孟凡超,胡文平,劉翔宇

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著遠(yuǎn)距離大容量輸電系統(tǒng)的不斷發(fā)展,電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題日趨復(fù)雜。暫態(tài)穩(wěn)定呈現(xiàn)出了新的特點(diǎn),動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定問題均日益嚴(yán)重,特別是以低頻振蕩為代表的小干擾穩(wěn)定問題,對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響越來越突出[1-3]。

在低頻功率振蕩的抑制措施中,電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)具有概念清晰、結(jié)構(gòu)簡單、效果良好等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。作為同步發(fā)電機(jī)的一種附加勵(lì)磁控制,PSS主要是通過在勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中引入領(lǐng)先于軸角速度的附加信號(hào),增加系統(tǒng)的正阻尼轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)對低頻振蕩的抑制。目前為止,PSS仍然是阻尼局部功率振蕩最經(jīng)濟(jì)有效的措施。深入研究低頻振蕩的產(chǎn)生機(jī)理,結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)際系統(tǒng)地研究PSS參數(shù)對低頻振蕩抑制效果的影響以及PSS參數(shù)的優(yōu)化整定方法,具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際工程意義[4]。

至今,無論是在理論還是實(shí)踐中,PSS參數(shù)整定已有眾多的方法和技術(shù)。這些方法總體上分為兩大類[5],一類是現(xiàn)場試驗(yàn)法,即在機(jī)組運(yùn)行中,通過測試機(jī)組及其勵(lì)磁系統(tǒng)的開環(huán)響應(yīng)特性,進(jìn)而設(shè)定PSS控制參數(shù);另一類是模型分析法,即通過機(jī)組和電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型,通過理論推導(dǎo)或時(shí)域仿真來設(shè)計(jì)和校驗(yàn)PSS參數(shù)。現(xiàn)場測試法的局限在于只能在機(jī)網(wǎng)少數(shù)運(yùn)行方式和振蕩模式情況下整定和驗(yàn)證PSS控制參數(shù);模型分析法的缺陷在于模型的準(zhǔn)確性存疑。

考慮到實(shí)際電網(wǎng)的不斷演變以及運(yùn)行方式多變性,PSS實(shí)際控制效果如何,就成為十分重要的問題。但長期以來,缺乏一套對PSS 抑制低頻振蕩的實(shí)效進(jìn)行在線評估的手段[6]。火電機(jī)組是一個(gè)包括鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的復(fù)雜發(fā)電系統(tǒng),由于鍋爐泄漏、汽輪機(jī)振動(dòng)、熱工保護(hù)動(dòng)作、廠用電系統(tǒng)故障等原因引起的機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)(簡稱“非?！?時(shí)有發(fā)生。基于WAMS系統(tǒng)數(shù)據(jù),利用非停機(jī)組對在運(yùn)機(jī)組的大擾動(dòng),提出一種在線評估PSS調(diào)節(jié)性能的方法[7]。

1 PSS性能評估方法的相移原理

PSS性能評估的基本原理見圖1。

圖1 PSS性能評估的基本原理

如圖1所示,當(dāng)待評估PSS未投運(yùn)時(shí),稱為開環(huán)系統(tǒng),而當(dāng)待評估PSS投運(yùn)時(shí),稱為閉環(huán)系統(tǒng)。設(shè)d為系統(tǒng)等效擾動(dòng),y o(y c)為開環(huán)(閉環(huán))系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后產(chǎn)生的能代表系統(tǒng)低頻振蕩特性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào),y i,u i為PSS的反饋信號(hào)和控制輸出信號(hào),G o(s),H(s)分別為開環(huán)系統(tǒng)和待評估PSS的近似線性化系統(tǒng)傳遞函數(shù),各信號(hào)之間的關(guān)系如下:

當(dāng)PSS投入閉環(huán)運(yùn)行時(shí),按照線性疊加原理,則有:

將式(2)-(3)代入式(4),則有:

對于抑制低頻振蕩而言,目標(biāo)是使得功率波動(dòng)趨向于0,即r=0,進(jìn)而有:

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng),導(dǎo)致某一模態(tài)出現(xiàn)功率振蕩時(shí),可令s=jω表示角頻率為ω的功率振蕩,則該振蕩模態(tài)的動(dòng)態(tài)過程可近似描述為:

對于特定的系統(tǒng)運(yùn)行方式,即G o(jω),C i(jω)一定的條件下,如果PSS的增益固定(受限于控制能量約束),則可知:對于頻率為ω的振蕩模式,PSS相移滿足以下條件時(shí):

其振蕩的幅值最小;換言之,該模式對于擾動(dòng)有最好的魯棒穩(wěn)定特性;而且PSS的相移特性越接近于滿足式(8),對應(yīng)模式的振蕩幅值越小。因此,可以通過在線分析PSS輸入-輸出的相移特性來檢驗(yàn)PSS的效用,考慮到信號(hào)的偏差,設(shè)置相移區(qū)間為150°～210°,這就是在線評估PSS 的相移原理。

