梁 浩,謝 歡,王 聰,秦 川,張廣韜,訾 鵬
(1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學研究院,北京市 100045;2. 國家電網(wǎng)有限公司華北分部,北京市 100010)
電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)屬于自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)的一種附加勵磁控制,通過發(fā)電機勵磁系統(tǒng)提供附加阻尼轉(zhuǎn)矩,達到提高系統(tǒng)阻尼的作用[1-3]。PSS 原理明晰、技術成熟,已成為目前提高系統(tǒng)穩(wěn)定、抑制低頻振蕩最為經(jīng)濟、有效的技術手段[4-7]。
目前,并網(wǎng)機組勵磁系統(tǒng)廣泛應用的是加速功率型PSS,如PSS2A、PSS2B,采用發(fā)電機轉(zhuǎn)速和電功率作為輸入信號,既能有效抑制系統(tǒng)低頻振蕩,又明顯改善了PSS1A 模型在有功快速變化時的“反調(diào)”現(xiàn)象[8]。關于加速功率型PSS 已有大量理論研究和實踐應用[8-11]。文獻[8]闡述了加速功率合成環(huán)節(jié)作用的原理,具有良好的工程實用效果。文獻[10]以實際機組為例,詳細介紹了加速功率型PSS現(xiàn)場試驗及參數(shù)整定方法。文獻[11]提出了一種僅需1 階超前和1 階滯后即可滿足全頻段相位補償要求的新型PSS 設計方法,從原理上解決了PSS 的低頻段增益受限問題。
對于加速功率型PSS,研究的難點是轉(zhuǎn)速輸入信號的獲取和處理,現(xiàn)場因轉(zhuǎn)速信號通道問題導致PSS 輸出異常并引發(fā)機組功率振蕩的事件時有報道[12-15]。國內(nèi)外主流勵磁廠家裝置雖然在實現(xiàn)算法、濾波處理等細節(jié)上各不相同,但原理上均是采用電氣量計算方法,采集機組電壓、機端電流以及電抗參數(shù)計算發(fā)電機q軸內(nèi)電勢E?q,進而求取E?q的角頻率作為機組轉(zhuǎn)速信號[16-20]。該方法相比采集機械轉(zhuǎn)速無須額外配置轉(zhuǎn)速測量硬件、不受傳輸延時以及電磁干擾影響,實現(xiàn)方式簡單有效,目前幾乎應用于所有在運機組加速功率型PSS。但針對電抗參數(shù)的取值,不同勵磁廠家裝置出廠默認值各不相同,一般在發(fā)電機q軸次暫態(tài)電抗Xq''和同步電抗Xq之間[16-17]。由于PSS 經(jīng)過增益整定和相位補償后在絕大多數(shù)情況下抑制功率振蕩效果明顯,現(xiàn)場PSS 試驗時一般不對該電抗參數(shù)進行調(diào)整,對于該參數(shù)整定優(yōu)化也一直未引起足夠的重視。雖然文獻[16]通過仿真對比指出電抗參數(shù)采用Xq''比采用Xq效果更好,但未開展更深入的理論研究。
隨著中國電力系統(tǒng)向著新型電力系統(tǒng)方向發(fā)展,常規(guī)火電機組功能定位正從“重載運行、電力保障”轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍踩档?、調(diào)節(jié)支撐”,深度調(diào)峰運行將常態(tài)化。現(xiàn)有研究表明,機組低負荷運行下PSS 原整定參數(shù)仍具備較好的涉網(wǎng)性能[8,21],但近期中國內(nèi)蒙古某660 MW 火電機組在深度調(diào)峰的進相工況發(fā)生了功率振蕩,振蕩頻率為1.8 Hz,最終確定是由于PSS 內(nèi)部轉(zhuǎn)速測量誤差過大引起PSS 提供負阻尼作用。通過開展深度調(diào)峰工況下PSS 阻尼特性分析及現(xiàn)場試驗,可有效驗證和優(yōu)化其涉網(wǎng)性能,保障機組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。
