770MW水輪發電機組PSS2B試驗與參數整定

劉喜泉，畢欣穎，陳小明，馬曉光，孔令歡

（1. 溪洛渡水力發電廠，云南 永善 657300；2. 中國電力科學研究院，北京100085）

輔機及其他

770MW水輪發電機組PSS2B試驗與參數整定

劉喜泉1，畢欣穎1，陳小明1，馬曉光2，孔令歡1

（1. 溪洛渡水力發電廠，云南 永善 657300；2. 中國電力科學研究院，北京100085）

本文利用△δ-△ω坐標系簡要分析了電力系統低頻振蕩產生機理及PSS工作原理，結合PSS2B模型，介紹了溪洛渡水電站770MW水輪發電機組勵磁系統PSS試驗與參數整定方法，驗證了溪洛渡水電站770MW機組勵磁系統投入PSS后對增強系統正阻尼，抑制系統低頻振蕩具有很好效果。

PSS2B；參數整定；勵磁系統；770MW水輪發電機組

0 引言

溪洛渡電站共裝設18臺額定有功功率為770MW水輪發電機組，總裝機容量為13860MW，年發電量571.2～640.6億千瓦時，其作為我國第二大水電站，世界第三大水電站，是我國“西電東送”的骨干電源點[1]。溪洛渡電站機組主要技術參數見表1。溪洛渡電站左岸采用南瑞生產的NES5100自并勵勵磁系統，右岸采用ABB公司生產的Unitrol6800自并勵勵磁系統，勵磁軟件控制均采用PID+PSS2B控制模型。由于勵磁調節器、勵磁系統發電機磁場繞組的相位滯后特性，使勵磁調節器產生了相位滯后于功角并與轉速變化反相位的負阻尼轉矩，因此電力系統穩定器（Power System Stabilizer, PSS）作為勵磁調節器的附加控制，可以有效地增強電力系統正阻尼，可以抑制電網系統的低頻（0.1～2Hz）振蕩繼而提高電力系統的穩定性。因此溪洛渡水電站的電力系統穩定器（PSS）試驗尤為重要。

1 PSS原理及模型

低頻振蕩的產生是因為系統阻尼的減小，PSS的作用在于增加正阻尼轉矩，以抵消勵磁控制系統引起的負阻尼轉矩。依據小擾動分析的同步發電機的數學模型（Phillips-Heffron模型）[2]如圖1所示，勵磁調節器AVR與PSS產生的力矩[2]如圖2所示。

圖1 同步發電機數學模型（Phillips-Heffron）

因AVR采用機端電壓負反饋的閉環控制，勵磁系統本身又具有慣性，在長距離送電、負荷較大時，若轉子角出現低頻振蕩，AVR提供的附加磁鏈相位落后于角度振蕩，它的一個分量與轉速反相位，即產生負阻尼力矩。當AVR負阻尼分量超過發電機固有正阻尼分量時，就會使角度振蕩加大，發生低頻振蕩。為使PSS能夠起到正阻尼作用，需使PSS力矩在圖2的第一、二象限才可以，通過調整PSS相位補償，在電力系統0.3Hz～2.0Hz低頻振蕩區內使PSS輸出的力矩向量對應△ω超前20°～滯后45°范圍內，若相對于ΔPe則滯后于-70°～-135°范圍內，當頻率低于0.2Hz頻率時，最大的超前角不應大于40°，相對于ΔPe則滯后角不小于-60°[3]。

圖2 AVR與PSS產生力矩向量示意圖

表1 溪洛渡水電站發電機組主要技術參數

溪洛渡電站勵磁系統PSS模型采用IEEE Std 421.5?-2005中規定的標準PSS2B模型，如圖3所示。PSS2B模型為功率和轉速或頻率雙輸入電力系統穩定器，也稱為加速功率型PSS模型。溪洛渡電站勵磁系統左岸為南瑞公司生產的NES5100勵磁系統，右岸為能事達公司集成的ABB UNITROL6800勵磁系統。

圖3 PSS2B模型傳遞函數

PSS2B參數如下：ω：發電機轉子角速度；P：發電機有功功率變化；s：微分算子；T6、Tr：慣性時間常數；Tw1～Tw4：隔直環節1～4的時間常數；Ks1：PSS輸出增益；Ks2：電功率慣性環節增益；Ks3：合成比例增益；T7：慣性時間常數；T1，T3，T10：PSS輸出超前時間常數；T2，T4，T11：PSS滯后時間常數；M：斜坡跟蹤低通濾波器階數；N：斜坡跟蹤濾波器整體階數；T8：多階低通濾波器超前時間常數；T9：多階低通濾波器滯后時間常數。

