2014/10/11
目录
1、电力系统稳定概念； 2、电力系统负阻尼概念 3、小干扰稳定和PSS模型； 4、PSS时域试验； 5、结束语。 1.1、电力系统稳定分类
真空脱蜡炉
过去分类 电力系统稳定分为三个电量的稳定： 电压稳定（电压恒定、无功充裕、否则恶性循环电压崩溃，必须强励） 频率稳定（频率恒定、有功平衡、安稳装置切机、自动减载） 功角稳定（P、Q变化）。 励磁系统提高电力系统的稳定主要是提高电压的稳定，其次是提高功角稳定。频 率稳定由调速器负责。 功角稳定又分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。 静态稳定：系统受到小扰动后系统的稳定性（要求稳定余度大、极限功率大）； 暂态稳定：大扰动后系统在随后的1－2个周波内的稳定性（必须继电保护） 动态稳定：微小扰动或者是大扰动1－2周波后（暂稳后期），因自动调节作用产 生的稳定性（没有自动装置，就没有动态稳定问题。要求必须有良好的阻尼和 PSS）。
现在分类：
小扰动稳定：静态稳定和动态稳定，前者不采取稳定措施的自我稳定，后 者是自动装置调节过程中产生的稳定问题；
大扰动稳定：大扰动全过程的稳定性，需要采取稳定措施。大扰动前期相 当于暂态稳定，后期是动态稳定。
1.2、静稳和动稳比喻
静态稳定：倒着放的圆锥体最差，轻轻一碰就到下，不倒翁的静稳 最合适。
静稳最好
静稳最差
动态稳定：是指电力 系统受到小的或大的 干扰后，在自动调节 和控制装置的作用下， 保持长过程的运行稳 定性的能力。
蒙着眼睛没有恐高 症，睁着眼睛看悬 崖就会有恐高症， 动态稳定就是因自 动调节所产生。
静稳最合适
1.3、AVR提高静态稳定分析
随着P增加，AVR为抵消发电机去磁作用 而不断增加励磁电流，也相应增加发电 机功角曲线高度，也就提高了静稳极限 经典分析图
P3 P2 P1
δ1 Eq恒定(励磁 电流恒定)
Eq’恒定
Ug恒定
P1=(EqU/XΣ )Sinδ （手动励磁下的P1不变）
P2=(Eq’U/XΣ )Sinδ （在突然扰动过程中的 Eq称为Eq′，尽管励磁处 于自动运行，但是Eq′变 化基本不变。此工况可 看成AVR放大倍数不高。
P3=(UgU/XΣ )Sinδ （AVR励磁下，尽管已 P3，但是功角裕度反而, 上升。
P1/P2/ P3=0.4/0.77/1.0
1.4、AVR提高暂态稳定分析
(a)单机无限大母线系统 (b)短路故障下，功率特性曲线的变化： 初始工作曲线1；短路后3；故障切除2 暂态稳定性决定于加速面积abedabcd 是否小于或等于减速面积dfed。
励磁手动方式 下经典分析图
强励后增加 的减速面积
AVR方式下经 典分析图
强励中减少 的加速面积
提高暂态稳定性有两种方法 1、减小加速面积：加快故障切除时间 2、增大减速面积：提高励磁电压响应比； 提高强励电压倍数，使故障切除后的发电机 内电势Eq迅速上升，增加功率输出，以达到 增加减速面积的目的。
采用AVR，可以提高暂态稳定 正常工作曲线1；短路曲线3；强励使功率特 性 曲 线 增 加 到 bc‘段 （
减 少 了 加 速 面 积 ） ； δ2时故障切除；强励使曲线2的dehg增加到 de’h’g （增大减速面积）；转子功角最大值 由δm’降到δm。
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1.5、AVR降低动态稳定解释
随着电力系统输电线路越来越远，特别是越来越多的可控硅静止励磁装置取代励磁 机投入使用，电力系统动态稳定性变坏，于是开始怀疑AVR对动态稳定不良影响。
给定值 Ref
ΔVG
+ －
电压 偏差
VG = f（Q、P）
比例 微分 积分
励磁电压 Efd
机端电压 Q
发电机
Ut
f、P医学书店
AVR对于因无功波动进行快速灵敏的调节，保证了电压的稳定，提高了电力 系统静态和暂态稳定，这是AVR的职责所在。
对于系统有功波动，理应由调速器负责（死区+慢）。由于这种波动也相应 引起ΔVG的微小变化，快速灵敏的AVR依然按照稳定电压方式进行调节，由 于AVR不考虑转子大电感因数，结果助长了有功波动，相当于减少了发电机 阻尼，进而引起电力系统低频振荡，危害了动态稳定。 2.1、AVR产生负阻尼分析
