劉海峰

(云南大唐國際電力有限公司, 云南 昆明 650011)

1 設(shè)備概述

某廠汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司制造的亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，調(diào)峰運(yùn)行時(shí)采用定-滑-定壓運(yùn)行，其中滑壓運(yùn)行的范圍是(30 %～95 %)額定負(fù)荷(ECR)。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)為ABB公司的UN5000型靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，包括1臺(tái)勵(lì)磁變壓器，3面整流柜(+EG1、+EG2、+EG3)，1面交流進(jìn)線柜(+EA)，1面直流饋線柜(+EE)，1面AVR柜(+ER)，1面滅磁開關(guān)柜(+ES)以及1路起勵(lì)電源。

2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)優(yōu)化的必要性

目前，大容量機(jī)組普遍采用快速勵(lì)磁系統(tǒng)，雖然增加了電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定性能，但也可能因系統(tǒng)阻尼減弱而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定，即振蕩失步問題。2003年以來，中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司先后多次發(fā)生頻率為0.4 Hz的低頻振蕩。根據(jù)事后的仿真分析，在某些電網(wǎng)運(yùn)行方式下系統(tǒng)的弱阻尼是造成電網(wǎng)低頻振蕩的主要原因，而投入大機(jī)組的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)并合理地整定其參數(shù)是解決該問題的主要措施。2008年紅河電廠曾經(jīng)發(fā)生0.38 Hz頻率的持續(xù)功率波動(dòng)，機(jī)組對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的強(qiáng)迫擾動(dòng)。該擾動(dòng)的頻率與電網(wǎng)的某個(gè)振蕩模式(電網(wǎng)分析出云南、貴州電網(wǎng)對(duì)廣東電網(wǎng)存在約0.4 Hz的振蕩模式)比較接近，誘發(fā)電網(wǎng)產(chǎn)生低頻振蕩。振蕩起始階段為負(fù)阻尼，中間階段基本為零阻尼，然后逐漸平息。振蕩過程中，事故機(jī)組的閥門波動(dòng)始終較大，但在電網(wǎng)大量PSS和調(diào)度及時(shí)采取直流調(diào)制等控制措施的作用下，系統(tǒng)阻尼增大，使得振蕩沒有繼續(xù)發(fā)散而逐步平息。該電廠事故機(jī)組在電網(wǎng)強(qiáng)阻尼的作用下也逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，避免了事態(tài)的擴(kuò)大化。由此可看出電廠PSS參數(shù)優(yōu)化的必要性。

3 PSS工作原理

PSS采用轉(zhuǎn)速偏差(Δω)、頻率偏差(Δf)、加速功率偏差(ΔPa)、電功率偏差(ΔPe)中的一個(gè)或者幾個(gè)信號(hào)(一般為2個(gè))作為AVR的附加輸入，產(chǎn)生阻尼力矩，以提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。由于PSS具有物理概念清晰、參數(shù)易于選擇等優(yōu)點(diǎn)，目前正得到大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。為了更好地說明PSS是如何為系統(tǒng)提供正阻尼和抑制低頻振蕩的，可以建立如圖1所示的Δω/Δδ(功角偏差)坐標(biāo)系。

圖1 Δω/Δδ平面PSS原理

在低頻振蕩過程中，ΔPa，Δω，Δδ，ΔPe，ΔUt等遵從圖1所示的相位關(guān)系。由于AVR按電壓偏差信號(hào)ΔUt進(jìn)行調(diào)節(jié)，勵(lì)磁系統(tǒng)本身的慣性具有滯后特性，其產(chǎn)生的電磁力矩ΔM1滯后于Δδ一個(gè)角度Φ1。從圖1中可以看出，ΔM1在Δω軸上的分量是負(fù)值，提供負(fù)阻尼，為了消除這種負(fù)阻尼，需要提供一個(gè)附加控制信號(hào)，PSS就具有這種功能。以取加速功率偏差(ΔPa)為輸入信號(hào)的PSS為例，其產(chǎn)生的電磁力矩ΔM2滯后于ΔPa一個(gè)角度Φ2，Φ2包括勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)ΔPa產(chǎn)生的滯后角度和PSS環(huán)節(jié)的相位補(bǔ)償角度。為使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行并使最后合成的電磁力矩ΔM在Δω軸上的分量為正值，即提供正阻尼，則由PSS產(chǎn)生的電磁力矩應(yīng)滿足要求：在該電力系統(tǒng)低頻振蕩區(qū)內(nèi)使PSS輸出的力矩向量對(duì)應(yīng)Δω軸的角度為-10°～45°，并使本機(jī)振蕩頻率力矩對(duì)應(yīng)Δω軸的角度為0～30°。通過適當(dāng)調(diào)整PSS輸出信號(hào)的相位及放大倍數(shù)，就可使最后的合成力矩提供正的阻尼力矩及正的同步力矩。

