电力系统稳定器

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1、电力系统稳定器(PSS)设计的一种新思路杨汉如1,阎伟2,王涛2,杨国清21.安康市水利水电勘测设计院，陕西安康725000; 2.西安理工大学电力系，陕西西安710048)摘要：对常见的PSS输入信号作了概括，分析了导致电力系统低频振荡的原因。对以3和 APe同时为输入信号的PSS作了研究，提出了电力系统稳定器设计的一种新思路。仿真结 果表明，以这种新思路为指导设计的电力系统稳定器有良好的性能。关键词：励磁系统；低频振荡；电力系统稳定器；仿真口A new idea for Power System Stabilizer(PSS) design YANG Hanrul, YAN Wei2, W

2、ANG Tao2,YANG Guoqing2 (1. Ankang Institute of Water Resources Investigation & Designing, Shaanxi Ankang 725000, China; 2. Power System and Automation Department of Xian University of Technology, Xian 710048, China) Abstract: The input signals of Power System Stabilizer(PSS) widely utilized are summ

3、arized. A new idea in designing PSS with two inputs A andAPeis put forward. It is illustrated by simulation result that the PSS based on this designing idea has excellent performance.Keywords: Excitation system; Low frequency power oscillation ; PSS; Simulation1引言目前，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

4、器(AVR)的时间常数从几十秒缩短到几十毫秒(20 ms)。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。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(Power System Stabilizer简称 PSS)是一种有效的附加励磁控制。2 PSS的作用及其输入信号电力系统稳定器的作用主要是抑制电力系统0.12.5 Hz的低频振荡。电力 系

5、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1，以 此实现对振荡的抑制PSS 一般采用转速偏差W,频率偏差Af,加速功率(Pm-Pe), 电磁功率偏差APe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。以A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APe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

6、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APe 和A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APe或A或(Pm-Pe)为输入量，而以 APe加Aw同时为输入量的PSS不多见。本文将就以APe与Aw同时作为输入信 号的PSS作以探讨。3电力系统弱(负)阻尼出现原因分析在电力系统中励磁控制系统会减弱系统的阻尼能力，从而加剧电力系统低频 振荡，其原因可以归结为两条3： 励磁控制器按电压偏差比例调节； 励磁控制系统有惯性。采用以机端电压偏差AUg为控制信号的具有

7、快速 响应特性的励磁控制系统产生的滞后相位是问题的实质。下面就此问题作以分析。3.1同步发电机模型根据发电机的基本方程式，并对这些方程线性化，可以得到研究低频振荡的 同步发电机完整模型2(见图1)。其中齐是PSS信号.发电也机端电压偏基*九=尺0 小火对牛电儆功率偏差巳-给膏:S 电磁转矩偏差3匚=尺争？ +阳勺,图1研究低殴振满时做步发电凯嵯型3.2励磁系统滞后相位分析如图1所示，用GL(S)表示励磁系统的传递函数，则氏兄心匕U +WSM1 + U * 屯再将s = j也代人U)式说得的相频特性为=一 retailLi +蹈K灼w瑚典火T” + KJ板)由(2)式可见，此相频特性为滞后的。由

8、于GL(S)是相位滞后的，当K5为负时，电 压调节器产生负阻尼，如图2所示5，其中AUg是发电机端电压偏差，0角是 励磁系统的滞后角，由图可见由电压调节器产生的电磁转矩ATe (转速恒定时 ATeAe)在 A轴上的投影为负值。所以用励磁方式解决电力系统低频振荡问题， 就要在相位上对励磁系统进行补偿。国？ AVR产节阪阳尼4以八3和APe同时为输入信号的电力系统稳定器利用叠加定理，将小信号作用产生的附加转矩AMd与APe信号作用产生 的附加转矩AMdp叠加，以分析以A和APe同时作为输入信号的PSS抑制低 频振荡的作用原理。(1) A信号作用产生的附加转矩图4是A(APe)信号作用产生附加转矩A

9、Md(AMdp)的原理框图，其中 AMd是A为输入产生的附加转矩,K是信号A的放大倍数;AMdp是以APe 为输入产生的附加转矩，Kp是信号A的放大倍数。见图3, G(S)(即图4中的 G)是PSS传递函数的一部分，其中的信号采集环节由传感器来完成，它将PSS 的工作主频(0.13 Hz)范围内的信号传进PSS；隔直环节是将频率不大于0.01 Hz的“直流”信号滤除,同时它还控制PSS在出现大于0.01 Hz的主频信号时才投 入4。则有+ (2)以APe信号作用产生的附加转矩假设=4所以启=KV七 = KlM又因为W =所以W = 5 , 3叽其中为同步转距系数，则有虬*(S)=邑上航占喝虏+

