電力系統穩定控制

電力系統在正常運行時，經受干擾而不發生非同步運行、頻率崩潰和電壓崩潰的能力。這種抗干擾的能力是電力系統保證正常運行必須具備的。從狹義的觀點看，電力系統穩定單指不發生非同步運行，不管電力系統中聯接多少台發電機,聯網地域有多大(全省、跨省區、跨國家)，都要求在經受干擾時所有交流同步發電機保持同步運行。從廣義的觀點看，電力系統穩定研究的範圍還包括電力系統穩定破壞後，電力系統進入非同步運行狀態，而後在滿足一定條件下再同步成功，又恢復同步運行的全過程，電力系統的這種能力稱為綜合穩定。為了便於應用現代數學方法和計算工具進行電力系統的計算分析，和在實際運行中更確切地檢驗電力系統穩定運行的水平並採取提高穩定的措施，把電力系統穩定分為靜態穩定，暫態穩定和動態穩定三類。

電力系統受到大幹擾後，各同步電機保持同步運行並過渡到新的或恢復到原來運行方式的能力。通常指保持第一或第二個振盪週期不失步。暫態穩定的判據是電力系統遭受每一次大擾動（如短路、切除故障、切除線路、切機等）後，引起電力系統機組之間的相對功角 增大，在經過第一個最大值後作同步的衰減振盪，系統中樞點電壓逐步恢復。暫態穩定計算分析的目的，是在規定運行方式和故障形態下，對系統穩定性進行校驗，並對繼電保護和自動裝置以及各種措施提出相應的要求。

暫態分析計算普遍應用時域模擬方法。即列出電力系統包括各元件在內的數學模型（表現為對時間的微分方程），再採用數值解法求出各狀態量的時間特性，然後根據暫態穩定判據進行分析。這種方法對於大型多機電力系統來説，所需的計算工作量很大，即使應用現代大型計算機仍然耗費機時較多。80年代以來，正在發展以李雅普諾夫直接法為基礎的暫態能量函數的方法來直接分析電力系統暫態穩定性。這種方法不僅能快速給出是否穩定的判斷，並能給出穩定度的數量指標。

①用快速保護和快速斷路器把故障切除時間減少到0.1～0.15秒之內；

②將故障限制在故障區段內；

③用自動重合閘儘快恢復網絡結構；

④自動切除水輪發電機組和快速關上汽輪機的汽門，以減少加速能量；

⑤採用線路故障聯動切機或切除其他線路，以防止連鎖反應而擴大事故；

⑥採用電氣制動和控制補償設備；

⑦控制負荷功率（如鍊鋁廠），切除部分負荷，以及控制直流線路的功率等。

電力系統受到小干擾或大幹擾後，在自動調節和控制裝置的作用下，保持長過程的運行穩定性的能力。動態穩定計算分析的方法有兩種：①在小干擾下可採用特徵值分析的方法，如同靜態穩定，只是增加調節系統的微分方程式。多機電力系統由於方程階次高，還可推導出特徵向量，以判斷應對哪台機、哪個環節採取何種措施。②數值解的方法，如同暫態穩定，同樣是增加調節系統的微分方程。數值解法用隱式積分法（梯形法，簡單迭代法）；對於大幹擾的動態穩定的故障形態和地點選擇與暫態穩定相同;對於小干擾的動態穩定,可以在某些穩定較弱的節點上,加一個很大的阻抗，然後進行數值解。若得到功角搖擺是增幅振盪或非週期擴散，則是不穩定。在小干擾的條件下，特徵值分析法和數值解法兩種計算結果可以互相對照。

①對於網絡結構不合理的系統，應增加線路迴路數，發電機接入高壓主網以增強系統聯繫；

②對於網絡結構一定的情況下，合理配置電力系統穩定器，改善大型發電機快速勵磁調節系統的參數和特性；

③控制直流線路的功率，以提高並列運行的交流線路的動態穩定性等。

1.勵磁控制系統滯後特性的測量

勵磁控制系統滯後特性即無補償頻率特性。因勵磁控制系統滯後特性的存在，加到勵磁調節器的附加信號經滯後才能產生附加力矩。測量勵磁控制系統滯後特性，應測量附加力矩對PSS迭加點的滯後角度。由於附加力矩無法測量，實際上是測量機端電壓對PSS迭加點的滯後角度。因為在發電機高功率因數運行時，機端電壓對PSS迭加點的滯後角度近似等於附加力矩對PSS迭加點的滯後角度。

