汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)PSS參數(shù)優(yōu)化

劉海峰

(云南大唐國際電力有限公司, 云南 昆明 650011)

1 設(shè)備概述

某廠汽輪機為哈爾濱汽輪機有限責(zé)任公司制造的亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、反動凝汽式汽輪機，調(diào)峰運行時采用定-滑-定壓運行，其中滑壓運行的范圍是(30 %～95 %)額定負(fù)荷(ECR)。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)為ABB公司的UN5000型靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，包括1臺勵磁變壓器，3面整流柜(+EG1、+EG2、+EG3)，1面交流進(jìn)線柜(+EA)，1面直流饋線柜(+EE)，1面AVR柜(+ER)，1面滅磁開關(guān)柜(+ES)以及1路起勵電源。

2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)優(yōu)化的必要性

目前，大容量機組普遍采用快速勵磁系統(tǒng)，雖然增加了電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定性能，但也可能因系統(tǒng)阻尼減弱而產(chǎn)生動態(tài)不穩(wěn)定，即振蕩失步問題。2003年以來，中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司先后多次發(fā)生頻率為0.4 Hz的低頻振蕩。根據(jù)事后的仿真分析，在某些電網(wǎng)運行方式下系統(tǒng)的弱阻尼是造成電網(wǎng)低頻振蕩的主要原因，而投入大機組的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)并合理地整定其參數(shù)是解決該問題的主要措施。2008年紅河電廠曾經(jīng)發(fā)生0.38 Hz頻率的持續(xù)功率波動，機組對電網(wǎng)產(chǎn)生一個持續(xù)的強迫擾動。該擾動的頻率與電網(wǎng)的某個振蕩模式(電網(wǎng)分析出云南、貴州電網(wǎng)對廣東電網(wǎng)存在約0.4 Hz的振蕩模式)比較接近，誘發(fā)電網(wǎng)產(chǎn)生低頻振蕩。振蕩起始階段為負(fù)阻尼，中間階段基本為零阻尼，然后逐漸平息。振蕩過程中，事故機組的閥門波動始終較大，但在電網(wǎng)大量PSS和調(diào)度及時采取直流調(diào)制等控制措施的作用下，系統(tǒng)阻尼增大，使得振蕩沒有繼續(xù)發(fā)散而逐步平息。該電廠事故機組在電網(wǎng)強阻尼的作用下也逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，避免了事態(tài)的擴大化。由此可看出電廠PSS參數(shù)優(yōu)化的必要性。

3 PSS工作原理

PSS采用轉(zhuǎn)速偏差(Δω)、頻率偏差(Δf)、加速功率偏差(ΔPa)、電功率偏差(ΔPe)中的一個或者幾個信號(一般為2個)作為AVR的附加輸入，產(chǎn)生阻尼力矩，以提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定。由于PSS具有物理概念清晰、參數(shù)易于選擇等優(yōu)點，目前正得到大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。為了更好地說明PSS是如何為系統(tǒng)提供正阻尼和抑制低頻振蕩的，可以建立如圖1所示的Δω/Δδ(功角偏差)坐標(biāo)系。

圖1 Δω/Δδ平面PSS原理

在低頻振蕩過程中，ΔPa，Δω，Δδ，ΔPe，ΔUt等遵從圖1所示的相位關(guān)系。由于AVR按電壓偏差信號ΔUt進(jìn)行調(diào)節(jié)，勵磁系統(tǒng)本身的慣性具有滯后特性，其產(chǎn)生的電磁力矩ΔM1滯后于Δδ一個角度Φ1。從圖1中可以看出，ΔM1在Δω軸上的分量是負(fù)值，提供負(fù)阻尼，為了消除這種負(fù)阻尼，需要提供一個附加控制信號，PSS就具有這種功能。以取加速功率偏差(ΔPa)為輸入信號的PSS為例，其產(chǎn)生的電磁力矩ΔM2滯后于ΔPa一個角度Φ2，Φ2包括勵磁系統(tǒng)對ΔPa產(chǎn)生的滯后角度和PSS環(huán)節(jié)的相位補償角度。為使機組穩(wěn)定運行并使最后合成的電磁力矩ΔM在Δω軸上的分量為正值，即提供正阻尼，則由PSS產(chǎn)生的電磁力矩應(yīng)滿足要求：在該電力系統(tǒng)低頻振蕩區(qū)內(nèi)使PSS輸出的力矩向量對應(yīng)Δω軸的角度為-10°～45°，并使本機振蕩頻率力矩對應(yīng)Δω軸的角度為0～30°。通過適當(dāng)調(diào)整PSS輸出信號的相位及放大倍數(shù)，就可使最后的合成力矩提供正的阻尼力矩及正的同步力矩。

4 PSS參數(shù)整定計算原則

根據(jù)《南方電網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗導(dǎo)則（試行）》的規(guī)定：0.2～2.0 Hz頻率范圍內(nèi)PSS輸出力矩向量滯后Δω軸的角度為-10°～45°；原則上要求PSS輸出力矩向量為0.4～0.8 Hz頻率范圍內(nèi)滯后Δω軸的角度為0～30°，并盡可能接近0。

