【正文】 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)原理 由于使用的信號(hào)不同和元件的不同，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（ PSS）可以有各種不同。 電力系統(tǒng)的穩(wěn)定一般用發(fā)電機(jī)之間的相對(duì)功角來(lái)判斷，功角和汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)系，然而速度的變化又會(huì)引起加速功率的變化，所以說(shuō)如果控制了加速功率就控制了功角。用于提高電力系統(tǒng)阻尼、解決低頻振蕩問(wèn)題，是提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的重要措施之一。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（ pss）就是為抑制低頻振蕩而研究的一種附加勵(lì)磁控制技術(shù)。 PSS在勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中引入附加信號(hào) ,產(chǎn)生一個(gè)正阻尼轉(zhuǎn)矩 ,去克服原勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中產(chǎn)生的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩作用 ,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩的抑制。 圖 勵(lì)磁控制示意圖 本章 小結(jié) 隨著大規(guī)模電力系統(tǒng)的發(fā)展以及快速勵(lì)磁系統(tǒng)的應(yīng)用 ,系統(tǒng)阻尼不斷降低 ,導(dǎo)致電網(wǎng)中出現(xiàn)負(fù)阻尼或弱阻尼低頻振蕩現(xiàn)象 ,系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行受到威脅。若電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的附加量在相位上與轉(zhuǎn)子角振蕩搖擺的相位同相或反相 ,則只能使轉(zhuǎn)子角振蕩的幅值增大或減小而不能使轉(zhuǎn)子角振蕩消失 ,只有提供的附加量在相位上 21 領(lǐng)先轉(zhuǎn)子角的振蕩角度才可能產(chǎn)生正阻尼轉(zhuǎn)矩 ,振蕩才能平息。 由于電壓調(diào)節(jié)器采用電壓作為控制量 ,且調(diào)節(jié)器及勵(lì)磁系統(tǒng)具有電磁慣性 ,則勵(lì)磁電壓在勵(lì)磁系統(tǒng)中將產(chǎn)生滯后于它的強(qiáng)迫分量 ,這種滯后會(huì)惡化系統(tǒng)阻尼 ,甚至引起振蕩。 PSS基于系統(tǒng)在某一平衡點(diǎn)處的近似線性化模型設(shè)計(jì) ,針對(duì)性強(qiáng) ,經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單易行而且有效 ,獲得了普遍的應(yīng)用。用 PSS的目的是通過(guò)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)振蕩的阻尼來(lái)使電力輸送的穩(wěn)定極限提高。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器抑制低頻振蕩原理 PSS ( power system stabilizer) 最早由美國(guó)學(xué)者 F. P. demello和 C. Concodri提出的。 （ 2） 負(fù)荷的波動(dòng) ,這相當(dāng)于發(fā)電機(jī)遭遇一種波動(dòng)的輸入量。 發(fā)電機(jī)產(chǎn)生低頻振蕩的原因可歸結(jié)為： （ 1） 發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整不當(dāng) ,特別是在遠(yuǎn)距離送電的情況下 ,調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)太高 ,當(dāng)它產(chǎn)生的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩大于發(fā)電機(jī)固有的正阻尼轉(zhuǎn)矩 ,發(fā)電 機(jī)就可能產(chǎn)生振蕩。大致可分為局部模式振蕩和區(qū)域間模式振蕩兩種。聯(lián)網(wǎng)初期，同步發(fā)電機(jī)之間聯(lián)系緊密，阻尼繞組可產(chǎn)生足夠的阻尼，低頻振蕩少有發(fā)生。其產(chǎn)生的原因主要為電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行時(shí)，在擾動(dòng)下發(fā)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對(duì)搖擺，并在缺乏阻尼時(shí)持續(xù)振蕩導(dǎo)致。 圖 PSS 信號(hào)作用向量圖 20 電力系統(tǒng)弱阻尼產(chǎn)生原因 目前，大型發(fā)電機(jī)普遍采用集成電路和可控硅組成的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，從而使自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 AVR 的時(shí)間常數(shù)縮短、增益大大提高， 加上品閘管直接勵(lì)磁快速勵(lì)磁系統(tǒng)的廣泛采用，使得電力系統(tǒng)的阻尼降低．這是造成低頻振蕩的直接原因。放大環(huán)節(jié)的的放大倍數(shù) K 確保Δ T 有足夠的幅值。 PSS 的隔直環(huán)節(jié)使 t 趨于無(wú)窮大時(shí) PSS 的輸出為零，而過(guò)渡過(guò)程中，該環(huán)節(jié)使動(dòng)態(tài)信號(hào)順利通過(guò)，從而使PSS 只在動(dòng)態(tài)中起作用。它抽取與此振蕩有關(guān)的信號(hào)，如發(fā)電機(jī)有功功率、轉(zhuǎn)速或頻率，加以處理，產(chǎn)生的附加信號(hào)加到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生阻尼低頻振蕩的附加力矩。它在勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中，引入領(lǐng)先于軸速度的附加信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)正阻尼轉(zhuǎn)矩，去克服原勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中產(chǎn)生的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩作用。掌握這些方程，對(duì)于后續(xù)建立同步發(fā)電機(jī)模型具有重要的意義。因此電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究主要是研究同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 18 本章 小結(jié) 本章主要介紹了同步發(fā)電機(jī)電壓方程、磁鏈方程、電磁功率方程、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的相關(guān)推導(dǎo)及其基本表達(dá)式。