寧效偉（廣東省粵電集團(tuán)韶關(guān)發(fā)電廠,廣東　韶關(guān)　512132）

電力穩(wěn)定器參數(shù)整定在發(fā)電廠低頻振蕩抑制中的應(yīng)用

寧效偉
（廣東省粵電集團(tuán)韶關(guān)發(fā)電廠,廣東韶關(guān)512132）

摘要：本文介紹了兩種經(jīng)典的電力穩(wěn)定器模型，分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用范圍，詳細(xì)闡述了電力系統(tǒng)低頻振蕩概念及其產(chǎn)生的機(jī)理，在頻域內(nèi)推導(dǎo)了電力穩(wěn)定器抑制低頻振蕩的原理。通過(guò)對(duì)韶關(guān)電廠10號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)與電力穩(wěn)定器的參數(shù)實(shí)測(cè)與一系列試驗(yàn)，確定了各工況下電力穩(wěn)定器參數(shù)的優(yōu)化值，結(jié)果證明電力穩(wěn)定器參數(shù)的恰當(dāng)整定，使PSS在各種工況下都能為勵(lì)磁系統(tǒng)提供恰當(dāng)?shù)淖枘?，可以有效抑制發(fā)電機(jī)的低頻振蕩。

關(guān)鍵詞：電力穩(wěn)定器;低頻振蕩;參數(shù)整定;勵(lì)磁系統(tǒng)

1　電力系統(tǒng)穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的通用框圖一般由隔直、放大、超前滯后、限制增益等環(huán)節(jié)組成，如圖1所示：

因滿足不同的需要與不同公司的產(chǎn)品，電力穩(wěn)定器（PSS）的具體功能與構(gòu)架均有所不同，美國(guó)IEEE電力生產(chǎn)委員會(huì)于1992年發(fā)布的《用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究的勵(lì)磁系統(tǒng)參考模型》中，推薦了兩種經(jīng)典的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型：PSS1A型和PSS2A型，分別如圖2與圖3所示。

PSS1A型與PSS2A型分別為單輸入型與雙輸入型，前者的輸入信號(hào)VSI一般采用頻率、角速度或者頻率，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明朗，便于電力穩(wěn)定器參數(shù)的修改與設(shè)定，使用方便；后者的輸入信號(hào)一般采用頻率、角速度或功率、功率中的組合信號(hào)，引入的另外一個(gè)輸入信號(hào)（角速度或頻率），可以抑制單純由功率或頻率信號(hào)做為輸入而引起的無(wú)功反調(diào)現(xiàn)象，因此電路比較復(fù)雜。有研究證明：在大部分情況下，參數(shù)整定適當(dāng)?shù)腜SS1A型可得到與PSS2A型穩(wěn)定器相近的效果。

在電力穩(wěn)定器的實(shí)際投運(yùn)中，不同特性、處于電網(wǎng)不同節(jié)點(diǎn)的機(jī)組應(yīng)采用相應(yīng)的PSS，PSS的實(shí)際投運(yùn)經(jīng)驗(yàn)證明：汽輪發(fā)電機(jī)組采用以△Pe為輸入信號(hào)的PSS1A型時(shí)，只要整定的參數(shù)合理，反調(diào)現(xiàn)象不明顯，不需要采用特殊的措施去抑制機(jī)組的反調(diào)；滯后特性較強(qiáng)的勵(lì)磁系統(tǒng)，一般采用PSS1A型穩(wěn)定器，輸入信號(hào)適宜選擇△Pe；滯后角較小的自并勵(lì)系統(tǒng)或高起始勵(lì)磁系統(tǒng)，可以采用PSS1A或PSS2A型電力穩(wěn)穩(wěn)定器，輸入信號(hào)可以采用△Pe或△Pe與△f；水輪發(fā)電機(jī)組的有功調(diào)節(jié)速度較快，此時(shí)必須要考慮反調(diào)的影響，一般采用△Pe與△f相加作為輸入信號(hào)的PSS2A型穩(wěn)定器，必要時(shí)需專門設(shè)計(jì)對(duì)抑制反調(diào)更為有效的控制電路。