2 PSS2B現場試驗整定方法

依據《電力系統穩定器整定試驗導則（DL/T1231-2013）》，在溪洛渡電站機組投運時主要進行了如下PSS試驗內容。

2.1 無補償相頻特性測試

勵磁系統無補償相頻特性是指在發電機并網后，PSS沒有投入條件下，通過外加一模擬量信號（白噪聲）取代PSS輸出信號，疊加到AVR中，計算0.1～2Hz范圍內各頻率點發電機電壓相對于輸入信號相頻特性。溪洛渡電站某臺發電機無補償相頻特性見表2。在進行無補償相頻特性測量時需注意：輸入模擬量信號要由零緩慢增大，在發電機機端電壓波動在1%～2%范圍內即可

表2 發電機組勵磁系統無補償相頻特性

2.2 PSS參數整定及有補償相頻特性的確定

依據DL/T1231-2013標準中規定，PSS參數整定應使PSS產生的電磁力矩在0.1Hz～2.0Hz的頻率范圍內滯后ΔPe信號-60°～-135°。如果用Φe表示勵磁系統的相位，用Фpss表示PSS的相位，則要求PSS的參數整定應使得在0.1Hz～2.0Hz的頻率范圍內Φe＋Фpss在-60°～-135°之間。根據無補償相頻特性PSS計算可得到溪洛渡水電站某機組PSS環節的相頻特性和PSS的有補償相頻特性，計算結果如圖4和表3所示，其中PSS的有補償特性用Φe＋Фpss計算得到，通過仿真計算，確定PSS參數見表4。

圖4 某機組機有補償、無補償相頻特性

由表2可以看出：在0.1～2.0Hz的頻率范圍內，有補償相頻特性在-70°～-132°范圍內，由PSS產生的電磁力矩的阻尼分量為正，PSS相位補償滿足相關標準要求。

2.3 PSS臨界增益及Ks1增益確定

理論上講，在正確的相位補償下，PSS的增益越大，其提供的正阻尼越強，但實際上，電力系統是一個高階非線性系統，提高PSS的增益雖然可以增加某些機電振蕩模式的阻尼，但如果PSS增益過大，也可能引起電磁振蕩的負阻尼使系統出現不穩定現象，此時，機組的勵磁電壓和無功功率可能出現等幅或增幅振蕩。因此，PSS實際存在一個能穩定運行的最大增益，即臨界增益[4,5]。

表3 發電機組補償前、后相頻特性

表4 機組勵磁系統PSS參數整定值

PSS臨界增益是由很多因素決定的，如發電機的負荷水平、PSS所在電廠以及系統中PSS的配置和投退情況、電力系統的運行方式等。因此，有必要用現場試驗的方法來對PSS的增益進行整定。在選定的相位補償下，緩慢提高PSS的增益，同時觀察勵磁系統的變化，直到出現不穩定現象為止，主要標志是調節器輸出電壓、發電機轉子電壓出現頻率較高（1～4Hz）的振蕩，這時的PSS增益即為臨界增益。PSS正常運行時的增益一般取臨界增益的1/3～1/5，留有足夠的增益裕度[3,6]。使Ks1值由5緩慢增大至30時，觀察機組無功、勵磁電壓等參數波形，具體試驗波形如圖5、6所示，圖5-圖9中參數釋義如下：P：發電機有功功率；Q：發電機無功功率；UAB：發電機定子線電壓；UFD：發電機勵磁電壓；IFD：發電機勵磁電流。

從試驗波形分析，當Ks1=30時，無功及勵磁電壓有一點振蕩，隨后根據試驗情況，確定PSS的臨界增益為30，PSS的Ks1增益取值為10。

圖5Ks1=10時，某機組PSS投入錄波圖

圖6Ks1=30時，某機組PSS投入錄波圖

2.4 PSS阻尼效果檢驗

PSS參數整定完成后，需通過試驗驗證PSS投入后的阻尼效果。在進行PSS效果檢驗前，需確定系統穩定情況下，PSS投、退時，發電機機端電壓和無功功率應無異常波動。檢驗PSS投入阻尼效果，一般采用發電機負載階躍響應來判斷。可通過在PSS投入和退出兩種工況下進行2%負載階躍響應試驗，比較有功功率的振蕩情況，檢驗PSS的正阻尼抑制功率振蕩效果。

