【正文】 35 加速功率型 PSS原理簡(jiǎn)介 根據(jù)旋轉(zhuǎn)物體的力學(xué)定律，對(duì)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子可寫出如下的關(guān)系式 em TTdtdM ??? 式中 M—— 機(jī)組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 mT —— 原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 eT —— 發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 用標(biāo)幺值表示，在速度變化不大時(shí)，可用功率代替轉(zhuǎn)矩，則關(guān)系式變?yōu)? em PPdtdM ??? （ 623） 移項(xiàng)后有 em PdtdMP ?? ?? 0 寫成偏差形式， d/dt 用 S 代替，得 em PMSP ????? 0?? （ 624） 因 ?? 中含有各種噪音，上式兩端乘 G(S)濾去， )()()( 0 SGPMSSGP em ????? ?? 加速功率為： eea PSGPsMP ??????? )()( 0? ? （ 625） 用 aP? 來(lái)作為 PSS 的輸入，框圖就如圖 67 所示，加 速功率為信號(hào)的 PSS 是沒(méi)有“反調(diào)”的。解決“反調(diào)”問(wèn)題的一種有效措施是采用加速功率作為 PSS 的輸入信號(hào)，中國(guó)電力科學(xué)研究院參考 IEEE PSS2A 模型的原理，在前期理論研究工作的基礎(chǔ)上，研制了雙輸入信號(hào)（轉(zhuǎn)速信號(hào)和電功率信號(hào)合成加速功率）加速功率型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了成功。采用轉(zhuǎn)速為輸入信號(hào)的 PSS 在理論上是沒(méi)有“反調(diào)”現(xiàn)象的，但是轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè) 取有一定難度，為避免軸系扭振問(wèn)題，需采用扭振頻率阻斷濾波器，其階數(shù)由主機(jī)機(jī)械計(jì)算給出，所以沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。 我國(guó)現(xiàn)在正在實(shí)行各大區(qū)聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)過(guò)大量仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，區(qū)域電網(wǎng)之間存在，采用單一電功率為輸入信號(hào)（或簡(jiǎn)單的電功率加轉(zhuǎn)速信號(hào)）的PSS，在采用滿足對(duì) ，往往會(huì)使“反調(diào)”現(xiàn)象變得嚴(yán)重。 使用電功率作為輸入信號(hào)的最主要的缺點(diǎn)是無(wú)功功率的“反調(diào)”問(wèn)題。 加速功率型 PSS原理和試驗(yàn)結(jié)果介紹 曾經(jīng)用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輸入有發(fā)電機(jī)的電功率、機(jī)組的軸速度和發(fā)電機(jī)端電壓的頻率。 （ 4） 用電力系統(tǒng)仿真程序校驗(yàn) PSS 參數(shù)整定的正確性。 （ 1） 測(cè)量無(wú)補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性 （ 2） 測(cè)量有補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性，應(yīng)保證在所需要 PSS 提供阻尼的最低頻率上，能滿足提供正阻尼的要求 （ 3） 進(jìn)行一次自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器參考電壓階躍響應(yīng)試驗(yàn)，檢查、確認(rèn) PSS對(duì)地區(qū)振蕩模式的阻尼效果。但是，對(duì) 以下或 以上的振蕩就很難看得出 PSS 的作用是好還是壞。 西門子公司在三峽左廠 6號(hào)機(jī)上采用了這一方法。聯(lián)網(wǎng)后的區(qū)域間振蕩模式的頻率恰恰在遠(yuǎn)離本機(jī)振蕩頻率的低端。 這種方法，在以本機(jī)振蕩頻率（ local model）為中心的一個(gè)不太寬的頻帶內(nèi)的，不失為是一種有效的方法?；疽c(diǎn)是，在發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的電壓參考點(diǎn)上，施加一個(gè)單一頻率的正弦擾動(dòng)信號(hào)（信號(hào)可以由調(diào)節(jié)器外的專用儀器產(chǎn)生，也可以由調(diào)節(jié)器內(nèi)部產(chǎn)生），信號(hào)大小以引起足夠大的有功功率振蕩為限。我們?cè)?20 世紀(jì) 80 年代初曾經(jīng)使用過(guò)這個(gè)方法。但一般情況下，也只能達(dá)到檢查 PSS 對(duì)地區(qū)振蕩模式阻尼效果的目的。阻抗的改變可以用切機(jī)，跳線路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但以跳線路最好。