4 PSS參數(shù)整定計(jì)算原則

根據(jù)《南方電網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則（試行）》的規(guī)定：0.2～2.0 Hz頻率范圍內(nèi)PSS輸出力矩向量滯后Δω軸的角度為-10°～45°；原則上要求PSS輸出力矩向量為0.4～0.8 Hz頻率范圍內(nèi)滯后Δω軸的角度為0～30°，并盡可能接近0。

5 AVR參數(shù)

1號(hào)發(fā)電機(jī)組電壓閉環(huán)PID參數(shù)：KR=500，TC1=1，TB1=10，TC2=TB2=0.025；機(jī)組調(diào)差系數(shù)為3 %，PSS臨界增益取值為10。

5.1 PSS輸入、輸出特性參數(shù)說明

發(fā)電機(jī)額定視在功率、額定轉(zhuǎn)速、額定頻率對(duì)應(yīng)的PSS輸入信號(hào)為1 p.u.(100 %)；PSS輸出信號(hào)疊加到AVR電壓相加點(diǎn)，1 p.u.對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)端電壓額定值。

5.2 勵(lì)磁系統(tǒng)頻率特性測量

5.2.1 無補(bǔ)償頻率特性測量無補(bǔ)償頻率特性即勵(lì)磁系統(tǒng)滯后特性，為自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器中PSS輸入點(diǎn)到發(fā)電機(jī)電壓間的相頻特性。測量是在并網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組上進(jìn)行的，試驗(yàn)條件是要求機(jī)組的功率因數(shù)盡量接近1。測量時(shí)通過PHOTONII動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀輸出一個(gè)白噪聲信號(hào)至勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的誤差環(huán)節(jié)，其響應(yīng)(機(jī)端電壓)經(jīng)過電壓變換器測試儀轉(zhuǎn)換后送入PHOTONII，測量包括勵(lì)磁系統(tǒng)在內(nèi)的發(fā)電機(jī)頻率響應(yīng)特性。這里電壓變換器測試儀將發(fā)電機(jī)端三相電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)直流電壓信號(hào)，主要作用是在發(fā)電機(jī)回路和試驗(yàn)回路實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

無補(bǔ)償頻率特性測量應(yīng)注意以下3點(diǎn)：

(1)適當(dāng)選擇信號(hào)大小和配置A／D變比，一般要求發(fā)電機(jī)電壓波動(dòng)控制在1 %～2 %范圍內(nèi)；

(2)信號(hào)必須從0開始緩慢增大，防止沖擊；

(3)有時(shí)頻譜儀輸出和AVR間易產(chǎn)生共模干擾，使之無法得到光滑的頻響曲線，可通過在頻譜儀輸出和AVR間串接入光電隔離器解決。自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償相頻滯后較小，一般需要在低頻段進(jìn)行滯后補(bǔ)償，高頻段進(jìn)行超前補(bǔ)償。

5.2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)有補(bǔ)償頻率特性測量

勵(lì)磁系統(tǒng)有補(bǔ)償頻率特性由無補(bǔ)償頻率特性與PSS單元相頻特性相加得到。試驗(yàn)主要檢驗(yàn)PSS現(xiàn)場試驗(yàn)整定值對(duì)相位的補(bǔ)償是否能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

由無(有)補(bǔ)償頻率特性試驗(yàn)結(jié)果可知，補(bǔ)償前相位由扣除電壓變換器之后所得；現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，由于裝置不具備有補(bǔ)償測試功能，因此現(xiàn)場未能完成裝置的PSS有補(bǔ)償特性測試，所以有補(bǔ)償結(jié)果由計(jì)算值給出。

由機(jī)組補(bǔ)償前后頻率特性及相頻特性可看出：在1.1 Hz時(shí)，PSS基本無補(bǔ)償；小于1.1 Hz時(shí)，提供滯后補(bǔ)償；大于1.1 Hz時(shí)，提供超前補(bǔ)償。在1.6 Hz時(shí)，有下凹點(diǎn)，滯后角度最大，為-142°，此點(diǎn)為振蕩頻率點(diǎn)。在0.2～2 Hz頻段內(nèi)，補(bǔ)償后相頻特性靠近Δω軸，PSS提供了較好的相頻補(bǔ)償。

