水電站勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究

刁曉虹，夏潮

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192）

0 引 言

西部某水電站裝機(jī)容量3600MW，安裝6臺(tái)單機(jī)容量600MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，是國(guó)家“十五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目［1－2］。由于電網(wǎng)建設(shè)與電源建設(shè)、負(fù)荷發(fā)展存在時(shí)間差，現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和地區(qū)用電負(fù)荷難以滿足該水電送出的需求；水電送出需求和地區(qū)用電需求難以充分滿足。其次，該電網(wǎng)區(qū)外特高壓線路、區(qū)外部分重要輸電斷面的潮流及方向以及區(qū)外電網(wǎng)的阻尼特性顯著地影響該電網(wǎng)的穩(wěn)定水平，從而對(duì)該電網(wǎng)交流外送通道及區(qū)域內(nèi)主要水電送出通道的送電能力構(gòu)成壓力，限制了水電站的送電能力。2009年底，電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明：該水電站只要有1臺(tái)機(jī)組額定負(fù)荷運(yùn)行，在該區(qū)域某斷面N－1故障時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)失去動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題可以通過(guò)優(yōu)化并網(wǎng)機(jī)組的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（power system stabilization，PSS）參數(shù)來(lái)得到改善。本文在綜合考慮系統(tǒng)需求及機(jī)組穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，首先確定PSS參數(shù)優(yōu)化方案，然后對(duì)該電站5、6號(hào)機(jī)組進(jìn)行PSS參數(shù)優(yōu)化后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證工作［3］，最后對(duì)PSS參數(shù)優(yōu)化后該水電站的送出能力進(jìn)行計(jì)算，和原始參數(shù)下水電站的送出能力進(jìn)行比較，以證明PSS參數(shù)優(yōu)化方案的有效性和可行性［4］。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)原始參數(shù)及原始參數(shù)下水電站的送出能力

1.1 勵(lì)磁系統(tǒng)原始參數(shù)

水電站G1、G3、G5采用通用電氣加拿大公司生產(chǎn)的600MW水輪機(jī)，G2、G4、G6采用東方電機(jī)有限公司生產(chǎn)的600MW水輪機(jī)。G1G6發(fā)電機(jī)均采用東方電機(jī)有限公司的600MW水輪發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為ABB公司的UNITROL 5000型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是雙通道勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制方式采用的是比例積分微分（proportional integral derivative，PID）＋PSS控制。PID環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型如圖1所示，PSS可使用4型PSS，傳遞函數(shù)如圖2所示。圖1中：Ut為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓；TR為電壓采樣環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；Uref為參考電壓；UPSS為PSS輸出；UP＋為 AVR 輸出上限；UEF為調(diào)節(jié)器輸出電壓；UP－為AVR輸出下限；KR為增益；TC1、TC2、TB1、TB2為超前、滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。圖2中：ω0、PG0為角速度和功率參考值；ωG、PG分別為發(fā)電機(jī)角速度和功率；Trw為角速度控制時(shí)間常數(shù)；Kr為功率控制增益；Trp為功率控制時(shí)間常數(shù)；TW為慣性環(huán)節(jié)系數(shù)；TW1、TW2、T5、T6、T7為隔直環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；T9、T10、T12為高頻濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；T1、T2、T3、T4、T13、T14為超前、滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；KP為增益；Usmax、Usmin為PSS最大、最小輸出。

圖2中，PSS的原始參數(shù)為：T5＝T6＝T7＝5s；Trw＝0.02s；T9＝0.6s；T10＝T12＝0.12s；Kp＝3；Kr＝0.15；Tw＝0.54s；Tw1＝5s；Trp＝0.02s；Tw2＝5 s；T1＝0.25s；T2＝0.04s；T13＝T14＝0.1s；T3＝0.3s；T4＝0.03s；Usmax＝0.1pu；Usmin＝－0.1pu。

1.2 原始參數(shù)下水電站的送出能力

電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的研究方法包括頻域法［5－9］和時(shí)域法［7－9］，本項(xiàng)目在計(jì)算研究工作中以頻域法為主，并用時(shí)域法加以校驗(yàn)。通過(guò)時(shí)域法和頻域法對(duì)水電站機(jī)組PSS阻尼效果進(jìn)行評(píng)估，對(duì)比小干擾及大干擾穩(wěn)定計(jì)算時(shí)的阻尼比。其中大干擾暫態(tài)計(jì)算只對(duì)省間某雙回聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行了三相短路N－1故障的校驗(yàn)，故障點(diǎn)設(shè)置在500kV母線2%的位置，故障時(shí)間100ms。小干擾穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 小干擾穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of small signal stability