动态稳定可以理解为机电振荡的阻尼问题。 AVR造成阻尼变弱、甚至变负（K5变负)。在 —定的运行方式及励磁系统参数下，AVR在维 持Ug恒定的同时，会产生负的阻尼作用。 扰动前后：ΔP → Δδ1 → Δδ→ 摆动 → 阻尼 → Δδ2 →稳定 传统励磁：低增益慢速（没有能力管闲事） Δδ→ ΔUg →AVR作用小、反应慢 → ΔUf小 → ΔIf小 → Δ → ΔP（力矩象限不明） → 对Δδ影响极小。 现代励磁：高增益快速（管闲事帮倒忙） Δδ→ ΔUg →AVR作用大、反应快 → ΔUf大 → ΔIf大 → Δ → ΔP（力矩 第二象限） → 产生负阻尼使原来的阻尼变小，对Δδ负面影响。 AVR+PSS：高增益快速+附加控制系统（管闲事帮正忙） Δδ→ ΔUg →AVR+PSS作用大、反应快 → ΔUf大 → ΔIf大， Δ → ΔP（力 矩第一象限） →产生正阻尼使原来的阻尼变大，对Δδ正面影响。
2.2、负阻尼与低频振荡
1、荡秋荡起来后就会在摩擦系数的作用下慢慢停下；当顺着秋千施加外力 ，秋千会越荡越高，当逆着秋千施加外力，秋千会马上停下。 2、电力系统的动稳就像荡秋千一样，正阻尼逆着功率的摆动方向使之快速 停下，负阻尼顺着功率的摆动方向使之不断摆动。自动电压调节器产生负 阻尼大于原有正阻尼，产生0.2～2.5Hz低频振荡。 3、低频振荡产生原因： AVR对于有功或功角摆动引起的电压偏差进行调节 ，由于转子电感的滞后效应，其调节输出总是顺着有功摆动，这样加大了 原有摆动幅度，产生低频振荡。 4、PSS基本原理：如果AVR附加一个装置，直接测量有功摆动，并采用措施 改变原有调节输出方向，使之总是逆着有功摆动方向，这样就能很快平息 原有摆动，低频振荡就不会发
生。这个附加装置就是自动电压调节器中的 电力系统稳定器PSS。
地区性振荡模式（local model）：频率一般在0.5～2.0Hz； 区域间振荡模式（interarea model、tieline model）：频率一般在 0.1～0.5Hz）。 小系统： 0.5～2.5Hz；（地区电网）；大系统： 0.2～2.0Hz；（3华： 华中、华北、华东）；全国联网： 0.1～1.0Hz；（3华+东北）
2.3、阻尼比介绍
阻尼比（ζ） Damping Ratio，是量化表征阻尼特征的控制系统调节品质物理 量，可通过阶跃扰动试验测出，一个周期内扰动响应曲线和计算公式如下图所示 。当ΔP2＜ΔP1表示控制系统正阻尼，振荡收敛；当ΔP2＞ΔP1表示控制系统负 阻尼，振荡发散；当ΔP2=ΔP1表示控制系统零阻尼，等幅振荡。
负阻尼：振 荡波形振幅
加大
正阻尼：振荡波形振幅减 少。如果振荡波形振幅不
变，就是零阻尼
2.4、阻尼比计算
阻尼比有2个计算公式： 第一个是标准公式，多周波后的计算公式； 第一个是简化公式，单周波后的计算公式。一般采用单周波计算公式。
2.5、低频振荡原因分析
经过调查和仿真到原因：某小水电失步+某220kV超出静稳规定运行+某中型 水电站没有投PSS，带动全网低频振荡，进而引起700MW机组低频振荡。后来小 水电解列、220kV降负荷，振荡平息。 700MW机组低频振荡，对于发生地是弱/负阻尼振荡，对于其他地方是强迫振荡。
低频振荡，可根据阻尼变化快慢区分是弱/负阻尼特性，还是强迫振荡特性。
ζ 1 ln P 1
2
P2
2
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3.1、发电机小扰动模型
发电机转子运动方程
ΔΡ Δω Δδ
ΔP
K1主要是同步力矩环节；D转子
阻尼环节；K4发电机去磁电枢反
应；K5励磁正负阻尼系数；K2和
阻尼效应
去磁效应
K6主要是励磁阻尼力矩环节。
K5为正，这时AVR的作用是引入
一个正的阻尼转矩，有利于动态
发电机模型
励磁模型
稳定；
当P发SS电机与系统的外接电抗较
大，并且发电机的输出功率较高
时，系数K5为负，这时AVR的作
用是引入一个负的阻尼转矩不利
于动态稳定。
F.D.迪米洛和C.康柯迪亚利用菲利普 为此，引入PSS进行补偿。
斯-海佛曼模型提出AVR+PSS解决方案
3.2、励磁控制系统向量
Pe
ΔPe=Δδ×GEC(S )
K 2
GEC (s)