但是，這種試驗(yàn)工作量較大，有時(shí)也可能要冒一點(diǎn)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)。由于擾動(dòng)量較大，往往可以比較明顯地看出 PSS 的效果。 系統(tǒng)阻抗突變法 ： 33 在系統(tǒng)條件允許的情況下，可以用切機(jī)、切負(fù)荷、跳線路、跳變壓器等方法，使系統(tǒng)之間的聯(lián)系阻抗或發(fā)電廠和系統(tǒng)之間的聯(lián)系阻抗有一個(gè)較大的 、突然的改變，造成一個(gè)較大的干擾。但是，在絕大多數(shù)情況下，它只能激發(fā)本機(jī)振蕩頻率的振蕩，即只能激發(fā)地區(qū)振蕩模式（ local model）的振蕩，而不能激發(fā)起聯(lián)網(wǎng)后的區(qū)域間振蕩模式的振蕩。通過(guò)波形比較可以看出 PSS 的效果。用周期性方波時(shí)半周期時(shí)間應(yīng)不小于 3～ 5秒。 發(fā)電機(jī)負(fù)載階躍響應(yīng)法 ： 階躍干擾信號(hào)從電壓調(diào)節(jié)器的電壓參考點(diǎn)上加入，其幅值不大于 10％額定參考電壓值。常用的方法有發(fā)電機(jī)負(fù)載階躍響應(yīng)法、系統(tǒng)阻抗突變法和正弦擾動(dòng)強(qiáng)迫振蕩法三種。 PSS 的增益可以初選為 ～ 左右。 PSS阻尼功率振蕩效果的檢查試驗(yàn) 這是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整試驗(yàn)的最重要的一步。 頻帶要求為 ～ 時(shí)為 50176。 以電功率為輸入信號(hào)的 PSS，其滿足工程要求的有補(bǔ)償相頻特性，根據(jù)對(duì)頻帶要求的不同可取為： 頻帶要求為 ～ 時(shí)為 60176。 頻帶要求為 ～ 時(shí)為 40176。 以軸速度為輸入信號(hào)的 PSS，其滿足工程要求的有補(bǔ)償相頻特性，根據(jù)對(duì)頻帶要求的不同可取為： 頻帶要求為 ～ 時(shí)為 30176。 Fl（ f） Fl（ f）為測(cè)量得到的在線無(wú)補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性。 對(duì) PSS相位補(bǔ)償特性的要求 為了得到理想的有補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性，對(duì) PSS 相位補(bǔ)償特性的要求是，在系統(tǒng)可能發(fā)生低頻振蕩的整個(gè)頻率范圍 內(nèi)， PSS 的相頻特性均為： 以軸速度為輸入信號(hào)時(shí) Ф pss=Ф 0＝ Fl（ f） 以電功率為輸入信號(hào)時(shí) Ф pss=90176。（以有功功率為輸入信號(hào)）。 對(duì)理想有補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性的要求 理想的有補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性是，在系統(tǒng)可能發(fā)生低頻振蕩的整個(gè)頻率范圍內(nèi)，相頻特性均為 0176。一般的情 況下，一次即可解決問(wèn)題，最多也不超過(guò)三次。 測(cè)量前，應(yīng)根據(jù)無(wú)補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性的測(cè)置結(jié)果，初步確定 PSS 的參數(shù)整定。 在線有補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性試驗(yàn) 有補(bǔ)償頻響特性是考慮了 PSS 的相位補(bǔ)償作用后勵(lì)磁系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。以低頻信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)替代頻譜儀的隨機(jī)信號(hào)，每次一個(gè)頻率。 從頻譜儀可直接讀取相頻特性 Ф 0＝ Fl（ f），幅頻特性 K＝ F2（ f）（ v／ v）或 G＝ F3（ f） (db)。信號(hào)太小時(shí)靈敏度不夠，太大又造成發(fā)電機(jī)電壓和無(wú)功的過(guò)大波動(dòng)。 測(cè)量用頻譜儀來(lái)完成，這樣可以一次測(cè)得我們要求的頻段內(nèi)的所有頻率的響應(yīng)特性。測(cè)量時(shí)應(yīng)使發(fā)電機(jī)盡可能帶額定有功運(yùn)行，功率因素盡可能高一點(diǎn)，因?yàn)樘岣吖β室蛩匾话銜?huì)使阻尼邊壞。 在線無(wú)補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性試驗(yàn) 在線無(wú)補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性是指發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、 PSS 沒(méi)有投入的條件下，由 PSS 的附加控制產(chǎn)生的發(fā)電機(jī)電氣力矩變化Δ , 對(duì) PSS 輸出信號(hào)的頻響特性，即Δ ／ΔUpss。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的在線試驗(yàn) (投入運(yùn)行的試驗(yàn) ) 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試是正確選擇電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)和檢查電力系統(tǒng)穩(wěn)定器效果的最重要階段。