低頻振蕩檢測裝置(PSS)在吉林臺和恰甫其海電廠驗證分析

□王軍德 胡 斌 牛丹鳳 施桂芳

電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行是首要問題。安全穩(wěn)定措施的提高主要有兩方面：一是合理安排電網(wǎng)結(jié)構(gòu)并加強建設(shè)，二是繼電保護措施的完善。保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的物質(zhì)基礎(chǔ)是電力系統(tǒng)的電源配置和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這個基礎(chǔ)很大程度上決定了電力系統(tǒng)穩(wěn)定的水平。但大量的重大事故證明：繼電保護裝置不能被強大的網(wǎng)架代替，在系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的有效手段是自動檢測和繼電保護[1～4]。下面就一種低頻振蕩檢測裝置在水電機組的應(yīng)用效果分別進行動態(tài)模擬和現(xiàn)場驗證分析。

一、動態(tài)模型實驗

試驗中重點采用測電功率(Pe)的穩(wěn)定器實驗所用主系統(tǒng)為一水輪發(fā)電機，經(jīng)長線送電給無窮大系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)接線圖，發(fā)電機采用自并勵勵磁方式。

(一)振蕩中投入穩(wěn)定器。在系統(tǒng)發(fā)生0.9Hz的低頻持續(xù)振蕩時投入穩(wěn)定器，經(jīng)l～2周(2s以內(nèi))振蕩就完全平息了,平息低頻振蕩的效果都十分顯著。

(二)線路參數(shù)突變。這種情況相當(dāng)于發(fā)電機的負荷發(fā)生一個擾動，是否投入穩(wěn)定器，其響應(yīng)特性有很大差別。無穩(wěn)定器時，線路參數(shù)變動以后，至少要4周后振蕩才能平息下來，超調(diào)量達到13%～15%，而有穩(wěn)定器時，1周即平息下來，超調(diào)量約3%。

(三)原動機功率突變。當(dāng)原動機功率突變后，觀察到以頻率為信號的穩(wěn)定器，具有良好反應(yīng)特性，10%原動機突增，僅擺動一次，就接近新的穩(wěn)定值，過調(diào)量約9%，而無穩(wěn)定器時，將出現(xiàn)持續(xù)振蕩。

但是，以電功率Pe為信號的穩(wěn)定器，當(dāng)原動機功率變化時，穩(wěn)定器的響應(yīng)特性反而不如無穩(wěn)定器的，當(dāng)原動機功率突增10%后，投入穩(wěn)定器時，端電壓下降最大達15%，不但使最大擺角增大，而且也呈現(xiàn)了明顯的振蕩，這種現(xiàn)象稱之為“反調(diào)現(xiàn)象”[5～6]。雖然，在真實的機組上，原動機功率不可能像模型試驗中那樣，作突然的改變，但是只要采用電功率為信號的穩(wěn)定器，或多或少的都會出現(xiàn)這種“反調(diào)現(xiàn)象”。試驗中觀察到，當(dāng)原動機功率變化緩慢，或變化很小時，反調(diào)現(xiàn)象就可以減輕。

至于“反調(diào)現(xiàn)象”的原因，可作如下解釋：在同步轉(zhuǎn)速時，若原動機功率Pm恒定(△Pm=0)，則過剩功率即等于電功率Pe偏差的負值，并與角加速度α成正比，即

ΔP=ΔPm-ΔPe=-ΔPe=TJα

(1)

式中，TJ為機組慣性常數(shù)；α為角加速度。

如果對-△Pe在時間間隔△t內(nèi)取積分，就得到與角速度偏差成正比的量，即

=TJΔω

(2)

但是當(dāng)原動機功率變化時，情形就有所不同。原動機功率由Pm1增至Pm2，電功率Pe將沿著螺線變化，在1～2階段內(nèi)，Pm>Pe，所以過剩功率△P>0，在這個階段內(nèi)電功率是增大的，所以△Pe>0，但穩(wěn)定器測量的實際值為-△Pe，這樣就造成穩(wěn)定器測量的信號與實際過剩功率反號，信號經(jīng)過處理后得到的加速度與速度信號也與要求的相反，因而提供了負值的阻尼轉(zhuǎn)矩及負值同步轉(zhuǎn)矩。在階段3～4內(nèi)，測得的信號相位與要求的也相反。雖然2～3、4～5兩個階段，穩(wěn)定器提供的信號的相位是正確的，但就整個過程來說，過渡過程仍然被惡化了。

二、現(xiàn)場試驗

吉林臺電站有4臺115MVA的機組，采用自并勵勵磁方式，穩(wěn)定器采用頻率偏差為信號[7～8]，其傳遞函數(shù)如下：

(3)

穩(wěn)定器的輸出送到磁放大器的附加繞組上，并且把4臺發(fā)電機的附加繞組連接在一起。階躍干擾后，發(fā)電機動態(tài)響應(yīng)的現(xiàn)場試驗結(jié)果及模擬計算機計算結(jié)果。

在上述動模及現(xiàn)場試驗中，穩(wěn)定器的作用在于改變了自然響應(yīng)中的特征根λ，無論是原動機功率改變或線路參數(shù)突變，都相當(dāng)于一個外部階躍輸入，階躍輸入的穩(wěn)態(tài)值是恒定的，所以試驗中記錄下的動態(tài)響應(yīng)，相當(dāng)于零狀態(tài)響應(yīng)，只要是特征根具有足夠的阻尼比，響應(yīng)就可以從初始狀態(tài)平穩(wěn)地過渡到一個新的平衡狀態(tài)。這種情況，類似于直流電源向電容充電的情況。

