加速功率型PSS轉速測量誘發機組功率振蕩分析

熊鴻韜，陸海清，汪宗恒，謝 勇

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014；3.華能國際電力股份有限公司玉環電廠，浙江 臺州 317604）

輸配電技術

加速功率型PSS轉速測量誘發機組功率振蕩分析

熊鴻韜1，陸海清1，汪宗恒2，謝 勇3

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014；3.華能國際電力股份有限公司玉環電廠，浙江 臺州 317604）

闡述了因加速功率型PSS轉速測量產生低頻干擾而引起機組功率振蕩的原理，并依據產生機理提出了2種抑制措施。以某660 MW機組的功率振蕩事件為研究對象，通過判斷勵磁電壓與有功功率相位關系、調整PSS定值、對比不同機組的PSS中間變量等方法確定了功率振蕩的原因。最后，將所提出的2種抑制措施應用于該機組，分析比較了2種抑制措施的優缺點及適用范圍。分析表明，消除轉速測量模塊缺陷是解決功率振蕩問題的根本方法。

加速功率；電力系統穩定器；測量模塊；功率振蕩

0 引言

PSS（電力系統穩定器）不僅可以消除低頻振蕩，還可以將受穩定性限制的最大輸送功率提高到線路極限[1]。在國內，幾乎所有的機組均已配置了PSS功能。PSS1A模型因無法區分機組升降負荷與功率振蕩，易發生反調現象，已被加速功率型PSS取代。加速功率型PSS在原電功率單一輸入的基礎上，增加了轉速（或頻率）信號，從而有效消除反調現象。但轉速（或頻率）信號通常由定子電壓、電流以及發電機參數計算間接獲得，在測量或者計算過程中可能出現干擾信號，引發機組功率振蕩。

近些年，國內外學者對加速功率型PSS進行了大量研究，如文獻[2]研究了轉速計算引起的PSS2A反調現象；文獻[3-5]研究了PSS超前滯后環節參數的整定與優化；文獻[6]研究了加速功率型PSS功率匹配系數的整定，主要對軸系扭振濾波函數參數進行了研究；文獻[7]分析了PSS頻率采樣異常引發機組功率振蕩的故障機理和診斷結論，但對轉速測量引起機組功率振蕩問題的研究很少。

以下基于加速功率型PSS轉速測量引起機組功率振蕩的原理，結合某660 MW機組功率振蕩事件，對比2種抑制措施的優缺點及適用范圍。

1 事件回顧

圖1 PSS投入前后功率及電壓波動情況

從圖1可以看出，有功功率波動最大幅度為25 MW，約3.8%Pn，勵磁電壓最大幅度為67 V（額定428 V）。有功振蕩波形呈現周期性，幅度時大時小，振蕩頻率為1.4 Hz，屬于機組本機振蕩頻率范圍。

2 加速功率型PSS的工作原理

2.1 工作原理

加速功率型PSS采用轉速（或頻率）、電功率2個信號輸入，能夠消除單信號（電功率）輸入可能引起的反調現象。若采用頻率信號，當系統運行方式發生變化時，可能引起系統動態穩定性或勵磁系統工作穩定性下降，因此一般采用轉速信號作為信號輸入[8]。典型的加速功率型PSS原理如圖2所示。

在不考慮機械阻尼時，同步發電機的轉子運動方程可以表示為：

圖2 加速功率型PSS模型

式中：Tj為機組的轉動慣量（包括原動機）；Tm為原動機轉矩；Te為發電機的電磁轉矩。

在標幺系統（額定轉速下）中，可以認為轉矩和功率是等值的，因此得到式（2）：

式中：Pm為機組機械功率；Pe為機組電功率。

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將式（2）寫成偏差形式，并進行拉普拉斯變換，可得：

使用計算到的合成機械功率偏差減去電功率的偏差得到加速度功率變化量ΔPa，即：

式中：G（s）為陷波器函數，也稱軸系扭振濾波函數，其表達式見式（5）：

陷波器主要作用是過濾發電機合成機械功率偏差信號中頻率較高的各種噪聲信號及機組軸系扭振信號，并保證低頻信號通過。一般要求在反調頻率范圍，最好在小于2 Hz范圍內，陷波器增益接近1。

當機組機械功率保持不變時，合成機械功率變化量基本為零，加速功率變化量可表示為：

加速功率型PSS等效為PSS1A模型。當電功率變化量為0時，加速功率變化量也為0。

當機組升降負荷時，轉速基本不變，因此，合成機械功率變化量與電功率變化量相等，加速功率變化量可表示為：

因陷波器在反調頻率范圍內，增益接近1，因此加速功率變化量 ΔPa接近0，加速功率型PSS輸出為0，不會引起反調現象。

2.2 角速度信號獲取

發電機角速度獲取方法一般有2種：第一種是在發電機大軸上加裝測速裝置直接獲取；第二二是通過測量定子電壓、電流等信號推導獲得。

第二種方法獲取角速度信號不需要增加其他設備，方法簡單，信號穩定，目前基本所有加速功率型PSS均采用該方法。但該方法獲得的并不是實際角速度轉速信號，容易出現測量、計算等干擾信號。若干擾信號ωn疊加到轉速信號ω時，加速功率變化量ΔPa輸出將變為：