將第一級(jí)放大器輸入端接零、用錄波器或示波器可以測(cè)量 PSS輸出端的隨機(jī)噪聲電平。如果因隔直回路的作用不能清楚地看到極性是否正確，則可把隔直電容暫時(shí)短路，調(diào)節(jié)器的輸出的改變可以明顯看出來(lái)。檢查方法是在信號(hào)放大濾波器輸入端加入一模擬增量，檢查調(diào)節(jié)器的輸出是否作相應(yīng)改變。 （ 4）電力系統(tǒng)穩(wěn)定器輸出極性檢查 穩(wěn)定器的輸出極性有時(shí)會(huì)搞 錯(cuò)，特別是使用了模擬式功率變換器的地方，應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行檢查。從 PSS 的輸入端加人一直流階躍信 30 號(hào)，同時(shí)錄取其輸出波形。 對(duì)于數(shù)字式電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，特別是第一次使用的數(shù)字式電力系統(tǒng)穩(wěn)定器， PSS 的頻率響應(yīng)特性的測(cè)量尤為重要，因?yàn)轭l率響應(yīng)特性測(cè)量可以檢驗(yàn)軟件編程是否真正傳遞函數(shù)所表示的特性。以免發(fā)生 PSS 網(wǎng)路中某些元件達(dá)到其最大輸出。頻率特性應(yīng)滿足要求，同時(shí) PSS 網(wǎng)路還應(yīng)留有一定可調(diào)范圍以供現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)修正參數(shù)整定用。相位移以度數(shù)表示，增益以分貝表示（ 20logU 出／ U 入）或以 v／ v 比表示。以功率為輸入信號(hào)的穩(wěn)定器，功率信號(hào)經(jīng)適當(dāng)濾波后其紋波電壓（雙峰值）最好不超過(guò) 20mv。檢查元件焊接是否可靠，連線是否正確，各級(jí)放大器應(yīng)無(wú)高頻振蕩，在輸人為零時(shí)，各級(jí)放大器均應(yīng)可調(diào)到零。一般應(yīng)包括在線無(wú)補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性試驗(yàn)、在線有補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性試驗(yàn) 和 PSS 阻尼功率振蕩效果的檢查試驗(yàn)等?？梢栽诎l(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)下完成，也可以在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、但電力系統(tǒng)穩(wěn)定器不投入的條件下完成。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的試驗(yàn) 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的試驗(yàn)分在線試驗(yàn)和離線試驗(yàn)兩部分。 有一定保護(hù)措施，以保證在各種運(yùn)行狀態(tài)下（包括 PSS 故障）不會(huì)引起發(fā)電機(jī)過(guò)電壓和 29 無(wú)功過(guò)負(fù)荷，也不會(huì)引起發(fā)電機(jī)勵(lì)磁不足或失去勵(lì)磁。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輸出的噪音電平應(yīng)盡可能的低。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 的投入與提出，均不影響發(fā)電機(jī)正常穩(wěn)態(tài)電壓水平。但是根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的功能 — 在系統(tǒng)可能發(fā)生的振蕩頻率范圍內(nèi)提供正阻尼力矩，各種不同型式的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器都應(yīng)該滿足下述共同要求。對(duì)以電功率為輸入信號(hào)的穩(wěn)定器而言，增益取 ～ 即可得到滿意的結(jié)果。如圖 63 所示。 同步電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)， K2＞ 0，要求 sin（φ ex +φ p）＜ 0，并盡可能接近于1。 參數(shù)確定一般分二步進(jìn)行。 28 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)選擇 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)選擇包括二項(xiàng)任務(wù)。 K2sin（φ ex+φ p）＞ 0時(shí)，附加勵(lì)磁控制即電力系統(tǒng)穩(wěn)定器將產(chǎn)生負(fù)阻尼作用； K2 sin（φ ex+φ p）＜ 0時(shí)，穩(wěn)定器將產(chǎn)生正阻尼作用。 以 s＝ jω d 代入式（ 6－ 20）中，可求得通過(guò) △ Pe 附加勵(lì)磁控制即功率型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器產(chǎn)生的阻尼力矩系數(shù) Kdp 為： Kdp＝ K2 K Kex Kpsin（φ ex+φ p）ω o/ω d （ 621） 式中 Kp、φ p為 s＝ jω d時(shí)， Ep（ s）的模 和角。 