本文結合上述振蕩事件分析PSS 在深調(diào)進相工況下提供負阻尼的原因,并開展加速功率型PSS轉(zhuǎn)速計算電抗參數(shù)適應性機理分析,通過實驗室勵磁裝置數(shù)字物理混合仿真測試和現(xiàn)場試驗驗證,對PSS 轉(zhuǎn)速計算用電抗參數(shù)的取值提出了整定建議。
典型加速功率型PSS 的傳遞函數(shù)如圖1 所示。圖中,Δω和ΔPe分別為轉(zhuǎn)速變化量和電功率變化量;TW1至TW4為隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù);T1至T4、T10、T11為超前滯后環(huán)節(jié)時間常數(shù);T7為電功率計算時間常數(shù);T8和T9為陷波器函數(shù)G(s)的時間常數(shù),主要用于過濾軸系扭振和噪聲信號;M、N為陷波器函數(shù)系數(shù);KS1至KS3分別為PSS 增益、電功率計算補償因子和功率匹配系數(shù);ΔPa為加速度功率變化量;ΔPm為合成機械功率的偏差;USmax和USmin分別為PSS 的輸出上限、下限值;ΔUPSS為PSS 的輸出值;TP1 至TP7 為某勵磁廠家裝置程序中PSS 內(nèi)部觀測位置,對應的輸出內(nèi)部變量分別為TP1至TP7。由圖1 可見,ΔPa由合成機械功率的偏差乘以陷波器函數(shù)后,再減去電功率的變化量得到[7,14]:
圖1 加速功率型PSS 傳遞函數(shù)圖Fig.1 Transfer function diagram of power-type PSS with improved rotational speed
式中:TJ為機組總轉(zhuǎn)動慣量。
若發(fā)電機有功功率變化由系統(tǒng)側振蕩引起,Δω和ΔPe經(jīng)隔直和積分環(huán)節(jié)后的數(shù)值相等、極性相反,二者合成后輸出信號ΔPm為零,此時加速度功率變化量ΔPa為負電功率偏差信號的積分,經(jīng)增益、超前滯后等環(huán)節(jié)后可有效抑制電網(wǎng)有功功率的波動,提供正阻尼作用,有
若發(fā)電機有功功率變化由調(diào)節(jié)原動機機械功率改變引起,ΔPe會發(fā)生較大變化,但Δω變化較小,二者合成后輸出信號ΔPm將不為零,此信號將通過陷波器并與電功率偏差量信號相減。由于陷波器在反調(diào)頻率范圍內(nèi)的增益近似等于1,因此二者相減后形成加速功率變化量信號ΔPa很小,PSS 輸出近似為零。有
加速功率型PSS 正是利用加速功率信號來平衡機械功率改變引起發(fā)電機有功功率變化時的輸出,使PSS 僅在系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時才起作用。
實際勵磁裝置通過采集到的機端電壓、電流以及電抗參數(shù)計算發(fā)電機q軸內(nèi)電勢E?q,進而求取E?q的角頻率作為機組轉(zhuǎn)速信號輸入至圖1 中Δω。發(fā)電機電動勢、電壓等相量關系如圖2 所示,其中,odq為dq坐 標 系,oxy為 同 步 坐 標 系,V?t為 發(fā) 電 機 相 電壓,I?t為發(fā)電機的相電流,Xq為交軸電抗。
圖2 發(fā)電機功角相量關系圖Fig.2 Relation diagram of generator power angle and phasor
由圖2 可以得出E?q與x軸的夾角θq=δ+θv,通過對θq求導即可得到E?q的角頻率。其中,電壓V?t與x軸的夾角θv易通過對電壓信號進行過零點檢測得到,各勵磁廠家裝置相關處理基本一致,而如何在擾動過程中計算得到準確的發(fā)電機功角δ是PSS 轉(zhuǎn)速獲取的技術難點,也是影響PSS 阻尼特性的關鍵。發(fā)電機功角δ的計算方法如式(4)所示,通過對δ求導可獲取δ的角速度ωδ,如式(5)所示。本文主要基于式(5)進行電抗參數(shù)、機組運行工況對轉(zhuǎn)速計算影響的機理分析。
