PSS装置在电力系统中的作用

浅谈电力系统振荡及PSS装置的作用樊绍华 PSS是电力系统稳定器（Power system stabilizer）的简称。一、电力系统的振荡类型：电力系统在动态过程中可能出现多种类型的振荡，如电磁振荡：表现为系统电感和电容元件之间的能量交换振荡。振荡频率一般较高，例如高压线路电感的线路分布电容之间在一定条件下可能产生谐振，这种谐振可能引起危险的高电压。以如高压串联补偿线路的电感和串联补偿电容，这种振荡频率较低，一般低于同步频率，称为“次同步振荡”。另一类常见的电磁振荡是由系统中调节装置特性不恰当引起，它的振荡频率可能在很大范围内变化。电磁振荡一般衰减较快，但如果它的振荡频率与系统机电自然振荡频率相同，或与机组轴系自然振荡频率互补则可能引起严重后果。机电振荡：表现为机械元件之间的动态运动（振动）和扭转振荡。对于电力系统安全影响较大的有汽轮机叶片谐振和大机组轴系的扭振，其自然振荡频率可以低于或高于同步频率。如果存在一个频率与其机械自然振荡频率相同的外部扰动，则将出现危险的谐振，可能损坏设备。在系统出现大的扰动后，轴系也将引起扭振，如果这个扭振还未来得及衰减，以来一次扰动，则两次扰动的效果可能重合而引起更大幅值的扭振。电力系统故障时，可能接连出现短路、切除、重合闸于故障、再切除等多次大扰动，这些扰动如果多次叠加，则可能出现严重后果。机电振荡：常见的是发电机组间功率动态振荡。振荡时的能量是通过电气联系传递的，故称为机电振荡，表现为发电机电功率和功角的变化。当振荡较严重时，系统不能维持同步运行，即稳定破坏。机电振荡的频率较低，一般在0.22.5Hz范围内，通常称为低频振荡。机电扭振互作用：表现为电磁振荡和机械扭振的相互作用。如电力系统中出现频率为fe（fe低于同步频率fn）的电磁振荡，发电机定子电流中频率为fe的电流分量将在以fn速度旋转的转子直流绕组中产生频率为（fn-fe）的交变力矩，如果轴系的自然振荡频率fm=fn-fe，则将引起轴系的扭转谐。这种机电扭振互作用通常称为次同步谐振，可能严重损坏机组。由于非线性引起的参数谐振：当电力系统受到外界周期性扰动时，例如周期性波动的负荷扰动或调节器控制作用的波动等，如果扰动频率与系统的机电自然振荡频率或其倍数相同，则电力系统会因谐振发生大幅度的电力振荡。但在电力系统内除自然振荡频率外，还存在由非线性引起的谐振频率，它也可能使电力系统发生谐振。低频振荡是电力系统最常见的振荡，11.9发生的振荡就是由于系统受到外界扰动引起的低频振荡，振荡频率在0.82-0.93Hz之间。二、电力系统的机电振荡特性对于50Hz系统，自然振荡频率约为0.252.5H范围内，当系统联系比较弱，X较大，振荡频率低，例如在0.20.5Hz左右，则称为互联系统区域间振荡模式。如果机组电气距离X较小，振荡频率较高，例如1Hz以上，可认为就地机组间振荡模式。为使系统低频振荡较快平息，一般要求低频振荡模式阻尼比不小于0.10.3。三、发电机励磁系统对电网的影响阻尼：是指任何振动系统在振动中，由于外界作用和/或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。如用D表示机械阻尼，De表示电气阻尼；若De0，则在忽略调速器动态时，系统不会发生振荡失步，即为正阻尼。若De0，则机械阻尼与电气阻尼的和DD+DeD0，系统稳定；D0，系统临界；D0，系统负阻尼，振荡失步。目前，同步发电机普遍采用了自并励静止可控硅微机励磁方式，使自动励磁调节器(AVR)的时间常数从几十秒缩短到几十毫秒（20ms）。快速励磁系统在提高系统响应速度的同时，励磁系统时间常数大大减小，降低了电力系统阻尼，使系统中经常出现弱阻尼甚至是负阻尼，导致抑制振荡的能力下降。当振荡严重时会破坏互连系统的并列运行，造成大面积停电。包括我国在内的许多国家都发生了由低频振荡引起的严重事故。重负荷输电线路容易引起功率振荡，而快速高放大倍数的励磁系统对此起恶化作用。电力系统出现低频振荡时，可以采用减少输送容量或退去快速励磁的办法消除振荡，但是不合理，因为前者不经济，后者不利于大扰动下的暂态稳定。低频振荡可以通过附加励磁控制提供电力系统所需的附加阻尼来加以抑制，其中电力系统稳定器（PowerSystemStabilizer简称PSS）是一种有效的附加励磁控制。四、PSS的作用电力系统稳定器（pss）是为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。它在励磁电压调节器中，引入领先于轴速度的附加信号，产生一个正阻尼转矩，去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用。用于提高电力系统阻尼、解决低频振荡问题，从而提高发电机和整个电力系统的阻尼能力，抑制自发低频振荡的发生，加速功率振荡的衰减。是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。它抽取与此振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。电力系统稳定器的作用主要是抑制电力系统0.12.5Hz的低频振荡。电力系统稳定器的任务是接受这些振荡信号，并按要求传递给励磁电压调节器，通过电压调节器的自动控制作用，对发电机转子之间的相对振荡提供正阻尼，以此实现对振荡的抑制。五、工作原理PSS一般采用转速偏差，频率偏差f，加速功率(Pm-Pe)，电磁功率偏差Pe中的一个或几个信号作为AVR的附加信号输入，以达到抑制低频振荡的目的。其输入信号是发电机端电压频率、轴速度、电功率的变化或它们的组合。信号检测环节将交变的机电信号转变为直流电压信号，其中包括适当的滤波和放大。信号组合环节实现对输入信号的微分、积分组合，以反映发电机轴加速功率和轴加速度等的变化。领先-滞后环节调整电力系统稳定器的频率响应,使电力系统稳定器在可能发生振荡的频率范围内都能提供正的阻尼转矩。放大调整用来整定稳定器增益在最佳和安全值。隔直环节使稳定器的稳态输出为零。限幅和输出电路使送到电压调节器的稳定信号限制在允许的范围内，防止电机过电压或无功过负荷。以为输入信号的PSS使用的是超前网络，超前网络在高频时放大倍数会增大，所以对发电机扭动振荡极为敏感，使扭动振荡现象更加严重；以Pe作为输入信号，检测方便，所需超前角度小，稳定性好，已得到广泛应用，但存在反调现象。对于水轮发电机组，由于其机械功率变化速度快，反调影响更大；以加速功率(Pm-Pe)为输入信号，有电功率信号输入的优点，不存在反调问题，但要增加机械功率Pm为输入信号，而该信号的获取不太容易；以Pe和同时为输入信号，它们可以相互补偿，减小反调现象的影响。国内外大多数的电力系统稳定器都以Pe或或(Pm-Pe)为输入量，而以Pe加同时为输入量的PSS不多见。乌电电网在今年11.9前已曾发生几次振荡，据分析可能原因为电网结构、线路负荷重和相关参数变化引起，虽然以前在大电装有PSS装置，但整定是