2 仿真分析

2.1 仿真分析系統(tǒng)

2.1.1 機(jī)組-電網(wǎng)模型

為驗(yàn)證機(jī)組非停工況下PSS調(diào)節(jié)性能,本節(jié)采用實(shí)際電網(wǎng)離線數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。離線數(shù)據(jù)中的發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、PSS、調(diào)速系統(tǒng)均按照實(shí)際電網(wǎng)模型建模,參數(shù)為工程實(shí)測參數(shù),少數(shù)未實(shí)測機(jī)組采用典型參數(shù),采用BPA 軟件計(jì)算不同負(fù)荷水平時(shí)機(jī)組非停故障下PSS的調(diào)節(jié)性能。

2.1.2 勵(lì)磁系統(tǒng)與PSS的模型及參數(shù)

機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)AVR 具有IEEE ST1A 標(biāo)準(zhǔn)模型,其傳遞函數(shù)如圖2所示。

圖2 IEEE ST1A 靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)

AVR 的典型參數(shù)為:TC=3 s,TB=4 s,TB1=0.06 s,TC1=0.03 s,KF=0,TF=1 s,KA=56.25,TA=0.02 s。

機(jī)組的PSS 具有IEEE PSS2B 標(biāo)準(zhǔn)模型,其傳遞函數(shù)如圖3所示。

圖3 IEEE PSS2B雙輸入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

PSS的典型參數(shù)為:Ks1=7,Ks2=6.8,Ks3=1.2,T1=0.05 s,T2=0.19 s,T3=0.05 s,T4=0.19 s,T4=0.1 s,T5=0.1 s,T10=0,T6=0.2 s,M=2,N=1,Tw1=6 s,Tw2=6 s,Tw3=6,Tw4=6 s,T7=6 s,T8=0.6 s,T9=0.09 s;圖中us1代表以轉(zhuǎn)速偏差作為系統(tǒng)的反饋量,us2代表以功率偏差作為系統(tǒng)的反饋量,在本例中只取功率作為系統(tǒng)的反饋量。

2.2 仿真分析結(jié)果

在PSS參數(shù)確定的情況下,機(jī)組非停工況下PSS調(diào)節(jié)性能與勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償特性密切相關(guān)。而勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償特性對并列機(jī)組數(shù)量、并網(wǎng)電氣距離、電網(wǎng)負(fù)荷水平、臨近機(jī)組PSS投退等因素不敏感,對機(jī)組有功、無功出力影響顯著[8]。本節(jié)僅對不同有功功率、無功功率情況下PSS的調(diào)節(jié)性能進(jìn)行仿真分析。選取某發(fā)電廠作為研究對象,安裝有2 臺(tái)機(jī)組,其發(fā)電機(jī)額定有功功率為330 MW,額定無功功率為160 MVar。

2.2.1 機(jī)組額定有功功率時(shí)PSS性能分析

保持運(yùn)行方式不變,發(fā)電機(jī)遲相運(yùn)行,在有功功率為330 MW,無功功率為160 MVar工況下,切除1 號(hào)機(jī)組,分析2 號(hào)機(jī)組PSS 的調(diào)節(jié)性能。額定有功功率非停時(shí)機(jī)組仿真曲線見圖4。

圖4 額定有功功率非停時(shí)機(jī)組仿真曲線

由圖4可知,有功功率振蕩次數(shù)為3次,振蕩頻率為1.52 Hz,阻尼比為0.12,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。此時(shí)有功功率第1次最大值時(shí)間為1.06 s,PSS輸出第1次最大值時(shí)間為1.43 s,兩者的相位差為201°,滿足PSS相移區(qū)間的設(shè)定。

2.2.2 機(jī)組50%額定有功功率時(shí)PSS性能分析

保持運(yùn)行方式不變,發(fā)電機(jī)遲相運(yùn)行,在有功功率為165 MW,無功功率為80 MVar工況下,切除1 號(hào)機(jī)組,分析2 號(hào)機(jī)組PSS 的調(diào)節(jié)性能。50%額定有功功率非停時(shí)機(jī)組仿真曲線見圖5。

圖5 50%額定有功功率非停時(shí)機(jī)組仿真曲線

由圖5可知,有功功率振蕩次數(shù)為3次,振蕩頻率為1.49 Hz,阻尼比為0.11,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。此時(shí)有功功率第1次最大值時(shí)間為1.05 s,PSS輸出第1次最大值時(shí)間為1.41 s,兩者的相位差為193°,滿足PSS相移區(qū)間的設(shè)定。

2.2.3 發(fā)電機(jī)進(jìn)相時(shí)PSS性能分析

保持運(yùn)行方式不變,發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行,在有功功率為165 MW,無功功率為-45 MVar工況下,切除1 號(hào)機(jī)組,分析2 號(hào)機(jī)組PSS 的調(diào)節(jié)性能。額定有功功率非停時(shí)機(jī)組仿真曲線見圖6。