式中:P為有功功率;Q為無功功率;Ut為發(fā)電機機端電壓;XPSS為勵磁廠家整定的電抗參數(shù),一般在Xq''與Xq之間,所有變量單位均為p.u.。
現(xiàn)場穩(wěn)定運行的自并勵發(fā)電機的額定功率為660 MW,振蕩前初始運行工況:有功功率為99 MW(15%額定功率),無功功率為10 Mvar,準備進行深調(diào)工況下進相試驗。當時PSS 為投入狀態(tài),已在75%額定功率下完成了PSS 相關試驗,涉網(wǎng)性能滿足標準要求。
進相試驗過程中電廠運行人員進行減磁操作,在無功功率Q降至-170 Mvar 的過程中,機端電壓Uab、有功功率P、勵磁電壓Uf等電氣量逐漸發(fā)生振蕩,有功功率波動約5 MW,勵磁電壓波動約25 V,振蕩頻率1.70 Hz,退出PSS 后振蕩平息,錄波圖見附錄A 圖A1。
影響PSS 作用效果的主要因素包括信號測量環(huán)節(jié)、隔直環(huán)節(jié)、相位補償環(huán)節(jié)、PSS 增益KS1、電功率計算補償因子KS2等。通過在現(xiàn)場大負荷工況和深調(diào)進相工況下掃頻試驗以及勵磁裝置參數(shù)定值確認,排除了圖1 中相關參數(shù)整定不合理的問題。結合振蕩過程中勵磁調(diào)節(jié)器PSS 內(nèi)部變量輸出,分析PSS 引起功率振蕩的原因。圖3 為振蕩過程中PSS內(nèi)部變量輸出錄波圖,其中,縱坐標為PSS 內(nèi)部各輸出變量的幅值,單位為p.u.。
當電網(wǎng)發(fā)生功率振蕩時,PSS 正確的動作邏輯是圖3 中TP1和TP4大小相同、符號相反,使得TP3接近為0,經(jīng)過高頻濾波后變?yōu)門P5,只有-TP4進入PSS 超前滯后環(huán)節(jié)為系統(tǒng)提供正阻尼作用。但從圖3 可知,TP1的振蕩幅值約是TP4的5 倍,造成了TP3有輸出,經(jīng)過T8、T9環(huán)節(jié)后TP5滯后TP3近180°(T8=0.6 p.u.,T9=0.12 p.u.),這 就 導 致 了TP5與TP4幾 乎同相位,且振蕩幅值約是TP4的2 倍,使得進入PSS超前滯后環(huán)節(jié)的輸入變量由正確的-TP4變成了TP4,最終導致PSS 產(chǎn)生反向作用。
圖3 勵磁調(diào)節(jié)器PSS 內(nèi)部變量輸出錄波圖Fig.3 Output oscillogram of internal variables of excitation regulator PSS
通過與電廠確認,本次振蕩不是由原動機異常調(diào)節(jié)造成,有功功率測量正常且TP4通道參數(shù)整定正確,但TP1與TP4無法對消。因此,引起PSS 產(chǎn)生負阻尼的原因是TP1輸出異常,即PSS 轉(zhuǎn)速計算環(huán)節(jié),造成轉(zhuǎn)速變化量成倍放大。該勵磁調(diào)節(jié)器PSS 內(nèi)部計算轉(zhuǎn)速電抗參數(shù)XPSS為1.5 p.u.,與其他現(xiàn)場相比該定值偏大,初步認為是該定值在深調(diào)進相工況下適應性不足造成了本次PSS 負阻尼作用,從而引發(fā)了功率振蕩。
在實驗室環(huán)境下,利用實時數(shù)字仿真(RTDS)仿真系統(tǒng)搭建包含353 MV·A 自并勵發(fā)電機、主變壓器、輸電線路等設備的一次仿真系統(tǒng),針對兩套型號不同的勵磁調(diào)節(jié)器裝置進行了數(shù)字物理混合仿真測試,均發(fā)現(xiàn)PSS 采用偏大的電抗參數(shù)進行轉(zhuǎn)速電氣計算,在深度調(diào)峰、進相工況下阻尼特性變差,甚至出現(xiàn)負阻尼情況。
