770MW水輪發(fā)電機(jī)組PSS2B試驗與參數(shù)整定

劉喜泉，畢欣穎，陳小明，馬曉光，孔令歡

（1. 溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657300；2. 中國電力科學(xué)研究院，北京100085）

輔機(jī)及其他

770MW水輪發(fā)電機(jī)組PSS2B試驗與參數(shù)整定

劉喜泉1，畢欣穎1，陳小明1，馬曉光2，孔令歡1

（1. 溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657300；2. 中國電力科學(xué)研究院，北京100085）

本文利用△δ-△ω坐標(biāo)系簡要分析了電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理及PSS工作原理，結(jié)合PSS2B模型，介紹了溪洛渡水電站770MW水輪發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)PSS試驗與參數(shù)整定方法，驗證了溪洛渡水電站770MW機(jī)組勵磁系統(tǒng)投入PSS后對增強(qiáng)系統(tǒng)正阻尼，抑制系統(tǒng)低頻振蕩具有很好效果。

PSS2B；參數(shù)整定；勵磁系統(tǒng)；770MW水輪發(fā)電機(jī)組

0 引言

溪洛渡電站共裝設(shè)18臺額定有功功率為770MW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為13860MW，年發(fā)電量571.2～640.6億千瓦時，其作為我國第二大水電站，世界第三大水電站，是我國“西電東送”的骨干電源點(diǎn)[1]。溪洛渡電站機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)見表1。溪洛渡電站左岸采用南瑞生產(chǎn)的NES5100自并勵勵磁系統(tǒng)，右岸采用ABB公司生產(chǎn)的Unitrol6800自并勵勵磁系統(tǒng)，勵磁軟件控制均采用PID+PSS2B控制模型。由于勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁系統(tǒng)發(fā)電機(jī)磁場繞組的相位滯后特性，使勵磁調(diào)節(jié)器產(chǎn)生了相位滯后于功角并與轉(zhuǎn)速變化反相位的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩，因此電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer, PSS）作為勵磁調(diào)節(jié)器的附加控制，可以有效地增強(qiáng)電力系統(tǒng)正阻尼，可以抑制電網(wǎng)系統(tǒng)的低頻（0.1～2Hz）振蕩繼而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此溪洛渡水電站的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）試驗尤為重要。

1 PSS原理及模型

低頻振蕩的產(chǎn)生是因為系統(tǒng)阻尼的減小，PSS的作用在于增加正阻尼轉(zhuǎn)矩，以抵消勵磁控制系統(tǒng)引起的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩。依據(jù)小擾動分析的同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型（Phillips-Heffron模型）[2]如圖1所示，勵磁調(diào)節(jié)器AVR與PSS產(chǎn)生的力矩[2]如圖2所示。

圖1 同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型（Phillips-Heffron）

因AVR采用機(jī)端電壓負(fù)反饋的閉環(huán)控制，勵磁系統(tǒng)本身又具有慣性，在長距離送電、負(fù)荷較大時，若轉(zhuǎn)子角出現(xiàn)低頻振蕩，AVR提供的附加磁鏈相位落后于角度振蕩，它的一個分量與轉(zhuǎn)速反相位，即產(chǎn)生負(fù)阻尼力矩。當(dāng)AVR負(fù)阻尼分量超過發(fā)電機(jī)固有正阻尼分量時，就會使角度振蕩加大，發(fā)生低頻振蕩。為使PSS能夠起到正阻尼作用，需使PSS力矩在圖2的第一、二象限才可以，通過調(diào)整PSS相位補(bǔ)償，在電力系統(tǒng)0.3Hz～2.0Hz低頻振蕩區(qū)內(nèi)使PSS輸出的力矩向量對應(yīng)△ω超前20°～滯后45°范圍內(nèi)，若相對于ΔPe則滯后于-70°～-135°范圍內(nèi)，當(dāng)頻率低于0.2Hz頻率時，最大的超前角不應(yīng)大于40°，相對于ΔPe則滯后角不小于-60°[3]。

圖2 AVR與PSS產(chǎn)生力矩向量示意圖

表1 溪洛渡水電站發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

溪洛渡電站勵磁系統(tǒng)PSS模型采用IEEE Std 421.5?-2005中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)PSS2B模型，如圖3所示。PSS2B模型為功率和轉(zhuǎn)速或頻率雙輸入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，也稱為加速功率型PSS模型。溪洛渡電站勵磁系統(tǒng)左岸為南瑞公司生產(chǎn)的NES5100勵磁系統(tǒng)，右岸為能事達(dá)公司集成的ABB UNITROL6800勵磁系統(tǒng)。

圖3 PSS2B模型傳遞函數(shù)