5 AVR參數(shù)

1號發(fā)電機組電壓閉環(huán)PID參數(shù)：KR=500，TC1=1，TB1=10，TC2=TB2=0.025；機組調(diào)差系數(shù)為3 %，PSS臨界增益取值為10。

5.1 PSS輸入、輸出特性參數(shù)說明

發(fā)電機額定視在功率、額定轉(zhuǎn)速、額定頻率對應(yīng)的PSS輸入信號為1 p.u.(100 %)；PSS輸出信號疊加到AVR電壓相加點，1 p.u.對應(yīng)發(fā)電機端電壓額定值。

5.2 勵磁系統(tǒng)頻率特性測量

5.2.1 無補償頻率特性測量無補償頻率特性即勵磁系統(tǒng)滯后特性，為自動電壓調(diào)節(jié)器中PSS輸入點到發(fā)電機電壓間的相頻特性。測量是在并網(wǎng)運行的機組上進(jìn)行的，試驗條件是要求機組的功率因數(shù)盡量接近1。測量時通過PHOTONII動態(tài)信號分析儀輸出一個白噪聲信號至勵磁調(diào)節(jié)器的誤差環(huán)節(jié)，其響應(yīng)(機端電壓)經(jīng)過電壓變換器測試儀轉(zhuǎn)換后送入PHOTONII，測量包括勵磁系統(tǒng)在內(nèi)的發(fā)電機頻率響應(yīng)特性。這里電壓變換器測試儀將發(fā)電機端三相電壓轉(zhuǎn)換為一個直流電壓信號，主要作用是在發(fā)電機回路和試驗回路實現(xiàn)電氣隔離。

無補償頻率特性測量應(yīng)注意以下3點：

(1)適當(dāng)選擇信號大小和配置A／D變比，一般要求發(fā)電機電壓波動控制在1 %～2 %范圍內(nèi)；

(2)信號必須從0開始緩慢增大，防止沖擊；

(3)有時頻譜儀輸出和AVR間易產(chǎn)生共模干擾，使之無法得到光滑的頻響曲線，可通過在頻譜儀輸出和AVR間串接入光電隔離器解決。自并勵勵磁系統(tǒng)無補償相頻滯后較小，一般需要在低頻段進(jìn)行滯后補償，高頻段進(jìn)行超前補償。

5.2.2 勵磁系統(tǒng)有補償頻率特性測量

勵磁系統(tǒng)有補償頻率特性由無補償頻率特性與PSS單元相頻特性相加得到。試驗主要檢驗PSS現(xiàn)場試驗整定值對相位的補償是否能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

由無(有)補償頻率特性試驗結(jié)果可知，補償前相位由扣除電壓變換器之后所得；現(xiàn)場試驗過程中，由于裝置不具備有補償測試功能，因此現(xiàn)場未能完成裝置的PSS有補償特性測試，所以有補償結(jié)果由計算值給出。

由機組補償前后頻率特性及相頻特性可看出：在1.1 Hz時，PSS基本無補償；小于1.1 Hz時，提供滯后補償；大于1.1 Hz時，提供超前補償。在1.6 Hz時，有下凹點，滯后角度最大，為-142°，此點為振蕩頻率點。在0.2～2 Hz頻段內(nèi)，補償后相頻特性靠近Δω軸，PSS提供了較好的相頻補償。

6 整定內(nèi)容

6.1 PSS投退試驗

PSS投退試驗的目的是檢驗機組PSS投入與退出是否正常，投入退出瞬間是否產(chǎn)生大的擾動。由1號發(fā)電機PSS投退試驗波形可知，在PSS投退過程中，機組無功功率無異常波動，發(fā)電機組PSS可以正常投退。

6.2 PSS自動投退功能試驗

在機組PSS外部投入硬開關(guān)的情況下，PSS程序依據(jù)設(shè)定的自動投入、退出百分比(或者有名值有功功率)進(jìn)行投退。當(dāng)發(fā)電機實際發(fā)出有功功率大于PSS自動投入百分比(有功)時，PSS自動投入；當(dāng)發(fā)電機實際發(fā)出有功功率低于PSS自動退出百分比(有功)時，PSS自動退出。

經(jīng)過現(xiàn)場檢驗，該電廠2臺機組勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部PSS投入功率以有功功率PN作為投入功率標(biāo)幺值計算基準(zhǔn)，且該調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)設(shè)定的PSS門檻值進(jìn)行正確的PSS投退。

6.3 PSS主回路臨界增益試驗

結(jié)合機組的相頻特性測試結(jié)果，在計算出PSS試驗整定值的情況下，將PSS試驗整定值輸入AVR調(diào)節(jié)器之后，投入PSS，并逐步修改PSS的主回路放大倍數(shù)，直至發(fā)電機勵磁電壓及無功出現(xiàn)明顯的波動，此時對應(yīng)的PSS主回路放大倍數(shù)即為PSS在該整定參數(shù)情況下的臨界增益。