在發(fā)電機有功功率為281 MW(0.94 p.u.)、無功功率為45 Mvar(0.13 p.u.)的工況下,勵磁裝置分別退出、投入PSS 后進行機端電壓5%階躍試驗,有功功率錄波圖見附錄A 圖A2,其中黑色曲線對應PSS退出情況,紅色曲線對應PSS 投入情況,PSS 在大負荷工況下有效抑制功率振蕩,有功功率從振蕩5次變?yōu)? 次。
在發(fā)電機有功功率為35 MW(0.10 p.u.)、無功功率為-112 Mvar(-0.32 p.u.)的工況下,勵磁裝置投入PSS 后的有功功率P和轉(zhuǎn)速變化量的錄波圖如圖4 所示,其中,藍色曲線對應PSS 轉(zhuǎn)速信號采用電氣量計算方法,電抗參數(shù)為廠家默認值(Xq=2.19 p.u.),紅色曲線對應PSS 轉(zhuǎn)速信號采用直采方法,機組實際轉(zhuǎn)速變化量經(jīng)外接板卡以±10 V(±10 V 代表轉(zhuǎn)速±10 r/min)信號從RTDS 送入勵磁裝置。
圖4 有功功率和轉(zhuǎn)速變化量錄波圖Fig.4 Oscillogram of active power and rotational speed variation
由圖4 可見,采用電氣量計算轉(zhuǎn)速變化量與真實轉(zhuǎn)速相位相同,但是幅值要放大數(shù)倍,與圖3 中TP1效果類似,經(jīng)過PSS 后續(xù)環(huán)節(jié)后造成了負阻尼作用,引發(fā)了功率的振蕩,退出PSS 后振蕩消失。通過仿真測試說明,PSS 采用偏大電抗參數(shù),如Xq值,進行轉(zhuǎn)速計算的準確性在大負荷工況下效果良好,但在深調(diào)進相工況下適應性變差。
在相同電氣量(如有功功率P)微小波動下,真實轉(zhuǎn)速信號的變化量可以認為很小且固定唯一,而采用電氣量計算方法得到的轉(zhuǎn)速信號變化量則受到電抗參數(shù)取值以及機組運行工況的影響。
為了分析電氣量微小波動在不同電抗參數(shù)或運行工況下對計算轉(zhuǎn)速變化量的影響,基于式(5)求解轉(zhuǎn)速對有功功率P和無功功率Q的導數(shù),如式(6)所示。其求導結果的物理意義可以理解為在某個特定條件下,有功功率P或無功功率Q的微小波動對轉(zhuǎn)速變化量的影響程度,求導結果的絕對值越大,代表轉(zhuǎn)速變化量越大,反之轉(zhuǎn)速變化量越小,但相同的功率波動下,真實轉(zhuǎn)速的變化量是固定不變的。
式中:Δωδ為轉(zhuǎn)速變化量;ΔP為有功功率變化量;ΔQ為無功功率變化量。單位均為p.u.。
首先,分析有功功率P的微小波動對轉(zhuǎn)速變化量的影響,即式(6)中?ωδ/?P數(shù)值絕對值的大小。結合式(5),可以推導得到?ωδ/?P的計算公式為:
當機組參數(shù)Ut=1.0 p.u.,Q=-0.3 p.u.,XPSS分別為0.2、0.55、1.1、2.0 p.u.時,?ωδ/?P運算結果如圖5 所示。
圖5 XPSS取值不同時?ωδ/?P 的計算結果Fig.5 Calculation results of ?ωδ/?P with different XPSS
由圖5可知,當機組在大負荷工況(0.6 p.u.<P≤0.9 p.u.)且有功功率波動相同時,不同電抗參數(shù)對轉(zhuǎn)速變化量的影響相差不大,且影響均較??;而當機組在小負荷工況(0.2 p.u.<P≤0.6 p.u.)且有功功率波動相同時,不同電抗參數(shù)對轉(zhuǎn)速變化量的影響相差很大,且電抗參數(shù)XPSS越大,?ωδ/?P的絕對值越大,即轉(zhuǎn)速變化量的計算值也越大。
