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1、 专业资料分享 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
2、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) 3Ts = (S+0.628)(S+6.28)(S+62.8)(1)+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)0.16 0.30.480.641.12迟后角 (度)6590100115135163某快速励磁系统的传递函数如式2F(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3F(ex)=300(1+1.6S)/(1+16S)(1+0.5S)/(1+0.
3、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L/T 6501998，DL/T 8432003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（或频率偏差f），功率偏差e（或加速
4、功率偏差a）或两个信号的综合，使发电机产生轴方向的阻尼力矩（e）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 或f因为励磁控制系统是一个迟后环节，有较大的迟后角，要求以为输入信号的PSS，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. 此外信号的测取比较困难，这也限制了为输入信号的PSS的采用。f为输入信号的PSS，与有相同的缺点，也需要大的超前补偿。而且信号是在发电机轴上测取，是轴功角的变化, 而f从机端电压
5、测取，是机端电压功角的变化，因此f较的灵敏度低，一般很少采用f作为PSS单一的输入信号，通常与Pe组合使用。2.1.2 Pa或Pe加速功率Pa的相位超前 90，因此它减小了PSS所需要的超前相位校正，设=0时励磁迟后角为90，则Pa为输入信号的PSS,所需相位校正,在0时为迟后校正，0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.Pa为机械功率Pm与电功率Pe之差，采样很困难，当Pm不变时,Pa=-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
6、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Pe为输入信号的PSS。2.1.3 Pe与f（）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Pe及f信号相加，可得到090之间任何需要的超前相位，因此快速励磁系统可采用Pe与f直接相加的PSS,其数学模型及超前相位组成,如图1所示 在考虑将Pe的输出Vp及f的输出Vf相加时，要考虑信号=-Pe/MS，因为S=j，所以的信号较Pe的信号小M倍，因此增益K应为Kp的M倍，才能使两通道的输出相当，如M=6 ， =5，Kp=1，则K=30时，V=Vp，PSS的
7、超前角为45度. 图中=tan-1 Vp /V= KpM/K由Pe和相加作为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V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Pe及f双输入信号，还可以在一定程度上减轻反调作用，因为或f没有反调，所以Pe与f合成的PSS反调作用较小。2.1.4 Pe和组成模拟Pa为了彻底消除反调的影响，ABB等制造厂采用图2电路 图2（a）经微分处理后得加速度，在第一相加点与Pe相加得Pm=Pe+MS，经高频滤波器后，在第二相
8、加点再减去Pe，得加速功率Pa，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Pe除以MS后,响应不够灵敏，所以将1/MS改为1/TmS，Tm一般
9、选用2秒，分母改为2S后，分子也需乘2/M，才能与通道相应，此外，因2S1，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Pe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Pe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Pe为输入信号的PSS，也可以采用Pe与f简单相加的PSS。有的汽轮发电机采用图2的P
10、SS，这没有必要,会使电路复杂化，建议改为简单的，以Pe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Pe与f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Pe，其相位补偿比较特殊如图3所示图中AB为隔直环节，C 点将Pe及各级的反馈相加，并使其输出相位在给定频率时与Pe同相位，因为迟后90,2迟后 90与反相，为Pe，又迟后2 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-Pe 90， 迟后-Pe 90。从幅值看 V3 =(1/T1S )(1/T
11、2S)V1 = V1/T1T2S2 即 V3/ V1正比1/2 ,当增大时3减小，输出合成向量有更多的超前补偿，反之减小，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。 PSS输出Vpss与发电机电磁功率的变化Pe之间的相角差，为励磁控制系统EC的迟后角，由图3b采用 SME或其他程序可计算出EC迟后角的频率特性。从图5a，当5时，Pe与t同相位，K5时，t与Pe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e=0.2及e0.6
12、时，Pe对Ppss 和t对Ppss之间的相位迟后特性见图从图可见，对于强系统（e0.2）t与Pe的相位，基本相同，但对于弱系统，K5为负值，当小于地区模振荡频率时,t相位较Pe相位超前约1020。式（）及式（）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从表2可见，Xe加大，在低频区GEC迟后角减小约1020表 2 不同系统等值电抗,励磁控制系统相位迟后特性a)自并励（式）f（Hz）0.160.30.480.641.12xe=0.2(pu)4564758193109xe=0.4(pu)3656687690 o107 oxe=0.6(pu)33 o53 o6674 o891
13、07 ob)交流机励磁（式）xe=0.2(pu) 56 o86 o95 o104 o114 o131 oxe=0.4(pu)43o78 o92 o100 o112 o130 oxe=0.6(pu)38o75 o91 o99 o111 o130 o 可见励磁控制系统迟后特性如采用实测则要考虑t与Pe之差及运行方式改变时相位的变化.如进行计算，则需计算多种运行方式，使PSS的相位超前迟后补偿,满足各种运行方式的要求。3.1.2 PSS的相位补偿在考虑PSS的相位补偿时，要着重考虑PSS的鲁棒性，不能只考虑一种运行方式，对一种振荡频率,阻尼效果最佳. 制造厂在选择PSS参数时, 常只注意本机振荡频率
14、，而忽略了系统中更重要,频率较低的振荡模。PSS相位计算举例如下,某系统的振荡频率范围为:最低振荡频率f=0.3Hz， 最高f=1.6Hz，该机为自并励，励磁模型如式（2），本机振荡频率f=1.2Hz，PSS输入信号为Pe,从表2可见该机在f=1.1Hz时无需补偿，f1.1时，需迟后补偿，f 1.1Hz时,需超前补偿。迟后补偿的中心频率取f=0.16Hz左右，选取PSS迟后函数为（1+0.35s）/（1+2s）其实际中心频率 fc1=1 /2 (0.352)0.5=0.19Hz 超前补偿中心频率取f=2 Hz左右，选取超前函数为（1+0.1s）/(1+0.05s)，其实际中心频率为 fc2=1/2 (0.10.05) 0.5=2.2HzPSS（1）=Kpss(1+0.35S)/(1+
