電力穩定器參數整定在發電廠低頻振蕩抑制中的應用

寧效偉（廣東省粵電集團韶關發電廠,廣東　韶關　512132）

電力穩定器參數整定在發電廠低頻振蕩抑制中的應用

寧效偉
（廣東省粵電集團韶關發電廠,廣東韶關512132）

摘要：本文介紹了兩種經典的電力穩定器模型，分析了其結構特點與應用范圍，詳細闡述了電力系統低頻振蕩概念及其產生的機理，在頻域內推導了電力穩定器抑制低頻振蕩的原理。通過對韶關電廠10號機組勵磁系統與電力穩定器的參數實測與一系列試驗，確定了各工況下電力穩定器參數的優化值，結果證明電力穩定器參數的恰當整定，使PSS在各種工況下都能為勵磁系統提供恰當的阻尼，可以有效抑制發電機的低頻振蕩。

關鍵詞：電力穩定器;低頻振蕩;參數整定;勵磁系統

1　電力系統穩定器結構與特點

電力系統穩定器的通用框圖一般由隔直、放大、超前滯后、限制增益等環節組成，如圖1所示：

因滿足不同的需要與不同公司的產品，電力穩定器（PSS）的具體功能與構架均有所不同，美國IEEE電力生產委員會于1992年發布的《用于電力系統穩定研究的勵磁系統參考模型》中，推薦了兩種經典的電力系統穩定器模型：PSS1A型和PSS2A型，分別如圖2與圖3所示。

PSS1A型與PSS2A型分別為單輸入型與雙輸入型，前者的輸入信號VSI一般采用頻率、角速度或者頻率，其結構簡單明朗，便于電力穩定器參數的修改與設定，使用方便；后者的輸入信號一般采用頻率、角速度或功率、功率中的組合信號，引入的另外一個輸入信號（角速度或頻率），可以抑制單純由功率或頻率信號做為輸入而引起的無功反調現象，因此電路比較復雜。有研究證明：在大部分情況下，參數整定適當的PSS1A型可得到與PSS2A型穩定器相近的效果。

在電力穩定器的實際投運中，不同特性、處于電網不同節點的機組應采用相應的PSS，PSS的實際投運經驗證明：汽輪發電機組采用以△Pe為輸入信號的PSS1A型時，只要整定的參數合理，反調現象不明顯，不需要采用特殊的措施去抑制機組的反調；滯后特性較強的勵磁系統，一般采用PSS1A型穩定器，輸入信號適宜選擇△Pe；滯后角較小的自并勵系統或高起始勵磁系統，可以采用PSS1A或PSS2A型電力穩穩定器，輸入信號可以采用△Pe或△Pe與△f；水輪發電機組的有功調節速度較快，此時必須要考慮反調的影響，一般采用△Pe與△f相加作為輸入信號的PSS2A型穩定器，必要時需專門設計對抑制反調更為有效的控制電路。

2　低頻振蕩的定義及其產生的原理

在電力系統中，眾多發電機組在電網中并列運行，當電網中發生小擾動（比如電壓波動）時，發電機轉子之間會發生相對搖擺，若此時的電力系統缺乏必要的正阻尼，就會失去動態穩定[3]。構成電力系統的元件大多為非線元件，系統整體呈現非線性特性，動態失穩時發電機轉子之間會出現持續的搖擺振蕩，輸送的功率也會發生相應的振蕩，從而影響功率的輸送。由于這種持續振蕩的頻率很低，一般在0.2～2.5Hz之間，故稱為低頻振蕩。從電力系統中出現過的低頻振蕩來看，低頻振蕩較容易出現在負荷重、輸電距離遠的線路上，或者電網之間的的弱聯絡線上。隨著電力系統的規模不斷擴大，發電機組的勵磁系統普遍采用數字電路與晶閘管，勵磁系統的調節時間常數從幾秒減少到毫秒級，大大降低了電力系統的阻尼，甚至產生負阻尼，導致自發性的低頻振蕩。

