運(yùn)行工況對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定影響的研究

吳跨宇，陳新琪

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，尤其是大量遠(yuǎn)距離大容量輸電的超高壓、特高壓線路的投運(yùn)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)低頻振蕩問(wèn)題，制約了輸電容量和距離，降低了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器中附加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS），是解決電力系統(tǒng)低頻振蕩問(wèn)題最成熟有效和經(jīng)濟(jì)可行的方法。

目前PSS參數(shù)普遍采用現(xiàn)場(chǎng)整定，整定方法已經(jīng)相對(duì)成熟。然而進(jìn)行PSS整定試驗(yàn)和參數(shù)計(jì)算時(shí)，由于試驗(yàn)工況和條件的限制，無(wú)法全面模擬各種可能出現(xiàn)的PSS運(yùn)行工況。試驗(yàn)工況的不同，會(huì)導(dǎo)致PSS參數(shù)整定的差異，進(jìn)而可能導(dǎo)致PSS難以全面覆蓋要求的頻段，不良的PSS參數(shù)甚至?xí)趸囟l段內(nèi)的阻尼。試驗(yàn)工況不同對(duì)PSS參數(shù)整定的影響雖然在《電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則》[1]（以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)則）中有相應(yīng)規(guī)定約束，但是在以往的整定試驗(yàn)過(guò)程中并未得到量化考慮。因此，通過(guò)仿真來(lái)量化分析和總結(jié)運(yùn)行工況對(duì)PSS參數(shù)整定的影響，提出對(duì)策就顯得非常必要。

1 PSS原理與整定試驗(yàn)方法

1.1 PSS工作原理簡(jiǎn)述

PSS是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的一個(gè)附加控制，它的控制作用通過(guò)AVR的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。PSS通過(guò)轉(zhuǎn)速偏差Δω、功率偏差ΔPe、頻率偏差Δf中的1～2個(gè)信號(hào)作為輸入，采用超前滯后環(huán)節(jié)來(lái)補(bǔ)償勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)時(shí)滯，產(chǎn)生圖1中所示的與Δω同軸的附加轉(zhuǎn)矩來(lái)增加系統(tǒng)阻尼，抑制系統(tǒng)低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加系統(tǒng)功率輸送能力。

圖1中，快速勵(lì)磁產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩ΔTE在Δδ軸上產(chǎn)生正的投影，即正的同步轉(zhuǎn)矩，但容易在Δω軸上產(chǎn)生負(fù)的投影，即負(fù)的阻尼轉(zhuǎn)矩。正確整定后PSS產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩ΔTPSS則在Δω軸上產(chǎn)生較大的正阻尼轉(zhuǎn)矩，在Δδ軸上產(chǎn)生較小的同步轉(zhuǎn)矩?？梢?jiàn)，合成后轉(zhuǎn)矩ΔTE有了正的阻尼轉(zhuǎn)矩和更大的同步轉(zhuǎn)矩，從而抑制發(fā)電機(jī)由于阻尼轉(zhuǎn)矩不足產(chǎn)生的振蕩失步和同步轉(zhuǎn)矩不足產(chǎn)生的滑行失步。

圖1 AVR及PSS產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩

加速功率型PSS采用發(fā)電機(jī)電氣功率和轉(zhuǎn)速信號(hào)作為輸入，可以很好地抑制有功功率快速變化時(shí)無(wú)功功率的波動(dòng)[2]。其陷波器環(huán)節(jié)還能用于阻隔發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系扭振信號(hào)，目前在大型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。

1.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器現(xiàn)場(chǎng)整定方法

現(xiàn)場(chǎng)PSS參數(shù)整定試驗(yàn)中，最重要的是測(cè)量勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性，其測(cè)量方法如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償頻率特性測(cè)量

動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀產(chǎn)生特定頻段的掃頻正弦或白噪聲信號(hào)疊加到電壓給定端。分析儀通過(guò)計(jì)算工程上用于替代發(fā)電機(jī)有功功率的機(jī)端電壓相對(duì)于輸入信號(hào)的頻率響應(yīng)特性，得到勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性（以下簡(jiǎn)稱滯后特性）[3]。然后通過(guò)計(jì)算相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)來(lái)得到滿足導(dǎo)則要求的PSS+AVR有補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性。可見(jiàn)，勵(lì)磁系統(tǒng)滯后特性測(cè)量結(jié)果直接決定了PSS的參數(shù)整定。以下通過(guò)各種運(yùn)行工況下的勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性仿真，分析運(yùn)行工況對(duì)滯后特性及PSS參數(shù)整定的影響方式和程度。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行工況的影響