試驗結果如圖7、8所示，從試驗錄波，可以清晰看出在PSS投入后振蕩次數和振蕩幅值都有明顯減少，PSS阻尼效果明顯，PSS對于本機振蕩有抑制作用。用另一套調節器進行階躍試驗時，PSS同樣有較強的阻尼效果。

2.5 PSS反調試驗

無功功率“反調”是指增加機械功率輸入時發電機發出的無功功率會減少；相反，在減少機械功率輸入時發電機發出的無功功率會增加。PSS的原理是通過勵磁系統的作用抑制有功功率的低頻振蕩[7,8]，可以說PSS是通過無功功率的波動來抑制有功功率的波動。所以，在正常情況下，投入PSS后較不投PSS時勵磁系統的波動要大一些，只要無功功率的波動在合適的范圍內，就可認為正常。溪洛渡電站采用的PSS2B模型，該模型采用轉速和有功功率變化雙輸入加速功率型模型，原理上能有效抑制反調現象。

溪洛渡電站某機組進行“反調”試驗時，用監控系統以最快的速度為水輪機減小機械功率100MW后又迅速恢復（由600MW減小到500MW后又迅速增大至600MW），錄取有功和無功功率的變化波形如圖9所示。可見，無功功率從5Mvar變化到26Mvar過程中基本未見“反調”現象。通過試驗發現發電機機端電壓變化量小于3%Ugn、無功功率小于30%Qn，均無明顯波動，說明溪洛渡電站PSS無“反調”現象，滿足相關技術標準要求。

圖7 PSS未投入時，2%Ugn階躍錄波

圖8 PSS投入后（Ks1=10），2%Ugn階躍錄波

圖9 某機組反調試驗錄波圖

3 結論

（1）本文利用在線頻率響應特性分析方法，進行了溪洛渡電站770MW水輪發電機勵磁系統PSS試驗與參數整定，試驗結果表明，該勵磁系統PSS對系統0.1Hz～2.0Hz低頻振蕩具有很好的抑制作用，為系統提供了正阻尼，可以長期投入。

（2）溪洛渡水電站PSS參數的正確配置與運行，為溪洛渡水電站作為我國第二大電站，系統骨干電源，為抑制系統低頻振蕩及系統穩定發揮非常重要的作用。

[1] 劉喜泉, 陳小明. 溪洛渡水電站左岸勵磁系統滅磁回路工作原理及設計[J]. 水電自動化與大壩監測, 2012, 36(2): 36-39.

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[4] 竺士章. 發電機勵磁系統試驗[M]. 中國電力出版社. 2005, 2.

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[7] 雷傳友, 馮喆, 吳建超. 二灘水電站勵磁系統數學模型參數測試及PSS參數的整定[J]. 電網技術2005, 3 29(6): 49-52.

[8] 竺士章, 陳皓, 趙紅光, 等. 嘉興發電廠300MW發電機勵磁調節器參數測定和電力系統穩定器試驗結果[J]. 電網技術, 2001, 25(4): 51-53.

審稿人：李金香

Test and Parameter-setting of Power System Stabilizer-PSS2B of 770MW Hydro-generator Units

LIU Xiquan1, BI Xinying1, CHENXiaoming1, MA Xiaoguang2, Kong Linghuan1
（1. Xiluo Du Hydropower Plant, Yongshan 657300, China; 2. Electric Power Research Institute, Beijing 100085, China）

By using the △δ-△ωcoordinates, the power system low frequency oscillation principle and PSS were described, combined with the PSS2B model, the PSS test method and the PSS parameter-setting of the excitation system of 770MW units in Xiluodu Hydropower Station were introduced, and it verified that the Xiluodu hydropower station 770MW units excitation system put PSS on can enhance the system positive damping and has a good effect on suppression system low frequency oscillation.

PSS2B; parameter-setting; excitation system; 770MW hydro-generator units

TM312

A

1000-3983(2016)02-0037-05

2015-05-26

劉喜泉（1980-），主要從事電氣二次設備維護與研究工作，高級工程師。