电力系统稳定器(PSS)

电力系统稳定器（ＰＳＳ）　及其在三峡机组的应用
彭炜东
（　三峡水力发电厂，　湖北宜昌４４３１３３）　
Power system stabilizer and the application on the generator of the Three Gorges Project
PENG Wei-dong, XUE Fu-wei
(Three Gorges Hydropower Plant, Yichang Hubei,443133)
摘要：　介绍了电力系统稳定器的基本原理及设计方法，针对全国联网对三峡机组PSS的要求，比较了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的三峡机组的模型。

关键词：　电力系统稳定器；阻尼；低频振荡；反调
ABSTRACT: Introducing the basic theory and design way of Power system stabilizer, compare the result of application of every type PSS on the generator of the Three Gorges Project, pointing out the problems of every type and find out a suitable one for TGP.
KEY WORDS: Power system stabilizer；damping ； oscillation of low frequency ； anti-regulation
１．前言
随着电力系统的发展，电网的规模不断扩大，大电网存在的问题也逐步显现出来，美国、英国、意大利等国都相继发生过大规模的停电事故，各国专家对大电网存在的问题也越来越关注，其中大电网的稳定性问题一直是专家们关注的焦点。

低频振荡是影响电网稳定性的一个重要因素，对低频振荡的抑制早在70年代就有了比较成熟的方法，其中最典型的就是采用电力系统稳定器(PSS)。

２．ＰＳＳ的基本原理
电力系统产生低频振荡的原因很多，其中主要原因是电网构架薄弱，各区域电网之间的阻尼较小，当系统受到扰动时，会出现功率的振荡，弱阻尼系统不能依靠自身的阻尼来平息振荡，从而使得振荡得到进一步的放大。

因此，要防止低频振荡，就要增加系统的正阻尼，减小负阻尼。

有很多方法都可以达到这个目的，如改善电网结构、改变运行方式、减小联络线的输送功率、调整励磁调节器的相关参数等，但最为有效且经济的方法是采用电力系统稳定器（PSS）。

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。

PSS的任务就是抵消这种负的阻尼，同时还要提供正的阻尼。

为了便于说明PSS是如何提供正的阻尼的，建立一个δ－ω平面坐标系，在δ－ω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。

功率增量?P为机械功率Pm与电功率Pe之差，功率增量产生转子加速度，转子速度ω滞后于加速度90度，而转子角度δ又滞后于转子速度90度。

在低频振荡中，电压的变化与有功功率的变化基本是反向
的，　即?U与?P反向。

由此可以确定各变量在δ－ω　平面的方向如图一所示。

当电力系统中发生功率扰动时，　机组的转子角?δ　要发生变化，　但是由于励磁调节器是采用按电压偏差信号?U进行调节的，　经过
T1在ω　轴励磁系统这个滞后环节后，　其所产生的电磁力矩T1滞后于?δ　一个角度φ1，　从图中可以看出，
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PSS信号。

以取功率增量作为输入信号的PSS为例来说明其作用原理。

功率增量?P与?δ　反向，　从图中
在ω　轴上的分量为正值，　即提供正的阻尼，　则由可以看出，　要使机组稳定运行并使最后合成的电磁转矩T
∑
PSS的输入信号?P提供一个相位滞PSS调节信号产生的电磁力矩T2必须落在第Ⅰ　象限，　因此，　必须对
后。

图中φ2为PSS环节本身对特定频率的输入信号产生的相位移，　是一个滞后角度，φ3是励磁系统对PSS调节信号?PSS产生的相位滞后角度。

从图中可知，　只要适当调整PSS输出信号的相位及放大倍数，　就可以使最后的合成电磁力矩提供正的阻尼力矩及正的同步力矩。

、ΔＵ
图一：　在δ－ω　平面的ＰＳＳ原理示意图
从本质上讲，　引入PSS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。

、Δf等。

因此，　在原理上，PS S的输入信号可以是与电功率有关联的任何量，　包括Δω　、Δδ　、Pe、ΔP
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PSS原理上是用Δω　为输入信号，　
P为
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Δ
输入信号的PSS效果可以与测轴转速的PSS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上止一个；　测电功率Pe的PSS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PSS闭锁；　测机端电压频率△f的PSS克服了测轴转速PSS信号处理上的困难，　但由于发电机电抗的影响，△f与频差Δω　不完全一致，　因而效果上稍差。