PSS2B參數(shù)如下：ω：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；P：發(fā)電機(jī)有功功率變化；s：微分算子；T6、Tr：慣性時間常數(shù)；Tw1～Tw4：隔直環(huán)節(jié)1～4的時間常數(shù)；Ks1：PSS輸出增益；Ks2：電功率慣性環(huán)節(jié)增益；Ks3：合成比例增益；T7：慣性時間常數(shù)；T1，T3，T10：PSS輸出超前時間常數(shù)；T2，T4，T11：PSS滯后時間常數(shù)；M：斜坡跟蹤低通濾波器階數(shù)；N：斜坡跟蹤濾波器整體階數(shù)；T8：多階低通濾波器超前時間常數(shù)；T9：多階低通濾波器滯后時間常數(shù)。

2 PSS2B現(xiàn)場試驗整定方法

依據(jù)《電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗導(dǎo)則（DL/T1231-2013）》，在溪洛渡電站機(jī)組投運(yùn)時主要進(jìn)行了如下PSS試驗內(nèi)容。

2.1 無補(bǔ)償相頻特性測試

勵磁系統(tǒng)無補(bǔ)償相頻特性是指在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，PSS沒有投入條件下，通過外加一模擬量信號（白噪聲）取代PSS輸出信號，疊加到AVR中，計算0.1～2Hz范圍內(nèi)各頻率點(diǎn)發(fā)電機(jī)電壓相對于輸入信號相頻特性。溪洛渡電站某臺發(fā)電機(jī)無補(bǔ)償相頻特性見表2。在進(jìn)行無補(bǔ)償相頻特性測量時需注意：輸入模擬量信號要由零緩慢增大，在發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓波動在1%～2%范圍內(nèi)即可

表2 發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)無補(bǔ)償相頻特性

2.2 PSS參數(shù)整定及有補(bǔ)償相頻特性的確定

依據(jù)DL/T1231-2013標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，PSS參數(shù)整定應(yīng)使PSS產(chǎn)生的電磁力矩在0.1Hz～2.0Hz的頻率范圍內(nèi)滯后ΔPe信號-60°～-135°。如果用Φe表示勵磁系統(tǒng)的相位，用Фpss表示PSS的相位，則要求PSS的參數(shù)整定應(yīng)使得在0.1Hz～2.0Hz的頻率范圍內(nèi)Φe＋Фpss在-60°～-135°之間。根據(jù)無補(bǔ)償相頻特性PSS計算可得到溪洛渡水電站某機(jī)組PSS環(huán)節(jié)的相頻特性和PSS的有補(bǔ)償相頻特性，計算結(jié)果如圖4和表3所示，其中PSS的有補(bǔ)償特性用Φe＋Фpss計算得到，通過仿真計算，確定PSS參數(shù)見表4。

圖4 某機(jī)組機(jī)有補(bǔ)償、無補(bǔ)償相頻特性

由表2可以看出：在0.1～2.0Hz的頻率范圍內(nèi)，有補(bǔ)償相頻特性在-70°～-132°范圍內(nèi)，由PSS產(chǎn)生的電磁力矩的阻尼分量為正，PSS相位補(bǔ)償滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 PSS臨界增益及Ks1增益確定

理論上講，在正確的相位補(bǔ)償下，PSS的增益越大，其提供的正阻尼越強(qiáng)，但實際上，電力系統(tǒng)是一個高階非線性系統(tǒng)，提高PSS的增益雖然可以增加某些機(jī)電振蕩模式的阻尼，但如果PSS增益過大，也可能引起電磁振蕩的負(fù)阻尼使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，此時，機(jī)組的勵磁電壓和無功功率可能出現(xiàn)等幅或增幅振蕩。因此，PSS實際存在一個能穩(wěn)定運(yùn)行的最大增益，即臨界增益[4,5]。

表3 發(fā)電機(jī)組補(bǔ)償前、后相頻特性

表4 機(jī)組勵磁系統(tǒng)PSS參數(shù)整定值

PSS臨界增益是由很多因素決定的，如發(fā)電機(jī)的負(fù)荷水平、PSS所在電廠以及系統(tǒng)中PSS的配置和投退情況、電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式等。因此，有必要用現(xiàn)場試驗的方法來對PSS的增益進(jìn)行整定。在選定的相位補(bǔ)償下，緩慢提高PSS的增益，同時觀察勵磁系統(tǒng)的變化，直到出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象為止，主要標(biāo)志是調(diào)節(jié)器輸出電壓、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓出現(xiàn)頻率較高（1～4Hz）的振蕩，這時的PSS增益即為臨界增益。PSS正常運(yùn)行時的增益一般取臨界增益的1/3～1/5，留有足夠的增益裕度[3,6]。使Ks1值由5緩慢增大至30時，觀察機(jī)組無功、勵磁電壓等參數(shù)波形，具體試驗波形如圖5、6所示，圖5-圖9中參數(shù)釋義如下：P：發(fā)電機(jī)有功功率；Q：發(fā)電機(jī)無功功率；UAB：發(fā)電機(jī)定子線電壓；UFD：發(fā)電機(jī)勵磁電壓；IFD：發(fā)電機(jī)勵磁電流。

