电力系统低频振荡与PSS分析
No. 7 2005 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER
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电力系统低频振荡与PSS 分析
韩慧云，黄 梅
（北京交通大学电气工程学院，北京100044）
摘 要：利用单机无穷大系统小干扰线性化模型从理论上分析了应用快速高增益励磁调节器后系统产生低频振荡的原因。对PSS 抑制低频振荡的原理———相位补偿进行了分析。讨论了PSS 的各个环节功能及参数对阻尼低频振荡的影响，并给出了某发电机组PSS 相位校正的实测数据，证明PSS 对低频振荡有良好有效的抑制作用。
关键词：PSS ；低频振荡；相位补偿
中图分类号：TM71 文献标识码：A 文章编号：1003-9171（2005）07-0001-04
Power System Low Freguency Oscillation &PSS Analysis
Han Hui-yun ，Huang Mei
（Beijing Jiaotong University ，Schooi of Eiectricai and Engineering ，Beijing 100044，China ）
Abstract ：This paper anaiyzes the reason of iow freguency osciiiation in power system which appiies the fast and high-gain excitation reguiator theoreticaiiy using the one-machine infinite-bus system smaii disturbance iinear modei. The principie of PSS damps iow freguency osciiiation ，phase compensation ，is presented and the function of PSS' s parts and the effect of parameters to damping the iow freguency osciiiation are aiso discussed. The phase compensation fieid-test data and caicuiation resuits of PSS show that PSS can damp iow freguency osciiiation effectiveiy. Key words ：power system stabiiizer （PSS ）；iow freguency osciiiation ；phase compensation
由于电力系统规模的扩大和新技术的引进，特别是普遍使用快速励磁系统，使励磁系统的增益变大，时间常数大为减小，降低了系统的阻尼，电气联系较弱的电网甚至出现负阻尼，导致系统出现频率很低（0. 1~2. 5Hz ）的自发性系统振荡，造成大面积停电事故，严重威胁系统的稳
［1］
定。自20世纪70年代以来，美国、日本及西欧
例分析讨论，单机无穷大系统示意图如图1，相应的矢量图如图2。
图1 单机无穷大系统图
等电力系统在运行中均发生输电线路低频功率振荡的事故，振荡严重时破坏互联系统之间的并列运行，造成联络线跳闸引发大面积停电。近十多年来，我国各大电网也相继发生了联络线低频振荡的现象。
图2 单机无穷大系统矢量图
1 低频振荡的产生
现在大型发电机普遍采用了集成电路和可控硅组成的励磁调节器，使自动励磁调节器AVR 的时间常数大为缩短，增益大大提高，而且晶闸管直接励磁的快速励磁系统的广泛采用，使得电力系统的阻尼降低，这是造成低频振荡的直接原因
［2］
1. 1 未考虑励磁调节系统作用
在未考虑励磁调节系统作用时，发电机电磁转矩为：
X g +X e X g -X d ' '
I g0! E g +（' I g0U c sin ! 0! M e ='
X d +X e X d +X e
+
E g0U c cos " 0' ）!" =K 1! ! +K 2! E g
X g +X e
（1）
。以单机无穷大系统小干扰线性化模型为
2
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2OO5
X g -X d ' E gO U c cos ! O
其中：K l =' I gO U c sin ! O +
X g +X e X d +X e
K 2=
'
! E g =
（l +T e S ），增益K e 很大，时间常数T e 很小，励磁系（K 5! ! +K 6! E g ' ），输出为统的输入为-! U t =-/l +T e S ），略去相对较小的项并整E fd =-K e ! U t （
理，此时电磁转矩为! M e ' =［K l -K 2K 5K e （/T dO ' S +
（2）
］令S = " ，此时电磁转矩! M e 可表示为：K 6K e ）! ! ，
K 2K 5K 6K e 2
（K l -22）! M e =! ! +
K 6K e +T ' dO 2" 2
'
X g +X e
I gO
X d ' +X e
K 3K 3K 4
E -! ! ! fd
l +K 3T dO ' S l +K 3T dO ' S
X d ' +X e
其中：K 3=
X d +X e
X -X '
K 2K 5K e T ' dO 2" ' '
22' 22! ! =! M el +! M e2（6）K d d 4=X ' U c sin ! O
d +X e
'
! U t =（U tdO X g U U U tgO X d
c cos ! O -U sin ! O ）・! !
