海外某660 MW機組接入臨時系統(tǒng)PSS試驗方案探討

黃曉鵬，于永良，丁永允，段海洲，魏 來

(1.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

1 故障概況

海外某660 MW機組調(diào)試升負荷過程中發(fā)生低頻振蕩事故，振蕩前有功功率為380 MW，無功功率為70 Mvar，PSS功能未投入，振蕩過程中有功功率逐漸發(fā)散，振蕩頻率為0.4 Hz左右，振蕩過程持續(xù)7 min。起初有功波動幅值為60 MW左右，由于此振蕩一直未平息，振蕩后期有功功率、無功功率、機端電壓逐步發(fā)散，最終振幅達到200 MW，導(dǎo)致系統(tǒng)故障跳閘，機組與系統(tǒng)解列，并造成全廠失電。機組低頻振蕩曲線見圖1。

圖1 機組低頻振蕩曲線

文獻[1]介紹了由調(diào)速系統(tǒng)引起的低頻振蕩，根據(jù)現(xiàn)場對調(diào)速系統(tǒng)檢查，當系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時，汽輪機蒸汽調(diào)節(jié)閥變化幅度很小，變化幅度不足以引起有功功率的大幅變化，因此排除此臺機組由于調(diào)速系統(tǒng)引起的低頻振蕩。隨后對機組當前接入系統(tǒng)進行分析，通過系統(tǒng)阻抗計算判斷機組與系統(tǒng)為弱連接，當負荷升高到一定程度時極易發(fā)生低頻振蕩，通過上述分析決定投入PSS解決機組低頻振蕩問題，使機組達到滿負荷試運要求。勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機主要參數(shù)見表1。

表1 勵磁系統(tǒng)型號和發(fā)電機主要參數(shù)

2 PSS試驗工況選取

根據(jù)DL/T 1231—2018《電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗導(dǎo)則》對機組試驗工況的要求，被試機組有功功率應(yīng)大于60%額定值，無功功率小于20%額定值。由于機組運行至58%額定負荷時就會發(fā)生低頻振蕩，系統(tǒng)阻尼接近于零。因此無法在有功功率為60%額定值時進行PSS試驗。文獻[2]表明試驗工況對勵磁系統(tǒng)滯后特性影響較大，勵磁系統(tǒng)滯后特性影響因素還包括勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)和系統(tǒng)聯(lián)系電抗。此項目勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)暫定為零，系統(tǒng)聯(lián)系阻抗經(jīng)過計算約為0.8。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)模型見圖2。

圖2 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)模型

采用海佛容-菲利普斯發(fā)電機模型可計算得到模型中各個參數(shù)K1-K6，根據(jù)圖2可知，主要影響勵磁系統(tǒng)滯后特性的參數(shù)只有K3和K6，當系統(tǒng)聯(lián)系電抗和發(fā)電機電抗確認時K3為固定值，此項目計算得0.33。表2為不同有功功率下K6的計算值，其計算條件為調(diào)差系數(shù)為零，系統(tǒng)聯(lián)系電抗為0.8，無功功率為45 Mvar，機端電壓為1.5 kV。不同有功功率下K6的數(shù)值見表2，不同工況下勵磁系統(tǒng)滯后特性見圖3。

表2 不同有功功率下K6的數(shù)值

圖3 不同工況下勵磁系統(tǒng)滯后特性

圖3利用Matlab軟件計算出的勵磁系統(tǒng)無補償特性，在低頻段0.2～0.6 Hz，不同機組有功功率的勵磁系統(tǒng)滯后角度最大相差在15°左右；0.7～2 Hz，滯后角度最大相差小于10°。因此不同工況下試驗主要影響的是勵磁系統(tǒng)滯后特性，K6數(shù)值越小，勵磁系統(tǒng)滯后角度越大。

為使PSS試驗過程中不造成機組低頻振蕩跳閘，在無法達到60%額定負荷試驗工況時，可選取使機組低頻振蕩負荷90%進行PSS試驗，試驗過程中一旦發(fā)生振蕩無法平息的情況，應(yīng)迅速降低負荷平息振蕩，如果仍無效果，應(yīng)將機組解列。本項目引起低頻振蕩跳機負荷約為385 MW，選取試驗有功工況為350 MW。如圖5所示無PSS的2%負載階躍響應(yīng)阻尼比只有0.02左右，如果再提高有功功率進行PSS試驗，系統(tǒng)阻尼將接近于零，易造成機組振蕩跳機。

3 勵磁系統(tǒng)PSS超前滯后特性整定

3.1 PSS超前滯后的補償原則

根據(jù)導(dǎo)則，通過調(diào)整PSS相位補償，使附加力矩在0.1～0.3 Hz(不含0.3 Hz)頻段超前△ω軸不應(yīng)大于30°，在0.3～2.0 Hz 頻率的力矩向量在超前Δω軸20°至滯后Δω軸 45°之間，同時PSS不應(yīng)引起同步力矩顯著削弱而導(dǎo)致振蕩頻率進一步降低、阻尼進一步減弱。

