PSS配置、构成、参数计算及投运试验讲解学习.docx

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1、此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除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

2、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) 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)0.160.30.480.641.12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.

3、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 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

4、速偏差（或频率偏差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，只供学习交流用此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除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

5、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。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

6、，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Pe 为输入信号的 PSS。2.1.3Pe 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V

7、p=KpPe (f)TS1+TSKVpssVKpssPeTpSKppe1+TpSVPaa、数学模型b、超前相位图1 PSS输入信号为 ( f )及 Pe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

8、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。只供学习交流用此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除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(f)TSMS+Pm1+TN+PaKpss1+T 3S . 1+T 5SVpssT S1S M（ 1+T 2S）1+T 4S1+T 6S1+ +-高频滤波器PeTpS1+TpS(a)(f)TS

9、+1+TN+Kpss1+T 3S . 1+T 5SVpss1+ TS1S M+（ 1+T 2S）-1+T 4S1+T 6SPeTpS2/M1+TpS1+2S(b)图 2消除反调的 PSS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

10、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 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.

11、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 PSS，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

12、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- PeV0V1V2V3KpssK0K1K2K3V2A . 1BC1.1.1.V1V31+TT1ST2ST3 SV0Pe图 3西门子 PSS图 4 西门子向量图只供学习交流用此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除图中 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 290°。 选用不同的 K1-K 3 值，就可以使K3 输出在 0° -360°之间的任

13、意相位，如图4， V1超前 -Pe90°， 迟后 -Pe 90°。2即 V3/2从幅值看 V3 =(1/T1S )(1/T 2S)V1 = V1/T1T2SV1正比 1/, 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。K1Pe10K2GECK5MSSK5K6VtK3K6Vt1+K3Td0SK2PeGECVpss励磁(a)(b)图 5励磁控制系统（GEC）迟后角计算PSS输出 Vpss

14、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， K 时， t与Pe 相位不同，例如IEEE 编写的采用励磁5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 e 0.6时， Pe 对Ppss和 t对Ppss 之间的相位迟后特性见图80 °.80°.）40° .40°.0 ° .Et度）（0 °.度Epss移Et（ -40 °.漂-40 °.Epss移-80°.GE

15、P(j )位EP(j漂.相 -80 °.G )位-120°-120°.相.-160°-160°.-200°.-200°. . . HZ-240 °.0.010.01100.020.050.10.20.51.02.05.0100.020.050.10.20.51.02.05.0(a) 强系统（Xe=0.2pu)(b ）弱系统(Xe=0.6pu)图Pe和t 对Ppss的相位迟后从图可见， 对于强系统 （ e 0.2 ） 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

16、Pe 相位超前约10° 20°。 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 10 20°只供学习交流用此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除表 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f （Hz ）0.160.30.480.641.12（式）x =0.2(pu)4564758193109exe=0.4(pu)3656687690 o107 oe33o53o6674o89107ox =0.6(pu)b) 交流机励xe=0.2(pu)56 o86 o95

17、 o104 o114 o131 o磁（式）e43o78o92o100o112o130ox =0.4(pu)xe=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时相位的变化 . 如进行计算， 则需计算多种运行方式，运行方式的要求。 t 与 Pe 之差及运行方式改变使 PSS的相位超前迟后补偿 , 满足各种的相位补偿在考虑 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，而忽略了系统中更重要 , 频率较低的振荡模。PS

18、S 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， f 1.1 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(.35 ×2)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) ，

19、其实际中心频率为fc2=1/2 (0×.10.05) 0.5=2.2HzPSS（ 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(表中正值为迟后 -Pe 的角度 , 负值为超前 -Pe 角度 , C 项中为 90 o- )F(Hz)0.160.30.480.641.12a)PSS(1)42o38 o26 o18 o2 o-6 ob)PSS(2)5 o4 o-1 o-11 o-18 o-25 oc) Pe+50 o26 o22 o17 o9 o4 o对比表2及表 3,PSS 的相

20、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。只供学习交流用此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除对于式（ 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)fc 2=1/ 2( 0.1× 0.04) 0.5=2.5Hz因为f 0.3Hz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fc1 =1/2(1× 1.2) 0.5 =0.14Hz其传递函数为：PSS(2)=Kpss(1+S)/

