基于海佛容-菲利普斯模型的PSS參數(shù)優(yōu)化與研究

于遠鵬

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610051）

1 概述

根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，二灘水電站勵磁控制系統(tǒng)附加了PSS系統(tǒng)，增設PSS的目的是當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時為發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速搖擺提供正阻尼，以增強與電力系統(tǒng)的聯(lián)系。PSS能在系統(tǒng)突然施加一個干擾，如在線路退出運行或系統(tǒng)聯(lián)系較弱和穩(wěn)定裕度不夠時，起到重要作用[1～4]。二灘水電站機組PSS增益設定是根據(jù)現(xiàn)場試驗進行調(diào)整，取得了較好的阻尼效果。實踐證明，二灘水電站機組增設PSS系統(tǒng)是提高系統(tǒng)穩(wěn)定和增加功率輸送較經(jīng)濟和有效的一種方式。

PSS模型采用加速功率型的海佛容-菲利普斯模型PSS單元，其傳遞函數(shù)如圖1所示。

圖1 海佛容-菲利普斯模型傳遞函數(shù)

其中各參數(shù)的定義如表1所示。

UNITROL5000微機勵磁數(shù)字調(diào)節(jié)器采用的PSS為IEEEPSS-2 A型標準傳遞函數(shù)，?ω和Pe雙輸入信號的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。?ω和Pe輸入信號是通過對發(fā)電機極端電壓和定子電流采樣軟件計算得到。二灘水電站勵磁調(diào)節(jié)器軟件中PSS框圖如圖2所示。

表1 PSS 參數(shù)定義

由軟件圖可以看出，轉(zhuǎn)子頻率信號（12014 f EP_RELATIVE）輸入到PSS模塊中的IN_f_PSS，與額定頻率相對值（軟件圖中的-10000）功能快）進行差值運算，頻差相對值經(jīng)過隔直環(huán)節(jié)，信號輸入到相加器中，有功功率信號（10218）輸入到PSS模塊中的IN_P_PSS中，經(jīng)過隔直環(huán)節(jié)，低通濾波器，信號放大，信號輸入到相加器中，與轉(zhuǎn)子頻率信號相加，經(jīng)過陷波器，濾除掉特定頻率的信號，合成信號再經(jīng)過濾波器，信號放大，超前滯后環(huán)節(jié)，輸出限幅，再與PSS的P/Q限制信號進行比較，較大值者作為輸出信號12010。

圖2 UNITROL5000微機勵磁數(shù)字調(diào)節(jié)器PSS框圖

PSS輸出信號12010通過切換開關模塊298，輸出信號12798，PSS信號12798接入到SP-42模塊即 AVR_PID 模塊，信號接入 6918（ADD_IN1_AVR）AVR附加輸入1，與12001（經(jīng)過限制器干預后，最終處理好的（AVR）PID控制器偏差信號）進行相加，相加的輸出信號作為AVR_PID調(diào)節(jié)的偏差信號。

2 空載特性曲線確定基準值和模型參數(shù)

2號機空載特性曲線如圖3。

圖3 2號機空載特性曲線

由發(fā)電機的空載特性可以確定發(fā)電機勵磁回路的計算基準值及模型參數(shù)[5-7]：

（1）發(fā)電機勵磁電流的基準值Ifdb：選取發(fā)電機空載特性曲線氣隙線上與發(fā)電機額定電壓對應的發(fā)電機勵磁電流作為基準值：Ifdb=1350 A。

