汽輪發電機勵磁系統PSS參數優化

劉海峰

(云南大唐國際電力有限公司, 云南 昆明 650011)

1 設備概述

某廠汽輪機為哈爾濱汽輪機有限責任公司制造的亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、反動凝汽式汽輪機，調峰運行時采用定-滑-定壓運行，其中滑壓運行的范圍是(30 %～95 %)額定負荷(ECR)。發電機勵磁系統為ABB公司的UN5000型靜態勵磁系統，包括1臺勵磁變壓器，3面整流柜(+EG1、+EG2、+EG3)，1面交流進線柜(+EA)，1面直流饋線柜(+EE)，1面AVR柜(+ER)，1面滅磁開關柜(+ES)以及1路起勵電源。

2 電力系統穩定器參數優化的必要性

目前，大容量機組普遍采用快速勵磁系統，雖然增加了電力系統的靜態穩定和暫態穩定性能，但也可能因系統阻尼減弱而產生動態不穩定，即振蕩失步問題。2003年以來，中國南方電網有限責任公司先后多次發生頻率為0.4 Hz的低頻振蕩。根據事后的仿真分析，在某些電網運行方式下系統的弱阻尼是造成電網低頻振蕩的主要原因，而投入大機組的電力系統穩定器(PSS)并合理地整定其參數是解決該問題的主要措施。2008年紅河電廠曾經發生0.38 Hz頻率的持續功率波動，機組對電網產生一個持續的強迫擾動。該擾動的頻率與電網的某個振蕩模式(電網分析出云南、貴州電網對廣東電網存在約0.4 Hz的振蕩模式)比較接近，誘發電網產生低頻振蕩。振蕩起始階段為負阻尼，中間階段基本為零阻尼，然后逐漸平息。振蕩過程中，事故機組的閥門波動始終較大，但在電網大量PSS和調度及時采取直流調制等控制措施的作用下，系統阻尼增大，使得振蕩沒有繼續發散而逐步平息。該電廠事故機組在電網強阻尼的作用下也逐漸恢復到穩定狀態，避免了事態的擴大化。由此可看出電廠PSS參數優化的必要性。

3 PSS工作原理

PSS采用轉速偏差(Δω)、頻率偏差(Δf)、加速功率偏差(ΔPa)、電功率偏差(ΔPe)中的一個或者幾個信號(一般為2個)作為AVR的附加輸入，產生阻尼力矩，以提高電力系統動態穩定。由于PSS具有物理概念清晰、參數易于選擇等優點，目前正得到大規模的推廣和應用。為了更好地說明PSS是如何為系統提供正阻尼和抑制低頻振蕩的，可以建立如圖1所示的Δω/Δδ(功角偏差)坐標系。

圖1 Δω/Δδ平面PSS原理

在低頻振蕩過程中，ΔPa，Δω，Δδ，ΔPe，ΔUt等遵從圖1所示的相位關系。由于AVR按電壓偏差信號ΔUt進行調節，勵磁系統本身的慣性具有滯后特性，其產生的電磁力矩ΔM1滯后于Δδ一個角度Φ1。從圖1中可以看出，ΔM1在Δω軸上的分量是負值，提供負阻尼，為了消除這種負阻尼，需要提供一個附加控制信號，PSS就具有這種功能。以取加速功率偏差(ΔPa)為輸入信號的PSS為例，其產生的電磁力矩ΔM2滯后于ΔPa一個角度Φ2，Φ2包括勵磁系統對ΔPa產生的滯后角度和PSS環節的相位補償角度。為使機組穩定運行并使最后合成的電磁力矩ΔM在Δω軸上的分量為正值，即提供正阻尼，則由PSS產生的電磁力矩應滿足要求：在該電力系統低頻振蕩區內使PSS輸出的力矩向量對應Δω軸的角度為-10°～45°，并使本機振蕩頻率力矩對應Δω軸的角度為0～30°。通過適當調整PSS輸出信號的相位及放大倍數，就可使最后的合成力矩提供正的阻尼力矩及正的同步力矩。

4 PSS參數整定計算原則

根據《南方電網電力系統穩定器整定試驗導則（試行）》的規定：0.2～2.0 Hz頻率范圍內PSS輸出力矩向量滯后Δω軸的角度為-10°～45°；原則上要求PSS輸出力矩向量為0.4～0.8 Hz頻率范圍內滯后Δω軸的角度為0～30°，并盡可能接近0。

