介紹電力系統低頻振蕩的產生原因及危害性、PSS的基本原理、參數、作用及現場試驗過程，并對實驗結果進行探討。
關鍵詞：低頻振蕩　勵磁調節器　電力系統穩定器（PSS）
    1　前言
　　天津大唐盤山發電有限責任公司是裝機容量為2×600MW的新建大型火力發電廠，它同原有天津國華盤山發電有限責任公司的2×500MW俄羅斯汽輪機組構成一個電源點，經三條500KV線路向系統送電，地處京津唐負荷中心，對電網穩定起著重要的支撐作用。作為京津唐電網最大的發電機組，其發電機勵磁系統性能的優劣對華北電網的穩定運行具有舉足輕重的影響。
　　根據國家十五計劃實現全國聯網的要求，華北電網規定，新建大型發電機組勵磁系統應有系統穩定措施并調整好后才能并網運行，為此我廠先后完成了對3#、4#機組的電力系統穩定器（PSS）定值整定和試驗工作,實驗效果明顯。應國家電力調度中心要求，2003年6月18日，在華北電力調度局方式處的組織下PSS正式投入運行。
    2　低頻振蕩產生原因分析及危害性
　　電力系統低頻振蕩在國內外均有發生，通常出現在遠距離、重負荷輸電線路上，或者互聯系統的弱聯絡線上，在采用快速響應高放大倍數勵磁系統的條件下更容易出現。隨著電力電子技術的快速發展，快速勵磁調節器的時間常數大為減少，這有效地改善了電壓調節特性，提高了系統的暫態穩定水平。但由于自動勵磁調節器產生的附加阻尼為負值，抵消了系統本身所固有的正阻尼，使系統的總阻尼減少或成為負值，以至系統在擾動作用后的功率振蕩長久不能平息，甚至導致自發的低頻振蕩，低頻振蕩的頻率一般在0.2-2Hz之間。
　　低頻振蕩會引起聯絡線過流跳閘或系統與系統或機組與系統之間的失步而解列，嚴重威脅電力系統的穩定。解決低頻振蕩問題成為電網安全穩定運行的重要課題之一。
    3　PSS原理及其作用
　　為了既能利用高放大倍數的勵磁調節器又能避免其負阻尼效應，人們對傳統勵磁系統進行了改進。對一個可能引起負阻尼的勵磁調節器，向其中注入某些附加控制信號，使之可以提供正的阻尼，平息振蕩，這就是PSS最基本的原理。PSS作為一種附加勵磁控制環節，即在勵磁電壓調節器中，通過引入附加信號，產生一個正阻尼轉矩，去克服勵磁調節器引起的負阻尼，控制量可以采用電功率偏差（△P）、機端電壓頻率偏差（△f）、過剩功率（△Pm）、和發電機軸速度偏差（△w）以及它們的組合等。它不僅可以補償勵磁調節器的負阻尼，而且可以增加正阻尼，使發電機有效提高遏制系統低頻振蕩能力。
　　盡管PSS已是成熟的普遍技術，但它仍是消除互聯電網負阻尼低頻振蕩最經濟有效的方法。當系統規模較小、互聯程度較低時，系統振蕩不明顯，PSS整定不為人們所關注。但在當今大電網互聯迅速發展的情況下，PSS的作用已經引起人們的高度重視。1994年我國南方聯營電網發生的系統振蕩事故是典型的一例，事后分析表明，若在此系統的主力機組上加裝PSS，可以有效地阻尼振蕩，防止有嚴重后果的動態穩定破壞事故的發生。
    4　PSS的構成和傳遞函數
　　早期的PSS由分立元件構成，在微機式勵磁調節器中PSS由軟件構成，我廠3#、4#機組均是哈爾濱電機廠生產的三機無刷勵磁發電機組,型號為QFSN-600-2YH，勵磁調節器采用英國ROLLS-ROYCE(簡稱R-R)公司的數字式勵磁調節器， PSS完全由軟件構成，其PSS輸入信號采用發電機電功率即△P，其結構如圖1：

圖1　電力系統穩定器（PSS）方框圖
　　ROLLS-ROYCE公司的電力系統穩定器（PSS）輸入信號為發電機的負電功率信號，由此生成一個相位補償及增益控制的調節信號以對有功功率振蕩產生阻尼作用。
現場運行參數為：PSS自動投入值：0.3PU 功率，返回值0.14PU 功率，Kp=2、Te=10 、T1=2、T2=0.35、T3=4、T4=0.2、T5=0.05、T6=0.08、T7=0.05，PSS輸出限幅： ±5%
    5　PSS實驗過程
    5.1　勵磁系統在線無補償頻率特性的測量
　　勵磁控制系統無補償頻率特性即勵磁系統滯后特性。因勵磁控制系統滯后特性的存在，加到勵磁調節器的附加信號經滯后才能產生附加力矩。測量勵磁控制系統滯后特性應測量附加力矩對PSS迭加點的滯后角度。因為在發電機高功率因數運行時，機端電壓對PSS迭加點的滯后角度近似等于附加力矩對PSS迭加點的滯后角度。
　　實驗時，發電機并網運行,記錄有功、無功、機端電壓值，PSS不投入，用頻譜儀將噪音信號加入到調節器的相加點上，測量勵磁系統的相頻特性。測得的勵磁系統在線無補償相頻特性見表1。
表1　勵磁系統相頻特性

