PSS配置构成参数计算及投运试验

1、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

2、制系统迟后角小于（1）式三阶典型系统时应配置PSS。 3 (6.28) (1) (S+0.628)(S+6.28)(S+62.8) Ts = ）的迟后特性见表1。式（1 三阶典型系统迟后角频率特性表 1 2 0.3 0.48 0.64 1.1 0.16 振荡频率 (Hz) 163 115 65 90 135 100 迟后角 (度) 2 某快速励磁系统的传递函数如式 (2) F(ex)=30/ (1+0.03S) 1+(1/ 2S ) ，如发电机时间常数Tdo=6s, 其励磁控制系统的迟后特性见表2a3 某常规交流励磁机励磁系统的传递函数如式 F(ex)=300(1+1.6S)/(1+16S)(

3、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

4、频率偏差f），功率偏差e（或加速功率偏差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， 1 当表2可见，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o 左右，超前补偿角大，微分作用强，控制回路就容1Hz时，超前补偿角在100振荡频率为信号的测取比较困难，这也限制易发生谐振，临界增益就较小，限制了使用增益. 此外 了为输入信号的PSS的采用。，与有相同的缺点，也需要大的超前补偿。而且信号是PSSf为输入信号的从机端

5、电压测取，是机端电压功角的变化，因f在发电机轴上测取，是轴功角的变化, 而组合使P作为PSS单一的输入信号，通常与此f较的灵敏度低，一般很少采用fe 用。Pe或 Pa2.1.2 所需要的超前相位校正，设PSS90，因此它减小了的相位超前加速功率Pa 时为迟后校在所需相位校正,=时励磁迟后角为90，则Pa为输入信号的PSS,00PSS所以电路稳定，可采用较大的增益，充分发挥只需进行很小的超前校正. 正，0. 的作用PePa=-Pe，测取与电功率为机械功率PmPe之差，采样很困难，当Pm不变时,Pa,PSSPm增大Pa，但Pe为输入信号的PSS有反调的缺点，当比较方便，因此一般都以Pe代替由于其电

6、路这可能影响电力系统静态稳定，但对汽轮发电机影响不大，的输出使励磁减小， 。PSS简单，效果良好，除美国外，大都采用以Pe为输入信号的 （）组合2.1.3 Pe与f ，当2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90Pe及f信号相加，可得到0时，迟后角为f=1.1Hz93仍不需超前补偿，而采用其数学模PSS,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 型及超前相位组成,如图1所示 Vp=KpPeSTf()KV VpssST1+KpssTpSVPepeKp 1+TpSPaa、数学模型b、超前相位()Pe及输入信号为图1 PSSf 在考虑将Pe的输

7、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的超前角为45度. 图中 -1 =tanVp /V= KpM/K 还可不但在某一频率时得到要求的超前相位，相加作为PSS的输入信号，由Pe和 PSS的补偿频率特性。因为当频率改变时Vp与以改善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

8、以Pe与f合成的PSS反调作用较小。 2 Pa Pe和组成模拟2.1.4 2电路为了彻底消除反调的影响，ABB等制造厂采用图PaPmST+S1+TS1+T1+TSN+ 513f)(Vpss.KpssMSM SS）1+T1+TSS（1+TT1+642-+高频滤波器TpSPe1+TpS(a)ST+S1+TS1+TS1+TN+ 531f)(Vpss.KpssM S1+T1+TS（1+TS）ST1+642-+2/MTpSPe1+2S1+TpS(b)PSS消除反调的2 图 ，相加得Pm=Pe+MS2（a）经微分处理后得加速度，在第一相加点与Pe图，由于原动机功率变化的频率，得加速功率Pa经高频滤波器后，

9、在第二相加点再减去Pe也就消除了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，较低，如果高频滤过器能完全阻止低对于电力系统的低频振荡，经高频滤器后有较大衰减，反调。但实际上高频滤波器不能完全阻止低频，Pe输入信号的PSS则此时相当于频振荡信号通过,，然而在第一相加点的输出信号，也不可能是纯的Pm信号通过，所以要经第一相加点构成 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。Pm, 将两个输入信号均为了使电路稳定，该电路的缺点之一是经微分后容易发生谐振，分秒，Tm一般选用2响应不够灵敏，所以将1/MS改为1/TmS，MS除以，但Pe除以MS后,(2/m)/(1+2