低頻振蕩主要有區(qū)域間振蕩和局部振蕩兩種類型。前者是系統(tǒng)的一個區(qū)域機群對于另一個區(qū)域機群的振蕩，振蕩頻率一般較低，在0.1～0.7 Hz。局部振蕩是電氣距離較近的少數(shù)發(fā)電機之間的相互振蕩，該振蕩局限于區(qū)域內(nèi)，頻率范圍為0.7～2 Hz。根據(jù)機組低頻振蕩跳閘記錄，低頻振蕩在0.3～0.5 Hz?，F(xiàn)場2%負載階躍響應(yīng)曲線有功功率低頻振蕩頻率為0.53 Hz。通過運行觀察和階躍試驗，低頻振蕩的頻率主要集中在0.3～0.7 Hz，屬于區(qū)域間振蕩?？紤]此機組接入的系統(tǒng)并不完善，PSS補償原則應(yīng)為機組有功功率運行至60%～100%額定負荷區(qū)間，在0.3～0.7 Hz頻段的附加力矩在Δω軸接近于零，使PSS抑制低頻振蕩的能力在此頻段發(fā)揮最強效果，達到機組帶滿負荷的目的。

3.2 基于“定點補償”PSS整定

由表3發(fā)電機進相運行數(shù)據(jù)可知，機組有功功率在330 MW時，發(fā)電機無功功率+30 ～-20 Mvar變化過程中，系統(tǒng)電壓從420 kV變?yōu)?85 kV，說明在同一有功功率下，無功調(diào)節(jié)范圍變化不大，如果保持基本相同的發(fā)電機電壓給定值，勵磁系統(tǒng)無補償特性在不同有功負荷下基本為固定值，因此可以準確進行“定點補償”。由表4可知，機組在不同有功負荷下維持機端電壓給定值不變時，K6計算結(jié)果基本保持不變，負荷從350 MW變至550 MW勵磁系統(tǒng)滯后特性基本保持不變。因此在350 MW進行PSS有補償試驗時，在0.3～0.7 Hz低頻段附加力矩在Δω軸接近于零即可。圖4中有補償相角為PSS補償相角和無補償擬合角度之和。勵磁系統(tǒng)有補償特性相角，在0.4～0.8 Hz時補償角度值為-85°～-90°，低頻段附加力矩在Δω軸接近于零，表5為PSS參數(shù)整定值。

表3 50%額定負荷發(fā)電機進相試驗數(shù)據(jù)

表4 不同負荷下機組運行參數(shù)

圖4 勵磁系統(tǒng)PSS補償特性

表5 PSS整定參數(shù)

表5中，TW1-TW4為隔直時間常數(shù)；T7、T8、M、N為濾波環(huán)節(jié)參數(shù)；KS1-KS3為增益；T1-T4，T10，T11為超前/滯后環(huán)節(jié)時間常數(shù)。

4 PSS增益的整定

4.1 PSS增益試驗測試

觀察PSS輸出為零時投入PSS，觀察勵磁調(diào)節(jié)器的輸出或發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓有無持續(xù)振蕩。如無持續(xù)振蕩則增大PSS增益，直至勵磁調(diào)節(jié)器的輸出或發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓出現(xiàn)微小、持續(xù)振蕩時為止，此時的增益即為臨界增益，通過試驗臨界增益測定為15。PSS運行增益取臨界增益的20%～30%，2%負載階躍試驗見表6。

有PSS的振蕩頻率應(yīng)是無PSS振蕩頻率的80%～120%；有PSS比無PSS的負載階躍響應(yīng)的阻尼比應(yīng)有明顯提高，其中有PSS的負載階躍響應(yīng)的阻尼比應(yīng)大于0.1。根據(jù)圖5和表6不同增益負載階躍的試驗結(jié)果，選擇KS1=5作為運行增益。

表6 2%負載階躍試驗

圖5 2%發(fā)電機負載階躍曲線

4.2 PSS增益運行觀察

電力系統(tǒng)振蕩有一定的隨機性，表7為機組運行若干天的運行記錄。未投PSS功能，有功功率在380 MW以上時，系統(tǒng)阻尼基本為零，極易發(fā)生低頻振蕩。PSS中的增益KS1=5投入，在負荷達到530 MW，系統(tǒng)阻尼基本為零，多次發(fā)生低頻振蕩。增益KS1=5時仍不能滿足滿負荷運行的要求。PSS中的增益KS1=8投入，負荷達到機組滿負荷運行。