2.1 仿真系統(tǒng)概況

仿真基于PSASP電力系統(tǒng)分析綜合程序進(jìn)行，系統(tǒng)采用4臺(tái)發(fā)變組共母線帶2條500 kV出線后連接至無(wú)窮大系統(tǒng)的基礎(chǔ)拓?fù)?。汽輪發(fā)電機(jī)額定容量733 MVA，額定有功660 MW，額定電壓20 kV，仿真采用實(shí)測(cè)自并勵(lì)勵(lì)磁模型和參數(shù)。仿真基礎(chǔ)工況為發(fā)電機(jī)有功660 MW，發(fā)電機(jī)無(wú)功30 Mvar，調(diào)差系數(shù)Xc＝-0.08。

2.2 分別采用Eq′和Ut反饋的滯后特性差別

根據(jù)單機(jī)對(duì)無(wú)窮大系統(tǒng)的線性化模型Phillips-Heffron的描述，PSS的輸出經(jīng)過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)放大輸出成勵(lì)磁電壓后，再經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組后才在氣隙中產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩。真正代表這一附加轉(zhuǎn)矩的電氣量為Eq′。但在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，Eq′幾乎無(wú)法測(cè)量，工程上常用發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓Ut來(lái)代替Eq′作為滯后特性測(cè)量的反饋[3]，然而，Eq′和Ut對(duì)測(cè)量輸入的響應(yīng)特性并不完全一致。

在PSASP中首先進(jìn)行給定運(yùn)行方式下的潮流計(jì)算和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，再調(diào)用小干擾穩(wěn)定計(jì)算模塊。其中的算法及功能選擇線性化頻域響應(yīng)計(jì)算，輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)勵(lì)磁模型中的Vs，即AVR中的PSS信號(hào)疊加點(diǎn)，輸出信號(hào)選擇對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)模型下的Vt或Eq′，分別代表發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢(shì)。計(jì)算完成后選擇線性化頻域響應(yīng)輸出，可選擇直接曲線輸出或者Excel報(bào)表輸出方式獲取計(jì)算結(jié)果的原始數(shù)據(jù)。以下的仿真結(jié)果圖均采用Excel報(bào)表輸出數(shù)據(jù)經(jīng)與橫坐標(biāo)合成后繪制。Eq′和Ut對(duì)測(cè)量輸入的響應(yīng)特性仿真結(jié)果如圖3所示。

圖 3 Eq′/Us和 Ut/Us特性差別

由圖3可見(jiàn)，Eq′/Us和Ut/Us特性最大的區(qū)別在本機(jī)振蕩頻率點(diǎn)附近。Eq′/Us特性基本為一平滑過(guò)渡曲線，而Ut/Us特性則在本機(jī)振蕩頻率點(diǎn)有明顯下跳。因此，在根據(jù)Ut/Us特性整定計(jì)算時(shí)，對(duì)于導(dǎo)則要求的補(bǔ)償范圍-80°～-135°通常在下限處難以滿足。如果沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到兩者特性的差異，一味追求滿足-80°～-135°范圍，則很容易出現(xiàn)整定后的PSS補(bǔ)償特性過(guò)度超前，不利于低頻段阻尼特性，并會(huì)削弱同步轉(zhuǎn)矩。同時(shí)也容易出現(xiàn)兩級(jí)超前滯后無(wú)法滿足補(bǔ)償要求，不利于后續(xù)的模型轉(zhuǎn)換。因此在低頻段滿足小于-80°時(shí)，如果在本機(jī)震蕩點(diǎn)附近超過(guò)-135°，但2 Hz附近又進(jìn)入補(bǔ)償要求范圍的，可以認(rèn)為Eq′/Us已經(jīng)進(jìn)入-80°～-135°的補(bǔ)償要求。

另外，總體上Eq′/Us的滯后角度在0.2～1 Hz頻段內(nèi)要略微大于Ut/Us，最大角差接近10°。因此，如果為了滿足中高頻段補(bǔ)償需要，根據(jù)Ut/Us相頻特性進(jìn)行的低頻段有補(bǔ)償特性略微大于-80°， 也可以認(rèn)為 Eq′/Us已經(jīng)滿足-80°～-135°要求。

2.3 調(diào)差設(shè)置對(duì)滯后特性測(cè)量的影響

進(jìn)行PSS參數(shù)整定試驗(yàn)時(shí)，一般會(huì)控制發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)遠(yuǎn)離各限制點(diǎn)運(yùn)行。因此，能影響勵(lì)磁系統(tǒng)滯后特性測(cè)量的主要是勵(lì)磁控制主環(huán)中的參數(shù)。而勵(lì)磁控制主環(huán)中起決定性因素的PID參數(shù)和一些勵(lì)磁系統(tǒng)具備的內(nèi)環(huán)反饋環(huán)節(jié)[4]，在投產(chǎn)試驗(yàn)或者勵(lì)磁建模試驗(yàn)時(shí)已經(jīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)試整定。由于調(diào)差系數(shù)在進(jìn)行PSS參數(shù)整定試驗(yàn)前調(diào)度部門(mén)往往還未正式下達(dá)，而采用臨時(shí)整定值，因此調(diào)差系數(shù)是唯一直接進(jìn)入勵(lì)磁控制主環(huán)又容易被忽視的環(huán)節(jié)。