當機組機械功率、電功率均保持不變時，加速功率變化量仍會有輸出，其輸出與轉速干擾變化量及陷波器函數有關，即：

干擾信號中頻率較低部分，能夠通過陷波器，將可能作為強迫振蕩源誘發機組功率振蕩。

由式（9）可以看出，抑制功率振蕩主要有2種方法：修改陷波器參數；消除轉速測量模塊缺陷。

3 原因分析

通過分析試驗波形發現：勵磁電壓Uf、無功功率∑Q3L和∑P3L存在很大的相關性，勵磁電壓波動超前無功功率約0.1 s，無功功率波動超前有功功率約0.09 s，如圖3所示。

圖3 勵磁電壓與功率相位關系

發電機的機端電壓、勵磁電壓、機組有功和機組無功之間存在極大的關聯性。若勵磁電壓波動滯后機組無功和機組有功波動，說明外部原因引起勵磁電壓的波動，即振蕩由外部引起；若勵磁電壓超前機組無功和有功，則說明勵磁電壓先出現擾動，即擾動由勵磁系統引起。如圖3所示勵磁電壓超前，則說明勵磁系統內部的原因引起功率振蕩。

結合PSS投入/退出波形，現場判斷未勵磁系統中的PSS功能異常，現場采取重新整定PSS補償參數、調整PSS放大倍數等多種措施后，功率振蕩依然存在，因此判定功率振蕩非PSS參數定值引起，而是由測量模塊引起。

UNITROL5000勵磁系統所采用的PSS模型如圖4所示。

圖4 UNITROL5000所用PSS模型

采用調試工具分別獲取PSS輸入、輸出以及內部變量，同時獲取了采用相同勵磁系統的2號機組數據進行對比，詳見表1。

由表1數據可知，正常運行時4號機組PSS輸出為0.58%，遠大于2號機組的輸出（0.04%），主要原因是4號機轉速測量結果經濾波后的數值仍較大（0.22%），2號機該參數為0。該參數說明機組轉速變化量較大，按照4號機PSS轉速輸入為0.33%，反推算可知機組轉速變化為9.9 r/min（額定轉速為3000 r/min），而實際機組轉速變化遠小于該數值，因此，可以確定PSS轉速測量存在問題，也正是由于這個原因才引發了機組的功率振蕩。

表1 PSS各環節輸出對比

4 事件處理

4.1 修改陷波器參數

陷波器G（s）典型參數為：T8=0.5，T9=0.1，M= 5，N=1。在BPA模型中M和N為固定值，由于建模需要，只修改 T8和T9，調整 T8=0，T9=0.3，調整前后諧波器的頻譜特性如圖5所示。

圖5 不同陷波器參數幅頻特性

從幅頻特性上看，調整后的陷波器，在0.5 Hz以下的頻段，幅值大于0.3；到1 Hz時幅值接近于0。可見，對于0.5 Hz以下的低頻噪聲濾除效果不是很明顯，對于1 Hz以上的噪聲消除十分明顯。

現場實測表明，調整后PSS輸出干擾明顯減小，濾波效果較為明顯，但無法完全消除轉速測量干擾引發的機組功率振蕩，同時也削弱了加速功率型PSS抑制反調的能力。此種方法只需修改定值即可實現，無需機組停機，簡單方便，但不能從根本上解決問題，只可作為臨時措施，不建議長期運行。

4.2 消除轉速測量模塊缺陷

造成機組功率振蕩的原因是轉速測量模塊的輸出存在較大干擾信號，可通過消除轉速測量模塊缺陷，消除轉速測量引起的Δωn。根據式（9）可知，當機組機械功率、電功率均保持不變時，加速功率變化量輸出為0。現場采用更換測量板件的方法來完善轉速計算方法，更換測量板件后，重新投入PSS的波形如圖6所示。

圖6 更換PSS測量模塊后電量波形

由圖6可以看出，PSS投入后功率波動小于3 MW，與投入前功率波動相近。

5 結語

闡述了因加速功率型PSS轉速測量產生低頻干擾而引發機組功率振蕩的原理，提出了抑制機組功率振蕩的2種措施。

結合某660 MW機組的功率振蕩，詳細分析了事故過程及發生原因，并將2種抑制措施應用于該機組，對比分析了他們的效果、優缺點以及適用范圍。

考慮到勵磁電壓、機組有功功率和無功功率之間存在電氣控制關系，根據試驗曲線勵磁電壓與有功功率的相位關系，確定了低頻振蕩的原因，為后續低頻振蕩事故調查提供了參考。

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（本文編輯：方明霞）

Analysis on Power Oscillation of Units Caused by Speed Measurement of PSS Based on PSS2A

XIONG Hongtao1，LU Haiqing1，WANG Zongheng2，XIE Yong3
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Hangzhou Yineng Electric Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310014，China；3.Yuhuan Power Plant，Huaneng Power International Inc.，Taizhou Zhejiang 317604，China）

The paper expounds the principle of power oscillation of units caused by low-frequency interference from speed measurement of PSS based on PSS2A.According to its generation mechanism，the paper also proposes two suppression methods.Taking power oscillation of a 660 MW unit as research object，the paper determines the cause of power oscillation by analyzing the phase relationship between excitation voltage and active power，adjusting the values of PSS and comparing PSS intermediate variables of different units.At last，the paper analyzes and compares the advantages，disadvantages and the applicable scope of the two suppression method by applying them to the unit.The analysis shows that the power oscillation can be fundamentally eliminated by erasing defects of rotation speed measurement module.

accelerating power；power system stabilizer（PSS）；speed measurement module；power oscillation

TM712

：B

：1007-1881（2017）03-0009-04

2016-12-14

熊鴻韜（1984），男，工程師，從事發電機勵磁控制和電力系統穩定研究工作。