設(shè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的傳遞函數(shù)為 EP(S)，則它產(chǎn)生的電磁力矩為： )206()()(1 )( 363 32 ?????? ??? epdox xep PsETsKsEKK sEKKM 試驗(yàn)和分析可 以說(shuō)明，在低頻振蕩時(shí)，△ Pe和功角△δ基本上同相，在△δ－△ω平面上可以在△δ軸上表示（圖 6－ 3），即有： △ Pe＝ K 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輸入信號(hào)可以取同步電機(jī)的電功率、電機(jī)的功角、軸速度或它們的組合。=,Xe=011 0 1Pe(.)K(.)K1K3K6 同步電機(jī)模型系數(shù)KK4和K5 Xd=,Xq=,Xd39。 = 0 . 2 , X e = 1 . 0011 0 1Pe(.)K(.)K1K3K6 同步電機(jī)模型系數(shù)K 2 、K 4 和K 5 X d = = X q = 2 . 0 , X d 39。同理，當(dāng)電機(jī)工作于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，也是在重負(fù)荷下容易發(fā)生低頻功率振蕩。由于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)下， K2 總是大于零的，因此，電壓調(diào)節(jié)器的阻尼作用可以通過(guò)系數(shù) K5 的正負(fù)極大小來(lái)加以判斷。又因?yàn)?Kex 當(dāng)電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)， K2＞ 0，在小負(fù)荷情況下（ P＜ Pc時(shí)）， K5＞ 0，因此有 K2阻尼作用也趨向于零。 sinφ ex→ 0， Kdu→ 0。 sinφ ex 的絕對(duì)值也增大，阻尼力矩系數(shù)的絕對(duì)值∣ Kdu∣也增大， Ka超過(guò)這個(gè)范圍后，在增大時(shí)， Kex （ 4） 乘積 Kex對(duì)于現(xiàn)代大型同步電機(jī)，均配有快速電壓調(diào)節(jié)器，因此，在低頻振 蕩的頻率范圍內(nèi)，其滯后角φex 一般均在 0～ 180176。左右了；當(dāng) Ka→∞，則有φ ex→ 0。 （ 2） φ ex∣隨著 Ka 的增大而減少， Ka＝ 1 時(shí)，φ ex 為 99176。它給出了 Kex、Φ ex、 sinφ ex 和乘積 Kexsinφ ex 與勵(lì)磁控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益 Ka的關(guān)系曲線。由圖 6圖 65 已知，系數(shù) K3 與同步電機(jī)的運(yùn)行工況無(wú)關(guān)， K6則變化不大，因此 Kex，φ ex 主要決定于勵(lì)磁控制系 統(tǒng)參數(shù)（電壓調(diào)節(jié)器及電機(jī)磁場(chǎng)回路參 數(shù)），即開(kāi)環(huán)增益和時(shí)間 常數(shù)。 K5 的原點(diǎn)對(duì)稱性也相同，區(qū)別在于，在有功從零開(kāi)始的最初一段變化范圍內(nèi)，未出現(xiàn) K5 與有功功率同號(hào)的情況，這點(diǎn)與具體參數(shù)有關(guān)。 Xd＝ ， Xq＝ ， Xd′＝ ， Ut0、 U、 X與圖 64相同。 K5 也具有原點(diǎn)對(duì)稱性質(zhì)，在吸收有功的最初一段范圍內(nèi)， K5 為負(fù)并有最小值，與有功同號(hào)，以后 K5 逐漸變?yōu)榱?，吸收功率進(jìn)一步增加時(shí) K5 變正，與有功反號(hào)，且越來(lái)越大。此后功率進(jìn)一步增加時(shí)， K5減少，在到達(dá)某一臨界值 Pe 時(shí)（ Uio＝ 時(shí) ， Pc＝ ； Uio＝ 時(shí)， Pc＝ ）， K5 變?yōu)榱?，功率進(jìn)一步增加， K5 變負(fù)，與有功反號(hào)，且越來(lái)越負(fù)。 (5) 系數(shù) K5 在同步電機(jī)空載時(shí)也為零。 (4) 系數(shù) K2 和 K4 在電機(jī)有功為零時(shí)均為零，同步電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)， K K4均為正，有功增大， K2和 K4 也增大；當(dāng)電機(jī)工作于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)， K2 和 K4 都為負(fù)值，吸收的有功越大， K2和 K4 的絕對(duì)值也越大，具有原點(diǎn)對(duì)稱性質(zhì)。在所計(jì)算的有功范圍內(nèi) K1 大于零。 (3) 系數(shù) K1 有較大變化。由圖 64可以看出： (1) 系數(shù) K3 與電機(jī)的工況無(wú)關(guān)，在由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)到發(fā)電機(jī)狀態(tài)的滿負(fù)荷范圍內(nèi)， K3 為一常數(shù)，僅決定于電機(jī)參數(shù)和系統(tǒng)電抗。對(duì)每種電機(jī)又考慮了端電壓為 兩種情況。