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PSS原理


3 提高电力系统稳定性 a 提高静态稳定性 静态稳定是指电力系统遭受小扰动之后,不发生自发振荡和非周期失步, 自动恢复到起始运行状态的能力。电力系统静态稳定性高低,可以用输电 线路的输送功率极限的大小来判断,这也是励磁装置常用的静态稳定性试 验方法。 在单机-无穷大系统中, 如果发电机没有励磁控制, 则正常运行时, 发电机的空载电势 E0 保持不变,那么该系统的静态极限为 Pma

x,其功率 特性曲线见图 1-5 中的曲线 1。如果发电机具有常规励磁,比如直流励磁 机或者交流励磁机带二极管整流的励磁系统,则可保持发电机的暂态电势 Eq’不变,因此有 Pmax’ ,其功率特性曲线见图 1-5 中的曲线 2。如果发 电机配置高放大倍数的快速励磁系统,比如采用运算放大器和可控硅整流 器,并且励磁调节器带电力系统稳定器 PSS 或者采用最优励磁控制,则可 接近保持发电机端电压 Ut 不变,因此有 Pmax’ ,其功率特性曲线见图 ’ 1-5 中的曲线 3。 粗约比较一下单机-无穷大系统静稳极限, Pmax : Pmax’ : Pmax’ ’=1:2:3,可见励磁系统对于提高电力系统静态稳定性的作用非常 明显。 特别是带 PSS 或者采用最优控制的快速励磁系统对于电力系统的静 态稳定性作用明显。

b 提高动态稳定性 动态稳定是指电力系统遭受小扰动之后,在自动调节装置和附加控制的作 用下,保持较长过程稳定运行的能力(通常指不发生周期性振荡失步) 。由 于影响动态稳定性的主要因数是电力系统的阻尼特性,因而常规励磁系统

对于电力系统的动态稳定性不起多大作用,但是,带 PSS 的快速励磁系统 能够阻尼系统的低频振荡,从而提高了电力系统动态稳定性。 C 提高暂态稳定性 暂态稳定是指电力系统遭受大扰动后,各同步电机保持同步运行并过渡到 新的或者恢复到原来状态运行的能力(通常指保持第一或第二个摇摆周期 不失步) 。由于影响暂态稳定性的主要因数是系统中短路故障性质、主保护 的动作情况、重合闸动作成功与否,因而调节励磁对暂态稳定的影响没有 对静态稳定那么显著。励磁系统对于提高暂态稳定而言,主要表现在快速 励磁和强励的作用上。电力系统中发生短路故障时,由于控制输入机械功 率的常规调速系统的动作太慢,主要靠快速继电保护切除故障,以减少加 速面积;而故障切除后,快速励磁和强励可以增大发电机电势,因而增大 输出的电磁功率,增大了制动面积,防止发电机摇摆角过度增大,以利于 暂态稳定性的提高。但是发电机励磁回路具有较大的时间常数,即使是快 速励磁系统,也只能在故障后 0.4~0.6S,使转子达到最大磁通。由大量计 算结果可知,故障后发电机摆到最大角度的时间往往只有 0.5~0.6S,所以 快速励磁和强励所能够增加的制动面积是很有限的,其结果是只能稍许降 低第一个振荡周期的摇摆角度。

1 电力系统低频振荡 在电力系统中,发电机经输电线路并列运行时,在负荷突变等小扰动的作 用下,发电机转子之间会发生相对摇摆,这时电力系统如果缺乏必要的阻 尼就会失去动态稳定。由于电力系统的非线性特性,动态失稳表现为发电

机转子之间的持续的振荡,同时输电线路上功率也发生相应的振荡,影响 了功率的正常输送。由于这种持续振荡的频率很低,一般在 0.2~2.5HZ 之间,故称为低频振荡。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。葛洲坝二江电厂建厂发电 初期,曾多次发生低频振荡。近年来,在二江电厂同湖北恩施的联络线路 上又出现低频振荡,又引起了人们的注意。 一般认为,发生低频振荡的主要原因是,现代电力系统中大容量发电 机的标幺值电抗增大,造成了电气距离的增大,再加之远距离重负荷输电, 造成系统对于机械模式(其频率由等值发电机的机械惯性决定)的阻尼减 少了;同时由于励磁系统的滞后特性,使得发电机产生一个负的阻尼转矩, 导致低频振荡的发生。 采用励磁控制系统的附加控制构成的 PSS 或其他方 式,可以补偿负的阻尼转矩,抑制低频振荡。

2 PSS 原理简介 a 励磁装置的负阻尼作用 所谓阻尼就是阻止扰动,平息振荡,而负阻尼恰恰相反。励磁装置的 负阻尼,是指励磁装置对于系统功角摆动所作出的调节作用,会加大这种 摆动,不利于系统的稳定。 并联在电力系统中运行的同步发电机,其稳定 运行的必要充分条件是有正的阻尼转矩和正的同步转矩。阻尼转矩△MD 为负时将会因为出现自发增幅振荡而最终失去稳定,而当同步转矩△MS 为负时,发电机将出现爬步失步。在同步发电机受到小扰动,引起系统振

