国际标准中的三种电力系统稳定器(PSS)

Three kinds of power system stabilizer(PSS)in

international standard and foreign standard

哈尔滨大电机研究所　黄顺礼

【摘　要】　中的三种PSS是指被IEEE标准推荐的两种及IEC标准推荐的一种,它们结构相似,都具有技术简单、功能齐全及运行可靠等特点。

【关键词】　PSS　标准系统

1　引言

美国电力电子工程协会在总结北美电网长期运行经验的基础上,于1990年发布标准IEEE Std.421.2,要求具有快速控制作用励磁的每一台并网运行发电机,都必须在其励磁控制系统中配置电力系统稳定器(PSS),以克服快速控制作用励磁所带来的负面效应———可能诱发机组产生振动,并推荐了被北美电网广为采用的两种传递函数方框图及它们参数的设定值范围,其中一种框图成了国际电工委员会1996年发布标准IEC34-16-3中所推荐的PSS的蓝本,并且是我国20世纪80年代引进西屋公司600MW汽轮发电机技术中所采用的系统;而另一种则是中外合作近期建设成功的我国二滩水电站550MW机组中所采用的系统。本文把这两个标准所推荐的三种系统统称为国际典型(或标准)的PSS系统,具有技术简单及运行可靠等特点。

2　系统图

三种典型PSS的系统图如图1所示,其中IEC 所推荐的图1(C)系统只是在IEEE的图1(α)系统中增设了一个由A3～A6诸系数项组成的双二次

滤波器环节;由加拿大GE公司供货的二滩电站机组中所用的PSS为图1(b)系统。

图1(b)中的第1输入通道信号V s11为机组轴角频率的变化量;第二通道信号V s12为功率增量,这种使用不能混淆,因为角频率信号中可能夹杂有机组的轴系扭振信号,这是一种具有极强破坏作用的高频信号,尽管传感器会对它具有足够程度的抑制作用,但是还必须经过后置的专门为该信号而设置的高频滤波器来进行最彻底地清除。

3　信号与功能

前述提到的机组有关振荡是指个别电机与电网、电网各区段之间及机组之间的三类振荡,表现为机组功率、转速或频率分别产生0.1～1.0Hz 0.1～0.5Hz及1.5～3.0Hz的摆动,图1所示PSS 接收这些振荡信号并按要求传递至电压调节器,在励磁控制系统中形成闭环,通过电压调节器的自动控制作用来实现对这些振荡的阻尼。因此0.1～3.0Hz范围内的这些振荡信号是PSS的工作信号,称之为主信号。

PSS的非主信号就是0.1～3.0Hz主信号频率以外的干扰信号,其中一类是不大于0.01Hz的“直流”及时间漂移信号;另一类是不小于4Hz的

8高频信号,它包括随机白噪声、主信号中的脉动信号以及轴系扭振信号。为保证励磁控制系统的正

9

常运行及机组安全,PSS 必须把它们予以彻底清除,不允许传递至电压调节器。

因此PSS 的功能就是把主信号按规定目标传递至励磁控制系统中的电压调节器,以阻尼0.1～3.0Hz 范围内机组的三类振荡,并且彻底阻断该频率段范围外的非主信号通过,以保证励磁系统的正常运行及机组安全。

上述功能体现在图1中某一PSS 参与了励磁控制系统运行后,必须使励磁系统具有如图2所示的那种频率响应特性,这是美国IEEE 从大量运行实践中总结出来的经验数据,即在0.1～3.0Hz 的主信号频率范围内,不仅相位滞后接近于零,而且增益曲线也相当平坦。PSS

的这种功能决定着其

各个组成环节的特性及参数的设定值。

4　关键环节

在图1的三种PSS 中,凡名称相同环节的特性及参数值设定方法相同,与在图中的排列顺序无关,下述为其中的关键环节。4.1　传感器

传感器是一个典型的惯性环节,除了检测并变送主信号外,还对不小于4.0Hz 的高频非主信号具有足够程度的抑制作用,使其幅值被在主信号幅值的10%范围之内。这样,对于如图3所示的频率特性,其中的交接频率f 1,必须是对于高频信号的关断频率(即高频信号的起始频率):

f 1=4.0Hz

　　　(1)