6 整定內(nèi)容

6.1 PSS投退試驗(yàn)

PSS投退試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)機(jī)組PSS投入與退出是否正常，投入退出瞬間是否產(chǎn)生大的擾動(dòng)。由1號(hào)發(fā)電機(jī)PSS投退試驗(yàn)波形可知，在PSS投退過程中，機(jī)組無功功率無異常波動(dòng)，發(fā)電機(jī)組PSS可以正常投退。

6.2 PSS自動(dòng)投退功能試驗(yàn)

在機(jī)組PSS外部投入硬開關(guān)的情況下，PSS程序依據(jù)設(shè)定的自動(dòng)投入、退出百分比(或者有名值有功功率)進(jìn)行投退。當(dāng)發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)出有功功率大于PSS自動(dòng)投入百分比(有功)時(shí)，PSS自動(dòng)投入；當(dāng)發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)出有功功率低于PSS自動(dòng)退出百分比(有功)時(shí)，PSS自動(dòng)退出。

經(jīng)過現(xiàn)場檢驗(yàn)，該電廠2臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部PSS投入功率以有功功率PN作為投入功率標(biāo)幺值計(jì)算基準(zhǔn)，且該調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)設(shè)定的PSS門檻值進(jìn)行正確的PSS投退。

6.3 PSS主回路臨界增益試驗(yàn)

結(jié)合機(jī)組的相頻特性測試結(jié)果，在計(jì)算出PSS試驗(yàn)整定值的情況下，將PSS試驗(yàn)整定值輸入AVR調(diào)節(jié)器之后，投入PSS，并逐步修改PSS的主回路放大倍數(shù)，直至發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓及無功出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的PSS主回路放大倍數(shù)即為PSS在該整定參數(shù)情況下的臨界增益。

具體方法為：現(xiàn)場修改Ks1(時(shí)間繼電器)，當(dāng)Ks1由1逐步增加到10時(shí)，發(fā)電機(jī)無功功率、勵(lì)磁電壓出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，由此確定該機(jī)組在該參數(shù)情況下臨界增益為10；在之后的發(fā)電機(jī)電壓階躍試驗(yàn)過程中，根據(jù)臨界增益最終得到了1號(hào)機(jī)Ks1為5。由1號(hào)發(fā)電機(jī)PSS臨界增益試驗(yàn)圖可知，1號(hào)機(jī)無功功率Qmax=18.259 Mvar，Qmin=13.830 Mvar；1號(hào)機(jī)在臨界增益試驗(yàn)過程中無功功率出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，說明Ks1=10已達(dá)到臨界增益值。

6.4 PSS投入與退出情況下電壓階躍的試驗(yàn)錄波

PSS投入與退出情況下的電壓階躍試驗(yàn)可用于檢驗(yàn)PSS整定參數(shù)值的有效性。將PSS投入與退出情況下相同發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓階躍的錄波圖進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)發(fā)電機(jī)有功功率的振蕩波形分析PSS的效果可知，PSS投入情況下發(fā)電機(jī)有功功率的振蕩次數(shù)明顯少于PSS未投入情況下的振蕩次數(shù)。

由1號(hào)機(jī)組階躍試驗(yàn)波形圖可知，PSS未投入情況下機(jī)端電壓1 %階躍有功功率周波震蕩為2～3個(gè)；PSS投入后，機(jī)端電壓1 %階躍有功功率周波震蕩為1～1.5個(gè)，振蕩衰減，正阻尼效果明顯，故PSS整定是有效的。

由于PSS I，II通道投入運(yùn)行之后相同階躍量下機(jī)組有功功率只有1個(gè)振蕩周波，無法科學(xué)計(jì)算出其阻尼比，但是從振蕩次數(shù)分析，其相同階躍情況下的振蕩次數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯下降，因此認(rèn)為其阻尼已較大，能夠滿足預(yù)期要求。