标准的PSS模型一般由如图所示的几个环节组成，　这也是被IEEE及IEC推荐的标准模型。

P 、ω　、f
S A 1(1432212
65++++++21ST 1ST 1++4
3ST 1ST 1++7
ST 11
+S A 1)(S A S A S A S A 信号采集环节
高频滤波环节超前滞后环节
6
5S ST 1ST 1K ++×
max min
放大及自动复位环节限幅环节
图二：　标准ＰＳＳ结构框图
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。

一般来说，　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。

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3Hz 。

所以在由PSS 所构成的闭环回路中，　称频率大于3Hz 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、白噪声以及频率不小于4Hz 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3Hz 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3.5～3.8Hz 。

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70°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。

图二中的放大环节是指调节器中的K S ，　其实质是一个比例放大环节。

K 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PSS 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。

自动复位环节是指图中的
1+ST 5
部分，　实质是一个带有惯性的微分环节，　可改写为
1+ST 6
5
55ST 11
-1ST 1ST +=+，相当于是一个单位环节和一个负输出惯性环节的并联，是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IEEE 及IEC 标准文件中称为冲洗器，T 5为冲洗时间常数。

该时间常数整定值越大，此环节对主信号的干扰就越小，但PSS 对电压调节回路的影响也越大。

上述标准型PSS 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间发生的摆动，频率一般为0.7～2Hz 。

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PSS 。

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0.5Hz 。

为抑制该类振荡，对于各类励磁系统应配置PSS 。

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，频率一般为1.5～3Hz 。

由于该类振荡的频率较高，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PSS 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。

三峡左岸电站目前有两种类型的发电机组，一种由ALSTOM 公司提供，另一种由VGS 联营体提供，这两种机组的参数略有不同。

两种机组均采用同一厂家的励磁系统，励磁方式为自并励可控硅静止励磁，励磁调节器采用PID 附加PSS 的调节方式，机组及励磁系统的相关参数如表一及表二所示。

表一：发电机组参数　
数值 序号 参数名称
VGS ABB 单位 备注 额定容量 777.8 777.8 MVA 最大容量
840 840 MVA 最大容量时功率因数 0.9 0.9 额定电压 20 20 KV 额定功率因数 0.9 0.9 额定频率 50 50 Hz 相数 3 3 额定转速 75 75 R/min
定子绕组连接方式 Y Y
直轴同步电抗Xd 0.97/0.88 1.05/0.95 0.939/0.835 1.014/0.902 不饱和/饱和，额定容量时 不饱和/饱和，最大容量时 直轴瞬变电抗X’d 0.32/0.30 0.35/0.32 0.315/0.295 0.340/0.319 不饱和/饱和，额定容量时 不饱和/饱和，最大容量时 直轴超瞬变电抗X”d 0.22/0.20 0.23/0.21
0.240/0.200 0.259/0.216
不饱和/饱和，额定容量时 不饱和/饱和，最大容量时
直轴瞬变开路时间常数T’do 11.1 10.1 直轴瞬变短路时间常数T’d 4.0 3.2 定子绕组短路时间常数Ta 0.32 0.28 励磁绕组对地电容 2.6 0.55 uF
励磁绕组自感 0.943 H 定子绕组对地电容 1.35 1.81 uF/相
转子绕组电阻 0.09643
0.1144
VGS 90℃时，ABB 130℃时
表二：励磁系统参数　
数值 序号 参数名称 VGS ABB 单位 备注 空载励磁电压 211 191.8 V
空载励磁电流 2190 2352 A
负载励磁电压 364/409 475.9/497.1 V 额定容量时/最大容量时 负载励磁电流 3779/3940 4158/4345 A 额定容量时/最大容量时
励磁顶值电压 1280 1556 V
励磁顶值电流 7880 8690 A
允许强励时间 20 20 S 励磁顶值电流下 单桥退出，允许工作时间
≥20 ≥20 S 励磁顶值电流下
电压响应时间
≤0.03
≤0.03
S
数值
序号 参数名称 VGS ABB 单位 备注
转子过电压值
≤0.5U S ≤0.5U
S U S
为绕组出厂对地耐压试验
时的电压幅值
年不可利用率 ≤0.05% ≤0.05% 首次故障间隔时间
≥30000 ≥30000 h 使用寿命 ≥20 ≥20 y
平均故障间隔时间
≥50000
≥50000
h
３．１． ＰＳＳ－１Ａ模型及其试验结果　
在三峡机组的励磁调节器中，厂家采用的PSS 原始模型是PSS －1A 模型，其传递函数框图如下：
图四：ＰＳＳ－１Ａ模型传递函数框图及相关参数　
由图可知，厂家提供的PSS －1A 模型由一个惯性环节、一个隔直环节、三个超前滞后环节组成。