5 AVR參數

1號發電機組電壓閉環PID參數：KR=500，TC1=1，TB1=10，TC2=TB2=0.025；機組調差系數為3 %，PSS臨界增益取值為10。

5.1 PSS輸入、輸出特性參數說明

發電機額定視在功率、額定轉速、額定頻率對應的PSS輸入信號為1 p.u.(100 %)；PSS輸出信號疊加到AVR電壓相加點，1 p.u.對應發電機端電壓額定值。

5.2 勵磁系統頻率特性測量

5.2.1 無補償頻率特性測量無補償頻率特性即勵磁系統滯后特性，為自動電壓調節器中PSS輸入點到發電機電壓間的相頻特性。測量是在并網運行的機組上進行的，試驗條件是要求機組的功率因數盡量接近1。測量時通過PHOTONII動態信號分析儀輸出一個白噪聲信號至勵磁調節器的誤差環節，其響應(機端電壓)經過電壓變換器測試儀轉換后送入PHOTONII，測量包括勵磁系統在內的發電機頻率響應特性。這里電壓變換器測試儀將發電機端三相電壓轉換為一個直流電壓信號，主要作用是在發電機回路和試驗回路實現電氣隔離。

無補償頻率特性測量應注意以下3點：

(1)適當選擇信號大小和配置A／D變比，一般要求發電機電壓波動控制在1 %～2 %范圍內；

(2)信號必須從0開始緩慢增大，防止沖擊；

(3)有時頻譜儀輸出和AVR間易產生共模干擾，使之無法得到光滑的頻響曲線，可通過在頻譜儀輸出和AVR間串接入光電隔離器解決。自并勵勵磁系統無補償相頻滯后較小，一般需要在低頻段進行滯后補償，高頻段進行超前補償。

5.2.2 勵磁系統有補償頻率特性測量

勵磁系統有補償頻率特性由無補償頻率特性與PSS單元相頻特性相加得到。試驗主要檢驗PSS現場試驗整定值對相位的補償是否能夠達到預期的效果。

由無(有)補償頻率特性試驗結果可知，補償前相位由扣除電壓變換器之后所得；現場試驗過程中，由于裝置不具備有補償測試功能，因此現場未能完成裝置的PSS有補償特性測試，所以有補償結果由計算值給出。

由機組補償前后頻率特性及相頻特性可看出：在1.1 Hz時，PSS基本無補償；小于1.1 Hz時，提供滯后補償；大于1.1 Hz時，提供超前補償。在1.6 Hz時，有下凹點，滯后角度最大，為-142°，此點為振蕩頻率點。在0.2～2 Hz頻段內，補償后相頻特性靠近Δω軸，PSS提供了較好的相頻補償。

6 整定內容

6.1 PSS投退試驗

PSS投退試驗的目的是檢驗機組PSS投入與退出是否正常，投入退出瞬間是否產生大的擾動。由1號發電機PSS投退試驗波形可知，在PSS投退過程中，機組無功功率無異常波動，發電機組PSS可以正常投退。

6.2 PSS自動投退功能試驗

在機組PSS外部投入硬開關的情況下，PSS程序依據設定的自動投入、退出百分比(或者有名值有功功率)進行投退。當發電機實際發出有功功率大于PSS自動投入百分比(有功)時，PSS自動投入；當發電機實際發出有功功率低于PSS自動退出百分比(有功)時，PSS自動退出。

經過現場檢驗，該電廠2臺機組勵磁調節器內部PSS投入功率以有功功率PN作為投入功率標幺值計算基準，且該調節器能夠根據設定的PSS門檻值進行正確的PSS投退。

6.3 PSS主回路臨界增益試驗

結合機組的相頻特性測試結果，在計算出PSS試驗整定值的情況下，將PSS試驗整定值輸入AVR調節器之后，投入PSS，并逐步修改PSS的主回路放大倍數，直至發電機勵磁電壓及無功出現明顯的波動，此時對應的PSS主回路放大倍數即為PSS在該整定參數情況下的臨界增益。

