电力系统振荡的原因及危害知识讲解

电力系统振荡的原因
及危害
电力系统振荡的原因及危害
1前言
XXXX公司是装机容量为2×600MW的新建大型火力发电厂，它同原有XXXX公司的2×500MW俄罗斯汽轮机组构成一个电源点，经三条500KV 线路向系统送电，地处京津唐负荷中心，对电网稳定起着重要的支撑作用。

作为京津唐电网最大的发电机组，其发电机励磁系统性能的优劣对华北电网的稳定运行具有举足轻重的影响。

根据国家十五计划实现全国联网的要求，华北电网规定，新建大型发电机组励磁系统应有系统稳定措施并调整好后才能并网运行，为此我厂先后完成了对3#、4#机组的电力系统稳定器(PSS)定值整定和试验工作,实验效果明显。

应国家电力调度中心要求，2003年6月18日，在华北电力调度局方式处的组织下PSS正式投入运行。

2低频振荡产生原因分析及危害性
电力系统低频振荡在国内外均有发生，通常出现在远距离、重负荷输电线路上，或者互联系统的弱联络线上，在采用快速响应高放大倍数励磁系统的条件下更容易出现。

随着电力电子技术的快速发展，快速励磁调节器的时间常数大为减少，这有效地改善了电压调节特性，提高了系统的暂态稳定水平。

但由于自动励磁调节器产生的附加阻尼为负值，抵消了系统本身所固有的正阻尼，使系统的总阻尼减少或成为负值，以至系统在扰动作用后的功率振荡长久不能平息，甚至导致自发的低频振荡，低频振荡的频率一般在0.2-2Hz之间。

(风险管理世界
低频振荡会引起联络线过流跳闸或系统与系统或机组与系统之间的失步而解列，严重威胁电力系统的稳定。

解决低频振荡问题成为电网安全稳定运行的重要课题之一。

3PSS原理及其作用
为了既能利用高放大倍数的励磁调节器又能避免其负阻尼效应，人们对传统励磁系统进行了改进。

对一个可能引起负阻尼的励磁调节器，向其中注入某些附加控制信号，使之可以提供正的阻尼，平息振荡，这就是PSS最基本的原理。

PSS作为一种附加励磁控制环节，即在励磁电压调节器中，通过引入附加信号，产生一个正阻尼转矩，去克服励磁调节器引起的负阻尼，控制量可以采用电功率偏差(△P)、机端电压频率偏差(△f)、过剩功率(△Pm)、和发电机
轴速度偏差(△w)以及它们的组合等。

它不仅可以补偿励磁调节器的负阻尼，而且可以增加正阻尼，使发电机有效提高遏制系统低频振荡能力。

尽管PSS已是成熟的普遍技术，但它仍是消除互联电网负阻尼低频振荡最经济有效的方法。

当系统规模较小、互联程度较低时，系统振荡不明显，PSS整定不为人们所关注。

但在当今大电网互联迅速发展的情况下，PSS的作用已经引起人们的高度重视。

1994年我国南方联营电网发生的系统振荡事故是典型的一例，事后分析表明，若在此系统的主力机组上加装PSS，可以有效地阻尼振荡，防止有严重后果的动态稳定破坏事故的发生。

4PSS的构成和传递函数
早期的PSS由分立元件构成，在微机式励磁调节器中PSS由软件构成，我厂3#、4#机组均是哈尔滨电机厂生产的三机无刷励磁发电机组,型号为QFSN-600-2YH，励磁调节器采用英国ROLLS-ROYCE(简称R-R)公司的数字式励磁调节器， PSS完全由软件构成，其PSS输入信号采用发电机电功率即△P，其结构如图1：
图1电力系统稳定器(PSS)方框图
ROLLS-ROYCE公司的电力系统稳定器(PSS)输入信号为发电机的负电功率信号，由此生成一个相位补偿及增益控制的调节信号以对有功功率振荡产生阻尼作用。

现场运行参数为：PSS自动投入值：0.3PU 功率，返回值0.14PU 功率，Kp=2、Te=10 、T1=2、T2=0.35、T3=4、T4=0.2、T5=0.05、T6=0.08、T7=0.05，PSS输出限幅： ±5%
5PSS实验过程
5.1励磁系统在线无补偿频率特性的测量
励磁控制系统无补偿频率特性即励磁系统滞后特性。

因励磁控制系统滞后特性的存在，加到励磁调节器的附加信号经滞后才能产生附加力矩。

测量励磁控制系统滞后特性应测量附加力矩对PSS迭加点的滞后角度。

因为在发电机高功率因数运行时，机端电压对PSS迭加点的滞后角度近似等于附加力矩对PSS迭加点的滞后角度。

实验时，发电机并网运行,记录有功、无功、机端电压值，PSS不投入，用频谱仪将噪音信号加入到调节器的相加点上，测量励磁系统的相频特性。

测得的励磁系统在线无补偿相频特性见表1。

表1励磁系统相频特性
由表1可见，在线无补偿频率特性基本正常,相位滞后比一般的交流励磁机励磁系统稍大些。

(励磁机励磁系统约为-40°---150°)
5.2励磁系统在线有补偿频率特性的测量
有补偿频率特性由无补偿频率特性与PSS单元相频特性相加得到，用来反映PSS相位补偿后的附加力矩相位。