聯(lián)絡(luò)線三相短路N－1暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3，大干擾阻尼比為－0.329。

圖3 水電站6號(hào)機(jī)與三峽左岸1號(hào)機(jī)相對(duì)功角Fig.3 Opposite power angle of No.6generator in hydropower station and No.1generator in Three Gorges Left Bank Station

仿真結(jié)果表明：考慮水電站自帶旋轉(zhuǎn)備用，直流外送通道外送300MW時(shí)，水電站及相鄰電站最大輸出電力為1765MW，直流外送通道不外送時(shí)最大輸出電力為1365MW。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案

2.1 PSS針對(duì)主要振蕩模式進(jìn)行重點(diǎn)補(bǔ)償

按豐水期該電站4臺(tái)機(jī)和相鄰電站1臺(tái)機(jī)的開(kāi)機(jī)方式研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定水平，通過(guò)對(duì)該電網(wǎng)進(jìn)行小干擾穩(wěn)定分析，針對(duì)系統(tǒng)存在的與水電站強(qiáng)相關(guān)的振蕩頻率約0.33Hz的振蕩模式進(jìn)行研究。

2.2 提高PSS臨界增益

對(duì)電站勵(lì)磁系統(tǒng)PSS模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，以提高PSS臨界增益進(jìn)而提高機(jī)組運(yùn)行增益。優(yōu)化后PSS的參數(shù)有更平緩的幅頻特性，有效地降低了PSS高頻段的幅值，可以提高PSS的臨界增益。

2.3 PSS改用2B模型

此次優(yōu)化沒(méi)有對(duì)PID參數(shù)做出調(diào)整，因此勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償特性仍采用原始數(shù)據(jù)，PSS模型在原有PSS2A模型上增加一級(jí)超前滯后環(huán)節(jié)，改造為PSS2B模型［10］。使用多目標(biāo)魯棒參數(shù)優(yōu)化專用仿真軟件對(duì)該電站PSS參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后5、6號(hào)機(jī)的PSS參數(shù)為：TW1＝TW2＝TW3＝T7＝5s；TW4＝0s；T1＝0.1s；T2＝0.06s；T3＝0.5s；T4＝0.12s；T10＝0.2s；T11＝0.07s；T8＝0.6s；T9＝0.12s；M＝5；N＝1。參數(shù)優(yōu)化后的PSS較大幅度地降低引起發(fā)電機(jī)勵(lì)磁閉環(huán)系統(tǒng)電磁振蕩的因素，提高增益。

2.4 阻尼效果校核

分別在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)帶約50%負(fù)荷和100%負(fù)荷時(shí)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究，進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)后的PSS效果檢驗(yàn)。

3 PSS參數(shù)優(yōu)化后的仿真計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 有補(bǔ)償勵(lì)磁系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性仿真

根據(jù)PSS模型和仿真計(jì)算得到5、6號(hào)機(jī)PSS環(huán)節(jié)的頻率特性“φe”和勵(lì)磁系統(tǒng)的有補(bǔ)償特性“φe＋φpss”，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 相頻特性Fig.4 Phase－Frequency characteristics

由圖4可見(jiàn)，在0.12.0Hz的頻率范圍內(nèi)，由PSS產(chǎn)生的電磁力矩的阻尼分量為正（在0.1Hz附近，PSS2B模型參數(shù)比原始參數(shù)相位補(bǔ)償效果略有下降），PSS對(duì)地區(qū)振蕩頻率和聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)振蕩頻率都具有較好的阻尼，PSS相位補(bǔ)償可以滿足要求。

3.2 PSS增益調(diào)整試驗(yàn)

理論上講，在正確的相位補(bǔ)償下，PSS的增益越大，其提供的正阻尼越強(qiáng)，但實(shí)際上，電力系統(tǒng)是一個(gè)高階的復(fù)雜系統(tǒng)，增加PSS的增益雖然可以增加某些機(jī)電振蕩的阻尼，但如果PSS增益過(guò)大，也可能引起PSS調(diào)節(jié)環(huán)振蕩，使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定，此時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓和無(wú)功功率可能出現(xiàn)明顯擺動(dòng)甚至是等幅或增幅擺動(dòng)，因此，PSS實(shí)際存在一個(gè)能穩(wěn)定運(yùn)行的最大增益，即臨界增益。PSS的運(yùn)行增益一般取臨界增益的1／51／3，以留有足夠的增益裕度，水電站的運(yùn)行增益取臨界增益的1／2，增益裕度略低于這個(gè)水平。這主要是考慮到2個(gè)因素：（1）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的需要；（2）運(yùn)行增益KS1為15時(shí)，勵(lì)磁閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行正常，發(fā)電機(jī)未出現(xiàn)無(wú)功波動(dòng)現(xiàn)象，勵(lì)磁電壓穩(wěn)定。5、6號(hào)機(jī)的PSS運(yùn)行增益Ks1為15時(shí)，錄波圖見(jiàn)圖5。