電力系統低頻振蕩的產生原理，國內外有過眾多的研究與分析，總結起來主要有以下幾種：

（1）負阻尼機理；

（2）強制性共振機理；

（3）分叉理論；

（4）參數諧振；

（5）混沌現象。

上述五種振蕩機理可以劃分為三類：

1）電力系統的固有頻率與擾動信號或輸入信號存在某種內在的關系，從而引發了較大幅度的共振或諧振，當該頻率處于低頻區域時，即產生了低頻振蕩。

2）從線性系統來分析，當存在小擾動時，由于系統自動裝置的參與調節，改變了系統的特性，于是特征根的相限也變化，產生了附加的負阻尼，抵消了系統固有的正阻尼，于是振蕩不衰減甚至振蕩加劇。

3）電力系統采用了大量非線性原件，當擾動發生時，導致系統的參數也跟著變化，于是導致系統的穩定結構也發生變化，從而產生系統的振蕩。

受益于線性系統理論的成熟與完善，在所有的低頻振蕩原理中，負阻尼機理研究已經形成了一套比較完整的理論體系，并且在實際工程中得到了廣泛的應用。從理論上來考慮，非線性系統在特定的條件下（比如系統發生了小擾動時），可以看成是有外加的非線性影響的線性系統，于是不論是線性系統還是非線性系統，導致電力系統產生低頻振蕩的基本原因是負阻尼。在電網建設或者工程建設時，才主要考慮共振和諧振理論。混沌理論暫時還停留在理論上的研究。分叉理論目主要用于低階單變量系統。

3　PSS抑制低頻振蕩原理的分析

根據單機無窮大系統模型，又稱為Phillips-Heffron模型[1]，發電機勵磁系統是一個滯后特性單元，由發電機的磁場滯后角和勵磁系統的滯后角構成，通過K6閉環，系統傳遞函數為：。總滯后角。勵磁控制系統框圖如下：

勵磁系統傳遞函數GES（s）是滯后特性的，當K5為負值時，電壓調節器會產生負阻尼，其產生的電磁轉矩△ME在△ω軸上投影為負；設定PSS的輸入信號為△ω，PSS通過參數整定設置為超前相位補償，相位角，于是PSS在軸上產生與同相位的附加力矩，然后通過PSS參數的整定，使得該附加轉矩△TPSS對應的正阻尼大于由電壓調節器對應的電磁轉矩△Me所對應的負阻尼，從而使勵磁系統從整體上來講是提供正阻尼的，于是就可以有效的抑制低頻振蕩[2]。當機組負荷較高時，此時K5小于0，單機無窮大系統的電磁轉矩△M位于第四象限，如此時勵磁系統能提供一個位于第一象限的附加電磁轉矩△M，那么△M與△M的合成矢量和就可能位于第一象限，位于第一相限的的電磁轉矩會向系統提供正阻尼，起到抑制低頻振蕩的作用[3]。這個位于第一象限的附加電磁轉矩△M可通過合理整定PSS的參數來獲得。為了簡明，只單獨考慮由PSS提供的附加電磁轉矩M，根據單機無窮大系統的框圖（以輸入△ω信號為例，來推導出PSS的傳遞函數），△ω信號經過傳遞函數GPSS（S）的PSS環節送到△Uref疊加點處，附加信號△ω所產生的電磁轉矩△M的路徑如圖5所示。

從上面可以看出，若GPSS（S）與d（s）相等，則該兩項抵消；△M 與△ω不但成正比，而且△M 與△ω軸向同相，于是就向系統提供了正的阻尼轉矩。在實際PSS參數整定中，不要求GPSS（s）與d（s）完全相等而抵消，只要滿足在低頻振蕩的頻率范圍內，兩者的超前相角與滯后相角基本上抵消，PSS提供的是正的而不是負的阻尼轉矩，所以PSS必定設置有超前環節，于是其傳遞函數為：，該式子通常作為PSS通用傳替函數，只是當輸入的信號不同時，組成PSS的具體環節稍微有所不同，以及為了防止PSS的輸出幅值過大造成的發電機過電壓危險，PSS還設置了限幅環節[5]，實際投運中的PSS，考慮到信號的失真、測量信號的處理難度，還設置有濾波單元、測量單元等。