tO X g +X e U tO X d +X c
e +
U tgO X e U '
! E ' ! E '
g =K 5! ! +K 6g （3）
tO X d +X e
其中：K U tdO X g
5=
U U c cos ! O -tO X g +X e
U tgO X '
d U X U c sin ! O
tO X d +e K 6=
U tgO X e
U tO X ' d +X e
K l ~K 6都为运行工况的函数，在一定运行方式下为常数，K 5在发电机负荷较小时为正值，在负荷较大时因! O 增大，
变为负值，其它5个参数一般都为正值。因为不考虑励磁调节的作用，! E fd =O ，
则电磁转矩为：! M -K 2K 3K 4
e =K l ! ! l +K ! （4）
3T ' dO S 令S = " ，电磁转矩! M e 可整理为：2
'
! M K 3K 4K 2K 3
K 4T dO e =
（K K 2l -l +K 2'22）! ! + " 3T dO " l +K 2'22! ! 3T dO "
=! M el +! M e2（5）
为同步转矩! M e 与超前! ! 9O 的正的阻尼转矩
! M e2的合成，
如图3所示。图3 电磁转矩矢量图
! . "#考虑励磁调节作用后
设励磁系统为高放大倍数快速响应系统，以简单的比例式调节器为例，传递函数为G （e S ）=K e /
K 6K e +T dO "
当发电机负荷较大，K 5变为负值，所以电磁转矩! M '
'
・
e 为同步转矩! M el 与滞后! ! 9O 的负阻尼转矩! M ' e2的合成，如图4所示。又由于励磁
系统的增益K e 很大，
使得系统的负阻尼增大，当有扰动时系统就会发生低频振荡。
图4 电磁转矩矢量图
2 PSS 抑制低频振荡的原理
低频振荡的产生是因为系统阻尼的减小，那么抑制低频振荡的手段，一是减小负阻尼，二是增加正阻尼。减小负阻尼的措施有：采用动态增益衰减减小负阻尼，检出低频振荡电压并加以抑制，复根补偿等。增加正阻尼的措施有：采用PSS ，最优励磁控制，
静止补偿器，直流输电控制等
［3］
。其中PSS 采用! e ，! " 或! 中的一个或两个信号作为附加反馈控
制，增加正阻尼，不降低励磁系统电压环的增益，不影响励磁系统的暂态性能，电路简单，效果良好，在
国内外都得到了广泛的应用［4］。PSS 的通用框图如
图5所示。
图5 电力系统稳定器通用框图
PSS 由滤波、隔直、超前-滞后校正、放大、限幅等几个环节组成。PSS 的输出加入到励磁系统
的电压迭加点。在频域中分析，只要把PSS 的相频曲线和励磁系统的相频曲线直接迭加对系统相位进行补偿，就可以得到补偿后系统的相频特性。
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2. 1 抑制低频振荡原理的分析
加入PSS 后，系统如图6所示。
T W 越小超前作用越显著。励磁系统的频率特性在低频时滞后很小，有的甚至超前，在高频段滞后较多，所以隔直单元在低频时超前是不希望的，因使隔直单元尽量少超前。在输此要求T W 较大，
入信号为! " 时，T W 可取l0S 左右；当输入信号
如T W 太大，在功率调整时达到稳定的为! P e 时，
T W 取2时间太长，所以一般输入信号为! P e 时，
图6 励磁控制系统传递函数图
［5］。~8S
励磁系统是一个滞后单元，它由励磁滞后角系统传递函数为：! gl 和发电机磁场滞后角! g2构成，
K 2K 5K 3K e
G EC （s ）=，总'
（l +K 3T d0s ）（l +T e s ）+K 3K 6K e 滞后角! g gl +! g2。
当K 5为负时，电压调节器产生负阻尼，由电压调节器产生的电磁转矩! T E 在! " 轴上投影为
负，如图7（a ）所示。为使PSS 产生的当PSS 输入信号为! " 时，
・
附加力矩与! " 轴同相位，PSS 应为超前相位补由PSS 的附加力矩! T PSS 所产生的偿，相位角! d ，
正阻尼大于由电压调节器的电磁转矩! T E 的负阻尼，从而使AER 提供正阻尼，抑制系统的低频振荡，如图7（b ）所示。
・
・
・
超前-滞后相位补偿可为一级也可为三级串联，不同的励磁系统，其相频特性也各不相同，如快速励磁系统的滞后角一般为30 ~l20 （0. l Hz 时取低限，2. 0Hz 时取高限），一阶超前单元就能满足要求，也可采用两级串联，可使频率特性在较宽的频率范围内得到合适的补偿。常规励磁系统滞后角约为30 ~l60 ，当输入信号为! " 或! f
时需要两级或三级超前-滞后单元，针对不同励磁系统的特性，合理整定PSS 的超前滞后时间常数，可以得到满意的补偿效果。
为防止机电振荡模振荡、控制电路振荡、励磁反调、功率摆动和限制噪声等，要对PSS 的放大倍数进行限制，所示一般在获得PSS 的临界增益后
［6］留取较大裕度得到PSS 增益。
3 PSS 补偿效果的试验
对华北地区某自并励励磁系统的发电机进行实测。该机组采用自并励静止励磁方式，由英国罗尔斯-罗依斯控制系统公司提供的励磁变压器，全控桥可控硅整流器、励磁调节器和控制电路组成。在PSS 输出迭加点加入白噪声信号，用动态信号分析仪测量相频特性，即励磁系统滞后特性。测试机组励磁系统模型如图8所示。
