發電機深調進相工況下加速功率型電力系統穩定器特性分析

摘要：加速功率型電力系統穩定器（PowerSystemStabilizer，PSS）在發動機深度調峰進相中，由于計算誤差大，有可能導致功率低頻、振蕩這些問題的產生。為解決這些問題，闡述如何進行系統的穩定性分析，并且借助仿真測試驗證系統分析的合理性，具體是通過勵磁裝置采用電氣量計算轉速的方法，通過求解，獲得有功、無功狀態下轉速靈敏度分析。通過這一分析驗證現場理論分析的精準度，對系統穩定研究有一定的參考價值。

關鍵詞：深度調峰進相工況加速功率電力系統穩定器低頻電抗參數

中圖分類號：TM712

CharacteristicAnalysisofPowerSystemStabilizerwithAcceleratedPowerUnderDeepPhaseModulationofGenerator

YANGLiu1WANGHaihai2LANXin3

NanchangKechenElectricPowerTestResearchCo.，Ltd.，NanchangCity，JiangxiProvince，330000China

Abstract：PowerSystemStabilizer（PSS）withacceleratedpowermaycauseproblemssuchaslowfrequencyandoscillationofpowerduetolargecalculationerrorsduringdeeppeakmodulation&n_{50bh91z4gcL/aHJfAZ7IOovOWz+aCdB/5GytT9PdrXE=}bsp;oftheengine.Inordertosolvetheseproblems，thispaperdescribeshowtoanalyzethestabilityofthesystem，andverifiestherationalityofthesystemanalysiswiththehelpofsimulationtests.Specifically，themethodofcalculatingtherotationratebyelectricgasthroughtheexcitationdeviceisadopted.Throughsolving，thesensitivityanalysisoftherotationrateunderactiveandreactivestateisobtained，andtheaccuracyoftheon-sitetheoreticalanalysisisverifiedthroughthisanalysis.Ithasacertainreferencevalueforthestudyofsystemstability.

KeyWords：Deeppeakmodulation;Phasecondition;Acceleratedpower;Powersystemstabilizer;Lowfrequency;Reactanceparameters

電力系統穩定器是自動電壓調節器所具備的附加勵磁控制裝置，可提供附加阻尼轉矩來提高系統阻尼，對穩定系統和抑制低頻振蕩有重要的作用。在該技術的使用過程中，還可以改善模型在有功狀態下的“反調”現象，關于這個方面現階段的研究論文非常多。我國目前朝著新型電力系統的方向發展，在這個背景下新型電力系統強調電力安全，傳統運行中機組低負荷運行狀態下電力系統穩定器仍舊具備極好的性能，但是不少火電機組深度調峰過程中，進相工況發生功率振蕩，導致電網運行不穩定，引發振蕩事件，這提示人們仍舊需要加強對電力系統穩定器的研究，只有不斷研發新技術才可以適應新時期的高質量的要求。

1技術背景

在我國全國聯網背景下，區域電網之間會存在0.1～0.3Hz的低頻震蕩，以單一的電功率作為輸出信號的電力系統穩定器，該設備會導致0.1～2.0Hz頻率之間的低頻震蕩“反調”現象越發嚴重，不利于系統的穩定可靠。最開始用單一電功率輸入簡單信號后，“反調”會變得更嚴重，新時期自動發電控制（AutomaticGenerationControl，AGC）廣泛使用，整體的調節速度加快，電網不允許用閉鎖的方式來解決“反調”，這種情況下需要使用扭振頻率來解決，這個過程中使用簡單的電功率加軸速度雙輸入信號并不能解決“反調”的問題，唯一有效的措施是加速功率。這是因為電功率作為輸入信號的穩定器在具體的工作中，其原理是設定的機械功率恒定，在調整功率的時候電功率就會代替加速功率。

現代電力不斷發展，弱聯系的電網和長距離輸電線路、電網快速勵磁系統的使用成為當前電網的主要特征，這些特征導致電力系統阻尼降低，低頻振蕩的可能性大大增加影響到系統的穩定與可靠。電力系統穩定器有物理概念清楚和電路簡單等優勢，成為抑制低頻的主要措施，為確保系統的穩定與可靠，在投運之前，需要進行參數的整定，如此才可以達到理想的阻尼效果。目前可使用試湊法或者是頻譜分析儀把白噪聲信號輸入調節器之內，測量未投入電力系統穩定器時候的電壓相頻，逐一對比電力系統穩定器的參數，在其中找到合理的參數值。這種方法只能找到一組可接受參數，要想優化參數方案，需要投入大量時間去對比，這個過程實際很難實現，而且參數設定依賴實驗人員的現場經驗，一般人很難完成[1]。