　　由表1可見，在線無補償頻率特性基本正常,相位滯后比一般的交流勵磁機勵磁系統稍大些。（勵磁機勵磁系統約為-40°---150°）
    5.2　勵磁系統在線有補償頻率特性的測量
　　有補償頻率特性由無補償頻率特性與PSS單元相頻特性相加得到，用來反映PSS相位補償后的附加力矩相位。DL/T650-1998<<大行汽輪發電機自并勵靜止勵磁系統技術條件>>提出有補償頻率特性在該電力系統低頻振蕩區內滿足-80°至-135°要求，此角度以機械功率方向為零度。一般試驗采用的方法為：（1）斷開PSS輸入端，在PSS輸入端加噪聲信號，測量機端電壓相對PSS輸入信號的相角。（2）PSS環節的相角加上勵磁控制系統滯后相角。
　　在現場試驗中，PSS參數的預選擇，可以用以上方法進行，此試驗的目的是找出一組較好的PSS參數，并盡量使整個低頻振蕩頻率范圍內都得到較好的相位補償。
　　由于R-R公司的勵磁調節器中未設置PSS輸入端，也未有相應的軟件，此試驗在現場無法進行。因此，由中國電科院技術人員根據廠家提供的PSS的傳遞函數框圖，預設置一組PSS參數，用MATLAB自編程序進行仿真計算。PSS參數：Kp=2  Te=10 T1=2 T2=0.35 T3=4 T4=0.2 T5=0.05 T6=0.08 T7=0.05，計算所得PSS得相頻特性見圖2、Kp=2.0時幅頻特性曲線見圖3
　　將計算所得的各低頻振蕩頻率下PSS相位角Φp與現場測得的在線無補償頻率特性上同頻率下勵磁系統滯后角Φe相加，得到在線有補償頻率特性計算值。計算所得的在線有補償頻率特性見下表2。
　　從表2可見，在低頻震蕩頻率0.2Hz-1.7 Hz范圍內都基本滿足滯后-80°---（-135°）的要求，此組PSS參數是比較合適的。

 

 圖2  PSS系統相頻特性曲線

圖3  Kp=2.0時幅頻特性曲線

表2　在線有補償頻率特性計算值

其中：Φ=Φe  + Φp
    5.3　階越響應（以4#機組為例）
　　試驗條件：發電機并網運行，P=589.6MW Q=77.4Mvar Vt=19.44KV
　　先進行PSS不投入時2%電壓階越響應試驗。通過調節勵磁調節器的輸出，在發電機機端產生±2%的階越，錄取發電機機端有功功率、機端電壓、無功功率、勵磁電壓波形（見圖4）。
　　由圖4可見，在PSS未投入運行的條件下，做機端電壓±2%階越響應試驗，在上階越時有功功率產生三擺振蕩，振蕩頻率為1.5Hz。在下階越時有功功率產生三擺振蕩，振蕩頻率為1.5Hz。
　　通過自動勵磁調節器（AVR）控制屏幕調整PSS增益Kp=0.5，投入PSS，重做±2%階越試驗。通過調節勵磁調節器的輸出，在發電機機端產生±2%的階越，錄取發電機機端有功功率、機端電壓、無功功率、勵磁電壓波形（見圖5）。

 圖4  無PSS時的2%電壓階越響應

 圖5　有PSS(Kp=0.5)時的2%電壓階越響應錄波圖
　　由錄波圖5可見，PSS起到了抑制功率振蕩的作用，無論是上階越還是下階越時，只產生一擺振蕩，振蕩頻率為1.5Hz。

 圖6　有PSS(Kp=1.0)時的2%電壓階越響應錄波圖
　　相同工況下，通過AVR控制屏幕調整Kp分別為1和2、3繼續做±2%階越試驗，錄取發電機機端有功功率、機端電壓、無功功率、勵磁電壓波形（見圖6、7、8），比較PSS的增益不同時阻尼功率振蕩的能力。以找出較合理的PSS增益值。

 圖7　有PSS(Kp=2.0)時的2%電壓階越響應錄波圖
　　由錄波圖可見，PSS阻尼功率振蕩能力隨Kp的增大而逐步增強，無論是上階躍還是下階躍時，只產生一擺振蕩，振蕩頻率為1.5Hz。
    5.4　PSS增益整定
　　通過以上Kp取不同值時的階越響應結果可知，PSS阻尼功率振蕩能力隨Kp的增大而逐步增強，但是增益過大同樣會產生不穩定危害，根據圖3（ Kp=2.0時的幅頻特性計算曲線），PSS在0.5Hz-2Hz時的交流放大倍數約為0.3-0.5，已經足夠大。由圖5至圖8錄波圖結果，認為取Kp=2比較合適。
    5.5　PSS反調試驗
　　對于采用發電機電功率信號的PSS，主要的副作用是無功反調，當通過減小原動機的輸入功率來減少發電機的出力時，若調整速度較快，發電機的無功輸出會突然大幅度增加，幾秒后又恢復到原來無功水平。如果增加了有功，則無功會會瞬間大幅度減少，幾秒鐘后恢復到原來水平。無功反調現象嚴重時將對系統運行帶來不利影響。
　　試驗時，PSS投入運行，按正常運行增減負荷速度改變有功功率，觀察調節器輸出電壓和電流，不出現隨有功功率變化而大幅度擺動現象。

圖8　有PSS(Kp=3.0)時的2%電壓階越響應錄波圖
    6　實驗結論
    　雖然本次實驗出于安全性考慮未作大干擾的系統試驗，只做了小干擾的機組實驗，但是通過實驗結果和錄波圖可看出PSS在增加系統阻尼，抑制發電機有功率振蕩、提高系統穩定性方面有明顯的效果。同時由于我廠是三機無刷旋轉勵磁方式，雖然勵磁調節器性能優越，反應速度很快，但是根據三機勵磁方式本身特有的局限性，我們相信在自并勵等其它快速勵磁系統上，PSS的效果會更好。