PSS頻率采樣故障誘發機組功率振蕩分析

張 偉，黃怡青

（五凌電力有限公司碗米坡電廠，湖南 湘西 416500）

碗米坡電廠裝機容量3×80 MW，1～3號機均為單元接線，220 kV母線為單母線不分段接線，由兩回220 kV出線接入系統,機組勵系統采用自并勵勵磁系統,勵磁調節器裝置為ABB UN5000型微機勵磁調節器，型號為Q5T-0/U2H1-D2000,調節器采用PID+PSS控制方式,配備有以△Pe、△ω為輸入信號的PSS。

1 事件過程

1.1 振蕩前運行工況

2015年6月1日22：00，碗米坡電廠運行工況：1～3號機運行，其中1號機有功77.4 MW，無功-5.3 Mvar；2號機有功77.2 MW，無功-5.5 Mvar；3號機有功77.7 MW，無功-5.5 Mvar；碗巖Ⅰ線有功110.6 MW，無功-22.7 Mvar；碗巖Ⅱ線有功110.4 MW，無功-22.7 Mvar；220 kV母線電壓227.7 kV,系統頻率50.0 Hz；全廠AGC功能投入，有功單機成組可調，一次調頻功能連片投入。

1.2 事件過程

2015年6月1日22：04：09，2號機突發有功功率在27～126 MW、無功功率在22～-15 Mvar異常波動,勵磁電壓、勵磁電流、功角同時波動振蕩，勵磁系統P/Q、欠勵限制、定子過流限制、發電機保護定子過負荷保護頻繁報警動作。為抑制功率振蕩，運行人員采取手動減2號機組有功至20 MW(PSS退出定值30%Pe)，機組振蕩平息，再恢復振蕩前有功負荷后，振蕩再次開始。最終采取將2號機組勵磁調節器由Ⅰ通道切至Ⅱ通道運行，逐步增加有功至振蕩前值，機組運行穩定未出現振蕩。

圖1 2號機功率振蕩波形

2 事件分析

在2號機功率振蕩事件發生前，電廠各機組、主變、架空線路未發生短路等一次故障，勵磁系統、調速器未發生TV斷線、設備異常/故障報警等故障，電廠未投切大功率無功負荷。機組未因進相運行而失去靜態穩定。初步判斷2號機功率振蕩并非由于外部擾動引起，應與其控制系統出現異常有關，主要關注調速系統與勵磁系統在振蕩過程中的影響。

2.1 調速系統分析

以第一次振蕩作為典型情況分析調速器一次調頻與振蕩關系。碗米坡電廠1～3號機組導葉開度、有功功率、機組頻率波形見圖2。

圖2 1～3號機組導葉開度、有功功率、機組頻率的波形

圖2 表明：1～3號機組頻率于9.54 s開始起振，機組頻率、有功功率經過兩個波峰之后，2號機組導葉開度才出現減小現象，說明頻率振蕩先于一次調頻動作，因此，排除調速器一次調頻功能投入誘發功率振蕩的可能性。一次調頻動作所導致的有功功率減小幅度有限，依據一次調頻控制策略估算，有功功率理論上減小2.4 MW，但此時有功功率在27～126 MW區間波動，一次調頻所帶來的有功功率減小量被大幅度功率波動所淹沒。

綜合上述分析，得出以下結論：頻率振蕩越過一次調頻死區導致一次調頻頻繁動作；一次調頻動作滯后于功率振蕩，排除一次調頻動作誘發功率振蕩的可能性；一次調頻動作所帶來的有功功率減小量對減小有功功率振蕩作用有限。

2.2 勵磁系統分析

結合振蕩能力及轉矩分析理論[2]：“控制器力矩及振蕩能量計算結果可以直觀地反映出控制系統提供的阻尼的性質，判斷控制器功能是否正常，確定與擾動源強相關的、引起異常波動的原因。”將發電機速度偏差Δω與發電機暫態電勢ΔEq進行積分，將該積分定義為勵磁控制器力矩的振蕩能力。根據二者積分結果的正負，判斷發電機勵磁系統提供的阻尼為正或者為負。當積分結果為正時，勵磁提供的阻尼為正，當積分結果為負時，勵磁提供的阻尼為負。

根據以上理論，將碗米坡電廠2號機第一次振蕩過程的相關數據進行計算，得到如圖3所示的在振蕩過程中的勵磁系統力矩圖。

由圖3可知，自振蕩開始時刻即22：04：09開始，勵磁系統提供了明顯的負阻尼。因而確定，勵磁系統為此次碗米坡電廠2號機組功率振蕩的故障源。

圖3 2號機振蕩過程中勵磁系統提供的力矩

3 現場試驗及排查

對2號機組勵磁系統Ⅰ、Ⅱ通道主要數字量進行了長時間監測，發現2號機組Ⅰ通道PSS輸出量與同時刻Ⅱ通道不一致，隨機出現脈沖型突變，Ⅰ通道Δω(PSS輸入量)跳變明顯。同時刻，Ⅱ通道PSS輸出量未出現脈沖型突變，Ⅱ通道Δω未發生明顯跳變。在現場監視期間內（Ⅰ通道備用，Ⅱ通道運行），此類現象出現了百余次。經分析I通道MUB板可能由于元件老化等原因，造成Δω測量異常。