通过现场试验，其对本机低频振荡的抑制效果如图六所示。

SMIN
有功功率P
无功功率Q
图五：无ＰＳＳ时，３％的额定励磁电压阶跃试验　
由于不可能在电力系统中真实模拟0.1HZ左右的低频振荡，因此，对所有模型在此低频段提供正阻尼的情况均只能进行仿真试验确定。

厂家提供的PSS环节的幅频及相频特性表明，1A模型在0.2HZ及以下不能提供正阻尼，相反还提供了负阻尼，不符合国调经过系统稳定计算后，对三峡机组PSS的要求。

有功功率P
无功功率Q
图六：ＰＳＳ－１Ａ模型，３％的额定励磁电压阶跃试验　
经过对PSS－1A模型的相关参数进行调整，其在低频段的表现略有改善，但此时新的问题出现
了。

由于是采用的电功率信号作为PSS的输入，所以在有功功率调节过程中，会有无功功率反调现象。

在参数改变前，引起的无功功率反调还是在可以接受的范围内，增减有功功率100MW，相应的无功功率变化为20MVar左右。

改变参数后，同样的有功功率变化，其引起的无功功率的变化最大可达120MVar，这显然不能满足运行要求。

为了改善这种情况，将导叶开度信号引入到PSS中，在人工调节有功功率时，导叶开度信号发生变化，PSS根据该信号闭锁其输出，以防止无功功率反调。

现场试验表明，此方法效果较好，但国家电网调度方面不同意该方案，主要原因是当系统发生故障时，如线路或机组切除，此时电站的AGC系统会自动调节发电机的有功功率输出，则此时PSS根据导叶开度信号闭锁其输出，但系统在此暂态过程中可能会诱发低频振荡，正是需要PSS发挥作用。

这是一对矛盾。

３．２．ＰＳＳ－３Ｂ模型及其试验结果　
为了使PSS在低频段能提供正的阻尼，并解决无功功率反调问题，经与生产厂家协商，决定采用PSS－3B模型。

与1A模型相比，3B模型是一种双输入模型，其采用的输入信号为发电机转速及电功率。

而原来的1A模型没有转速信号，为此，三峡电厂增加了一套齿盘测速装置为其提供所需的转速信号，90% ~ 110%的额定转速对应输出4~20mA电流。

PSS－3B模型的传递函数框图及相关参数如图七所示。

图七：ＰＳＳ－３Ｂ模型框图及相关参数　
仿真试验表明，3B模型改善了PSS在低频段的表现，在0.2Hz及以下频段基本上能提供微弱的正阻尼作用。

但在现场试验中发现，3B模型的PSS仍然具有较大的无功功率反调，如图十所示。

通过分析其模型发现，其引入的发电机速度信号并没有参与抑制无功功率反调。

无功功率Q
有功功率P
图八：ＰＳＳ－３Ｂ模型，３％的额定励磁电压阶跃试验　
有功功率P 无功功率Q
图九：ＰＳＳ－３Ｂ模型，有功从６００ＭＷ变化到４５０ＭＷ时，闭锁ＰＳＳ输出图　
无功功率Q
有功功率P
图十：ＰＳＳ－３Ｂ，有功功率从６００ＭＷ变化到４５０ＭＷ时，不闭锁ＰＳＳ输出　
３．３．ＰＳＳ－２Ａ模型及其试验结果　
由于3B模型抑制无功功率反调的作用还不理想，三峡电厂与中国电力科学研究院合作，决定在三峡机组上采用PSS－2A模型。

