PSS配置构成参数计算投运试验

PSS配置、构成、参数计算及投运试验

中国电力科学研究院 方思立 华北电力科学研究院 苏为民

摘要

本文介绍了PSS的配置要求及各种输入信号的PSS的特点及适用范围, 论述了PSS相位补偿及增益选取的计算方法, 以及PSS的现场试验方法等.

1 PSS配置

PSS是采用励磁附加控制，增加对低频振荡的阻尼，提高电力系统稳定的装置，对于数字式AVR，它不需要增加设备，又有很好的阻尼效果，因此近年来在电力系统中得到了广泛的采用。经验表明，不仅快速励磁系统采用PSS增大系统阻尼的效果良好，即使常规励磁系统，采用PSS也有良好效果。美国西部和加拿大联合电力系统(WSCC)建议60MW 及以上机组，励磁控制系统迟后角小于（1）式三阶典型系统时应配置PSS。 (6.28) 3

Ts = (S+0.628)(S+6.28)(S+62.8)

式（1）的迟后特性见表1。

表 1 三阶典型系统迟后角频率特性 振荡频率 (Hz) 迟后角 (度) 0.16 0.3 65 90 0.48 100 0.64 115 1.1 135 2 163 (1)

某快速励磁系统的传递函数如式2

F(ex)=[30/ (1+0.03S)] [1+(1/ 2S )] (2)

如发电机时间常数Tdo=6s, 其励磁控制系统的迟后特性见表2a， 某常规交流励磁机励磁系统的传递函数如式3

F(ex)=300[(1+1.6S)/(1+16S)][(1+0.5S)/(1+0.05S)][1/(1+0.03S)][1/(1+0.8S)] (3)

同上发电机采用式（3）励磁的迟后特性见表2b. 式（3）中励磁机简化为一阶惯性环节虽有较大的时间常数，因采用较强的超前补偿，其迟后特性仍小于1式。快速励磁系统的迟后特性则较1式小很多. 因此要求励磁系统性能良好的发电机，普遍采用PSS。我国励磁系统行标ＤL/T 650—1998，DL/T 843—2003均将PSS作为必备的附加单元，并规定其投入率分别不低于99%（自并励）及90%（交流励磁机励磁）。

2 PSS输入信号及其数学模型 2.1 PSS各输入信号的优缺点

PSS是在AVR输入附加控制信号，如转速偏差Δω（或频率偏差Δf），功率偏差ΔＰe

（或加速功率偏差ΔＰa）或两个信号的综合，使发电机产生Δω轴方向的阻尼力矩（ΔＴe）以抑制电力系统的低频功率振荡，各输入信号的优缺点如下： 2.1.1 Δω或Δf

因为励磁控制系统是一个迟后环节，有较大的迟后角，要求以Δω为输入信号的PSS，

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有很大的超前角补偿，以便PSS的输出使发电机产生的附加转矩与Δω同相位，从表2可见，当振荡频率为1Hz时，超前补偿角在100 o左右，超前补偿角大，微分作用强，控制回路就容易发生谐振，临界增益就较小，限制了使用增益. 此外Δω信号的测取比较困难，这也限制了Δω为输入信号的PSS的采用。

Δf为输入信号的PSS，与Δω有相同的缺点，也需要大的超前补偿。而且Δω信号是在发电机轴上测取，是轴功角的变化, 而Δf从机端电压测取，是机端电压功角的变化，因此Δf较Δω的灵敏度低，一般很少采用Δf作为PSS单一的输入信号，通常与ΔPe组合使用。

2.1.2 ΔPa或ΔPe

加速功率ΔPa的相位超前Δω 90°，因此它减小了PSS所需要的超前相位校正，设ω=ω0时励磁迟后角为90°，则ΔPa为输入信号的PSS,所需相位校正,在ω＜ω0时为迟后校正，ω＞ω0只需进行很小的超前校正. 所以电路稳定，可采用较大的增益，充分发挥PSS的作用.