10、s)因此可以2S1，2/M，才能与通道相应，此外，因母改为2S后，分子也需乘但由于电路, .经这样处理后，虽在输入通道减少了超前环节2（b）。得到图代替(2/m)/2S 繁复，仍有引起高频电气振荡的可能性。 不同机组宜采用相应的输入信号。2.1.5 以Pe为输入信号的PSS汽轮发电机组有功调节的速度较慢，经过多年运行经验，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PSS，这没有必要,会使电路

11、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 Vpss-Pe KpssVVVV2103KKKK3012 V2BC.A1111VV31STSSTT1+T321V0Pe图3 西门子PSS图4 西门子向量图 3 及各级的反馈相加，并使其输出相位在给定频率时与Pe为隔直环节，C 点将图中AB又迟后，与反相，为Pe迟后90,迟后90Pe同相位，因为2 2 V1，-360之间的任意

12、相位，如图4-K值，就可以使K输出在090。选用不同的K31 3 Pe 90。90， 迟后-超前Pe 22小，输出合成向量有时减,当增大即 V/ V正比1/ 从幅值看 V =(1/TS )(1/TS)V= V/TTS 31131321 12 PSS的补偿特性。更多的超前补偿，反之减小，则超前补偿减小, 这有利于改善 3 PSS参数计算 PSS相位补偿3.1 励磁系统迟后及 3.1.1 励磁控制及迟后角 5计算。对于一机无限大系统，励磁控制的迟后角可按图 PeK1 GEC1KK52 0SMSVtK6K5K3KVt6S1KTd03+K2Pe励磁VpssGEC(a)(b)）迟后角计算励磁控制系统（G

13、EC图5 的迟为励磁控制系统ECVpss与发电机电磁功率的变化Pe之间的相角差，PSS输出5a，当 SME或其他程序可计算出EC迟后角的频率特性。从图后角，由图3b采用5编写的采用励磁相位不同，例如IEEEt与Pe时，Pe与t同相位，K时，5对Ppss 和时，Pe某系统等值电抗e=0.2及e0.6控制增加电力系统稳定性资料中,对Ppss之间的相位迟后特性见图 t . 80. 8040）.Et度40） 0.（Epss度移 0 -40（Et.G漂EP(j 移)Epss -40-80位漂.GEP(j )相位-80-120. .相-120-160 .-160-200. -240-200HZ.105.0

14、2.05.00.20.11.00.010.50.020.05102.00.20.11.00.010.50.050.02(Xe=0.6pu)(b强系统（(a)Xe=0.2pu)）弱系统图 Pe和t对Ppss的相位迟后 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，K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（）5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 4 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H0.160.30.480.641.12（

15、式1094581649375=0.2(pu) 56910=0.4(pu)683676 6653897=0.6(pu)10 118b交流机=0.2(pu)101359磁（式 1074119=0.4(pu)13e o o o o oo =0.6(pu) 13075 91 1119938xe 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

16、厂在选择PSS参数时, 常只注意本机振荡频率，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 0.5=0.19Hz 2)2 (0.35 fc=1 / 1 超前补偿中心频率取f=2 Hz左右，选取超前函数为（1+0.1

17、s）/(1+0.05s)，其实际中心频率为 0.5=2.2Hz 0.05)=1/2 (0.1 fc 2 PSS（1）=Kpss(1+0.35S)/(1+2S) *(1+0.1S)/(1+0.05S) (4) 该PSS的频率特性见表3 表3 PSS相位补偿特性 o-90 ) -Pe角度, C项中为Pe(表中正值为迟后-的角度, 负值为超前 F(Hz) 0.16 0.3 0.48 0.64 1.1 2 o o o oo o 18 2-62642a)PSS(1) 38 o o o o o o -18-1 -25-11 5b)PSS(2) 4 o oooo o 17 22 9 Pe+c) 50426