從試驗波形分析，當(dāng)Ks1=30時，無功及勵磁電壓有一點(diǎn)振蕩，隨后根據(jù)試驗情況，確定PSS的臨界增益為30，PSS的Ks1增益取值為10。

圖5Ks1=10時，某機(jī)組PSS投入錄波圖

圖6Ks1=30時，某機(jī)組PSS投入錄波圖

2.4 PSS阻尼效果檢驗

PSS參數(shù)整定完成后，需通過試驗驗證PSS投入后的阻尼效果。在進(jìn)行PSS效果檢驗前，需確定系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，PSS投、退時，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和無功功率應(yīng)無異常波動。檢驗PSS投入阻尼效果，一般采用發(fā)電機(jī)負(fù)載階躍響應(yīng)來判斷?？赏ㄟ^在PSS投入和退出兩種工況下進(jìn)行2%負(fù)載階躍響應(yīng)試驗，比較有功功率的振蕩情況，檢驗PSS的正阻尼抑制功率振蕩效果。

試驗結(jié)果如圖7、8所示，從試驗錄波，可以清晰看出在PSS投入后振蕩次數(shù)和振蕩幅值都有明顯減少，PSS阻尼效果明顯，PSS對于本機(jī)振蕩有抑制作用。用另一套調(diào)節(jié)器進(jìn)行階躍試驗時，PSS同樣有較強(qiáng)的阻尼效果。

2.5 PSS反調(diào)試驗

無功功率“反調(diào)”是指增加機(jī)械功率輸入時發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率會減少；相反，在減少機(jī)械功率輸入時發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率會增加。PSS的原理是通過勵磁系統(tǒng)的作用抑制有功功率的低頻振蕩[7,8]，可以說PSS是通過無功功率的波動來抑制有功功率的波動。所以，在正常情況下，投入PSS后較不投PSS時勵磁系統(tǒng)的波動要大一些，只要無功功率的波動在合適的范圍內(nèi)，就可認(rèn)為正常。溪洛渡電站采用的PSS2B模型，該模型采用轉(zhuǎn)速和有功功率變化雙輸入加速功率型模型，原理上能有效抑制反調(diào)現(xiàn)象。

溪洛渡電站某機(jī)組進(jìn)行“反調(diào)”試驗時，用監(jiān)控系統(tǒng)以最快的速度為水輪機(jī)減小機(jī)械功率100MW后又迅速恢復(fù)（由600MW減小到500MW后又迅速增大至600MW），錄取有功和無功功率的變化波形如圖9所示?？梢?，無功功率從5Mvar變化到26Mvar過程中基本未見“反調(diào)”現(xiàn)象。通過試驗發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓變化量小于3%Ugn、無功功率小于30%Qn，均無明顯波動，說明溪洛渡電站PSS無“反調(diào)”現(xiàn)象，滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 PSS未投入時，2%Ugn階躍錄波

圖8 PSS投入后（Ks1=10），2%Ugn階躍錄波

圖9 某機(jī)組反調(diào)試驗錄波圖

3 結(jié)論

（1）本文利用在線頻率響應(yīng)特性分析方法，進(jìn)行了溪洛渡電站770MW水輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)PSS試驗與參數(shù)整定，試驗結(jié)果表明，該勵磁系統(tǒng)PSS對系統(tǒng)0.1Hz～2.0Hz低頻振蕩具有很好的抑制作用，為系統(tǒng)提供了正阻尼，可以長期投入。

（2）溪洛渡水電站PSS參數(shù)的正確配置與運(yùn)行，為溪洛渡水電站作為我國第二大電站，系統(tǒng)骨干電源，為抑制系統(tǒng)低頻振蕩及系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)揮非常重要的作用。

[1] 劉喜泉, 陳小明. 溪洛渡水電站左岸勵磁系統(tǒng)滅磁回路工作原理及設(shè)計[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測, 2012, 36(2): 36-39.

[2] 劉取. 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)勵磁控制[M]. 中國電力出版社, 2007, 3.

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審稿人：李金香

Test and Parameter-setting of Power System Stabilizer-PSS2B of 770MW Hydro-generator Units

LIU Xiquan1, BI Xinying1, CHENXiaoming1, MA Xiaoguang2, Kong Linghuan1
（1. Xiluo Du Hydropower Plant, Yongshan 657300, China; 2. Electric Power Research Institute, Beijing 100085, China）

By using the △δ-△ωcoordinates, the power system low frequency oscillation principle and PSS were described, combined with the PSS2B model, the PSS test method and the PSS parameter-setting of the excitation system of 770MW units in Xiluodu Hydropower Station were introduced, and it verified that the Xiluodu hydropower station 770MW units excitation system put PSS on can enhance the system positive damping and has a good effect on suppression system low frequency oscillation.

PSS2B; parameter-setting; excitation system; 770MW hydro-generator units

TM312

A

1000-3983(2016)02-0037-05

2015-05-26

劉喜泉（1980-），主要從事電氣二次設(shè)備維護(hù)與研究工作，高級工程師。