具體方法為：現場修改Ks1(時間繼電器)，當Ks1由1逐步增加到10時，發電機無功功率、勵磁電壓出現較為明顯的波動，由此確定該機組在該參數情況下臨界增益為10；在之后的發電機電壓階躍試驗過程中，根據臨界增益最終得到了1號機Ks1為5。由1號發電機PSS臨界增益試驗圖可知，1號機無功功率Qmax=18.259 Mvar，Qmin=13.830 Mvar；1號機在臨界增益試驗過程中無功功率出現明顯的波動，說明Ks1=10已達到臨界增益值。

6.4 PSS投入與退出情況下電壓階躍的試驗錄波

PSS投入與退出情況下的電壓階躍試驗可用于檢驗PSS整定參數值的有效性。將PSS投入與退出情況下相同發電機機端電壓階躍的錄波圖進行對比，根據發電機有功功率的振蕩波形分析PSS的效果可知，PSS投入情況下發電機有功功率的振蕩次數明顯少于PSS未投入情況下的振蕩次數。

由1號機組階躍試驗波形圖可知，PSS未投入情況下機端電壓1 %階躍有功功率周波震蕩為2～3個；PSS投入后，機端電壓1 %階躍有功功率周波震蕩為1～1.5個，振蕩衰減，正阻尼效果明顯，故PSS整定是有效的。

由于PSS I，II通道投入運行之后相同階躍量下機組有功功率只有1個振蕩周波，無法科學計算出其阻尼比，但是從振蕩次數分析，其相同階躍情況下的振蕩次數已經出現了明顯下降，因此認為其阻尼已較大，能夠滿足預期要求。

6.5 PSS限幅功能試驗

PSS輸出最終疊加到AVR的PID上(絕大部分疊加到電壓疊加點上)，相當于改變發電機的給定電壓。因此，PSS輸出限幅的大小將有效地影響PSS的作用效果?，F場試驗過程中將PSS輸出限幅修改到裝置允許的最小值0.1 %和正常運行所整定的限幅值10 %，在這2種情況下進行發電機機端電壓的1 %階躍試驗。對比2者試驗波形發現，限幅越小，PSS作用越小，相同階躍情況下發電機有功功率振蕩次數多于限幅大者。但是，該情況的出現必須建立在階躍過程中PSS輸出限幅已經達到所設定的最小限幅基礎上。

6.6 反調

在發電機運行過程中，不能確定PSS不能辨別機組有功功率改變是由于系統原因還是運行人員人為的增減負荷所導致的，因此，在PSS投入情況下，發電機有功功率改變將由于PSS的作用而產生無功功率向“相反”方向增減的現象，即發電機有功功率增加時無功功率降低；發電機有功功率降低時無功功率增加，這種現象稱為反調。《中國南方電網電力系統穩定器(PSS)運行管理規定》(以下簡稱《規定》)要求：機組PSS反調量應該在機組1/3額定無功功率范圍之內。

由1號機組反調試驗錄波情況可知，在1號發電機的反調試驗過程中，發電機有功功率由285.2 MW下降至277.7 MW的過程中，無功功率Qmax=10.10 Mvar，Qmin=7.59 Mvar，變化量為2.51 Mvar。該機組PSS在反調過程中無功波動范圍在1/3額定無功范圍之內，符合《規定》的要求。

7 結論

(1)在采用PSS試驗整定值的情況下，PSS補償后的相位在《規定》所要求的范圍之內。

(2)該電廠1號發電機組PSS投退功能正常。

(3)在采用上文試驗的PSS整定值的情況下，機組PSS投入后的機組振蕩頻率和阻尼比能夠滿足《規定》的要求。

(4)在反調試驗過程中，發電機無功功率波動符合《規定》的要求。

(5)從機組PSS有補償頻率特性可以看出，補償后的相位符合《規定》的要求，且上文提供的參數能夠使該機組的PSS在0.2～2.0 Hz范圍內正常工作。

(6)2臺機組經過PSS參數優化整定后，機組PSS自動投入至今運行良好，滿足《規定》的要求。

8 結束語

通過對電力系統低頻振蕩機理的分析，有助于加深對發電機組PSS的理解及更好地完成現場參數整定。300 MW機組現場試驗的順利完成及PSS投運后的顯著效果表明了PSS參數的合理性，同時也規范了現場操作流程，為開展同類型機組的PSS參數整定提供了借鑒。

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