圖6 額定有功功率非停時(shí)機(jī)組仿真曲線

由圖6可知,有功功率振蕩次數(shù)為3次,振蕩頻率為1.39 Hz,阻尼比為0.13,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。此時(shí)有功功率第1次最大值時(shí)間為1.06 s,PSS輸出第1次最大值時(shí)間為1.46 s,兩者的相位差為200°,滿足PSS相移區(qū)間的設(shè)定。

在發(fā)電機(jī)額定有功功率、50%額定有功功率、發(fā)電機(jī)進(jìn)相3種負(fù)荷水平時(shí),機(jī)組非停擾動(dòng)下對PSS調(diào)節(jié)性能進(jìn)行了分析,當(dāng)有功功率與PSS輸出相位差在設(shè)定的PSS相移區(qū)間時(shí),PSS的調(diào)節(jié)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,能夠有效抑制低頻振蕩。

3 PSS性能評估的工程應(yīng)用

3.1 機(jī)組非停概況

2019年3月4日11:16,河北省南部電網(wǎng)某熱電廠1號(hào)機(jī)組跳閘,機(jī)組容量330 MW,原因?yàn)槠啓C(jī)DEH 主蒸汽閥門及調(diào)門異常關(guān)閉,汽包壓力升高,汽包水位低保護(hù)動(dòng)作切機(jī)。機(jī)組非停前,全網(wǎng)統(tǒng)調(diào)發(fā)購25 236 MW,1號(hào)機(jī)組故障前出力260 MW,占河北省南部電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)發(fā)購的百分比為1.03%。由電氣專業(yè)的發(fā)變組A 柜逆功率跳閘,24 ms后主斷路器跳開,88 ms后滅磁斷路器跳開,機(jī)組與系統(tǒng)解列。

3.2 PMU 裝置錄波分析

1號(hào)機(jī)組非停過程中,PMU 裝置錄取的2號(hào)機(jī)組的有功功率及PSS輸出信號(hào)。正常情況下有功功率和PSS輸出信號(hào)均出現(xiàn)小幅波動(dòng),有功功率波動(dòng)為249～251 MW,波動(dòng)幅值為2 MW,PSS輸出信號(hào)波動(dòng)為0～0.1 V,波動(dòng)幅值為0.1 V。在11:14:19時(shí),1號(hào)機(jī)組跳閘,2號(hào)機(jī)組有功功率和PSS輸出信號(hào)均出現(xiàn)大幅波動(dòng)。有功功率波動(dòng)為247～253 MW,波動(dòng)幅值為6 MW,PSS輸出信號(hào)波動(dòng)為-0.4～0.3 V,波動(dòng)幅值為0.7 V。有功功率波動(dòng)幅值擴(kuò)大3倍,PSS輸出信號(hào)波動(dòng)幅值擴(kuò)大7倍。有功功率和PSS輸出信號(hào)相位差為162°,在PSS的有效相移區(qū)間內(nèi),PSS參數(shù)能夠有效抑制本次低頻振蕩。

3.3 PSS性能試驗(yàn)驗(yàn)證

由于受到現(xiàn)場試驗(yàn)條件的限制,僅對本機(jī)振蕩頻率的PSS阻尼效果進(jìn)行了驗(yàn)證。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行,發(fā)電機(jī)有功功率為300 MW,無功功率為80 Mvar,PSS退出,將發(fā)電機(jī)TV 及TA 二次側(cè)三相電壓和三相電流接入WFLC電量分析儀中準(zhǔn)備錄波,在此情況下進(jìn)行負(fù)載電壓2%階躍試驗(yàn),同時(shí)啟動(dòng)WFLC 錄波,記錄有功功率的擺動(dòng)次數(shù)。再將PSS投入,同樣工況下重復(fù)以上試驗(yàn)。

PSS不投入時(shí),有功功率擺動(dòng)次數(shù)約為4次;PSS投入后,有功功率擺動(dòng)次數(shù)約為1次。由此可知,有功功率的擺動(dòng)次數(shù)減少,PSS對于本機(jī)振蕩有明顯的抑制作用。

4 結(jié)論

通過理論分析、仿真計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了基于WAMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的機(jī)組非停擾動(dòng)下PSS調(diào)節(jié)性能的評估和參數(shù)校核方法。得出如下結(jié)論:

a.通過在線分析PSS輸入-輸出的相移特性即有功功率與PSS輸出的相位差能夠檢驗(yàn)PSS的效用,相移可以設(shè)為150°～210°;

b.依據(jù)PSS輸入-輸出的相移特性評估PSS參數(shù)與進(jìn)組有功功率、無功功率等因素不敏感;

c.經(jīng)機(jī)組故障跳閘后WAMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析證實(shí)了應(yīng)用PSS輸入-輸出的相移特性評估其參數(shù)切實(shí)可行。