需要指出的是：如果外部輸入是隨時間按某種規(guī)律或隨機地改變，則所得的響應(yīng)，就不可能過渡到一個新的平衡狀態(tài)。例如，電力系統(tǒng)中的負荷變化，有可能在聯(lián)絡(luò)線或發(fā)電機上造成功率的隨機波動。前面已指出，這時系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)，不僅包含了自然模eλt，還包含了與輸入函數(shù)f(t)有關(guān)的強迫響應(yīng)?？梢韵胂?，裝設(shè)了穩(wěn)定器后，可以使自然模具有足夠的阻尼比，改善自然響應(yīng)。但是無法消除與輸入函數(shù)有關(guān)的強迫響應(yīng)。當(dāng)然，如果外部輸入函數(shù)是具有一定間隔的階躍函數(shù)，并且間隔時間足夠長，則穩(wěn)定器改善自然響應(yīng)特性的作用，就反映在階躍響應(yīng)的后續(xù)過程衰減加快了，而擺動的幅值變化不大。

現(xiàn)場試驗系統(tǒng)的接線，試驗時，吉林臺電站開1、3、4號機，改變恰甫其海電廠的出力，以調(diào)整吉林臺兩回出線的總功率，并在不同的兩回線總功率時，切斷F—C線,試驗穩(wěn)定器對這種大干擾的作用。

試驗采用勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖，穩(wěn)定器采用電功率信號，并采用了兩個隔離環(huán)節(jié)，輸出的限幅為±5%，1、2號機的傳遞函數(shù)為

(4)

3號機采用相同傳遞函數(shù)，只是放大系數(shù)為0.354。

吉林臺電廠的現(xiàn)場試驗，說明了穩(wěn)定器確實對于大干擾穩(wěn)定性，具有明顯的效益，試驗成功地得出了切除一回線時，無穩(wěn)定器的功率極限為162MW，而投入穩(wěn)定器后，極限功率可達到244MW，提高了功率極限50%左右。這里輸送功率極限受到了事故后以振蕩形式出現(xiàn)的不穩(wěn)定性限制，所以穩(wěn)定器發(fā)揮了它的重要作用，在這種情況下，采用穩(wěn)定器，可以減少為保持穩(wěn)定性在送端電廠切除的機組的臺數(shù)。同時，也看到整定穩(wěn)定器的參數(shù)使其兼顧事故前及事故后系統(tǒng)情況是有可能的。當(dāng)然，不可能在兩種情況下都達到最佳狀態(tài)(阻尼比=0.707)，例如總功率為182.3MW時，試驗所得到的事故后系統(tǒng)的阻尼比為0.084，但從運行的角度來看，已經(jīng)滿足要求。

根據(jù)動模實驗和現(xiàn)場試驗，對大干擾以后第一擺的擺幅的影響分析如下：由于穩(wěn)定器提高了事故后的功角特性，增大了減速面積，這有利于克服第一擺失去穩(wěn)定。從動模試驗的結(jié)果來看，在故障期間，勵磁電壓Ufd因電壓調(diào)節(jié)器的作用，快速的達到頂值，當(dāng)故障切除以后，勵磁電壓ufd在0.4～0.8s之間，維持著比無穩(wěn)定器時相應(yīng)的電壓更高的數(shù)值，因而第一擺的擺幅也減小了。由吉林臺電廠現(xiàn)場試驗的結(jié)果來看(見表5.1)，投入穩(wěn)定器后，大干擾后第一擺的擺幅減小了，仍然起到了穩(wěn)定的作用。

三、存在的不足及改進措施

根據(jù)分析，以電功率為信號的穩(wěn)定器，當(dāng)快速增加或減小原動機的功率時，它的“反調(diào)作用”是有害的，尤其是當(dāng)工作到人工穩(wěn)定區(qū)的時侯，這種反調(diào)作用會使靜態(tài)功率極限下降，對遠距離送電的機組，使用這種信號并不理想。所以，對穩(wěn)定器的輸入信號、限制穩(wěn)定器作用的因素以及穩(wěn)定器對系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)能力的研究仍然十分重要，也十分迫切，需要進一步的、反復(fù)的實踐，以使電力系統(tǒng)穩(wěn)定器發(fā)揮更加理想的作用。

綜上所述，由于PSS技術(shù)的應(yīng)用，使得電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性大為增強，改善了系統(tǒng)的阻尼特性，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，使電網(wǎng)的穩(wěn)定運行得到了加強。

四、結(jié)語

通過對低頻振蕩自動檢測裝置(穩(wěn)定器)在吉林臺和恰甫其海電廠的動模實驗和現(xiàn)場實驗情況進行分析，得出以下結(jié)論：一是對于自發(fā)低頻振蕩，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器具有良好的抑制能力，當(dāng)發(fā)電機采用穩(wěn)定器后，可以使特征根實部由正值變?yōu)樨撝?，并且可以達到事前給定的阻尼比，不但可以克服低頻振蕩，而且可以大大改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。二是穩(wěn)定器可以有效地提高系統(tǒng)在受到小干擾時的穩(wěn)定功率極限，也就是說可以達到最大可能的穩(wěn)定極限。三是對于系統(tǒng)受到大干擾而引起的振蕩，無論是因瞬時故障引起的振蕩還是永久性的故障引起的振蕩，對第一擺及后續(xù)的搖擺均具有明顯的抵制和克服作用。