发电机励磁系统与稳定器对阻尼特性的影响分析

目前，大容量机组普遍采用快速励磁系统，这种励磁控制方式有利于电力系统的静态稳定和暂态稳定，但是，快速励磁也会给系统带来弱阻尼而产生低频振荡问题。为解决由快速励磁系统带来的电力系统低频振荡问题，现代的大容量机组的励磁系统都装设了电力系统稳定器（PSS）。相关的研究表明，发电机的励磁系统不仅影响发电机组的次同步电气阻尼特性，而且根据PSS的反馈信号和参数整定的不同，发电机组的一个或多个次同步扭振模态的信号会被PSS注入发电机绕组中，从而形成发电机组与PSS的扭振相互作用。另一方面，作为抑制方法之一的附加励磁阻尼控制器（SEDC）也可以为发电机组的次同步振荡模态提供正的电气阻尼^[10-13]。

图4-12 IEEE ST1A型励磁系统

根据IEEE Std 421.5—2005标准^[14]，目前国际上发电机组励磁系统主要有三种类型：电压源型静止励磁系统、他励静止二极管整流器励磁系统、无刷励磁系统。静止励磁系统励磁电压响应速度快；他励静止二极管整流器励磁系统分为常规响应和高起始响应励磁系统；无刷励磁系统本质上仍然是三机励磁系统，只是在其结构上不同^[15]。本节按照IEEE Std的标准选择IEEE ST1A型静止励磁系统（见图4-12）、IEEE AC1A型常规响应三机系统（见图4-13）来研究励磁系统对串联补偿输电系统次同步电气阻尼特性的影响。IEEE单通道PSS1A模型如图4-14所示。

图4-13 IEEEAC1A型励磁系统

图4-14 IEEE单通道PSS1A模型

仿真模型采用IEEE次同步谐振第一标准模型，系统接线如图4-8所示，发电机的有功功率为0.9pu，功率因数为0.9（滞后），串联补偿度为74%，发电机组、变压器及线路参数见附录A。由仿真系统的时域仿真功角曲线得到该系统的低频振荡频率为1.7Hz，根据IEEE Std 421.5—2005的标准和PSS的参数整定方法，IEEE ST1A型励磁系统、IEEE AC1A型励磁系统和IEEE单通道PSS1A型电力系统稳定器的整定参数分别如表4-2、表4-3和表4-4所示。

表4-2 IEEE ST1A型励磁系统参数

表4-3 IEEE AC1A型励磁系统参数

表4-4 IEEE PSS1A型电力系统稳定器参数

本节依据以上参数研究IEEE第一标准系统在不同的发电机组励磁系统和PSS作用下系统的次同步电气阻尼特性的变化规律，同时分析按照抑制系统低频振荡整定的PSS参数情况下，PSS与发电机组轴系的扭振相互作用。

1）IEEE AC1A型励磁系统，PSS的输入信号分别为Δω和-P_e时，系统次同步电气阻尼特性如图4-15所示。(www.xing528.com)

图4-15 IEEE AC1A型励磁系统及PSS

发电机组采用IEEE AC1A型励磁系统，PSS的输入信号为Δω时，系统的电气负阻尼最大点发生了偏移，在较低的次同步频率段发电机的电气阻尼为负，发电机组轴系与PSS存在强烈的扭振相互作用；当PSS的输入信号为-P_e时，系统在0～3Hz的低频振荡频段内的电气阻尼显著增强，发电机组在次同步频率段内的电气阻尼也较恒励磁增强，在系统的谐振频率点，系统的电气阻尼也增强了，这有利于次同步振荡的抑制。

2）IEEE ST1A型励磁系统，PSS的输入信号分别为Δω和-P_e时，系统次同步电气阻尼特性如图4-16所示。

发电机组采用IEEE ST1A型励磁系统时，在无PSS作用时，励磁系统只能改善系统发电机组的静态稳定性和暂态稳定性，并不能增加发电机组的次同步电气阻尼。励磁系统在加入PSS系统时，系统的次同步阻尼特性会随PSS输入信号的不同而呈现出较大的差异。当PSS输入信号为Δω时，PSS的参数按照抑制系统低频振荡的要求进行整定，在PSS的作用下，系统0～3Hz的低频振荡频率段电气阻尼显著增强，但是在电力网络谐振互补的频率点系统的次同步电气负阻尼更大，发电机组轴系与PSS间存在严重的扭振相互作用，系统发生次同步振荡的可能性增大。当PSS的输入信号为-P_e时，系统在低频振荡频率段和次同步振荡频率段的电气阻尼都显著地增强了，这有利于次同步振荡的抑制。

为了减小PSS对轴系扭振的影响，可以在IEEE PSS1A模型中加入一个滤波环节，过滤掉轴系扭振频率的信号^[14，16]。此外，研究人员又开发了新型的PSS——IEEE PSS2B和IEEE PSS4B，以减小PSS对轴系扭振的影响。

IEEE PSS2B的数学模型如图4-17所示，采用两个输入信号：频率或转速u_SI1、电功率u_SI2，将它们组合成加速功率的积分信号，也就是速度信号，然后进行超前-滞后相位补偿。为了更好地对轴系扭振进行滤波，可设T₁₀=0。其他参数的设置可参考表4-5^[14，16]。

图4-16 IEEE ST1A型励磁系统及PSS

图4-17 IEEE PSS2B模型

表4-5 IEEE PSS2B的典型参数

IEEE PSS4B是2000年由加拿大魁北克电力局提出来的新型PSS，是在IEEE PSS2B的基础上加以改进而形成的，属于多频段电力系统稳定器。它的最大特点在于将转速信号分成低频段（0.04～0.06Hz）、中频段（0.1～1.0Hz）和高频段（0.8～4.0Hz），各频段可以单独调节增益、相位、输出限幅及滤波器参数。一般的PSS在高频段增益较大，可能使轴系扭振加剧，但PSS4B在高频段可使增益减小，有利于防止轴系扭振。受篇幅所限，本书不再详细介绍IEEE PSS4B，感兴趣的读者可参阅参考文献[14，16]。

综上所述，发电机的快速励磁系统有利于提高系统的静态稳定性和暂态稳定性。但是，在励磁系统单独作用时并不能改善系统的次同步电气阻尼特性；按照抑制系统低频振荡的要求整定PSS的参数，如果其输入信号为Δω，发电机组轴系与PSS存在严重的扭振相互作用，在低于电气系统谐振频率互补频率段，系统的电气阻尼为负；如果PSS的输入信号为-P_e，发电机组轴系与PSS几乎不存在扭振相互作用，并且在谐振频率点的电气阻尼增强了，有利于系统次同步振荡的抑制。除了上述单通道PSS外，新型的双输入PSS（IEEE PSS2B）和多频段PSS（IEEE PSS4B），能够更有效地减小PSS对轴系扭振的影响。