一般情況下認(rèn)為，原動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩在機(jī)電暫態(tài)過(guò)程中保持不變，發(fā)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩則與發(fā)電機(jī)的電磁特性、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性、負(fù)荷特性以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此可以說(shuō)它是電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和計(jì)算中最復(fù)雜的部分。 實(shí)際分析時(shí)一般取電角度及電角速度為變量，則式 （ 234） 為（ ? 及 ? 的下標(biāo) e 從略） ?????????????dtdTTdtdJp emp1 （ 235） 0dq 坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程與 abc坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程 （ 235） 相同，只是 eT 應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算， ? ?)(2301110111031)(011101110)(310111011103101100101dqdpdqTTdqpdqTdqpabcTabcpeqiipiDDpiDDpipT??????????????????????????????????????????????????????????????? 式中， ? ????????????????????????????00100101032301110111011 DD T ，即為 ? ???????????????????dtdiipTTTdtdJp dqqdpmemp 231 （ 236） 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的研究意義 同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和計(jì)算中最基本的方程式，它用來(lái)描述系統(tǒng)在受擾動(dòng)情況下發(fā)電機(jī)組之間或發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，是判斷系統(tǒng)受到擾動(dòng)后能否繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行的基本依據(jù)。 穩(wěn)態(tài)時(shí) 0., ??? emm TTconst? 。39。239。 Ux xxExxEdddqddq ? ??????? 代入式 （ 227） ，可得 ?? 2s in2s in 39。39。 （ 232） 將式 ?c o s39。 圖 凸極發(fā)電機(jī)的相量圖 （ 1） 以空載電動(dòng)勢(shì)和同步電抗表示發(fā)電機(jī)：由圖 （ 23） 可見(jiàn) ???????????qqdddqqxIUxIUE0 （ 230） 代入式 qqddE IUIUP ?? （ 230）得 16 ?? 2s in2s in2??????????????????????qdqddqqqdddqqExxxxUxUEUxUUxUEPq （ 231） （ 2）以暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)和暫態(tài)電抗表示發(fā)電機(jī)：由圖 （ 23） 得 ???????????qqdddqqxIUxIUE039。 sin?dE xUEP ? 。39。? 代替 ? ，則39。qE ；以向量 ?39。dx 后的電動(dòng)勢(shì) 39。39。39。39。39。39。39。39。39。qE 和直軸暫態(tài)電抗 39。qE 和直軸暫態(tài)電抗 39。該功角特性曲線多用于電力系統(tǒng)正常運(yùn)行及故障后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定性的分析和計(jì)算。 計(jì)及這個(gè)特點(diǎn)，并略去定子繞組的電阻，由方程式 dq jIxUE ?? 作出隱級(jí)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的向量圖（圖 21），可導(dǎo)出以不同電動(dòng)勢(shì)、電抗表示的隱級(jí)發(fā)電機(jī)的電磁功率方程。式 （ 224） 中 0dqi 前面有一負(fù)號(hào)是由于負(fù)值定子繞組電流產(chǎn)生正值相應(yīng)繞組磁鏈而引起的，故電感元素的符號(hào)與習(xí)慣相同，這點(diǎn)和 abc坐標(biāo)下的磁鏈方程相同。而零軸磁鏈為 ? ?000 iL ??? 與 d 軸、 q 軸各繞組完全解耦而獨(dú)立。由于 RSTSR LL ? 說(shuō)明了 0dq 坐標(biāo)下同步電機(jī)有名值方程中定子、轉(zhuǎn)子繞組間的互感不可逆，這個(gè)問(wèn)題將在標(biāo)幺制基值選取中予以解決。 ? ?? ? ? ?? ? ? ????????????????????????????1 2 0s i n90c o s1 2 0s i n90c o ss i n90c o s??????QcccbbbaaaQMMLLMMLLMMLL （ 220） 式中， QM 為定子繞組與 q 軸阻尼繞組 Q 間的互感變化幅值， 0?QM 。 由式 （ 210） 和 ? ?? ???????????????????120c o sc o s120c o sc o sc o sc o s??????fcffccffbffbbffaffaafMMLLMMLLMMLL （ 218） 式中， fM 為定子繞組與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組 f 間的互感變化幅值， 0?fM 。 由式????????????????????????? ?...0,c o n stLd e fLc o n stLd e fLc o n stLd e fiLQDDDfiiiiiffff QDcba （ 215） ???????????RfDDfQffDDQMLLLLLL00 (216) 以及式 （ 210） 可知 ????????????QDRRfRRLLMMLLL000022 (217) 式中， QDf LLL , 及 RM 定義同式 （ 210） 與式（ 216）。 SSL 是對(duì)角陣，它反映了定子等值繞組 0,qd 間的互感為零，是相互解耦的，而且 SSL 是定常陣，不隨轉(zhuǎn)子位置而變化。 dL 和 qL 分別稱為同步電機(jī) d 軸、 q 軸的同步電感。同樣地對(duì)于隱極機(jī)，由于 0?tL ，定子互感為常量；對(duì)于凸極機(jī)，則定子互感隨轉(zhuǎn)子位置而變。對(duì)于隱極機(jī)，0?tL ，從而 .co n stLLLL Sccbbaa ???? ；對(duì)于凸極機(jī)， 0?tL ，則 ccbbaa LLL , 是隨轉(zhuǎn)子位置而變化的參數(shù)。 根據(jù) ? ?? ?? ?? ??????? ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????fD QabcQDfcbaQDQfDQDDDffQfDffcQcDcfbQbDbfaQaDafQcQbQaDcDbDafcfbfacccbcabcbbbaacabaaQDfcbaiiLLLLd e fiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL3322331233213311 （ 210） ? ?? ??????????????????????? ?12 02c o s2c o s12 02c o s2c o s2c o s2c o s??????tStScctStSbbtStSaaLLLLLLLLLLLLLLLcba （ 211） 式中 0?? tS LL ，從而 ccbbaa LLL , 恒為正值。 下面對(duì)