6.5 PSS限幅功能試驗(yàn)

PSS輸出最終疊加到AVR的PID上(絕大部分疊加到電壓疊加點(diǎn)上)，相當(dāng)于改變發(fā)電機(jī)的給定電壓。因此，PSS輸出限幅的大小將有效地影響PSS的作用效果?，F(xiàn)場試驗(yàn)過程中將PSS輸出限幅修改到裝置允許的最小值0.1 %和正常運(yùn)行所整定的限幅值10 %，在這2種情況下進(jìn)行發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的1 %階躍試驗(yàn)。對(duì)比2者試驗(yàn)波形發(fā)現(xiàn)，限幅越小，PSS作用越小，相同階躍情況下發(fā)電機(jī)有功功率振蕩次數(shù)多于限幅大者。但是，該情況的出現(xiàn)必須建立在階躍過程中PSS輸出限幅已經(jīng)達(dá)到所設(shè)定的最小限幅基礎(chǔ)上。

6.6 反調(diào)

在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，不能確定PSS不能辨別機(jī)組有功功率改變是由于系統(tǒng)原因還是運(yùn)行人員人為的增減負(fù)荷所導(dǎo)致的，因此，在PSS投入情況下，發(fā)電機(jī)有功功率改變將由于PSS的作用而產(chǎn)生無功功率向“相反”方向增減的現(xiàn)象，即發(fā)電機(jī)有功功率增加時(shí)無功功率降低；發(fā)電機(jī)有功功率降低時(shí)無功功率增加，這種現(xiàn)象稱為反調(diào)。《中國南方電網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)運(yùn)行管理規(guī)定》(以下簡稱《規(guī)定》)要求：機(jī)組PSS反調(diào)量應(yīng)該在機(jī)組1/3額定無功功率范圍之內(nèi)。

由1號(hào)機(jī)組反調(diào)試驗(yàn)錄波情況可知，在1號(hào)發(fā)電機(jī)的反調(diào)試驗(yàn)過程中，發(fā)電機(jī)有功功率由285.2 MW下降至277.7 MW的過程中，無功功率Qmax=10.10 Mvar，Qmin=7.59 Mvar，變化量為2.51 Mvar。該機(jī)組PSS在反調(diào)過程中無功波動(dòng)范圍在1/3額定無功范圍之內(nèi)，符合《規(guī)定》的要求。

7 結(jié)論

(1)在采用PSS試驗(yàn)整定值的情況下，PSS補(bǔ)償后的相位在《規(guī)定》所要求的范圍之內(nèi)。

(2)該電廠1號(hào)發(fā)電機(jī)組PSS投退功能正常。

(3)在采用上文試驗(yàn)的PSS整定值的情況下，機(jī)組PSS投入后的機(jī)組振蕩頻率和阻尼比能夠滿足《規(guī)定》的要求。

(4)在反調(diào)試驗(yàn)過程中，發(fā)電機(jī)無功功率波動(dòng)符合《規(guī)定》的要求。

(5)從機(jī)組PSS有補(bǔ)償頻率特性可以看出，補(bǔ)償后的相位符合《規(guī)定》的要求，且上文提供的參數(shù)能夠使該機(jī)組的PSS在0.2～2.0 Hz范圍內(nèi)正常工作。

(6)2臺(tái)機(jī)組經(jīng)過PSS參數(shù)優(yōu)化整定后，機(jī)組PSS自動(dòng)投入至今運(yùn)行良好，滿足《規(guī)定》的要求。

8 結(jié)束語

通過對(duì)電力系統(tǒng)低頻振蕩機(jī)理的分析，有助于加深對(duì)發(fā)電機(jī)組PSS的理解及更好地完成現(xiàn)場參數(shù)整定。300 MW機(jī)組現(xiàn)場試驗(yàn)的順利完成及PSS投運(yùn)后的顯著效果表明了PSS參數(shù)的合理性，同時(shí)也規(guī)范了現(xiàn)場操作流程，為開展同類型機(jī)組的PSS參數(shù)整定提供了借鑒。

1 何映光，劉 濤．汽輪機(jī)閥切換操作不當(dāng)引發(fā)的電網(wǎng)低頻振蕩分析[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2010(5).

2 方思立，朱 方．電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的原理和應(yīng)用[M]．北 京：中國電力出版社，1996.

3 竺士章．發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)[M]．北京：中國電力出版社，2005.

4 DL/T650—1998大型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件[S]．

5 DL/T843—2003大型汽輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)技術(shù)條件[S]．

6 劉世宇，謝小榮，張東輝，等．附加勵(lì)磁阻尼控制對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)常規(guī)功能的影響[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008(7).7 蘆晶晶，郭 劍，田 芳，等．基于Prony方法的電力系統(tǒng)振蕩模式分析及PSS參數(shù)設(shè)計(jì)[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2004(15).

8 劉 ?。娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制[M].北京： 中國電力出版社，2007.