2加速型電力系統穩定器的原理

2.1不同工況下作用機理

典型的加速功率型電力系統穩定器傳遞函數如圖1所示。在該圖中，分別用△表示轉速變化量與電功率變化量；T表示時間常數；時間常數主要用于過濾軸系扭振與噪聲信號；M與N表示陷波器函數；K表示電力系統穩定器增益、電功率的計算補償、功率匹配系數等。

圖中可知，表示課程機械功率的偏差和陷波器函數相乘，再與電功率的變化量相減，具體為：

在式（1）中，表示機組總轉動慣量。在機組運轉中，系統側振蕩，導致發電機有功功率的變化，在引起變化后，與之間的經過隔直、積分之后，數值相等且極性相反，在輸出后，得到=0，加速度功率變化量為負電功率偏差的積分，在增益、超前等環節，具備抑制震蕩的功能，具體功能實現是：

在式（2）中，若發電機有功功率產生變化，且變化是由原動機的機械功率產生變化所引發，此時的變化會很明顯，變化不明顯，二者合成之后，得到0，此號在通過陷波器之后，和電功率的偏差量相減。陷波器在反調的范圍之內，增益數值無限接近1，在兩者相減之后，加速功率的變化信號很小，此時電力系統穩定器輸出的近似值為零。加速功率型電力系統穩定器是利用加速功率信號平衡機械功率改變，讓電力系統穩定器僅僅在發生低頻振蕩的時候起作用。

2.2轉速計算

在勵磁裝置中，采集到機端電壓和電流之后，計算發電機軸內的電勢，求取角頻×率為機組轉速信號，再輸入給。發電機電動勢與電壓之間的相互如圖2所示。

按照圖2坐標顯示，結合上圖關系來看，與軸之間的夾角表示為：，在句式中，對進行求導，能夠得到角頻率。電壓與軸之間的夾角，可通過電壓信號來過零點檢測。市場上廠家勵磁處理方式基本上一致，但在擾動過程中，如何計算精準的發電機的是電力系統穩定器轉速獲取的難點。計算的公式為：

通過對進行計算，獲得角速度，計算公式如下：

在式（4）中：表示有功；表示無功；表示發動機的電壓；X表示勵磁廠家的整定電抗參數。

3振蕩事故分析

3.1振蕩概述

現場穩定運行的發電機，其額定功率為660MW。振蕩前的初始運行過程中，該發電機的額定功有功功率為99MW，其中包含15%的額定功率。測定在該運行狀態下的無功為10Mvar，本文是在這個狀態下進行電力系統穩定器的試驗，該工況下涉網的性能滿足要求。在進相試驗中，電廠運行人員進行減磁操作，讓無功在運行中降低到-170Mvar之后，此時的機端電壓和有功功率等產生振蕩，在該工況下，有功的功率波動為5MW，勵磁波動為25V，在推出電力系統穩定器之后，振蕩現象消失。

3.2負阻尼的原因

進行工況的過程中，影響電力系統穩定器作用的原因包含信號測量、隔直、相位補償和電力系統穩定器的增益等不同環節。在工作現場，大負荷工況狀態下，深調進相工況下的掃描測試、勵磁的參數定值，在諸多的測試中記錄下對應參數，結合振蕩過程的勵磁調節器PSS內部變量輸出，進而分析出現負阻尼的原因以便于后續的分析和調整[2]。結合具體分析可知，電網在運行過程中，電網功率振蕩發生的時候，電力系統穩定器正確的運動邏輯讓其在合成后接近零，在高頻濾波后，只有一組參數進入電力系統穩定器中，為滯后的系統提供正阻尼。但是結合本項目工況來看，振蕩數值為變量的五倍，造成輸出=參數的浮動，在同相位的影響下，振蕩幅值是輸出參數的2倍，本應該進入電力系統穩定器的超前之后輸入變量從“-”變成“+”，“反調”形成，導致電力系統穩定性出現反向作用。技術人員與電廠聯系確認，了解到本次的振動并非電動機異常調節所導致的，因為在工控中有功功率的測定正常，但是部分無用參數不能對消。在工控中，引發電力系統穩定器產生負阻尼的原因就是輸出不正常，在電力系統穩定器轉速的計算下，造成這種變化成倍放大，這是由于深調進相狀態下導致的負阻尼，進而產生功率振蕩的原因。