10、 I：孺+ ?卜+普+ KE. 、(2)将分别以A. APe为输入量所产生的附加转矩叠加由(3)式和(4)式得A和APe同时为输入信号的PSS产生的附加同步转矩AMd (S)为:淄=四.心皿眼)wg I,.孔亨卜h= )S餐*+心心F由(5)式得以A和APe同时为输入信号的PSS电力系统稳定器的传递函数 Gp(S)为：G0 = *酒 + Kg (；)群S =向代人式得其相颇持性AO) = /G 顷 h) + arc tan | 七:(7)由(7)式可以看到，通过调节K与Kp的相对大小，可以产生大小不同的超 前相角，来补偿励磁系统和PSS各环节的滞后相位角。综上所述，以A和APe同时为输入信号的

11、电力系统稳定器无需相位补偿环 节，它可以只通过调节K、Kp的相对大小，产生相位超前的附加同步转矩AMd， 对电压调节器产生的相位滞后的电磁转矩ATe在相位上进行补尝，以达到抑制 低频振荡的目的。5仿真本文对以A和APe为输入信号，无需专门相位补偿环节的PSS进行了了 仿真。整个仿真系统由单机无穷大系统、励磁调节器和PSS三部分组成，如图5 所示。圮咨L斜系统中发电机参数为-200 MW、g |= I1. K-i Un =13. 8 kV *=1. 30；） XJ =由蛔 T - 19 * 无穷大系统意数为：IL = LIO kV, Sx =10 m MVA, X/R = 1U,参考IEEE关于

12、在主频为0.13 Hz时，PSS中传感器和隔直环节的推荐参数(T1 =00.04,T2=0.550),本文取T1 = 0.04,T2=15.9。实际应用时，这两个时间常数 可以实际系统的低频振荡频率范围和隔直环节截止频率为依据，根据文献6 中提到的频率法计算得到。在发电机零起升压5 s时对系统加8%的功率干扰， 此扰动持续0.5s。在此干扰下系统发生1.48 Hz的低频振荡，调节Kp = 0.5,K=12, 对低频振荡进行抑制。图6和图7分别是加8%干扰时的Pe-t图和3-t图，虚线 是无PSS时的情况，实线是有PSS的情况.24 ft 3aj 血 11四R加干就的的也-t围0一临q -；一4

13、一厂 10时WtRi 1加&照干祝时的叫一，图由图6可见，无PSS时Pe需要4个周期才能平稳下来，振动最大值是1.2, 最小值是0.8，并且在干扰产生以前Pe有小幅震荡；有PSS时Pe只需要不到一 个周期就可以平稳下来，振动最大值是1.05,最小值是0.95,并且在干扰出现以 前Pe比较平稳。由图7可见，无PSS时需要5到6个周期才能平稳下来，振动最大值是1.002 4，最小值是0.997，并且在干扰产生以前有小幅震荡；有PSS时只需一个 周期就可以平稳下来，振动最大值是1.000 8,最小值是0.999 4；并且在干扰出现 以前比较平稳。6结语 本文首先对常见的PSS的输入信号作了总结，在

14、分析了导致电力系统低频振荡原因的基础上，提出了以A和APe为输入信号的 PSS可以不用超前滞后环节,而只通过调节A和APe信号比例系数的大小来产 生不同的超前补偿相位角，以此补偿励磁系统产生的相位滞后，这一设计PSS 的新思路，为新的PSS设计提供了依据。仿真结果表明可以通过调节A和APe 比例系数的大小来消除电力系统低频功率振荡，效果理想。参考文献1 李文云，等.云南电网鲁布革水电厂PSS参数的合理整定J.电网技术,1998,(1).2 郭培源.电力系统控制新技术M.北京:科学出版社，2001.3 杨冠城.电力系统自动化装置M .北京:中国电力出版社，1995.4 黄顺礼.抑制机组振荡用的国际典型电力系统稳定器(PSS) J.电力建设，2002, (9).5 方思立，等.电力系统稳定器的原理及其应用M .北京:中国电力出版社，1996.6 黄顺礼.国际典型的电力系统稳定器J.电工技术杂志，2002, (6).西北水力发电