（2）發(fā)電機勵磁回路電阻的基準值Rfdb：選取發(fā)電機銘牌額定勵磁電壓與額定勵磁電流之比為勵磁回路電阻的基準值，即：

有 Ufdn=318，Ifdn=2709，則：

（3）發(fā)電機勵磁基準值Ufdb：Ufdb=Rfdb×Ifdb=0.1174×1350=158.5 V。

（4）根據(jù)發(fā)電機空載特性計算模型需要的飽和系數(shù)：對應發(fā)電機額定電壓的氣隙線電流為1350 A，實際電流為1575 A，則：

對應發(fā)電機1.2倍額定電壓的氣隙線電流為1645 A，實際電流為2310 A，則：

PSASP程序中a、b、n的計算值如下：

（5）整流器換相壓降系數(shù)Kc計算：勵磁變壓器的三相整流橋換相壓降系數(shù)Kc可以用下面的公式計算：

式中Uk為勵磁變短路電壓，Sn、Un為勵磁變額定容量和二次額定電壓，Ifdb、Ufdb為勵磁電壓和勵磁電流基準值，Rfdb為發(fā)電機勵磁回路電阻基準值。

（6）勵磁系統(tǒng)最大輸出電壓VRmax和最小輸出電壓VRmin

計算勵磁系統(tǒng)最大輸出電壓和最小輸出電壓可以用下面的公式計算：

αmin和αmax是可控整流器的最小控制角和最大控制角。二灘水電站勵磁系統(tǒng)的最大控制角αmax=149°，最小控制角 αmin=15°。經(jīng)計算可得出

標幺值為：

3 PSS參數(shù)優(yōu)化試驗

（1）調(diào)差系數(shù)計算：按照系統(tǒng)要求，調(diào)差系數(shù)應設置在+4%。在50%～100%無功功率負荷下測得機端電壓Ut1和給定值UREF1后，在發(fā)電機空載試驗中測量UREF1時機端電壓Ut0，然后按照公式計算可得出實際的調(diào)差系數(shù)。

試驗數(shù)據(jù)如下：

帶入上式計算，得D=4.05%，與設置基本一致。

（2）勵磁系統(tǒng)在線無補償頻率響應特性試驗：發(fā)電機有功功率調(diào)到接近機組最大出力，無功功率盡量調(diào)??；自動勵磁調(diào)節(jié)器單通道運行；PSS退出運行。在PSS輸出信號迭加點輸入掃頻擾動信號，測量發(fā)電機電壓對于PSS輸出信號迭加點的頻率響應特性，即勵磁系統(tǒng)滯后特性。

2號機測試時有功出力為P=500 MW，無功出力為Q=-40 Mvar。如圖4。

圖4 2號機在線無補相頻特性測量值

從試驗結(jié)果可以看出，從0.1～2.5 Hz這個頻段中，勵磁系統(tǒng)相位在-22°到22°范圍內(nèi)，在1.3 Hz附近有一個明顯的拐點，由此可知，2號機的本機振蕩頻率在1.3 Hz附近。

（3）PSS相位補償特性和參數(shù)整定：按照電網(wǎng)要求，PSS參數(shù)整定的原則是：應使其相位補償在0.1～2.5 Hz的頻率范圍內(nèi)都能產(chǎn)生盡可能大的阻尼力矩。

根據(jù)PSS數(shù)學模型和勵磁系統(tǒng)在線無補償相頻特性測量值，按照PSS參數(shù)整定原則用逐步逼近的方法確定PSS參數(shù)（其中PSS的增益需通過臨界增益試驗確定）。按照二灘水電站2號發(fā)電機AVR模型和PSS傳遞函數(shù)框圖的數(shù)學模型（圖5），計算得到2號機PSS相頻特性的補償，有關補償相頻特性如下：

圖5 二灘水電站2號發(fā)電機AVR模型和PSS傳遞函數(shù)框圖

有補償相頻特性值在-63°～-106°范圍內(nèi)。

由于PSS采用的是發(fā)電機負的電功率（-Pe）作為輸入信號，經(jīng)隔直后，-ΔPe信號的相位超前-Δω約90°，由PSS提供的電磁力矩與Δω的相位差則在+27°～-16°范圍內(nèi)。因此在 0.1～2.5 Hz的頻率范圍內(nèi)PSS都能產(chǎn)生正的阻尼力矩。

（4）PSS臨界增益調(diào)整：在選定的相位補償下，PSS投入運行，逐漸增大PSS的增益，當觀察到勵磁電壓和無功功率出現(xiàn)明顯振蕩時，定為PSS的臨界增益。試驗表明，當PSS的增益增大到Kpss=12，觀察到勵磁電壓和無功功率出現(xiàn)明顯振蕩。因此，PSS的臨界增益定為12。PSS的運行增益取臨界增益的 1/3，即 Ks1=4。