2　低頻振蕩的定義及其產(chǎn)生的原理

在電力系統(tǒng)中，眾多發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)中并列運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生小擾動(dòng)（比如電壓波動(dòng)）時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間會(huì)發(fā)生相對(duì)搖擺，若此時(shí)的電力系統(tǒng)缺乏必要的正阻尼，就會(huì)失去動(dòng)態(tài)穩(wěn)定[3]。構(gòu)成電力系統(tǒng)的元件大多為非線元件，系統(tǒng)整體呈現(xiàn)非線性特性，動(dòng)態(tài)失穩(wěn)時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的搖擺振蕩，輸送的功率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的振蕩，從而影響功率的輸送。由于這種持續(xù)振蕩的頻率很低，一般在0.2～2.5Hz之間，故稱為低頻振蕩。從電力系統(tǒng)中出現(xiàn)過(guò)的低頻振蕩來(lái)看，低頻振蕩較容易出現(xiàn)在負(fù)荷重、輸電距離遠(yuǎn)的線路上，或者電網(wǎng)之間的的弱聯(lián)絡(luò)線上。隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)普遍采用數(shù)字電路與晶閘管，勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)從幾秒減少到毫秒級(jí)，大大降低了電力系統(tǒng)的阻尼，甚至產(chǎn)生負(fù)阻尼，導(dǎo)致自發(fā)性的低頻振蕩。

電力系統(tǒng)低頻振蕩的產(chǎn)生原理，國(guó)內(nèi)外有過(guò)眾多的研究與分析，總結(jié)起來(lái)主要有以下幾種：

（1）負(fù)阻尼機(jī)理；

（2）強(qiáng)制性共振機(jī)理；

（3）分叉理論；

（4）參數(shù)諧振；

（5）混沌現(xiàn)象。

上述五種振蕩機(jī)理可以劃分為三類：

1）電力系統(tǒng)的固有頻率與擾動(dòng)信號(hào)或輸入信號(hào)存在某種內(nèi)在的關(guān)系，從而引發(fā)了較大幅度的共振或諧振，當(dāng)該頻率處于低頻區(qū)域時(shí)，即產(chǎn)生了低頻振蕩。

2）從線性系統(tǒng)來(lái)分析，當(dāng)存在小擾動(dòng)時(shí)，由于系統(tǒng)自動(dòng)裝置的參與調(diào)節(jié)，改變了系統(tǒng)的特性，于是特征根的相限也變化，產(chǎn)生了附加的負(fù)阻尼，抵消了系統(tǒng)固有的正阻尼，于是振蕩不衰減甚至振蕩加劇。

3）電力系統(tǒng)采用了大量非線性原件，當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)的參數(shù)也跟著變化，于是導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，從而產(chǎn)生系統(tǒng)的振蕩。

受益于線性系統(tǒng)理論的成熟與完善，在所有的低頻振蕩原理中，負(fù)阻尼機(jī)理研究已經(jīng)形成了一套比較完整的理論體系，并且在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。從理論上來(lái)考慮，非線性系統(tǒng)在特定的條件下（比如系統(tǒng)發(fā)生了小擾動(dòng)時(shí)），可以看成是有外加的非線性影響的線性系統(tǒng)，于是不論是線性系統(tǒng)還是非線性系統(tǒng)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩的基本原因是負(fù)阻尼。在電網(wǎng)建設(shè)或者工程建設(shè)時(shí)，才主要考慮共振和諧振理論?；煦缋碚摃簳r(shí)還停留在理論上的研究。分叉理論目主要用于低階單變量系統(tǒng)。