因此,如果電抗參數(shù)整定值偏大,則機組運行于深調(diào)、進相工況時,有功功率的波動會引起計算轉(zhuǎn)速變化量與真實轉(zhuǎn)速變化量的偏差增大,進而引起圖1 中TP1輸出一個比理論轉(zhuǎn)速變化量更大的數(shù)值,造成TP3輸出不為0,進而引起PSS 輸出異常。
然后,分析無功功率Q的微小波動對轉(zhuǎn)速變化量的影響,即式(6)中?ωδ/?Q數(shù)值絕對值的大小。結合式(5),可以推導得到?ωδ/?Q的計算公式為:
當機組參數(shù)Ut=1.0 p.u.,P=0.3 p.u.,XPSS分別為0.2、0.55、1.1、2.0 p.u.時,?ωδ/?Q運算結果如圖6所示。
圖6 XPSS取值不同時?ωδ/?Q 的運算結果Fig.6 Calculation results of ?ωδ/?Q with different XPSS
由圖6 可知,機組深調(diào)工況下,當無功功率為遲相運行且無功功率波動相同時,不同電抗參數(shù)對轉(zhuǎn)速變化量的影響相差不大且影響較?。欢敓o功功率為進相運行且無功功率波動相同時,不同電抗參數(shù)對轉(zhuǎn)速變化量的影響相差很大,且電抗參數(shù)XPSS越大、機組進相越深,?ωδ/?Q的絕對值越大,即轉(zhuǎn)速變化量的計算值也越大。
綜上,采用電氣量計算機組轉(zhuǎn)速信號,相同波動下,轉(zhuǎn)速變化量的準確度受電抗參數(shù)以及機組運行影響,即電抗參數(shù)整定值越大、機組有功功率越低、無功進相越深,轉(zhuǎn)速變化量的計算值會越大,與真實轉(zhuǎn)速變化量的偏差也就越大,甚至導致PSS 轉(zhuǎn)速通道和電功率通道無法對消,引起PSS 阻尼特性變差。同時,當電抗參數(shù)XPSS向Xq接近(取值偏大)時,轉(zhuǎn)速變化量隨著機組有功降低、無功進相而變大,即相比真實轉(zhuǎn)速的準確度變差,而當電抗參數(shù)XPSS向Xq''接近(取值偏小)時,轉(zhuǎn)速計算準確度在機組全運行工況下均有良好的適應性。
針對本文所述660 MW 機組深調(diào)進相工況下PSS 引起功率振蕩問題,通過理論分析與實驗室仿真,發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速計算電抗參數(shù)整定值偏大后適應性不足的問題,在此基礎上制訂了現(xiàn)場PSS 驗證與性能優(yōu)化方案,并完成了相關試驗。
分別在電抗參數(shù)XPSS取1.5 p.u.、0.55 p.u.時投入PSS,在機組有功功率為99 MW、無功功率為10 Mvar 的初始工況下進行減磁試驗。
1)XPSS=1.5 p.u.,進相深度至-170 Mvar,有功功率發(fā)生5 MW 左右的等幅振蕩。
2)XPSS=0.55 p.u.,進相深度至-230 Mvar,有功功率未發(fā)生振蕩。
在XPSS=1.5 p.u.下復現(xiàn)了本次功率振蕩工況,PSS 內(nèi)部TP1至TP6在振蕩過程中的幅值、相位關系與圖3 基本一致。而將XPSS整定為0.55 p.u.后減磁至-230 Mvar,有功功率仍平穩(wěn)運行,滿足進相試驗要求的進相深度,解決了本次PSS 引發(fā)振蕩的問題。
為進一步驗證XPSS取值對PSS 轉(zhuǎn)速計算環(huán)節(jié)的影響,在發(fā)電機有功功率為99 MW、無功功率為-160 Mvar 的工況下將PSS 退出(轉(zhuǎn)速測量誤差不會引起功率的振蕩),XPSS取值分別為0.2、0.55、1.1、2.0 p.u.時,對PSS 轉(zhuǎn)速信號輸出變量TP1進行了錄波,不同XPSS取值下TP1的波動峰峰值以及PSS 穩(wěn)態(tài)輸出峰峰值如表1 所示。
表1 不同XPSS下PSS 轉(zhuǎn)速信號TP1測量波動值Table 1 Measured fluctuation value of PSS rotational speed signal TP1 with different XPSS