從圖4、圖5可以看到，Ⅰ通道PSS輸出量有明顯的脈沖型突變，而自動通道總輸出值雖有突變，但幅值較小。這是因為自動通道總輸出值不僅受PSS輸出量影響，還受電壓偏差量ΔU的影響。而電壓偏差量ΔU又由機端電壓采樣值、電壓給定值、電壓跟蹤偏差量等決定。電壓跟蹤偏差量是備用通道總輸出值跟蹤運行通道的修正量，只在備用通道有效。當作為備用通道的Ⅰ通道PSS輸出量發生脈沖型突變時，為使備用通道總輸出值跟蹤運行通道，電壓跟蹤偏差量對突變進行補充，導致Ⅰ通道自動通道總輸出值雖有突變，但幅值減小。當Ⅰ通道作為運行通道時，由于電壓跟蹤偏差量無效，自動通道總輸出值突變量將更大。

圖4 Ⅰ通道監視量

圖5 Ⅱ通道監視量

Δω測量原理如圖6：MUB板通過測量機端電壓Ut、機端電流It、并根據預先存儲在其內部RAM的電機橫軸電抗Xq，經過其內部專用模擬運算電路計算得到發電機內電勢Eq’，其與機端電壓Ut的相位即為功角，而功角的一階微分即得到角速度值。亦可通過直接求取Eq’與Ut角速度的差值得到發電機功角變化的角速度。該采樣回路中元器件損壞會對其采樣值產生較大影響。

圖6 MUB板Δω測量原理示意圖

UNITROL5000勵磁系統使用的是PSS2A數學模型，見圖7，PSS的輸入信號為V1和V2。V1表示轉子角頻率的變化量fEP，參數代碼為12014；V2表示機組的電功率P，參數代碼為10218。PSS的fEP和P輸入信號經過隔直，超前滯后，限幅等環節后形成PSS輸出信號，疊加至勵磁調節器AVR給定環節。在PSS2A功能中的fEP信號主要作用是防止PSS的反調功能，正常運行時是一條直線。當fEP信號采集異常時，會導致PSS輸出信號的跳變，相當于在勵磁調節器AVR主控環上疊加了一個脈沖型階躍，從而導致勵磁調節器輸出異常，引發有功功率、無功功率波動。

圖7 UNITROL5000勵磁系統的PSS模型

綜上所述，可得出以下結論：由于2號機勵磁調節器通道Ⅰ內MUB板的頻率采樣模塊故障，PSS函數模塊的頻率輸入參數△ω異常波動，PSS輸出的加速功率信號，在電壓相加點PSS控制電壓值引起PID模塊輸出控制電壓值異常，導致整流橋輸出異常波動，勵磁電流也發生異常波動。受220 kV系統制約，發電機機端電壓基本恒定，勵磁電流突然增加(減小)時，發電機勵磁電動勢Eq增加(減小)，功角δ也交替增加(減小)，并且PSS電壓信號△Upss產生的轉矩△Mpss與勵磁調節器產生的轉矩合成后，該電磁轉矩形成的制動轉矩小于機組的自然阻尼和電樞反應去磁效應產生的正阻尼作用，使得發電機輸出功率PM突然增加（減小），最終導致機組產生功率振蕩。

4 處理結果

2號機臨檢期間，完成勵磁調節器Ⅰ通道測量單元MUB板的更換，進行了PSS定值參數檢查、起勵和逆變滅磁錄波、空載通道測量、通道切換試驗、階躍響應等性能試驗。從圖8、圖9可看出投入PSS對增加機組阻尼，抑制有功低頻振蕩的效果很明顯。

圖8 PSS退出時3%電壓階躍響應

圖9 PSS投入時3%電壓階躍響應

5 結語

（1）經數據分析和異常處理措施表明：本次碗米坡電廠2號機組功率振蕩與其勵磁系統I通道自動輸出異常有關。2號機組Ⅰ通道PSS輸出量出現隨機脈沖型突變，導致I通道AVR總輸出出現對應脈沖突變，是導致本次碗米坡電廠機組功率振蕩事件的直接原因。

（2）勵磁調節器不具備采樣異常自檢功能，建議通過采取雙通道對比等方式完善相關自檢及異常處理功能。如增加勵磁調節器PSS輸出信號監測比較控制功能，兩個勵磁調節器分別對PSS輸出信號交叉采樣比較，當兩個調節器通道的PSS輸出信號差值的絕對值超過預定值時報“PSS異常”信號。