3　PSS抑制低頻振蕩原理的分析

根據(jù)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)模型，又稱為Phillips-Heffron模型[1]，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是一個(gè)滯后特性單元，由發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)滯后角和勵(lì)磁系統(tǒng)的滯后角構(gòu)成，通過(guò)K6閉環(huán)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：?？倻蠼?。勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖如下：

勵(lì)磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)GES（s）是滯后特性的，當(dāng)K5為負(fù)值時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生負(fù)阻尼，其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩△ME在△ω軸上投影為負(fù)；設(shè)定PSS的輸入信號(hào)為△ω，PSS通過(guò)參數(shù)整定設(shè)置為超前相位補(bǔ)償，相位角，于是PSS在軸上產(chǎn)生與同相位的附加力矩，然后通過(guò)PSS參數(shù)的整定，使得該附加轉(zhuǎn)矩△TPSS對(duì)應(yīng)的正阻尼大于由電壓調(diào)節(jié)器對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩△Me所對(duì)應(yīng)的負(fù)阻尼，從而使勵(lì)磁系統(tǒng)從整體上來(lái)講是提供正阻尼的，于是就可以有效的抑制低頻振蕩[2]。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較高時(shí)，此時(shí)K5小于0，單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩△M位于第四象限，如此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)能提供一個(gè)位于第一象限的附加電磁轉(zhuǎn)矩△M，那么△M與△M的合成矢量和就可能位于第一象限，位于第一相限的的電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)向系統(tǒng)提供正阻尼，起到抑制低頻振蕩的作用[3]。這個(gè)位于第一象限的附加電磁轉(zhuǎn)矩△M可通過(guò)合理整定PSS的參數(shù)來(lái)獲得。為了簡(jiǎn)明，只單獨(dú)考慮由PSS提供的附加電磁轉(zhuǎn)矩M，根據(jù)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的框圖（以輸入△ω信號(hào)為例，來(lái)推導(dǎo)出PSS的傳遞函數(shù)），△ω信號(hào)經(jīng)過(guò)傳遞函數(shù)GPSS（S）的PSS環(huán)節(jié)送到△Uref疊加點(diǎn)處，附加信號(hào)△ω所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩△M的路徑如圖5所示。

從上面可以看出，若GPSS（S）與d（s）相等，則該兩項(xiàng)抵消；△M 與△ω不但成正比，而且△M 與△ω軸向同相，于是就向系統(tǒng)提供了正的阻尼轉(zhuǎn)矩。在實(shí)際PSS參數(shù)整定中，不要求GPSS（s）與d（s）完全相等而抵消，只要滿足在低頻振蕩的頻率范圍內(nèi)，兩者的超前相角與滯后相角基本上抵消，PSS提供的是正的而不是負(fù)的阻尼轉(zhuǎn)矩，所以PSS必定設(shè)置有超前環(huán)節(jié)，于是其傳遞函數(shù)為：，該式子通常作為PSS通用傳替函數(shù)，只是當(dāng)輸入的信號(hào)不同時(shí)，組成PSS的具體環(huán)節(jié)稍微有所不同，以及為了防止PSS的輸出幅值過(guò)大造成的發(fā)電機(jī)過(guò)電壓危險(xiǎn)，PSS還設(shè)置了限幅環(huán)節(jié)[5]，實(shí)際投運(yùn)中的PSS，考慮到信號(hào)的失真、測(cè)量信號(hào)的處理難度，還設(shè)置有濾波單元、測(cè)量單元等。