18、对比表2及表3, PSS的相角补偿特性，可以满足式（2）自并励系统不同运行方式时的补偿要求。 5 对于式（3）的交流励磁机励磁，则在0.4-0.5Hz以上主要考虑超前补偿,中心频率取2.5Hz左右，超前函数取（1+0.1s）/(1+0.04s) 0.5=2.5Hz 0.04)( 0.1fc=1/22 因为f0.3Hz不需要迟后补偿,所以只需在很低频时,略有迟后. 取迟后环节函数为(1+S)/(1+1.2S)。中心频率计算值为 0.5=0.14Hz 1.2)2(1 fc =1/1 其传递函数为：PSS(2)=Kpss(1+S)/(1+1.2S)*(1+0.1S)/(1+0.04S) (5) 相位

19、补偿见表3b ,因该系统的最低频率f=0.3Hz 所以PSS(2)励磁控制系统的迟后得到了很好的补偿。 o，的自并励磁系统，因为它的最大超前轴的角度为90对于输入信号为Pe+f o , 式（2）自并90励系统计算频率取频所以在选择补偿的计算率时不宜太靠近 o则PSS的输出电压 ，当Xe=0.4时，迟后角为68f=0.48Hz(W=3r/s) -1 o =2.5 Vp /Vf = Tan68 (6) ）式 代入（6 Vf=Kff=KfPe/M以 Vp=KpPe /Kf=2.5 得 KpMK3/2.5=7.2 f=M设 Kp=1 则 /2.5=6 以上述参数代入, 如振荡频率=4(f=0.64).

20、 因Vf=KfVp/KpM-1-1 o 73/ Vf= Tan (KpMKf )(Vp=tan/ ) ，从表可见电功率与频率列于表（）的相角,不同振荡频率时迟后于Pe 使快速励磁系统的相位迟后得到了较好的补偿。直接相加的,则其相Pe，以上可见，自并励系统及高起始响应交流励磁系统，如输入信号为，f位补偿主要在低频段采用迟后补偿，高频段采用少量的超前补偿. 输入如采用Pe补偿后的频率特值过小，要使该系统低频振荡范围内,则选取计算Kf的频率时，不宜使Kf应着重在高频段的超前补偿，在低频段采性完全符合标准要求。常规励磁系统的相位补偿,不仅可减小励磁机时间常数，,较大的励磁系统,适当采用负反馈用少量迟后

21、补偿. 对于Te 还可以减小励磁控制系统的迟后角，有利于的相位补偿。以提高励磁响应速度, 增益3.2 PSS又称直流增益。对增益的影响，增益Kpss是指不考虑低频通过超前迟后等环节，所以一般不同振荡频率时交流增益值不同，交流增益是在一定振荡频率时PSS的实际增益， 对实际交流增益是有影响的。超前迟后环节的参数,只以直流增益作为PSS的增益，但PSS4. 如表际增益时同振荡频率,其实及常规励磁例如3.1.2节中快速励磁(4) (5), PSS不 的交流增益4 不同振荡频率时PSS 表 10 5 8 2 rad/s 1.09 0.93 0.86 1.03 式5 PSS 0.23 0.3 0.22

22、0.2 式6 PSS 从表中可见在考虑PSS的增益时，需考虑超前迟后环节对实际增益的影响。 限制PSS增益的因素有以下几种： (a)机电振荡模阻尼下降 由于PSS输出产生的转矩与轴有一定的相位差，所以PSS的输出不但会影响阻尼转 6 使振荡频率下则PSS输出的同转矩为负值，矩，还会影响同转短，如PSS输出有较大超前，增益再加大，输出转矩虽达到一定值,PSSKpss 降，从而超前角更大,使负同转矩更大，当应然增加，但如果由于频率下降，超前角加大，使阻尼转矩分量反而减小，则使用的Kpss 小于该值。 (b) PSS控制电路的振荡控制回路振荡模阻尼减小，直至阻尼由正变负，产生振荡，的增益增大时，PS

23、S当PSS的临界增益，称为PSS通常这是限制PSS增益的主要因素，因此控制回路发生振荡时的Kpss PSS的使用增益与临界增益之间应有较大裕度。为限制反调，有时也需，调节有功功率时，励磁产生反调,c）Pe为输入信号的PSS（ Kpss。限制PSSPe为输入的（d）发电机正常运行时，由于调速器等的原因，有功有些摆动，使 Kpss。输出产生相应的摆动，如摆动较大要减小 Kpss，以限制噪音量e）有的PSS输出噪音较大，也需减小（其他的因素大都由现场试验时根据PSS增益的计算一般是根据励磁控制环的临界增益， 实际情况确定。 根轨迹法3.2.1 从零开始Kpss采用小干扰程序，电力系统为实际系统,PS