表7 投入PSS前后機組運行過程中有功振蕩對比

4.3 PSS增益根據(jù)實際情況調(diào)整

PSS是個閉環(huán)控制系統(tǒng)，增加PSS增益值可以增加機電振蕩模式阻尼，減小電氣振蕩模式的阻尼。增益過大會引起電氣振蕩模式振蕩的負阻尼，使系統(tǒng)失穩(wěn)，電氣振蕩的頻率一般為3～7 Hz，因此PSS中的KS1受限于勵磁系統(tǒng)的電氣振蕩特性[3-4]。臨界增益試驗過程中導(dǎo)則要求發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓出現(xiàn)等幅或接近等幅值振蕩為止。文獻[5-6]在臨界增益現(xiàn)場試驗過程中轉(zhuǎn)子電壓均波動超過當前值的15%，而本項目試驗過程中，KS1=15時僅僅為輕微的轉(zhuǎn)子電壓波動。因此臨界增益的提升還有一定余量，增加增益的同時，可以重點觀察3～7 Hz電氣振蕩的情況。根據(jù)實際有功功率低頻振蕩情況，同時考慮PSS反調(diào)和勵磁調(diào)節(jié)器的輸出幅值進行PSS增益的調(diào)整，盡可能滿足機組滿負荷運行的需要。

5 PSS參數(shù)優(yōu)化

文獻[3]認為現(xiàn)有參數(shù)整定方法在高頻段增益上翹造成了整體增益裕度偏小，導(dǎo)致了低頻段模式下運行增益不足的問題。如能夠在低頻段時保持增益不變的同時降低高頻段最高增益值，就可以提高整體的增益穩(wěn)定裕度。利用現(xiàn)有PSS 2B第3個超前滯后補償環(huán)節(jié)，可以在不改變中低頻段的增益同時，降低最高增益值，提高整體增益裕度。對于超前滯后環(huán)節(jié)(1+T10s)/(1+T11s)，當設(shè)置為T11>T10時，其相頻特性滯后，幅頻特性為衰減。設(shè)計目標為減小0.1～2 Hz滯后角度的同時，盡量減小3 Hz以上增益。

PSS 2B三階不同參數(shù)有補償相頻特性的具體數(shù)據(jù)見圖6。三階環(huán)節(jié)(0.08s+1)/(0.1s+1)在0.3～0.8 Hz范圍內(nèi)，三階參數(shù)滯后小于5°左右，相位補償均可以滿足要求，高頻段大于3 Hz時，幅值衰減至85%以下。在 0.1～2 Hz頻段內(nèi)，三階的增益較優(yōu)化前有一定提高。

圖6 三階環(huán)節(jié)參數(shù)幅頻及相頻曲線

采用PSASP程序，利用機組參數(shù)和模型建立單機無窮大系統(tǒng)，進行此項目定性的仿真分析。仿真工況有功功率為400 MW，無功功率為80 Mvar，機端電壓為額定電壓。勵磁系統(tǒng)采用表1參數(shù)，PSS參數(shù)采用表5參數(shù)。通過仿真試驗表明，三階參數(shù)可以提高臨界增益，從而提高系統(tǒng)阻尼比，最終提高機組在臨時系統(tǒng)中的帶負荷能力。

二階和三階參數(shù)仿真結(jié)果見表8，通過對三階參數(shù)和二階參數(shù)對比仿真試驗，PSS的臨界增益由35變?yōu)?5，阻尼比由0.26提高至0.3。通過上述仿真結(jié)果表明，可以通過適當調(diào)整PSS三階參數(shù)，提高系統(tǒng)阻尼。

表8 二階和三階參數(shù)仿真結(jié)果

6 結(jié)語

本文主要針對海外某660 MW項目調(diào)試升負荷過程中發(fā)生低頻振蕩跳機后，對PSS的試驗整定進行了探討。試驗工況選取原則，在達不到60%額定負荷試驗工況的情況下，應(yīng)選取機組低頻振蕩負荷的90%進行試驗。PSS超前滯后參數(shù)整定原則，將不同運行工況下頻發(fā)的系統(tǒng)振蕩頻率和本機振蕩頻率附加力矩補償至Δω軸接近于零，使PSS阻尼轉(zhuǎn)矩發(fā)揮最強作用。PSS增益整定原則，首先滿足導(dǎo)則整定的要求，根據(jù)實際有功功率低頻振蕩情況，同時考慮PSS反調(diào)和勵磁調(diào)節(jié)器的輸出幅值進行PSS增益的調(diào)整，盡可能滿足機組滿負荷運行的需要。PSS參數(shù)優(yōu)化原則，整定三階參數(shù)在不影響PSS補償超前滯后角度的情況下，盡可能增大臨界增益。本項目最終調(diào)整PSS增益KS=8使機組帶至滿負荷完成機組試運行工作。