可以看出,電抗參數(shù)取值越大,機組深調(diào)進相工況下PSS 轉(zhuǎn)速變化量測量值(與真實轉(zhuǎn)速變化量誤差)越大,通過本文分析該波動值的相位在本機振蕩頻率下經(jīng)過PSS 環(huán)節(jié)后產(chǎn)生負阻尼作用,會引起有功功率波動增加,進而繼續(xù)放大PSS 轉(zhuǎn)速測量誤差,最終引起功率的振蕩發(fā)散。
分別在電抗參數(shù)XPSS取0.2、0.55、1.1 p.u.時投入PSS,在機組有功功率為130 MW、無功功率為-80 Mvar 運行工況下進行機端電壓+2%階躍試驗。附錄A 圖A3 為XPSS=0.55 p.u.時的試驗錄波圖。表2 為不同XPSS下有功功率振蕩阻尼特性。
通過附錄A 圖A3 和表2 可以看出,將電抗參數(shù)整定優(yōu)化為0.55 p.u.后,PSS 在深調(diào)進相工況下阻尼特性良好,有效抑制了功率振蕩。而電抗參數(shù)整定為1.1 p.u.后,擾動下不但沒有抑制有功的波動,還產(chǎn)生了弱負阻尼作用,振蕩次數(shù)和阻尼比指標變差。
本文針對加速功率型PSS 轉(zhuǎn)速計算電抗參數(shù)適應性開展研究,分析了電抗參數(shù)整定值過大導致機組深調(diào)進相工況下PSS 引發(fā)負阻尼的原因。通過實驗室勵磁裝置數(shù)字物理混合仿真測試和現(xiàn)場實際機組PSS 優(yōu)化試驗,驗證了理論分析的正確性。
1)勵磁裝置轉(zhuǎn)速計算電抗參數(shù)整定值偏大是文中660 MW 機組深調(diào)進相工況下PSS 引發(fā)功率振蕩的原因,導致轉(zhuǎn)速通道輸出信號幅值放大,經(jīng)PSS各環(huán)節(jié)后產(chǎn)生負阻尼作用,將該值優(yōu)化為0.55 p.u.后,PSS 在全運行工況下適應性良好。
2)基于主流勵磁廠家電氣量計算轉(zhuǎn)速方法開展機理分析時發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)速計算準確度受電抗參數(shù)以及機組運行影響,當電抗參數(shù)整定值增大時,轉(zhuǎn)速計算準確度隨著機組有功降低、無功進相而變差,即在深調(diào)進相工況時適應性差,易引起PSS 阻尼特性改變,甚至呈負阻尼。
3)綜合考慮主流勵磁廠家電抗參數(shù)整定建議以及電網(wǎng)相關管理要求,結合本文理論分析以及試驗驗證,建議加速功率型PSS 轉(zhuǎn)速計算電抗參數(shù)的經(jīng)驗 取 值 范 圍 從 原 來 的 采 用[Xq'',Xq]改 為[Xq'',0.5Xq],以提升PSS 在機組全運行工況尤其深度調(diào)峰下的涉網(wǎng)性能。
4)目前,現(xiàn)場進行PSS 參數(shù)整定試驗要求有功功率≥60%額定功率,當電抗參數(shù)取值偏大時,在大負荷工況下不易暴露相關問題。因此,建議調(diào)試單位和勵磁廠家在進行相關試驗時,重點關注該參數(shù)定值,尤其對于參與深度調(diào)峰機組,建議在深調(diào)工況下增加驗證性試驗,必要時優(yōu)化調(diào)整電抗參數(shù),以提升PSS 全運行工況下的涉網(wǎng)性能。
除了采用電氣量計算轉(zhuǎn)速實現(xiàn)方法、機組運行工況外,接入系統(tǒng)的位置不同以及本機振蕩頻率不同等電網(wǎng)側因素也會對轉(zhuǎn)速計算的準確性產(chǎn)生影響。因此,如何結合系統(tǒng)側特征提出更準確的電抗參數(shù)取值建議是未來需要進一步研究的方向。
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