ΔPa为机械功率Pm与电功率Pe之差，采样很困难，当Pm不变时,ΔPa=-Pe，测取Pe比较方便，因此一般都以Pe代替Pa，但Pe为输入信号的PSS有反调的缺点，当Pm增大,PSS的输出使励磁减小，这可能影响电力系统静态稳定，但对汽轮发电机影响不大，由于其电路简单，效果良好，除美国外，大都采用以ΔPe为输入信号的PSS。 2.1.3 ΔPe与Δf（Δω）组合

对于快速励磁系统，如自并励或高起始励磁，其励磁控制系统迟后角较小如表2，当f=1.1Hz时，迟后角为93°仍不需超前补偿，而采用ΔPe及Δf信号相加，可得到0～90°之间任何需要的超前相位，因此快速励磁系统可采用ΔPe与Δf直接相加的PSS,其数学模型及超前相位组成,如图1所示

Vp=KpΔPeΔω(Δf)TωSωS1+TKωΔωVωKpssVpssΔPeTpS1+TpSKpVpeΔPaθΔδa、数学模型b、超前相位图1 PSS输入信号为Δω(Δf)及ΔPe

在考虑将ΔPe的输出Vp及Δf的输出Vf相加时，要考虑信号Δω=-ΔPe/MS，因为S=jω，所以Δω的信号较ΔPe的信号小Mω倍，因此增益Kω应为Kp的Mω倍，才能使两通道的输出相当，如M=6 ， ω=5，Kp=1，则Kω=30时，Vω=Vp，PSS的超前角为45度. 图中

-1

θ=tanVp /Vω= KpMω/Kω

由ΔPe和Δω相加作为PSS的输入信号，不但在某一频率时得到要求的超前相位，还可以改善PSS的补偿频率特性。因为当频率改变时Vp与Vω的比例也随之改变. 振荡频率减小，超前角也减小，这与励磁控制系统迟后角的变化是一致的，因此可改善PSS的相频补偿特性。

此外采用ΔPe及Δf双输入信号，还可以在一定程度上减轻反调作用，因为Δω

或Δf没有反调，所以ΔPe与Δf合成的PSS反调作用较小。

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2.1.4 ΔPe和Δω组成模拟ΔPa

为了彻底消除反调的影响，ABB等制造厂采用图2电路

Δω(Δf)TωSωS1+TTpS1+TpSTωSωS1+TTpS1+TpSMS++Pm1+T1SN+M（1+T2S）高频滤波器Pa-Kpss1+T3S.1+T5S1+T4S1+T6SVpssΔPe(a)++2/M1+2S1+T1SN+M（1+T2S）Kpss-1+T3S.1+T5S1+T4S1+T6SVpssΔω(Δf)ΔPe(b)图2 消除反调的PSS 图2（a）Δω经微分处理后得加速度，在第一相加点与ΔPe相加得ΔPm=ΔPe+MSΔω，经高频滤波器后，在第二相加点再减去Pe，得加速功率ΔPa，由于原动机功率变化的频率较低，可以通过高频滤波器，因此在二次相加中消除了原动机功率变化的影响，也就消除了反调。对于电力系统的低频振荡，经高频滤器后有较大衰减，如果高频滤过器能完全阻止低频振荡信号通过,则此时相当于Pe输入信号的PSS，但实际上高频滤波器不能完全阻止低频信号通过，所以要经第一相加点构成Pm，然而在第一相加点的输出信号，也不可能是纯的Pm, 因此还必须有高频滤过器，以减弱第一相加点输出的低频振荡分量。

该电路的缺点之一是Δω经微分后容易发生谐振，为了使电路稳定，将两个输入信号均除以MS，但ΔPe除以MS后,响应不够灵敏，所以将1/MS改为1/TmS，Tm一般选用2秒，分母改为2S后，分子也需乘2/M，才能与Δω通道相应，此外，因2S>>1，因此可以(2/m)/(1+2s)代替(2/m)/2S。得到图2（b）.经这样处理后，虽在输入通道减少了超前环节, 但由于电路繁复，仍有引起高频电气振荡的可能性。 2.1.5 不同机组宜采用相应的输入信号。

汽轮发电机组有功调节的速度较慢，经过多年运行经验，以ΔPe为输入信号的PSS，只要参数合理，反调不明显，不必采用特殊的减小反调的措施.