圖5 取Ks1＝15時(shí)的錄波圖Fig.5 Recorded diagram as Ks1＝15

圖中：UAB為發(fā)電機(jī)機(jī)端線電壓；P為發(fā)電機(jī)有功功率；Q為發(fā)電機(jī)無(wú)功功率；UFD為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓；IFD為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。

3.3 PSS阻尼效果校核試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，先將PSS切除，進(jìn)行2%的電壓階躍試驗(yàn)，同時(shí)啟動(dòng)WFLC錄波，記錄有功功率的擺動(dòng)幅值和次數(shù)。將PSS投入，同樣工況下重復(fù)以上試驗(yàn)，記錄和觀察2次的錄波圖，PSS投入運(yùn)行時(shí)，有功功率的擺動(dòng)幅值和次數(shù)應(yīng)減少。

圖6為水電站5、6號(hào)機(jī)PSS退出和投入2種情況下的電壓階躍試驗(yàn)錄波圖。由圖6可以看出，PSS對(duì)于發(fā)電機(jī)組機(jī)的本機(jī)振蕩有明顯的抑制作用。

圖6 機(jī)端電壓2%階躍時(shí)的錄波圖Fig.6 Recorded diagram as 2%step of generator voltage

3.4 反調(diào)試驗(yàn)

PSS的原理是通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)的作用抑制有功功率的低頻振蕩，可以說(shuō)PSS是通過(guò)無(wú)功功率的波動(dòng)來(lái)抑制有功功率的波動(dòng)，所以，在正常情況下，投入PSS后較不投PSS時(shí)無(wú)功功率的波動(dòng)要大一些，只要無(wú)功功率的波動(dòng)在合適的范圍內(nèi)，就可認(rèn)為正常。另外，用電功率作為輸入信號(hào)的PSS在原動(dòng)機(jī)功率發(fā)生變化時(shí)，由于PSS自己不能區(qū)分系統(tǒng)波動(dòng)和原動(dòng)機(jī)功率波動(dòng)，仍然作用于勵(lì)磁系統(tǒng)，造成無(wú)功功率波動(dòng)，這種現(xiàn)象就叫“反調(diào)”［11－13］，如果反調(diào)的影響太大，就需要在執(zhí)行增減有功功率操作時(shí)閉鎖PSS的作用。PSS采用IEEE－2B模型從原理上講，是不會(huì)有“反調(diào)”的。

5、6號(hào)機(jī)組反調(diào)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。5號(hào)機(jī)組PSS無(wú)功反調(diào)試驗(yàn)時(shí)，有功功率從344MW下降到290MW，再?gòu)?90MW上升到344MW，無(wú)功反調(diào)現(xiàn)象不明顯。6號(hào)機(jī)PSS無(wú)功反調(diào)試驗(yàn)時(shí)，有功功率從344MW下降到320MW，再?gòu)?20MW上升到344MW，無(wú)功反調(diào)現(xiàn)象不明顯。

圖7 PSS反調(diào)試驗(yàn)Fig.7 Reverse action test of PSS

4 PSS參數(shù)優(yōu)化后水電站的送出能力

4.1 水電站送出1臺(tái)機(jī)

用電力系統(tǒng)綜合分析程序（PSASP）對(duì)水電站PSS參數(shù)優(yōu)化前后電網(wǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析［8］，小干擾穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果為：優(yōu)化前，振蕩頻率0.351Hz，阻尼比0.009，為弱阻尼；優(yōu)化后，振蕩頻率0.348Hz，阻尼比0.040，為中等阻尼。

聯(lián)絡(luò)線三相短路N－1暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

4.2 水電站送出4臺(tái)機(jī)

水電站開(kāi)機(jī)方式選擇為4臺(tái)機(jī)組，相鄰水電站開(kāi)機(jī)方式為1臺(tái)。故障設(shè)置為500kV雙回聯(lián)絡(luò)線一回線路靠近一端500kV母線側(cè)三相短路接地，線路跳閘。表2給出了優(yōu)化前和優(yōu)化后的暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。從暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果看，優(yōu)化后省間振蕩模式的大擾動(dòng)阻尼比明顯提高。

?