4　電力穩定器參數整定在韶關發電廠低頻振蕩抑制中的應用

電力穩定器是勵磁系統的一部分，要合理整定PSS的參數，一般是采用時域和頻域相結合的方法來進行研究[6]，首先建立勵磁系統的模型與測得其各個環節的參數與頻譜特性，在此基礎上結合機組勵磁系統的增益與反調現象，對PSS的參數進行整定與校核[7]。在廣東電力科學研究院的幫助下，對韶關電廠10號發電機勵磁系統模型進行了參數測試，完成了勵磁調節器模型各個環節的頻譜特性測試、勵磁系統空載特性數據的測試、發電機空載階躍響應數據的測試，發電機負載調差極性和調差系數數據的測試，等等，通過仿真系統進行仿真，與實際試驗結果進行比對，驗證了勵磁控制系統的模型參數[8]，最終確立了韶關電廠10號發電機的勵磁系統模型參數，在此基礎之上，對10號機組勵磁系統PSS各環節參數進行了設計與優化，通過仿真試驗，確定了最終優化參數，并結合現場生產調試，將韶關電廠發電機組的PSS投入運行，使之滿足在整個低頻振蕩頻率段上均能提供良好的正阻尼，能夠有效地抑制與本機強相關的振蕩模式[9]，提高了粵北電力系統的動態穩定性。

韶關電廠10號發電機是東方電機廠生產的汽輪發電機組，額定功率為300MW，型號為QFSN-300-2-20，勵磁系統采用的是南瑞電控勵磁調節器，其PSS是PSS-2B模型，模型框圖如圖6所示：

根據現場試驗結果，將10號機組的PSS參數整定如下：Tw1=Tw2=Tw3=3s，T7=3s，T8=0s，T9=0.1s，M=5，N=1，T1=0.14s，T2=0.03s，T3=0.14s，T4=0.02s，T5=T6=0s，Ks1=6.09，Ks2=0.39，PSS輸出限幅：±5%。

投運PSS后機組的各項指標均滿足要求，對本機功率振蕩抑制效果顯著：未投入振蕩3-4次，投入后振蕩1次，幅值減小約一半，在0.2-2Hz內均能滿足相位補償的要求。按照優化后的參數將PSS投入實際運行，韶關電廠10號機組PSS投運前后的試驗錄波波形分別如圖7、圖8所示：

參考文獻:

[1]朱振青.勵磁控制與電力系統穩定[M].北京:中國電力出版社，1997.

[2]丁爾鏗.發電廠勵磁調節[M].北京：中國電力出版社，1998.

[3]鐵強,賀仁睦，王衛國等.電力系統低頻振蕩機理的研究[J].中國電機工程學報，2002,22(02):21-25.

[4]方思立,朱方.電力系統穩定器的原理及其應用[M].北京:中國電力出版杜,1996.

[5]韓慧云,黃梅.電力系統低頻振蕩與PSS分析[J].華北電力技術,2005(07):1-4.

[6]蘇為民,方思立.勵磁系統典型數學模型及其參數選擇[J].電力設備,2004,5(11):27-33.

[7]韓慧云,黃梅,黃斌.運行參數對自并勵勵磁系統滯后特性影響的研究[J].電氣應用，2006(01):3-5.

[8]趙斌,李文云,楊強.機組PSS參數整定極其抑制系統低頻震蕩的效果[J].云南水利發電,22(02).

[9]盛超,魏偉.韶關電廠9號機組勵磁系統系統參數實測與PSS參數整定投運報告,2008.

作者簡介：寧效偉(1979-),男,湖南邵陽人，在職研究生,工程碩士,主要從事發電廠電氣一次設備的檢修與技術研究工作。