圖4可見(jiàn)，在調(diào)差系數(shù)Xc分別為0和-8%時(shí)，Eq′/Us和Ut/Us特性最大差別均出現(xiàn)在0.5 Hz附近，且最大角差接近20°，負(fù)調(diào)差帶來(lái)更大的滯后角。因此，在PSS參數(shù)整定時(shí)首先應(yīng)記錄和正確設(shè)置測(cè)量滯后特性時(shí)的調(diào)差系數(shù)，有條件的應(yīng)該在不同調(diào)差系數(shù)下測(cè)量幾組滯后特性數(shù)據(jù)以備參考。在整定參數(shù)時(shí)則應(yīng)適當(dāng)考慮日后調(diào)差系數(shù)可能出現(xiàn)的變化方向，適當(dāng)調(diào)整補(bǔ)償角度偏超前或偏滯后，力爭(zhēng)調(diào)差系數(shù)出現(xiàn)可能的變化后，PSS還能在全頻段內(nèi)滿足補(bǔ)償要求。

圖4 不同調(diào)差系數(shù)下滯后特性差別

2.4 同廠其余機(jī)組PSS投退的影響

同母線發(fā)電機(jī)的PSS投入和退出情況下的勵(lì)磁系統(tǒng)滯后特性仿真如圖5所示。

圖5 同母線機(jī)組PSS投退的滯后特性差別

同廠同母線機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，在PSS投入時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具有更好的阻尼特性，然而仿真結(jié)果顯示，Eq′/Us和Ut/Us特性差別均很小。因此，在PSS試驗(yàn)時(shí)，可以忽略其余機(jī)組PSS運(yùn)行狀況的影響。

3 機(jī)組與系統(tǒng)運(yùn)行工況的影響

3.1 機(jī)組有功功率的影響

導(dǎo)則規(guī)定，PSS參數(shù)整定試驗(yàn)時(shí)機(jī)組有功功率應(yīng)大于80%額定有功功率。發(fā)電機(jī)在不同的有功功率運(yùn)行點(diǎn)，其阻尼特性也有差別。發(fā)電機(jī)分別在額定和80%額定有功功率下的滯后特性差別如圖6所示。

圖6 100%和80%額定有功功率下的滯后特性差別

圖6中可見(jiàn)，在本機(jī)振蕩頻點(diǎn)以下，額定有功功率下的Eq′/Us特性滯后角要小于80%下的滯后角，在大于本機(jī)振蕩頻率點(diǎn)的頻段內(nèi)，額定有功功率下的Eq′/Us特性滯后角反而要大于80%下的滯后角，且Ut/Us特性在本機(jī)振蕩點(diǎn)附近則出現(xiàn)了超過(guò)50°的大角差。這一特性決定了一般情況下，如果PSS參數(shù)整定試驗(yàn)在額定有功功率下進(jìn)行且有補(bǔ)償特性能滿足-80°～-135°的范圍要求，則其它小于額定有功功率運(yùn)行工況下也能滿足補(bǔ)償要求。

因此，PSS參數(shù)整定試驗(yàn)應(yīng)盡量在接近額定有功功率的工況下進(jìn)行。如果因條件限制試驗(yàn)機(jī)組無(wú)法達(dá)到額定有功出力，則在參數(shù)整定時(shí)應(yīng)適當(dāng)縮小-80°～-135°的補(bǔ)償范圍要求（例如-85°～-130°），以保證PSS在額定有功出力下能滿足補(bǔ)償要求。

3.2 機(jī)組無(wú)功功率的影響

導(dǎo)則規(guī)定PSS參數(shù)整定試驗(yàn)時(shí)的機(jī)組無(wú)功功率應(yīng)小于20%額定無(wú)功功率。發(fā)電機(jī)在不同的無(wú)功功率運(yùn)行點(diǎn)，其阻尼特性也有差別。發(fā)電機(jī)在30 Mvar（即約 9%額定無(wú)功功率）和 150 Mvar（即約47%額定無(wú)功功率）下的滯后特性仿真差別如圖7所示。

圖7 9%和47%額定無(wú)功功率下的滯后特性差別

圖7可見(jiàn)，總體上無(wú)功功率的影響小于5°，無(wú)功大，滯后角度偏小。但對(duì)Ut/Us在本機(jī)振蕩點(diǎn)附近影響較大，最大角差接近30°。因此，如果滯后特性是在無(wú)功功率很小的情況下測(cè)得，建議首先保證低頻段正確補(bǔ)償，以保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行在無(wú)功功率較高點(diǎn)時(shí)，低頻段仍能滿足小于-80°的要求。在此基礎(chǔ)上再考慮本機(jī)振蕩點(diǎn)大于-135°的補(bǔ)償要求。