具體方法為：現(xiàn)場修改Ks1(時間繼電器)，當(dāng)Ks1由1逐步增加到10時，發(fā)電機無功功率、勵磁電壓出現(xiàn)較為明顯的波動，由此確定該機組在該參數(shù)情況下臨界增益為10；在之后的發(fā)電機電壓階躍試驗過程中，根據(jù)臨界增益最終得到了1號機Ks1為5。由1號發(fā)電機PSS臨界增益試驗圖可知，1號機無功功率Qmax=18.259 Mvar，Qmin=13.830 Mvar；1號機在臨界增益試驗過程中無功功率出現(xiàn)明顯的波動，說明Ks1=10已達(dá)到臨界增益值。

6.4 PSS投入與退出情況下電壓階躍的試驗錄波

PSS投入與退出情況下的電壓階躍試驗可用于檢驗PSS整定參數(shù)值的有效性。將PSS投入與退出情況下相同發(fā)電機機端電壓階躍的錄波圖進(jìn)行對比，根據(jù)發(fā)電機有功功率的振蕩波形分析PSS的效果可知，PSS投入情況下發(fā)電機有功功率的振蕩次數(shù)明顯少于PSS未投入情況下的振蕩次數(shù)。

由1號機組階躍試驗波形圖可知，PSS未投入情況下機端電壓1 %階躍有功功率周波震蕩為2～3個；PSS投入后，機端電壓1 %階躍有功功率周波震蕩為1～1.5個，振蕩衰減，正阻尼效果明顯，故PSS整定是有效的。

由于PSS I，II通道投入運行之后相同階躍量下機組有功功率只有1個振蕩周波，無法科學(xué)計算出其阻尼比，但是從振蕩次數(shù)分析，其相同階躍情況下的振蕩次數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯下降，因此認(rèn)為其阻尼已較大，能夠滿足預(yù)期要求。

6.5 PSS限幅功能試驗

PSS輸出最終疊加到AVR的PID上(絕大部分疊加到電壓疊加點上)，相當(dāng)于改變發(fā)電機的給定電壓。因此，PSS輸出限幅的大小將有效地影響PSS的作用效果?，F(xiàn)場試驗過程中將PSS輸出限幅修改到裝置允許的最小值0.1 %和正常運行所整定的限幅值10 %，在這2種情況下進(jìn)行發(fā)電機機端電壓的1 %階躍試驗。對比2者試驗波形發(fā)現(xiàn)，限幅越小，PSS作用越小，相同階躍情況下發(fā)電機有功功率振蕩次數(shù)多于限幅大者。但是，該情況的出現(xiàn)必須建立在階躍過程中PSS輸出限幅已經(jīng)達(dá)到所設(shè)定的最小限幅基礎(chǔ)上。

6.6 反調(diào)

在發(fā)電機運行過程中，不能確定PSS不能辨別機組有功功率改變是由于系統(tǒng)原因還是運行人員人為的增減負(fù)荷所導(dǎo)致的，因此，在PSS投入情況下，發(fā)電機有功功率改變將由于PSS的作用而產(chǎn)生無功功率向“相反”方向增減的現(xiàn)象，即發(fā)電機有功功率增加時無功功率降低；發(fā)電機有功功率降低時無功功率增加，這種現(xiàn)象稱為反調(diào)?！吨袊戏诫娋W(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)運行管理規(guī)定》(以下簡稱《規(guī)定》)要求：機組PSS反調(diào)量應(yīng)該在機組1/3額定無功功率范圍之內(nèi)。

由1號機組反調(diào)試驗錄波情況可知，在1號發(fā)電機的反調(diào)試驗過程中，發(fā)電機有功功率由285.2 MW下降至277.7 MW的過程中，無功功率Qmax=10.10 Mvar，Qmin=7.59 Mvar，變化量為2.51 Mvar。該機組PSS在反調(diào)過程中無功波動范圍在1/3額定無功范圍之內(nèi)，符合《規(guī)定》的要求。

7 結(jié)論

(1)在采用PSS試驗整定值的情況下，PSS補償后的相位在《規(guī)定》所要求的范圍之內(nèi)。

(2)該電廠1號發(fā)電機組PSS投退功能正常。

(3)在采用上文試驗的PSS整定值的情況下，機組PSS投入后的機組振蕩頻率和阻尼比能夠滿足《規(guī)定》的要求。

(4)在反調(diào)試驗過程中，發(fā)電機無功功率波動符合《規(guī)定》的要求。

(5)從機組PSS有補償頻率特性可以看出，補償后的相位符合《規(guī)定》的要求，且上文提供的參數(shù)能夠使該機組的PSS在0.2～2.0 Hz范圍內(nèi)正常工作。

(6)2臺機組經(jīng)過PSS參數(shù)優(yōu)化整定后，機組PSS自動投入至今運行良好，滿足《規(guī)定》的要求。

8 結(jié)束語

通過對電力系統(tǒng)低頻振蕩機理的分析，有助于加深對發(fā)電機組PSS的理解及更好地完成現(xiàn)場參數(shù)整定。300 MW機組現(xiàn)場試驗的順利完成及PSS投運后的顯著效果表明了PSS參數(shù)的合理性，同時也規(guī)范了現(xiàn)場操作流程，為開展同類型機組的PSS參數(shù)整定提供了借鑒。

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