由試驗可見：

(1)勵磁控制系統滯後特性基本分為兩種：自並勵系統(約-40°～90°)：勵磁機勵磁系統(約-40°～-150°)。

(2)同一頻率角度範圍，表示同一發電機勵磁系統在不同的系統工況和發電機工況下有不同的滯後角度，從幾度到十幾度，其中也包含了測量誤差。

(3)温州電廠與台州電廠雖採用同一勵磁控制系統，因轉子電壓反饋和調節器放大倍數不同，勵磁系統滯後特性發生明顯變化。

(4)勵磁調節器的PSS迭加點位置不同，勵磁控制系統滯後特性也不同。

2.有補償頻率特性的測量

有補償頻率特性，由無補償頻率特性與PSS單元相頻特性相加得到，用來反映經PSS相位補償後的附加力矩相位。DL/T650-1998《大型汽輪發電機自並勵靜止勵磁系統技術條件》提山，有補償頻率特性在該電力系統低頻振盪區內要滿足-80°～-135°的要求，此角度以機械功率方向為零度。根據試驗的方便情況，可採用兩種方法：(1)斷開PSS信號輸入端，在PSS輸入端加噪聲信號，測量機端電壓相對PSS輸入信號的相角：(2)PSS環節的相角加上勵磁控制系統滯後相角。

由試驗可見：

(1)通過調整PSS參數，可以使有補償頻率特性在較寬的頻率範圍內滿足要求。

(2)ALSTHOM機組PSS低頻段相位補償特性未能滿足要求。

(3)北侖電廠1號機PSS在小於0．4Hz範圍增大隔直環節時間常數，使之低頻段有良好的相位補償特性，而且提升放大倍數(0．2Hz處提高1．76倍)。

3.PSS放大倍數和輸出限幅

PSS放大倍數都以標幺值表示。輸入值按PSS信號是哪一種，取機組額定有功功率、額定轉速或額定頻率為基值。輸出值以PSS迭加點額定機端電壓為基值。當PSS迭加點與電壓迭加點不一致時，要按低頻振盪頻率下的環節放大倍數折算額定機端電壓值。因PSS中的超前滯後環節影響放大倍數，本文以1Hz下的放大倍數進行比較.

4.PSS開環頻率特性

開環頻率特性用於測量增益裕量及相角裕量，判斷閉環控制系統的穩定性，判斷PSS放大倍數是否適當。可在PSS輸入端或PSS輸出端解開閉環進行測量。由表5可見，除台州電廠7、8號機和北侖電廠2號機以外，開環頻率特性的增益裕量及相角裕量均符合DL/T650-1998標準的要求，增益裕量大於6dB、相角裕量大於40°。

5.負載電壓給定階躍響應

負載電壓給定階躍響應作為為驗證試驗項目，可以直接觀察PSS投入引起地區內與本機有關振盪模式阻尼比的提高，從表6中可見振盪頻率均在1．18Hz以上。階躍響應不能檢驗區域間與本機有關振盪模式阻尼比的提高。試驗結果表明，以上機組PSS的作用均有效。有的機組對負載電壓階躍反映遲鈍，以至難以測量，這可能是調節器的一些環節濾去了階躍信號中的高頻分量，也可能是在試驗工況下系統組尼比較大。

1、關於相位補償的頻率範鬧

DL/T650-1998《大型汽輪發機自並勵靜止勵磁系統技術條僕》提出了PSS應滿足該機各振盪模式下的相位補償要求，其振盪頻率一般在0．2Hz～2．0Hz範圍內。相位補償可按分析計算得出該系統振盪模式的實際頻率範圍設計，也可按0．2Hz~2．0Hz頻率範圍設計。後者因頻帶寬，不易在全範圍滿足要求，如果有一定的經驗，也可以經初步分析後進行現場試驗整定。以上所列浙江電網PSS整定I作均為不依靠系統計算分析，僅由現場試驗整定。除ALSTHOM機組PSS因沒有可調整點無法擴大相位補償的頻率範圍之外，其它機組在0．5Hz～1．6Hz內滿足-60°～-135°有補償頻率特性的要求。這裏要指出，在DL/T650—1998發佈之前，採用有補償頻率特性-60°～-135°的要求：DL/T650-1998提出了有補償頻率特性-80°～-135°的要求。

ALSTHOM機組PSS的相位補償僅滿足0．75Hz以上低頻振盪範圍的要求。其原因是PSS僅設計一個隔直環節，沒有超前滯後環節。建議：(1)對電力系統進行小干擾穩定性分析後，判斷ALSTHOM機組PSS是否需要重新設計