3.3 機(jī)組機(jī)端電壓的影響

導(dǎo)則對(duì)PSS試驗(yàn)時(shí)的發(fā)電機(jī)電壓無(wú)確定要求，由于PSS試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行工況的不同，即使同廠同類型機(jī)組，試驗(yàn)時(shí)機(jī)端電壓也會(huì)有差別。發(fā)電機(jī)電壓的大小會(huì)影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子功角，進(jìn)而影響到阻尼特性。發(fā)電機(jī)相同有功功率和無(wú)功功率下，電壓分別為1 pu和0.95 pu的滯后特性仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 100%和95%額定電壓下的滯后特性差別

圖8可見(jiàn)，Ut/Us特性分別在高低頻段出現(xiàn)2次相交，因此測(cè)量得到的滯后特性可以認(rèn)為基本重疊，即電壓對(duì)特性影響可以忽略。但是Ut/Us在本機(jī)振蕩點(diǎn)附近的角差達(dá)到20°，電壓低滯后角度大。而Eq′/Us特性在低頻段有約4°的差別，在本機(jī)振蕩點(diǎn)后面的高頻段近乎重疊。因此，如果補(bǔ)償計(jì)算是對(duì)Ut/Us在本機(jī)振蕩點(diǎn)附近進(jìn)行平滑處理后進(jìn)行，機(jī)端電壓對(duì)滯后特性測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。

3.4 單機(jī)運(yùn)行與全廠滿發(fā)的影響

同廠4臺(tái)機(jī)滿發(fā)和僅試驗(yàn)機(jī)組滿發(fā)2種工況下的滯后特性仿真如圖9所示。

圖9 4機(jī)與單機(jī)滿發(fā)的滯后特性差別

圖9可見(jiàn)，總體上同母線機(jī)組的出力情況僅對(duì)本機(jī)振蕩點(diǎn)參數(shù)略有影響，因此，整定計(jì)算時(shí)可以忽略同母線其它機(jī)組出力情況。

3.5 電廠出線數(shù)量的影響

發(fā)電廠出線的數(shù)量直接影響到發(fā)電機(jī)與大系統(tǒng)的聯(lián)系電抗進(jìn)而直接影響到發(fā)電機(jī)功角，因此，出線數(shù)量必將明顯影響發(fā)電機(jī)阻尼特性。發(fā)電機(jī)分別在1條和2條出線情況下的滯后特性仿真如圖10所示。

圖10 1條和2條出線下的滯后特性差別

由圖10可見(jiàn)，出線數(shù)量即聯(lián)系電抗主要影響Eq′/Us在低頻段的特性，出線少的滯后角明顯更小，即低頻段阻尼更弱。因此，在進(jìn)行整定計(jì)算時(shí)出線數(shù)量高于本機(jī)振蕩點(diǎn)的頻段影響可以忽略。對(duì)于本機(jī)振蕩點(diǎn)以下的低頻段，如果出線數(shù)量比正常時(shí)少或有在建線路尚未投運(yùn)的，補(bǔ)償可以偏超前，如果出線全部投運(yùn)，則可以補(bǔ)償?shù)钠珳蟆?/p>

4 小結(jié)

上述仿真分析可見(jiàn)，對(duì)PSS參數(shù)整定時(shí)的滯后特性測(cè)量影響較大的工況主要有勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差設(shè)置、發(fā)電機(jī)有功功率、無(wú)功功率和發(fā)電廠出線數(shù)量即系統(tǒng)聯(lián)系電抗。其它諸如同母線機(jī)組的出力、PSS的投退情況、發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓等對(duì)滯后特性測(cè)量影響不大。

通過(guò)全面仿真分析和總結(jié)提出的各種運(yùn)行工況對(duì)PSS整定計(jì)算影響的對(duì)策，可供勵(lì)磁和電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析專業(yè)人員參考。正確整定投運(yùn)后的PSS能在更廣的頻段范圍內(nèi)提供更大的附加阻尼，在機(jī)組和系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況下能更好地發(fā)揮作用。

[1]Q/GDW 143-2006電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則[S].

[2]IEEE Std421.5-2005 IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies[S].

[3]竺士章.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)[M].北京∶中國(guó)電力出版社,2005.

[4]Q/GDW 142-2006同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)建模導(dǎo)則[S].

[5]方思立，蘇為民.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器配置、構(gòu)成、參數(shù)計(jì)算及投運(yùn)試驗(yàn)[J].中國(guó)電力，2004，37（10）∶8-13.

[6]周雙喜，蘇小林.電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性研究的新進(jìn)展[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007，19（2）∶1-8.

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