21、(1+1.2S)*(1+0.1S)/(1+0.04S)(5)相位补偿见表 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。对于输入信号为Pe+f 的自并励磁系统，因为它的最大超前轴的角度为90 o，所 以 在 选 择 补 偿 的 计 算 频 率 时 不 宜 太 靠 近90 o , 式 （ 2 ） 自 并 励 系 统 计 算 频 率 取f=0.48Hz(W=3r/s) ，当 Xe=0.4 时，迟后角为68 o 则 PSS 的输出电压Vp /Vf = Tan-1(6)68 o =2.5以 Vp=Kp PeVf=Kf f=KfPe/M 代入（ 6）式

22、得 KpM /Kf=2.5设 Kp=1则Kf=M /2.5=6 × 3/2.5=7.2如振荡频率 =4(f=0.64).因 Vf=KfVp/KpM ,以上述参数代入 =tan -1 (Vp / Vf) = Tan -1 (KpM / Kf ) 73 o不同振荡频率时迟后于Pe 的相角 , 列于表（），从表可见电功率与频率直接相加的, 使快速励磁系统的相位迟后得到了较好的补偿。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Pe，则其相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 f ，则选取计算 Kf 的频率时，不宜使Kf 值过小，要使该系统

23、低频振荡范围内, 补偿后的频率特性完全符合标准要求。常规励磁系统的相位补偿, 应着重在高频段的超前补偿，在低频段采用少量迟后补偿 .对于 Te 较大的励磁系统 , 适当采用负反馈 , 减小励磁机时间常数， 不仅可以提高励磁响应速度, 还可以减小励磁控制系统的迟后角，有利于的相位补偿。3.2 PSS 增益增益 Kpss 是指不考虑低频通过超前迟后等环节，对增益的影响， 又称直流增益。交流增益是在一定振荡频率时PSS的实际增益， 不同振荡频率时交流增益值不同，所以一般只以直流增益作为PSS的增益，但 PSS超前迟后环节的参数 , 对实际交流增益是有影响的。例如 3.1.2 节中快速励磁 (4)及常

24、规励磁 (5), PSS不同振荡频率时,其实际增益如表 4.表 4 不同振荡频率时PSS的交流增益rad/s25810式5PSS0.860.931.031.09式6PSS0.30.20.220.23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只供学习交流用此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除矩，还会影响同转短，如 PSS输出有较大超前， 则 PSS输出的同转矩为负值， 使振荡频率下降，从而超前角更大 , 使负同转矩更大，当 Kp

25、ss 达到一定值 ,PSS 增益再加大，输出转矩虽然增加，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 应小于该值。(b) PSS 控制电路的振荡当 PSS的增益增大时， PSS控制回路振荡模阻尼减小，直至阻尼由正变负，产生振荡，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 称为 PSS的临界增益，PSS的使用增益与临界增益之间应有较大裕度。（ c）Pe 为输入信号的PSS，调节有功功率时，励磁产生反调,为限制反调，有时也需限制 Kpss 。（ 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Pe 为输入的PSS输出产生相应的摆动，

26、如摆动较大要减小Kpss 。（ e）有的 PSS输出噪音较大，也需减小Kpss，以限制噪音量PSS增益的计算一般是根据励磁控制环的临界增益，其他的因素大都由现场试验时根据实际情况确定。根轨迹法采用小干扰程序，电力系统为实际系统,PSS 按选定的相位补偿投入，Kpss 从零开始增大，计算特征根，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,见图 7( 参考 IEEE 励磁控制增加电力系统稳定性) 。(rad/s)j 1.52.557K=0.4.8K1NS=7.5。1.1。 。0.80.50.33.3.67.5 。.40.2.4.1.2。. 303.0.。02.5-0.4-0.3

27、-0.2-0.1。1.5. 202。1.0。0.8K=0。0.5 0.3.100.5。.80.8。. 6K=0.31.1.4。1.5 。2.5.2.3.0a.0-20-10-4 -2图 7 PSS 临界增益计算350Pe(MW).300. 无PSS250. .200有 PSS.150。.。.。100。50。0.0f(Hz)0.00.10.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0图 9 AVR 输入低频信号，发电机功率波动量测定孝以 Pe 为输入信号的 PSS，电路稳定 , 临界增益较大，使用

28、增益一般为临界的增益的1/3 1/5 。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1/2 1/3 。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。只供学习交流用此文档来源于网络，如有侵权请联系网站删除仿真计算在根据频率特性初步选定PSS 的相位校正参数后,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=Pn ，Q 0，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

29、 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 80123456789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0.5 ，再增大 Kpss，阻尼无明显变化，但励磁电压VfD 将逐渐出现高次谐波，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。频率特性测定励磁控制系统的