K2K5K3Ke
K 5
(1 K3Td0s)(1 TE s) K3K6Ke
K3
1
K
3T
' d
0
S
g2
K 6
Ke 1 TeS
g1
由于GEC(s)的迟后作用，当K5为负时， 电压调节产生负阻尼如图
(a)所示，由电压调节器产生的电磁 转矩ΔTE在Δω轴上的投影为负。
励磁控制系统传递函数
在GEC(s)和K5为 负不变的情况下， 增加一个附加 PSS，设计合理 的相位使其产生 如图（b）所示 的正阻尼。
K5 K6Eq
Ut
负阻尼力矩
正阻尼力正矩 阻尼力矩
Ut
g 1 2
U pss g
d
Tpss
第一象限是
目标区域
正同步力矩
ΔTavr
(a)
(b)
3.3、PSS向量图原理
建立δ－ω简化坐标系
ΔU简化为与ΔP同轴； T1：励磁产生的电磁力矩；
PSS输出
T2：PSS产生的电磁力矩；
ΔU
ΔPSS：附加励磁控制信号；
AVR(PID)＋PSS产生的电磁力矩。 ΔP ΔU
Δf 产生力矩
PSS力矩
AVR+PSS力矩 励磁调节：-ΔU
AVR力矩 励磁力矩总是滞后φ1
PSS输入信号：Δω、Pe、Δf
测量轴转速Δω，测量和处理比较复杂, 轴系扭转的处理更加困难，使用较少。 测量电功率Pe，在假定机械功率不变的情况下，可以得到过剩功率ΔP，使用广 泛，效果不错。但在原动机功率变化时会出现反调现象。 测量机端电压频率△f，克服了Δω测量处理上的困难，但由于发电机电抗的影 响，△f与频差Δω不完全一致，因而效果上稍差。
3.4、单输入PSS原理流程
P=f（Ut、It） 测量有功ΔP
使ΔPSS产生的力矩超前100∼滞后450
放大+滤波，得到0.2Hz ∼ 2.0Hz ΔP 调整φ2相位得到ΔPSS PSS输出限幅
Φ1= Φ3
给定值 Ref
+ －
电压 偏差
比例 微分 积分
励磁电压
机端电压
gp5中文版下载
Efd
Ut
It
发电机
3.5、单输入PSS电路示意
测量 信号 信号 ΔP 滤波 放大 隔直
微分电路相位超前调整
0.2
超前和滞后
输出限幅
滞后
0.2
P
U=f(P) U=f(ΔP)
ΔUPSS
（0.2∼2.5Hz）
超前
U输入
信号 隔直
测量滤波
信号滤波 双T高频滤波
滞后 超前
1.0
U输出
1.0
医患关系怎么了1.5Hz
3.6、PSS模型分类
DL/T 7409-2国标规定： PSS1=PSS1A
PSS2=PSS2A/PSS2B
单输入PSS1A
双输入PSS2A 双输入PSS2B
PSS2A和PSS2B区别： PSS2A两个补偿环节； PSS2B三个补偿环节。
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3.7、PSS1（PSS1A)介绍
PSS1：单输入PSS，以前曾用f，现在主要用P，隔直后变为ΔP，放大，高 频滤波（低通），经过相位超前滞校正后，再限幅输出。
PSS1A输入P，不能区分ΔP是振荡还是增减负荷，会产生反调。用Δω最科 学，但是测量计算复杂。用f有时可能不是系统振荡频率，抑制会出错。
3.8、PSS2(PSS2A/2B)介绍
VsTMAX
PSS2：双输入 PSS，一个输 入是ΔP，另一 个是Δω，属 于功率加速度 PSS。
sTw1 VsI1 1+sTw1
sTw3 VsI2 1+sTw3
sTw2 1+sTw2
sTw4 1+sTw4
ΔPm
[ ] 1 + 1+sT8 N +
1+sT6
(1+sT9)M
+
-
Ks3
Ks2 1+sT7
Ks1 1+sT1 1+sT3 1+sT2 1+sT4 VsT
VsTMIN
由于采用加速度 功率，能够区 分振荡和有功 的增减，应用 最广泛。
PSS2A属于IEEE
老标准，
ΔPe
PSS2B是新标
准，由于原理
一样，故叫法
ΔPa 混用，但要注 意不同符号。
3.9、功率加速型PSS2理论
同步电机转子运动方程
d
M
T m Te
dt
d
M
Pm Pe
dt
M d
Pm 0
dt
信号隔直
Pe 信号隔直
信号隔直 惯性补偿
d/dt用S代替，两端乘G(S )过滤Δω噪音
Pm G ( S ) ( MS
Pe )G ( S )
0
s Pa ( M 0 Pe )G (S ) Pe Δω
机械功率
谐波函数（
ΔPm
高频滤波/低