(2)應在供貨前提供勵磁系統數學模型參數，得到確認後再發貨。

現場試驗整定的條件為，勵磁調節器可以進行勵磁系統滯後特性的測量，即可以在PSS迭加點加入測量川的噪聲信號。但有些微機勵磁調節器做不到。對此，DL/T650-1998柄；準中明確要求，勵磁調節器應具備測量勵磁控制系統滯後特性的功能。將PSS計算分析得到不同運行方式利事故狀況下的勵磁系統滯後特性，結合現場試驗實測勵磁系統滯後特性，從而合理而準確地整定PSS參數。

2、關於振盪模式的分析

通過振盪模式的分析，瞭解各振盪模式的振頻和阻尼比。

PSS首先應保證在大小運行方式下阻尼比均滿足要求。於是要分析無PSS時大小運行方式下的阻尼比，確定必須投入PSS的電廠和機組。電力系統故障以後阻尼往往被削弱，所以要進行故障預測和故障後動態穩定性分析，以判斷在故障情況FPSS是否仍可為系統動態穩定提供足夠的正阻尼。如存在問題，需進行進一步研究。各振盪模式的振頻應包括在PSS頻帶範圍內。由於振盪模式分析需要電力系統和勵磁系統的參數，需要運行狀態和分析經驗的積累，建議在開展分析工作的同時，不失時機地通過現場試驗將大型汽輪發電機組PSS投入運”。通過投入試驗來驗證和改進分析工作，用計算分析來指導和簡化PSS投入試驗。

3、關於PSS放人倍數

PSS放大倍數可按臨界放大倍數的1/3～1/5整定。浙江電網PSS試驗均採用測量開環頻率特性穩定裕量的方法測量調整PSS放大倍數。其原因有三個：一是測量開環頻率特性穩定裕量採用加白噪聲到勵磁系統的方法，試驗簡單，且對發電機的擾動較小，試驗安全：二二是有的裝置PSS放大倍數調整困難，臨界放大倍數不易達到：三是有的裝置PSS放大倍數做死了，沒法調整。在已進行的9處PSS試驗中，只有台州電廠7、8號機ALSTHOM機組的增益裕量和相角裕量都小於標準規定值，説明採用測量開環頻率特性穩定裕量的方法來測量調整PSS放大倍數是可行的。台州電廠7、8號機ALSTHOM機組的增益裕量和相角裕量小於標準規定值，但是其PSS放大倍數卻只有0．27和0．48，在9台機的PSS放大倍數中偏小。北侖電廠1號機PSS計入PSS迭加點到勵磁電壓的放大倍數後，從PSS信號輸入點到勵磁電壓的總放大倍數看，與穩定裕量的關係是明確的.台州電廠7、8號機和北侖電廠2號機總放大倍數人於其它機組一倍以上，它們的穩定裕量明顯低於其它機組。台州電廠5號機組和温州電廠1、2號機組有着相近的總放大倍數，但是它們的穩定裕量有差別，這説明放大倍數與機組在系統中的位置有關，放大倍數需要由試驗或計算的穩定裕量來決定。

對一些原動機穩定性不是很好、平時有功功率就有波動的機組，若PSS僅採用有功功率信號，會增加機組有功功率的波動。因為僅採用有功功率信號的PSS有反調作用。對此，首先應減小原動機的擾動，其次PSS取較小的放大倍數。

4．關於PSS輸出限幅

放大倍數大，PSS輸出就容易限幅。比如取有功功率為信號的PSS放大倍數為1，輸出限幅為5%，當有功功率波動大於5%就限幅，即使有功功率波動人到無窮，PSS輸出只使基波幅值增加到5%的1．27倍。一般認為，PSS輸出限幅可以按5%～10%考慮。

不同的振盪模式和強度對系統的破壞是不同的。故障發生可能伴隨幾種振盪模式，限幅是不加區別的削弱PSS信號對各種振盪模式的控制。智能式的PSS有可能判別嚴重後果的振盪模式並加大對其的控制力度。

5．核實振盪模式分析結果可以通過勵磁系統加入階躍信號給系統一個激勵，分析該響應，得到與本機有關的振盪模式，從而核實振盪模式計算分析結果。

6．制訂PSS整定計算規範和現場試驗大綱

上述問題涉及PSS計算分析研究。浙江省電力試驗研究所早年進行過振盪模式的分析(小干擾穩定性分析)和PSS參數設計，但未與PSS現場投運結合起來。希望滾動地進行振盪模式的分析，相應制訂協調一致的PSS整定計算規範和現場試驗大綱。1999年6月全國電力系統勵磁研討會也提出了這個要求。