圖9為水電站機(jī)組相對(duì)于三峽水電站機(jī)組的相對(duì)功角曲線，優(yōu)化前在系統(tǒng)最嚴(yán)重的N－1故障下，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定失穩(wěn)。優(yōu)化后參數(shù)在系統(tǒng)最嚴(yán)重的N－1故障下，系統(tǒng)沒(méi)有失去穩(wěn)定。

圖9 水電站6號(hào)機(jī)對(duì)于三峽電站左1號(hào)機(jī)的相對(duì)功角曲線Fig.9 Opposite power angle of No.6generator in hydropower station and No.1generator in Three Gorges Left Bank Station

4.3 考慮旋轉(zhuǎn)備用

仿真計(jì)算結(jié)果表明：采用優(yōu)化的PSS2B模型，考慮水電站自帶旋轉(zhuǎn)備用，直流外送通道外送300MW時(shí)，水電站和相鄰電站最大輸出電力為2900MW，直流外送通道不外送時(shí)最大2700MW，分別比原始參數(shù)提高輸送能力31.4%和26.7%。

5 結(jié) 論

（1）水電站投運(yùn)初期，機(jī)組并網(wǎng)滿發(fā)時(shí)，系統(tǒng)中存在1個(gè)阻尼很弱的省間振蕩模式，該模式與該水電站送出能力強(qiáng)相關(guān)，嚴(yán)重威脅區(qū)域電網(wǎng)的安全。計(jì)算結(jié)果表明即使水電站自帶旋轉(zhuǎn)備用，水電站和相鄰電站最大輸送電力僅為1765MW，僅為2電站總裝機(jī)容量的41%。水電站機(jī)組投產(chǎn)初期，該振蕩模式頻率為0.351Hz，阻尼比為0.009的弱阻尼模式，這是限制水電站5、6號(hào)機(jī)組電力送出的主要原因。（2）對(duì)PSS參數(shù)優(yōu)化，是提高系統(tǒng)阻尼最有效、最經(jīng)濟(jì)快捷的手段。PSS參數(shù)優(yōu)化方案為提高PSS的臨界增益，將PSS模型由原有的PSS2A模型改造為PSS2B模型，增加1級(jí)超前滯后環(huán)節(jié)。參數(shù)優(yōu)化后的PSS高頻段幅值降低，減輕引起發(fā)電機(jī)勵(lì)磁閉環(huán)系統(tǒng)電磁振蕩的因素，提高了運(yùn)行增益。（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及2010年典型方式計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性和可行性，確定了PSS優(yōu)化參數(shù)。（4）優(yōu)化后的參數(shù)提高了該電網(wǎng)夏季豐水期電網(wǎng)的系統(tǒng)阻尼，保證了水電站滿負(fù)荷運(yùn)行4臺(tái)機(jī)組和相鄰電站滿負(fù)荷運(yùn)行1臺(tái)機(jī)組方式下該電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，可以將該水電站和相鄰電站開(kāi)機(jī)極限功率由1765MW提高到2900MW，達(dá)到總裝機(jī)容量的68.1%，提高量為總裝機(jī)容量的31.4%。

［1］夏潮，郭文波，沈成平.國(guó)電大渡河瀑布溝水電站勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究［R］.北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2010.

［2］夏潮，郭文波，沈成平.四川電網(wǎng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性對(duì)瀑布溝和深溪溝電站電能消納能力影響分析及應(yīng)對(duì)策略研究［R］.北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2010.

［3］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009：76－82.

［4］中國(guó)電力科學(xué)研究院.電力系統(tǒng)分析綜合程序說(shuō)明書［R］.北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2004.

［5］劉取.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007：306－310.

［6］黃順禮.抑制機(jī)組振蕩用國(guó)際典型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器［J］.電力建設(shè)，2002，23（9）：38－41.

［7］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，2008：124－145.

［8］Kundur P.電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2002：766.

［9］李文鋒，李瑩，吳琛.云南電網(wǎng)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)評(píng)估與PSS參數(shù)優(yōu)化研究［R］.北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2009.

［10］韓石成.小浪底水電廠電力系統(tǒng)穩(wěn)定器無(wú)功反調(diào)現(xiàn)象及分析［J］.水電能源科學(xué)，2007，25（2）：116－118.

［11］楊立強(qiáng)，王亮，趙紅光，等.加速型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的研制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（23）：57－60，80.