 个由传感器，滤波器及补偿器增益构成的比例系数，因此直接影响着该回路的调 整时间、上升时间及超调量等动态性能。 11o 个 自动复位环节是指图中的# 兰 部分，实质是一个带有惯性的微分环节，是 l + s l 一组阻隔各类漂移信号通过的隔“直”电路，只有交流主信号经过时，才允许通过， 否则便把输出回路自动关闭，国内习惯把该电路称为自动复位器，在i e e e 及i e c 标准文件中称为冲洗器，t 5 为冲洗时间常数。该时问常数整定值越大，此环节对 主信号的干扰就越小，但p s s 对电压调节回路的影响也越大。 上述标准型p s s 可用于抑制可能发生的局部电机与系统间的振荡、区域间振 荡及机组间振荡。局部电机与系统间的振荡是指同一电厂一台或多台电机与系统 问发生的摆动，频率一般为0 7 2 k 。对于具有静止励磁装置( 可控硅整流励磁) 的励磁系统，由于响应速度快，引发这种可能性大，因此必须装设p s s 。区域间振 荡是指系统中一个区域的机组群与另一区域机组群所发生的摆动，频率一般不大 于0 5 h z 。为抑制该类振荡，对于各类励磁系统应配置p s s 。机组间振荡是指同一 电厂或相邻电厂两台以上机组间的相互摆动，频率一股为1 5 3 f i z 。由于该类振 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力系统稳定器基本原理及应用情况 荡的频率较高，受高频滤波器的影响，对该类振荡的抑制作用可能会不及对前两 类振荡的抑制效果来得明显。为了避免机组轴系扭振信号不经过p s s 而形成闭环 回路，使扭振迅速发展到对机组具有破坏性的程度，必须采用励磁系统及发电机 的精确模型来分析机组的扭振信号，以便高频滤波器能抑制扭振信号1 3 6 4 7 l 。 2 4 对三峡电站电力系统稳定器模型和参数选择的基本要求 由于电力系统的复杂性，在现有的技术条件下，单独通过理论计算、现场试 验或仿真等手段之一，是不可能选择出令人满意的p s s 模型和参数的，必须对理 论计算、现场试验和仿真等的结果进行综合比较才能得出结论。 2 4 1 对p s s 的基本要求 电力系统运行方式的多变性对p s s 提出了两个基本要求，即：1 ) 必须有良好 的适应性，2 ) 基本上没有无功反调现象。 所谓有良好的适应性是指p s s 应能满足电力系统可能出现的所有运行方式的 要求，在这些可能出现的运行方式下，各个发电机的p s s 都应对与本机有强相关 的振荡模式提供正的阻尼。 全国联网工程的研究表明，在全国联网后，会出现一个频率为0 1 5 h z 左右的 机电振荡模式，这是一个负阻尼振荡模式。为了保证电网的安全运行，必须在相 关电厂的发电机上配置电力系统稳定器即p s s 。同时，p s s 的参数必须按照能在 0 1 i - i z 2 0 h z 的频段内提供正阻尼来整定。 研究也同时表明，三峡电站的电力系统稳定器( p s s ) 对全国联网后出现的 0 1 5 h z 左右的机电振荡模式的阻尼有较大的影响。合理、正确整定的参数也是保 证联网后实现安全稳定运行的重要因数之一。 因此。三峡电站的电力系统稳定器应能够对0 1 h z 2 0 h z 频段内，特别是 o 1 5 i k 左右的低频振荡提供正的阻尼。 所谓无功反调，是指机组在增加机械功率输入以达到增加发电机的有功负荷 时，发电机的无功出现向相反方向即减少方向交化，而在减少机械功率输入以达 到减少发电机的有功负荷时，发电机的无功出现向相反方向即增加方向变化的现 象。反调是由采用发电机有功功率信号的p s s 以及原动机有功功率变化过大过快 造成的。无p s s 和转速p s s 不产生反调。反调的大小与功率调整速度密切相关， 速度越快，反调越大。 2 4 2 基于相位补偿原理的频率响应特性法 选择p s s 参数的方法很多。基于相位补偿原理的频率响应特性法是一种简单、 重庆大学工程硕士学位论文2 电力系统稳定器基本原理及应用情况 方便、易以得到良好适应性的方法，本文将应用此方法对三峡电站先后应用的三 种p s s 模型及其参数进行计算。 根据相位补偿原理，理想的有补偿频率响应特性是，在系统可能发生低频振 荡的整个频率范围内，其相频特性e c o m p 均为一9 0 。 ( 以有功功率为输入信号) 。 这样，凡是与本发电机有强相关的低频振荡，本机的p s s 都能有良好的阻尼作