常规励磁系统迟后角较大，适宜采用以ΔPe为输入信号的PSS，自并励系统或高起始励磁系统，迟后角较小可以采用ΔPe为输入信号的PSS，也可以采用ΔPe与Δf简单相加的PSS。

有的汽轮发电机采用图2的PSS，这没有必要,会使电路复杂化，建议改为简单的，以 ΔPe为输入信号的PSS。

水轮发电机有功调节速度较快，要考虑反调的影响，适宜采用ΔPe与Δf相加的PSS，或者采用对抑制反调更有效的逻辑控制电路。 2.1.6 西门子公司PSS的结构。

西门子生产的PSS输入信号为ΔPe，其相位补偿比较特殊如图3所示

V0K0AK1C1T1SV1K21T2SV2K31T3SV3KpssVpss-ΔPeV2V1V0ΔPeV3.11+TωB...图3 西门子PSS.

图4 西门子向量图

图中AB为隔直环节，C 点将ΔPe及各级的反馈相加，并使其输出相位在给定频率时与ΔPe同相位，因为Ｖ１迟后Ｖ０90°,Ｖ2迟后Ｖ１ 90°与Ｖ０反相，为－ΔPe，Ｖ３又迟后Ｖ2

90°。选用不同的K1--K3值，就可以使K3输出在0°--360°之间的任意相位，如图4，V1超前-ΔPe 90°，Ｖ３ 迟后-ΔPe 90°。

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从幅值看 V3 =(1/T1S )(1/T2S)V1 = V1/T1T2S 即 V3/ V1正比1/ω ,当ω增大时Ｖ3减小，输出合成向量有更多的超前补偿，反之ω减小，则超前补偿减小, 这有利于改善PSS的补偿特性。

3 PSS参数计算

3.1 励磁系统迟后及PSS相位补偿 3.1.1 励磁控制及迟后角

对于一机无限大系统，励磁控制的迟后角可按图5计算。

K11MSΔPeω0SK5K6ΔVtK2GEC(a)VpssK2K31+K3Td0SGECK6ΔVtK5ΔPe励磁(b)图5 励磁控制系统（GEC）迟后角计算

PSS输出Vpss与发电机电磁功率的变化ΔPe之间的相角差，为励磁控制系统ＧEC的迟

后角，由图3b采用 SME或其他程序可计算出ＧEC迟后角的频率特性。从图5a，当Ｋ5≈０时，ΔPe与ΔＶt同相位，K5≠０时，ΔＶt与ΔPe相位不同，例如IEEE编写的采用励磁控制增加电力系统稳定性资料中,某系统等值电抗Ｘe=0.2及Ｘe＝0.6时，ΔPe对ΔPpss 和ΔＶt对ΔPpss之间的相位迟后特性见图６

..40° 0°.. -40°.-80°.-120°.-160°.-200° 80°0.01GEP(j ω)ΔEtΔEpssHZ........2.05.0101.00.020.050.10.20.5(a)强系统（Xe=0.2pu).40°. 0°. -40°.-80°..-120°.-160°.-200°. -240° 80° 相位漂移（度） 相位漂移（度）ΔEtΔEpssGEP(j ω)0.010.02.0.05..0.1.1.0.0.2.0.5.2.0(b）弱系统(Xe=0.6pu)5.0.10图６ ΔPe和ΔＶt对Ppss的相位迟后

从图６可见，对于强系统（Ｘe＝0.2）ΔＶt与ΔPe的相位，基本相同，但对于弱系统，K5为负值，当ω小于地区模振荡频率时,ΔＶt相位较ΔPe相位超前约10°～20°。式（２）及式（３）励磁系统，与系统连接的等值电抗不同时，励磁控制系统相位迟后特性见表２

从表2可见，Xe加大，在低频区GEC迟后角减小约10～20°

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