4.2　高频滤波器

在传感器对高频信号已有足够程度滤波的基础上,图1中的高频滤波器对其中最具有破坏作用的轴系扭振信号,进行再一次最彻底地阻断,诚然,它对其他种高频信号也具有相应的滤波作用,这样,在如图4所示的频率特性中,交接频率f 2必须与图3中的f 1一致,而f 3及f 4应该与轴系扭振频系有关:

f 2=f 1=4.0Hz

f 3=f n -|△f n |

　　　　(2)f 4=f n +|△f n |

　式中f n ———轴系扭振信号频率,Hz ;

△f n ———f n 的工程计算评估偏差,Hz 。

1

4.3　相位补偿器

图1中的相位补偿器是一种超前—滞后相位补偿器,是为补偿传感器、高频滤波器及其他环节对主信号所造成的相位滞后而设置的,在图1中都为两级,视现场需要也可为单级或三级,二滩电站机组所用的图1(b )系统的实际装置中曾备有三级,而在1998年的现场试验中就只用了两级,各级的频率特性如图5所示,图中的交接频率f 5及f 6必须分别是主信号的起始及终止频率,即:

f

5=0.1Hz

f 6=3.0Hz

　　　　　　(3)

而最大补偿角为:

φm =Sin -1a -1a +1　　,　a =f 6

f 5

=30　　。

4.4　冲洗器

冲洗器是为洗净不大于0.01Hz 的“直流”非主信号对励磁控制系统正常运行的干扰而设置的,所以有些资料又把它称为“隔直”单元,也有将其称

为自动复位器,意味着只有出现大于0.01Hz 的

信号时,才会使PSS 自动“投入”

励磁系统,否则它便自动“复位”,使PSS 自动“退出”励磁系统,相当于是一只无触点的常开自动开关,在图1(b )系统这种开关还连串了两级,各级的频率特性如图6所示,图中的交接频率f 7必须是“直流”非主信号的上限频率(或自动“复位”频率):

f 7=0.01Hz 　　　　(4)

5　参数设定

式(1)至式(4)中的交接频率与图1系统中有关时间常数的设定值具有相同的数学关系式,这就是:

T (f j )=

1

2

πf j 　　　　(5)

它们的对应关系如表1所述。

根据式(5)及表1,能方便地计算出图1中有关时间常数的设定值,如表2中的最左序列所述,这是根据频率分析法所得到的一组数据,可保证图1所示PSS 主信号频率的设定范围为0.1～3.0Hz ,使励磁控制系统具有如图2所示的频率响应

特性,对前述的那三类机组振荡都具有良好的阻尼作用,所以称它们为最佳设定值。

表1　图1中时间常数与交接频率的对应顺序

时间常数T (f j )　　　单位:s

交接频率f j 　　　单位:Hz

T 6,T 7f 1=4.0T 9f 2=4.0T 8f 3=f n -|△f n |T 1,T 3f 5=0.1T 2,T 4

f 6=3.0T w1,T w2,T w3,T w4,T 5

f 7=0.01

　　前述IEEE 标准图1(a )及(b )系统所推荐的参

数值设定范围如表2中间序列所述,这是被北美广为使用过的一组经验数据,同样适合于由IEC 推荐图1(c )系统;加拿大GE 公司在我国二滩电站PSS 中所用的设定值如表中的最右序列所述,它们

就处在这一组设定值范围之内;前述的最佳设定值也是处在该范围值之内。

6　结束语

图1所示的三种PSS 具有技术简单、功能齐全可靠等特点,是值得推广应用的国际典型系统,它们是使0.1～3.0Hz 的主信号按规定要求传递主电压调节器,以实现对该频率范围内的机组的三

1

1