其传递函数及相关参数如下：
参数建议为：
Tw1=Tw3=10.0s Tw2=Tw4=10.0s Tj=8.23s Ks3=1.0 T1=0.51s T2=2.27s T3=T5=0.4s T4=T6=0.04s　Ksimax=0.1 Ksimin=-0.1 N=1 M=5
图十一： ＰＳＳ－２Ａ模型传递函数框图及相关参数　
2A模型采用的输入信号为加速功率。

仿真试验表明，其在低频段能提供正阻尼。

在现场试验中，对本机低频振荡抑制作用及防反调效果如图十二、十三所示。

有功功率P
无功功率Q
图十二：ＰＳＳ－２Ａ模型，３％的额定励磁电压阶跃试验　
有功功率P
无功功率Q
图十三：ＰＳＳ－２Ａ模型，有功功率从６００ＭＷ变化到４５０ＭＷ时，不闭锁ＰＳＳ输出　
从仿真及现场试验可知，2A模型能在低频段提供正的阻尼，并能有效地抑制无功功率反调。

因此决定将装载有该模型的PSS装置在三峡机组上试运行。

目前三峡左岸电站14台机组已全部安装了
PSS－2A模型装置，通过一年多的运行考核，装置运行情况基本良好。

３．４．遗留问题　
在三种模型PSS的试验过程中，存在一个共同的现象，就是当PSS投入时，机组的无功功率会有一定的波动，这种波动的幅度在不同的有功功率负载下会有所不同，且没有明显的周期性。

在当时135米的水头下，三峡机组所带的负荷为600MW，在试验中发现，当机组负荷减小到450MW时，无功功率的波动幅度最大，2A模型最大波幅可达70MVar，在机组带至满负荷时，这种波动较小，最大只有30 MVar，没有规律性，肉眼通过观察表计难以察觉，通过长时间的录波可捕捉到这种波动。

电科院也组织各方专家对该现象进行了分析，也有几种不同的意见，没有最终的结论，在此也不展开做详细的讨论。

但各方专家一致认为，这种波动对于700MW容量的机组来说是可以接受的，不会对机组及系统的正常运行产生影响，更不会危及系统的安全，可以留待下一步解决。

2006年3月到4月，在二十天左右的时间内，三峡左岸电站10F机组的无功功率发生过三次剧烈波动现象，最严重的一次是机组无功功率从71 MVar突然增加到514MVar，导致机组过激磁I 段保护动作。

通过现场检查发现，当断开外置PSS装置后，无功功率波动消除，可以初步判断为PSS的调节引发的无功功率波动。

三峡左岸电站14台机组安装的同型号的外置PSS装置，通过对现场装置逐台检查，发现9F、10F、12F、13F外置PSS的输出都有较大幅度的波动，而这种波动绝不是正常的调节输出，初步判断为电磁干扰造成的，非PSS装置设计及参数整定上的问题，通过采取一定的抗干扰措施后，波动暂时消除，目前仍在进一步的观察中。

４．结语　
经过多方的共同努力，终于使三峡机组PSS的性能得到了改善，满足了国家电网对三峡机组PSS 装置的性能要求，使三峡电站新增机组顺利地投产发电，创造了具大的经济效益及社会效益。

通过多方的合作，目前已将PSS－2A模型集成到现有的励磁调节器中，进一步提高了其可靠性。

三峡电站是世界特大型电站，其投产运行将极大地缓解国内用电紧张局面，同时提高了电网运行的可靠性，对促进电力系统的全国联网将起到积极的作用。

三峡电厂愿继续与各单位努力协作，不断优化三峡机组的性能，使其最大限度地为国家的经济建设做出贡献。

参考文献　
［１］　姜岳鑫。

电力系统稳定器ＰＳＳ。

华通技术，１９９２，（１）。

　
［２］　王永强，周双喜。

以电功率微分为输入信号的电力系统稳定器。

电力系统自动化，１９９３，（１）。

　
作者简介：　
彭炜东（１９６８－），男，湖北云梦人，高级工程师，长期从事励磁系统的检修及维护工作。

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