通滤波），
M和N是滤波
阶数/次数
ΔPe
输出放大
超前和滞后
加速功率 ΔPa
3.10、f与ω的关系
1、转子角速度ω =2 π f，这里的f是发电机转子 速度。在稳态的时候，可以用发电机电压频率替 代，但是在电力系统摇摆的过程中， ω ≠2 π f （电压频率）；
2、由于ω测量计算困难，一般用 ĖQ的频率替代 ω，并且这种替代在任何时候都是成立的，因为 ĖQ就在q轴上，总是能反映转子的摆动，即ω；
3、由于发电机电压总是随着功率因数或功角的 摆动在变化，故PSS不能用电压的频率替代ω。
EQ Vg jXq Ig
大型电厂加速功率型PSS输入信号分别取发电机转速、机端电压频率、EQ频率 对发电机及电网运行的影响： （1）华中孤网运行时，机组采用机端电压频率为输入信号时，系统阻尼稍有 恶化。 （2）华北华中联网运行，都采用机端电压频率为输入信号时，在某些运行方 式下电网与机组的功率振荡不能平息。 (3) 三台PSS采用机端电压频率为输入信号，对阻尼影响不大。 （4）EQ频率等同于转速，加速功率型PSS采用EQ频率作为输入信号与采用转速 为输入信号时特性几乎完全相同
3.11、PSS1和PSS2比较
国标7409-2中PSS1 （PSS1A）
一般采用发电机有功ΔP 作为输入，这对于能够快 速增减有功的水轮发电机 来说，带来“反调”，即 增减有功时，PSS以为是 有功低频振荡，想用减增 无功的方式来抑制。
P从575减到545，Q严重反调，从78升到187
国标7409-2中PSS2 （PSS2A/PSS2B）
采用双输入PSS2，PSS只 对有功的加速度其作用， 成功避免了反调现象。
P大幅减少，Q保持不变，无反调
3.12、多频段PSS4B简介
0.07Hz差分过滤 0.7Hz差分过滤 8.0Hz差分过滤
4
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= =
4.1、励磁系统频域试验方法
给定值 Ref
+ －
电压 偏差
Ug
PSS2型
PSS投切
Ig
比例 微分 积分
励磁 电压 Efd
机端电压
Ut 发电机
调节器和 PSS需要 设置内部 A/D和D/A 试验接口
正
弦
波 白
低 噪
频 声
信 信
号 号
发 发
生 生
器 器
频率特性分析仪
增益 角度大豆胰蛋白酶抑制剂
Hz 幅频和相频特性
输入输出波形比较
4.2、相位补偿前后特性
+
以电功率为输入信号的 PSS，其满足工程要求的有 补偿相频特性，根据对频带 要求的不同可取为：
频带要求为0.5Hz～ 2.0Hz时为 -60°～-120°
频带要求为0.1Hz～ 2.0Hz时为 -50°～-120°
波特图
4.3、典型相位补偿讲解
相频特性
1.22Hz
发电机无补 偿相频特性
PSS相频特 性
发电机有补 偿相频特性
-148°
发电机本机 振荡频率
4.4、典型相位补偿分析
Δω
-Upss
T2
滞后ΔP
30° -55° TΣ
ΔP
-ΔU Δδ
-
55°
T1 0.5HzPSS1A
Δω T2即Tpss
Δω T2
ΔP -Upss
-148°
-ΔU
TΣ Δδ ΔP
-110°
TΣ -ΔU Δδ
-148°
T1即Te 1.22Hz，PSS1A原 理
-Upss 超前ΔP10°
-110° T1
1.5Hz，PSS1A原理
4.5、退PSS后的时域分析
1
P：摆动
2 345
1 P1 1 15格 ln ln 0.05
2 P2 2 11格
Ug：上升
Q：上升 Uf：强励
Uf没有缺口就是 PSS没有叠加
If：上升
PSS退出，发电机负载 +3%阶跃试验录波
PSS输出
试验中将发电机电压突然上升3%，造成P摆动，PSS检测到这个摆动， 并按照P摆动的相反方向响应。由于此PSS已经退出，故PSS不起作
用，Uf完全由AVR控制，系统阻尼变弱，P摆动次数多达5次。
4.6、阶跃产生有功振荡原因
发电机负载特性阶跃试验，为什么有功会摆动？ 解释相关问题：电力系统稳定、正阻尼、负阻尼、阻尼比、 低频振荡、振荡频率、振荡幅值等
未成年工特殊保护规定5
豫公网安备41160202000603
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