24、S按选定的相位补偿投入，见, PSS控制回路振荡模从正逐渐减小到零，此时PSS增益为临界增益增大，计算特征根， 。参考IEEE励磁控制增加电力系统稳定性)图7(rad/s)j.。2.5。574.81.5。=7.5K。1NSK=0。1.1。.0.830.30.5.。.407.53.6350.Pe(MW).2.4.300.。.3.0无PSS301.2250。2.5.0200.有PSS-0.1-0.3-0.2-0.4。.。1.5.20150。2。1.0。100。0.8。K=0.。0.310500.50.5.。8。.0.8。6K=0.31.1f(Hz).0.0。1.54。2.5.0.00.10.20.

25、30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.023.0.0a-10-20-2-4图9 AVR输入低频信号，发电机功率波动量测定临界增益计算图7 PSS孝 以Pe为输入信号的PSS，电路稳定,临界增益较大，使用增益一般为临界的增益的1/31/5。 以或f为输入信号的PSS，由于超前校正较大,电路容易发生振荡，临界增益较小，使用增益取临界增益的1/21/3。 如果Kpss在小于临界增益之前，低频振荡模发生Kpss增大阻尼下降的情况，则使用增益应小于该增益, 并有一定裕度。 7 3.2.2 仿真计算 在根据频率特性初步选定PSS的相位校正参数

26、后, 再通过仿真计算，进一步确定PSS的参数。 仿真计算时发电机P=PnQ0，以一机无限大系统，采用不同的等值电抗,如Xe=0.2、， 0.4、0.6等，先以设定的Kpss及几种超前迟后参数，在AVR输入加2% 左右的阶跃响应，测量发电机功率输出的波动情况。 在选定PSS相位补偿后，逐渐增大Kpss，直至励磁电压等发生振荡。不同PSS增益对本机振荡的阻尼见图8 0123467895图8 PSS负载阶跃仿真试验 a-Kpss=0,b-Kpss=0.2 ,c-Kpss=0.3从图8可见，Kpss=0.2时，功率振荡已得到有效的阻尼，阻尼比为=0.23当Kpss=0.3,振荡不到一周，阻尼比约为0.

27、5，再增大Kpss，阻尼无明显变化，但励磁电压V 将逐渐出现高fD次谐波，因此取Kpss为0.2到0.3. 以上两种方法,虽初步计算出PSS的使用增益，但尚需进行现场校核。 4 PSS现场试验 4.1相频特性及临界增益试验 励磁控制系统和PSS的相频特性及临界增益值,一般可由计算确定，但如果未进行计算或要求对计算结果及数学模型进行验证，可以进行实测。 4.1.1 频率特性测定 励磁控制系统的频率特性一般用频谱仪或信号分析仪测量Vpss与Vt之间的相位迟后特性及PSS的相位补偿特性。 测量一般在发电机有功接近额定时进行，如与系统连系较强，无功可取较小值.如与系统连系较弱，无功可取较大值或适当减小

28、有功，使一机无限大模型中的K 0 5PSS的频率特性是PSS输入到输出的相位补偿特性，数字式AVR要求有相应的接口，如不能实测,则以仿真计算校核。 4.1.2 临界增益试验 在发电机正常运行工况，PSS投入,超前迟后参数为设定值,PSS增益从零逐渐增大，至励磁电压等开始发生小幅度振荡，此时的PSS增益即临界增益。 8 这项试验应在PSS各单元试验及其他各参数设定后进行。 4.2 PSS投运试验 4.2.1 检查PSS各单元 如果是模拟式PSS，在投运前，应详细检查PSS各板的性能，例如功率变换器的增益及时间常数，隔直环节及超前迟后环节的时间常数，增益及限幅值等，并应检查输出噪音水平及漂移程度，如果是数字式PSS，则根据实际装置的可能性，核对各单元的参数。 4.2.2 发电机负载阶跃响应试验 发电机有功为额定，无功较小，系统为正常运行条件，PSS退出,在AVR输入加14%的阶跃量，测录发电机有功、无功，励磁电压等的波动。