4　電力穩(wěn)定器參數(shù)整定在韶關(guān)發(fā)電廠低頻振蕩抑制中的應(yīng)用

電力穩(wěn)定器是勵(lì)磁系統(tǒng)的一部分，要合理整定PSS的參數(shù)，一般是采用時(shí)域和頻域相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行研究[6]，首先建立勵(lì)磁系統(tǒng)的模型與測(cè)得其各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)與頻譜特性，在此基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的增益與反調(diào)現(xiàn)象，對(duì)PSS的參數(shù)進(jìn)行整定與校核[7]。在廣東電力科學(xué)研究院的幫助下，對(duì)韶關(guān)電廠10號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)模型進(jìn)行了參數(shù)測(cè)試，完成了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模型各個(gè)環(huán)節(jié)的頻譜特性測(cè)試、勵(lì)磁系統(tǒng)空載特性數(shù)據(jù)的測(cè)試、發(fā)電機(jī)空載階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)的測(cè)試，發(fā)電機(jī)負(fù)載調(diào)差極性和調(diào)差系數(shù)數(shù)據(jù)的測(cè)試，等等，通過(guò)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了勵(lì)磁控制系統(tǒng)的模型參數(shù)[8]，最終確立了韶關(guān)電廠10號(hào)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)模型參數(shù)，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)10號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)PSS各環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，通過(guò)仿真試驗(yàn)，確定了最終優(yōu)化參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)調(diào)試，將韶關(guān)電廠發(fā)電機(jī)組的PSS投入運(yùn)行，使之滿足在整個(gè)低頻振蕩頻率段上均能提供良好的正阻尼，能夠有效地抑制與本機(jī)強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式[9]，提高了粵北電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

韶關(guān)電廠10號(hào)發(fā)電機(jī)是東方電機(jī)廠生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)組，額定功率為300MW，型號(hào)為QFSN-300-2-20，勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是南瑞電控勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，其PSS是PSS-2B模型，模型框圖如圖6所示：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，將10號(hào)機(jī)組的PSS參數(shù)整定如下：Tw1=Tw2=Tw3=3s，T7=3s，T8=0s，T9=0.1s，M=5，N=1，T1=0.14s，T2=0.03s，T3=0.14s，T4=0.02s，T5=T6=0s，Ks1=6.09，Ks2=0.39，PSS輸出限幅：±5%。

投運(yùn)PSS后機(jī)組的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，對(duì)本機(jī)功率振蕩抑制效果顯著：未投入振蕩3-4次，投入后振蕩1次，幅值減小約一半，在0.2-2Hz內(nèi)均能滿足相位補(bǔ)償?shù)囊?。按照?yōu)化后的參數(shù)將PSS投入實(shí)際運(yùn)行，韶關(guān)電廠10號(hào)機(jī)組PSS投運(yùn)前后的試驗(yàn)錄波波形分別如圖7、圖8所示：

參考文獻(xiàn):

[1]朱振青.勵(lì)磁控制與電力系統(tǒng)穩(wěn)定[M].北京:中國(guó)電力出版社，1997.

[2]丁爾鏗.發(fā)電廠勵(lì)磁調(diào)節(jié)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1998.

[3]鐵強(qiáng),賀仁睦，王衛(wèi)國(guó)等.電力系統(tǒng)低頻振蕩機(jī)理的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002,22(02):21-25.

[4]方思立,朱方.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的原理及其應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版杜,1996.

[5]韓慧云,黃梅.電力系統(tǒng)低頻振蕩與PSS分析[J].華北電力技術(shù),2005(07):1-4.

[6]蘇為民,方思立.勵(lì)磁系統(tǒng)典型數(shù)學(xué)模型及其參數(shù)選擇[J].電力設(shè)備,2004,5(11):27-33.

[7]韓慧云,黃梅,黃斌.運(yùn)行參數(shù)對(duì)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)滯后特性影響的研究[J].電氣應(yīng)用，2006(01):3-5.

[8]趙斌,李文云,楊強(qiáng).機(jī)組PSS參數(shù)整定極其抑制系統(tǒng)低頻震蕩的效果[J].云南水利發(fā)電,22(02).

[9]盛超,魏偉.韶關(guān)電廠9號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)與PSS參數(shù)整定投運(yùn)報(bào)告,2008.

作者簡(jiǎn)介：寧效偉(1979-),男,湖南邵陽(yáng)人，在職研究生,工程碩士,主要從事發(fā)電廠電氣一次設(shè)備的檢修與技術(shù)研究工作。