（5）PSS參數(shù)初步確定，經(jīng)計算與試驗可得出PSS運行參數(shù)為：

PSS輸出限幅：Vsmax=+10% Vsmin=-10%

PSS自動投入點暫定為0.3 Pn

PSS自動退出點暫定為0.2 Pn

（6）仿真試驗：在PSASP程序中，采用12型自并勵靜止勵磁系統(tǒng)模型和2型PSS在單機無窮大母線系統(tǒng)0.1～2.0 Hz范圍內(nèi)進行仿真。

根據(jù)上述仿真結(jié)果分析，我們可以得知：

在PSS投入和退出兩種工況下進行負載階躍響應仿真試驗，比較有功功率的振蕩情況，檢驗PSS的阻尼作用。通過仿真的波形圖可以看出，在同樣的擾動下，PSS退出的情況下有功功率振蕩的次數(shù)為4次以上；PSS投入后降低為1次，說明PSS對于系統(tǒng)的低頻振蕩提供了良好的阻尼。

（7）PSS參數(shù)優(yōu)化后的實際運行情況：以2號機為例，2009年 01月 09日 10：17，CCS上發(fā)“GIS 2號故障錄波裝置啟動；1、2、4、5、6 號機機組保護 1號總啟動動作；1、2、4、5、6 號機機組故障錄波裝置啟動；2號機無功反饋故障發(fā)生，2號機定子電壓測量值故障”等報警；檢查二灘水電站設備運行正常，匯報省調(diào)并經(jīng)詢問為普敘線跳閘。

查看采集歷史數(shù)據(jù)，2 F機組無功功率突變時監(jiān)控數(shù)據(jù)表如表2所示。

表2 機組無功功率突變時監(jiān)控數(shù)據(jù)表

根據(jù)監(jiān)控采集歷史數(shù)據(jù)做波形變化比較如下：二普線路無功和電壓發(fā)生大幅波動，導致二灘水電站2 F機組無功功率和機端電壓瞬間大幅波動。但由于勵磁系統(tǒng)PSS的及時響應，系統(tǒng)的波動并沒有改變2號機組及其他4臺機組的無功變淺趨勢，也沒有引起其他5臺機組的無功功率、勵磁電壓、勵磁電流大幅波動，也未導致機組其他參數(shù)突變及報警[8～10]。由此，可以判斷2號機組勵磁系統(tǒng)PSS參數(shù)設置得當，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

4 優(yōu)化PSS參數(shù)后的效果

通過對二灘水電站2號發(fā)電機勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)測試和仿真建立的勵磁系統(tǒng)及PSS模型和參數(shù)，可以初步確定PSS的參數(shù)設置，該組參數(shù)在仿真試驗中，對勵磁系統(tǒng)有很好的暫態(tài)穩(wěn)定性，達到指標如下：

（1）發(fā)電機空載條件下的電壓調(diào)節(jié)精度高于1%。

（2）發(fā)電機電壓上升時間TR為0.44 s。

（2）峰值電壓時間TP為0.44 s。

（4）超調(diào)量MP為15%左右。

（5）調(diào)整時間為3 s左右。

根據(jù)《DL/T583-2006大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》關于系統(tǒng)性能的要求可知該組PSS參數(shù)能夠滿足國家標準的要求。二灘水電站勵磁系統(tǒng)能夠滿足國家標準和行業(yè)標準的要求?？勺罱K確定一組可以使發(fā)電機穩(wěn)定運行的PSS參數(shù)。

5 結(jié)語

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)和PSS都具有較深的理論知識，通過對相關內(nèi)容進行深入研究，加深了對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)和PSS理論知識的理解，也初步確定了勵磁系統(tǒng)的PSS參數(shù)，使勵磁系統(tǒng)有很好的暫態(tài)穩(wěn)定性。