DL/T650-1998<<大行汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件>>提出有补偿频率特性在该电力系统低频振荡区内满足-80°至-135°要求，此角度以机械功率方向为零度。

一般试验采用的方法为：(1)断开PSS输入端，在PSS输入端加噪声信号，测量机端电压相对PSS 输入信号的相角。

(2)PSS环节的相角加上励磁控制系统滞后相角。

在现场试验中，PSS参数的预选择，可以用以上方法进行，此试验的目的是找出一组较好的PSS参数，并尽量使整个低频振荡频率范围内都得到较好的相位补偿。

由于R-R公司的励磁调节器中未设置PSS输入端，也未有相应的软件，此试验在现场无法进行。

因此，由中国电科院技术人员根据厂家提供的PSS的传递函数框图，预设置一组PSS参数，用MATLAB自编程序进行仿真计算。

PSS参数：Kp=2 Te=10 T1=2 T2=0.35 T3=4 T4=0.2 T5=0.05 T6=0.08 T7=0.05，计算所得PSS得相频特性见图2、Kp=2.0时幅频特性曲线见图3
将计算所得的各低频振荡频率下PSS相位角Φp与现场测得的在线无补偿频率特性上同频率下励磁系统滞后角Φe相加，得到在线有补偿频率特性计算值。

计算所得的在线有补偿频率特性见下表2。

从表2可见，在低频震荡频率0.2Hz-1.7 Hz范围内都基本满足滞后-80°---(-135°)的要求，此组PSS参数是比较合适的。

图2 PSS系统相频特性曲线
图3 Kp=2.0时幅频特性曲线
表2在线有补偿频率特性计算值
其中：Φ=Φe + Φp
5.3阶越响应(以4#机组为例)
试验条件：发电机并网运行，P=589.6MW Q=77.4Mvar Vt=19.44KV
先进行PSS不投入时2%电压阶越响应试验。

通过调节励磁调节器的输出，在发电机机端产生±2%的阶越，录取发电机机端有功功率、机端电压、无功功率、励磁电压波形(见图4)。

由图4可见，在PSS未投入运行的条件下，做机端电压±2%阶越响应试验，在上阶越时有功功率产生三摆振荡，振荡频率为1.5Hz。

在下阶越时有功功率产生三摆振荡，振荡频率为1.5Hz。

通过自动励磁调节器(AVR)控制屏幕调整PSS增益Kp=0.5，投入PSS，重做±2%阶越试验。

通过调节励磁调节器的输出，在发电机机端产生
±2%的阶越，录取发电机机端有功功率、机端电压、无功功率、励磁电压波形(见图5)。

图4 无PSS时的2%电压阶越响应
图5有PSS(Kp=0.5)时的2%电压阶越响应录波图
由录波图5可见，PSS起到了抑制功率振荡的作用，无论是上阶越还是下阶越时，只产生一摆振荡，振荡频率为1.5Hz。

图6有PSS(Kp=1.0)时的2%电压阶越响应录波图
相同工况下，通过AVR控制屏幕调整Kp分别为1和2、3继续做
±2%阶越试验，录取发电机机端有功功率、机端电压、无功功率、励磁电压波形(见图6、7、8)，比较PSS的增益不同时阻尼功率振荡的能力。

以找出较合理的PSS增益值。

图7有PSS(Kp=2.0)时的2%电压阶越响应录波图
由录波图可见，PSS阻尼功率振荡能力随Kp的增大而逐步增强，无论是上阶跃还是下阶跃时，只产生一摆振荡，振荡频率为1.5Hz。

5.4PSS增益整定
通过以上Kp取不同值时的阶越响应结果可知，PSS阻尼功率振荡能力随Kp的增大而逐步增强，但是增益过大同样会产生不稳定危害，根据图
3( Kp=2.0时的幅频特性计算曲线)，PSS在0.5Hz-2Hz时的交流放大倍数约为0.3-0.5，已经足够大。

由图5至图8录波图结果，认为取Kp=2比较合适。

5.5PSS反调试验
对于采用发电机电功率信号的PSS，主要的副作用是无功反调，当通过减小原动机的输入功率来减少发电机的出力时，若调整速度较快，发电机的无功输出会突然大幅度增加，几秒后又恢复到原来无功水平。

如果增加了有功，则无功会会瞬间大幅度减少，几秒钟后恢复到原来水平。

无功反调现象严重时将对系统运行带来不利影响。

试验时，PSS投入运行，按正常运行增减负荷速度改变有功功率，观察调节器输出电压和电流，不出现随有功功率变化而大幅度摆动现象。

图8有PSS(Kp=3.0)时的2%电压阶越响应录波图
6实验结论
虽然本次实验出于安全性考虑未作大干扰的系统试验，只做了小干扰的机组实验，但是通过实验结果和录波图可看出PSS在增加系统阻尼，抑制发电机有功率振荡、提高系统稳定性方面有明显的效果。

同时由于我厂是三机无刷旋转励磁方式，虽然励磁调节器性能优越，反应速度很快，但是根据三机励磁方式本身特有的局限性，我们相信在自并励等其它快速励磁系统上，PSS的效果会更好。