现场实测励磁系统无补偿相频特性如表l 所示。PSS 模型如图9所示。
T l =3，T 2=0. 补偿采用的PSS 参数：T e =l0，
图7 AVR 及PSS 产生的阻尼转矩
T 4=0. l ，T 5=0. 05，T 6=0. 09，T 7=0. l ，T 3=5，05，计算的补偿特性如表2所示。
励磁系统补偿后计算频率特性如表3所示。由表3可知，补偿后的发电机励磁系统在0. l ~2Hz 频率范围内，机端电压滞后PID 信号相加点的角度基本满足90 130 的工程要求。
2. 2 PSS 主要环节对低频振荡的影响
PSS 的隔直环节是为阻断各类“直流”及时间漂移信号使PSS 所在系统正常运行而设置的。通常为一个微分环节，因为微分单元当" 小时有超前作用，
表1 现场实测励磁系统无补偿相频特性
f /Hz
0. l
0. 2-25
0. 3-30
0. 4-45
0. 5-50
0. 6-55
0. 7-50
0. 8-60
0. 9-60
l. 0-63
l. l -63
l. 2-65
l. 3-66
l. 4-70
l. 5-75
l. 6-85
l. 8-86
2. 0-89
角度（/ ）-24
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表2 PSS 计算补偿特性
! /Hz 0. 10. 2-48
0. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 91. 01. 11. 21. 31. 41. 5-9. 8
1. 6-7. 4
1. 8-3. 3
2. 00
角度（/ ）-28. 5-50. 7-49. 0-45. 7-41. 7-37. 5-33. 0-29. 4-25. 4-26. 3-18. 4-15. 2-12. 4
表3 励磁系统补偿后计算频率特性
! /Hz
0. 1
0. 2-73
0. 3-80. 7
0. 4-94
0. 5
0. 6
0. 7
0. 8-93
0. 9
1. 0
1. 1
1. 2
1. 3
1. 4
1. 5
1. 6
1. 8
2. 0
角度（/ ）-52. 5-95. 7-96. 7-87. 5-89. 4-88. 4-89. 3-88. 5-81. 2-82. 4-82. 4-92. 4-92. 6-99. 7
图8 R-R 励磁系统模型
图9 R-R AVR 的PSS 模型
4 结语
低频振荡产生的原因主要是由于励磁调节器时间常数减小增益加大，导致系统阻尼减小，重负荷时出现负阻尼。PSS 采用! " e ，! ! 或! ! 中的一个或两个信号作为附加反馈控制，对励磁系统进行相位补偿，增加系统的正阻尼。由上面的分析和实测数据可以看出，PSS 对励磁系统的相频特性有良好的补偿作用，能有效地改善系统阻尼，抑制低频振荡。参考文献
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收稿日期：2005-03-28
作者简介：韩慧云（1980-）女，硕士研究生，主要从事发电机励磁系统模型及参数辨识方面的研究。
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莫斯科发生大停电事故
2005年5月莫斯科发生了大停电，这次停电事故影响了莫斯科州、图拉州和卡卢加州的20多个地区和城市，造成约10亿美元经济损失。6月18日俄罗斯统一电力系统公司的事故调查委员会发布的事故调查报告指出：一系列因素累积在一起导致了该次事故的发生。5月23~24日由于恰吉诺变电站设备（110kV TA 、110kV 空气断路器、压缩空气管道、悬式绝缘子）故障造成该变电站全停，致使变电容量和同步调相机无功功率失去平衡；25日恰吉诺—帕赫拉线路断开，莫斯科500kV 环网被断开。由于过负荷架空线路对树木和灌木闪络，线路荷载增大，短路保护动作断开了大量110kV 和220kV 线路，引起220kV 网路电压大大降低。在最复杂的接线方式下和发电厂发电设备现有构成下出现的无功短缺，导致莫斯科电力系统南部电压下降。事故开始连锁发展。莫斯科电力系统南部和图拉电力系统部分地区110~220kV 电网电压降到允许值以下，导致发电机过负荷保护动作，断开了发电厂的发电设备。
这次大停电事故引起许多国家的关注，也再次给我们敲响了警钟。华北电网有限公司召开专门会议，落实国家电网公司的紧急部署，制定了反事故方案，确保首都电网的安全稳定运行。
信息所供稿
电力系统低频振荡与PSS分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
韩慧云， 黄梅， Han Hui-yun， Huang Mei北京交通大学电气工程学院,北京,100044华北电力技术
NORTH CHINA ELECTRIC POWER2005(7)12次
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