荡期间,电磁转矩 M、功角δ 和角频率ω 都作周期性变化,故可以在△δ △ω 坐标中表示△M、△MD 和△MS。△MD 同△ω 基本同相,△MS 同 △δ 同相, 二者之和就是和△M, 这就是说电磁转矩既包含了同步转矩分量 又包含了阻尼转矩分量。 (分析低频振荡时,通常用频域法将电磁转矩△M 分为同步转矩△MS 和阻尼转矩△MD, 即△M=△MS+j△MD。 用△MS>0, △MD>0 作为稳定判据) 在不考虑励磁装置的负阻尼情况下,阻尼转矩就是阻止发电机转速偏 离同步转速的一种转矩,其作用力的方向总是指向阻止转子偏离同步速度 的方向,当转速高于同步速度时,阻尼转矩是制动的;当转速低于同步转 速时,阻尼转矩却是驱动的,正是这两种作用,才使得振荡衰减。阻尼转 矩包括两种:一种是一般忽略不计的机械性阻尼,它反映了机械运动的惯 性原理;另一种是发电机转子中阻尼绕组产生的阻尼,这种阻尼是在发电 机转速不同于同步转速时,二者就在转子上产生相对运动,阻尼绕组中就 感应出一个转差频率的感应电流,并产生感应电动机那样的转矩,即阻尼 转矩。在单机-无穷大系统简化线性模型的电磁转矩矢量图图 1-6 中,△ MD1 是不考虑调节器负阻尼情况下的阻尼转矩,△M1 能抑制系统振荡。 在考虑励磁装置的负阻尼情况下,阻尼转矩就有了正负之分。当励磁装置 产生的负阻尼大于阻尼绕组产生的正阻尼时,阻尼转矩就变成图 1-6 中的 △MD2,△M2 则不能抑制系统振荡。我们知道,自动电压调节器按照发 电机端电压偏差△Ut 调节,当系统发生振荡时,△δ 的变化就会引起△Ut 变化,调节器就会依据△Ut 进行调节,由于发电机转子绕组具有较大的 时间常数,其励磁输出所产生的转矩相对于输入信号△δ 必然有一定的延

时,正是这种延时才使励磁装置产生的负阻尼转矩。 当然,并不是所有励磁装置都产生负阻尼,理论和实践都证明,在单 机-无穷大系统的完整的线性模型, 又称 Phillips-Heffron 模型中, 只有当参 数 K5 为负时,阻尼转矩才为负。在远距离重负荷输电的单机-无穷大系统 中,由于 K5 可能变负值,并且由于高放大倍数快速响应励磁系统的存在, 可能导致系统中的阻尼为负,这时如果实际存在的发电机电气的和机械的 正阻尼较小,则该系统可能发生低频振荡。

b PSS 的基本原理 前面已经说到,励磁调节器在某些运行条件下,可能提供负阻尼,对稳定 不利。在考虑励磁装置产生负阻尼情况下,单机-无穷大系统的电磁转矩位 于△δ △ω 坐标的第四象限,因与转速相位方向相反,它给系统提供的是 负阻尼转矩,如图 1-7 中的△M2。这时如果能提供一个位于第一象限的附 加电磁转矩△M3,则△M2 和△M3 的矢量和△M4 就可以在第一象限, 此时的△M4 , 它给系统提供具有正的同步转矩和阻尼转矩, 低频振荡将受 到抑制。 这个第一象限的附加电磁转矩△M3 可以引进附加控制信号的 PSS 来获得,这就是 PSS 的基本原理。 PSS 励磁附加控制器,是一种附加反馈控制,即在励磁调节器中,除 了引入发电机端电压作为主要控制信号外,再引入一个与△ω 同相位的信 号,则将产生一个正的几乎和△ω 同相位的电磁转矩△M3(超前△δ 附加 控制信号,作用于调节器)如图 1-1 中的其他信号,改变励磁输出,使整 个励磁装置产生正阻尼转矩,从而提高系统稳定性。

PSS 一般由两部分组成,第一部分是附加信号的检测单元,常用的附 加输入信号有△f 和△P,因为这两种信号都可以采用电气测量方法得到, 实施比较简单,且二者很容易转换成△ω 和△δ 。为了保证 PSS 只在低频 振荡发生时起作用,测量单元必须有一个低通滤过器和直流信号隔离环节, 只让低频振荡信号输入。 第二部分是附加信号放大和相位超前单元,合理选择 PSS 的放大倍数 和相位补偿角,就能使 PSS 输出一个超前于△δ 的附加控制电压,该控制 电压通过调节器,改变励磁控制电压,最终达到励磁装置输出正阻尼转矩 的目的。


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