3.3仿真分析

利用實驗室，進行實時數據仿真系統的搭建，具體開展對發電機、主變壓器和輸電線路等進行仿真，對于信號不同的勵磁調節器裝置，分別進行數字物理的混合仿真測試。通過測試可發現，電力系統穩定器在特殊工況狀態下，阻尼特性均會變差，比如深度調峰、進相工況等部分，甚至會出現負阻尼[3]。

3.4電力系統穩定器適應性分析

若設有功率為，相同電氣量微小波動狀態下，真實的轉速信號也可以認為這個很小，同時固定。通過電氣量計算方法，能得到轉速變化量受電抗參數值、機組運行所產生的影響。為分析這細微的影響，了解微小波動下不同電抗參數、工況下的轉速變化，可通過函數式求導來計算。求導結果的物理意義是在設定的條件下，對無功功率微小波動后，對轉速變化量所產生的影響：函數值越大，說明微小波動產生的影響越大；求導結果絕對值越小，轉速的變化量也會越小。若是相同的功率狀態下，真實轉速變化量是固定的。函數式為：

首先，分析有功對微小波動轉速產生的變化，結合公式進行推導可得到對應的參數。根據計算，可知電抗參數的整定值偏大，這就會導致機組在運行過程中，在深調和進相的環節，因為有功的波動導致轉速偏差增大，導致系統會輸出比理論轉速更大的數字，從而導致穩定器的輸出異常[4]。

其次，進行無功功率的分析，結合參數設計與工況分析，深調進相工況下，若無功功率是遲相、無功功率波動相通過，這種狀態下對系統的穩定性比較小。但無功進相運行且波動相同工況下，不同的電抗參數就會影響到轉速。因此，使用電氣量計算機組的轉速，在對應的波動下，轉速準確性會受到電抗參數、機組運行的影響，即電抗參數整定值越大、機組有功越低、進相越深，計算出的轉速值就會越大，和真實之間產生巨大的偏差，部分狀態下轉速和電功率之間無法對消而出現阻尼特性的偏差。

3.5優化實驗

在660MW機組深調工控下，出現電力系統穩定器的振蕩影響。為解決這一影響，對電抗參數進行調整：其中分別取1.5p.u.、0.55p.u.，此時投入電力系統穩定器，在有功為99MW、無功為10MVar的基礎上進行減磁實驗，當=1.5p.u.時，出現振蕩；但當調整=0.55p.u.后，減磁到-230Mvar，此時運行平穩，進相實驗合理，振蕩問題被解決[5]。

為進行深入研究，將取值在0.20p.u.、0.55p.u.、1.10p.u.、2.00p.u.的狀態下，投入電力系統穩定器，在這個相狀態下調整機端電壓，可得到不同情況下的機端電壓擾動參數。本次項目中=0.55p.u.后即可得到很好的實驗效果。

4結語

綜上所述，電力系統穩定器在當前成為電網領域內研究的熱點，在系統中，電抗參數整定值偏大是導致機組深調進相工況下出現振蕩的主要原因，振蕩發生后經過電力系統穩定器，信號幅值被放大，再產生阻尼。文章經過分析之后，闡述負阻尼的出現影響因素和優化調整過程，確認在合適參數狀態下有良好的狀態。

參考文獻

• 韓兵，吳龍，施一峰，等.大型發電機高頻軸系扭振下PSS附加阻尼特性仿真研究[J].大電機技術，2024（2）：88-96.

[2]和萍，云磊，趙琛，等.基于MSSA的PSS與UPFC-POD參數和UPFC位置協調優化[J].電力系統保護與控制，2024，52（1）：174-187.

[3]黃柯維，張元棟，任忠芳，等.某巨型水電站電力系統穩定器（PSS2B）的試驗及參數整定[J].水電與新能源，2023，37（6）：40-44.

[4]霍承祥，于大海，馬曉光，等.勵磁系統動態增益對凸極發電機動態阻尼的影響[J].電力系統自動化，2022，46（7）：116-121.

[5]管弘武.基于虛擬功角-勵磁雙環架構的構網型虛擬PSS控制方法[D].吉林：東北電力大學，2022.