一次調頻試驗對電力系統穩定器的影響

劉世富，李銘銘，王春明

（1.山東電力研究院，山東 濟南 250002；2.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250002；3.華能德州電廠，山東 德州 253024）

0 引言

隨著大容量機組在電網中比例的不斷增加和用戶對電能質量要求的提高，電網頻率穩定性問題越來越被重視，大容量機組一次調頻響應的速度、一次調頻過程中積分電量的多少，對維持電網頻率穩定有著重要意義。隨著電力系統的擴大，快速勵磁系統的廣泛應用，電網聯絡線出現了低頻振蕩問題。為了保證電網安全，有效的抑制區域型低頻振蕩，機組需要投入PSS功能。一次調頻過程中會使機組有功快速波動，PSS會隨有功的變化而引起無功大幅波動，影響機組的穩定運行。

華潤電力（菏澤）有限公司1號機組發電機為東方電機股份有限公司設計制造的600 MW汽輪發電機，鍋爐為北京B&W公司按美國B&W公司制造，汽輪機為東方汽輪機廠引進日立技術制造的超超臨界壓力汽輪機，制粉系統采用一次風正壓直吹式磨煤機，給水調節配置2×50%B-MCR調速汽動給水泵，DCS采用艾默生公司生產的OVATION控制系統，DEH、ETS由東汽配套供貨設計的H5000M，大、小機TSI采用EPRO公司的MMS 6000系列監視系統，勵磁調節器為東方電機公司組裝生產的Untrol5000型微機勵磁調節器，PSS傳遞函數符合IEEEStd.421-2A模型的要求。

1 一次調頻

1.1 一次調頻介紹

我國電力工業法規定電網的頻率誤差率1%，電網通過機組的AGC功能及調頻機組實現二次調頻，保持電網頻率穩定，但對電網中快速的小的負荷變化需汽輪機調節系統（DEH）在不改變負荷設定點的情況下，監測到轉速的變化，改變發電機功率，適應電網負荷的隨機變動，保證電網頻率穩定，即一次調頻。一次調頻功能是通過調節汽輪機調門的開度，利用機組的蓄熱來快速響應電網頻率的變化。目前新建機組普遍應用DEH來進行汽輪機轉速和有功功率的控制。DEH中一次調頻功能是將汽輪機轉速與額定轉速的差值直接換算成有功功率指令。其中汽輪機額定轉速與實際轉速的差值經函數f（x）轉換后生成一次調頻因子，直接疊加到DEH的有功功率給定值上，以控制汽輪機的調門開度。一次調頻因子的設置包括頻差死區和轉速不等率兩個因素。頻差死區的設置是為了防止在電網頻差小范圍變化時汽機調門不必要的動作[1]。

1.2 一次調頻參數技術指標

一次調頻的主要參數技術指標有轉速不等率、調頻死區、調頻負荷范圍等。一次調頻轉速不等率（δ）是指機組調節系統給定值不變的情況下，機組功率P由0至額定值對應的轉速變化量（Δn）與額定轉速（n0）的比值，通常以百分數形式表示：

考慮到機組的功率變化，實際應用中用下式來表示轉速不等率

轉速不等率δ是反映機組調頻能力的重要指標，既反映了機組一次調頻能力的強弱，又表明了穩定性的好壞。轉速不等率δ越大，機組對電網的調頻能力越小，機組運行越穩定；轉速不等率δ越小，機組對電網的調頻能力越強，但機組運行的穩定性差。機組轉速不等率δ一般設置為 3%～6%。

調頻死區的設置主要是為了防止電網頻率在小范圍內波動時汽機調門的不必要的頻繁動作，調頻過于靈敏，不利于設備的安全運行。為了保持一次調頻時機組的穩定和機組的實際調頻能力及設備的安全，還需要對調頻負荷進行限幅，防止一次調頻動作時機組出現過負荷的情況。

根據《山東電網機（廠）網協調技術要求》調技[2008]106號文的要求，結合發電公司的實際情況，一次調頻的機組調速系統的速度變動率為4%～5%；調節死區設置為±2 r/min；最大一次調頻值為±6%；在機組負荷300～600 MW的范圍內允許投入一次調頻。

一次調頻死區：±2 r/min

功頻調差系數：K=-4 MW/r/min（相當于系統速度變動率：δ=5%）

一次調頻最大負荷變化幅度為額定負荷的±6%=36 MW

一次調頻負荷下限：300 MW

一次調頻負荷上限：600 MW

2 PSS及其參數整定

2.1 PSS工作原理

PSS是發電機勵磁系統的一個附加控制，它的控制作用是通過AVR的調節作用實現的。PSS通過轉速偏差Δω、功率偏差ΔPe、頻率偏差Δf中的1種或2種信號作為輸入信號，采用超前、滯后環節來補償勵磁系統中的時滯，產生圖3中所示的與Δω同軸的附加轉矩來增加系統阻尼，抑制系統低頻振蕩，提高電力系統穩定性，增加系統功率輸送能力。

圖1 AVR及PSS產生的轉矩

圖 1中，ΔTE為 AVR 產生的轉矩；ΔTPSS為PSS產生的附加轉矩；ΔT′E為合成轉矩。常規快速勵磁系統產生的轉矩ΔTE在Δω軸上產生負的投影，負的阻尼轉矩；PSS產生的附加轉矩ΔTPSS在Δδ軸上產生正的投影，正的同步轉矩。經過正確整定后的PSS產生的附加轉矩ΔTPSS則在Δω軸上產生較大的正阻尼轉矩，在Δδ軸上產生較小的同步轉矩。可見，經過合成的轉矩ΔT′E有了正的阻尼轉矩和更大的同步轉矩，從而抑制發電機由于阻尼轉矩不足產生的振蕩失步和由于同步轉矩不足產生的滑行失步[2]。

圖2所示華潤菏澤電廠1號機組Unitrol5000勵磁PSS模型。PSS2A模型為加速功率型PSS，它采用發電機電氣功率Pe和轉速Δω信號作為輸入，Pe和Δω在經過隔直環節后，穩態信號被濾除，經過數值變換得到加速功率的波動信號；再通過多階超前、滯后環節進行相位校正，得到超前于機組電氣功率波動相位的勵磁附加控制信號，經過限幅環節后疊加到AVR的PID輸入端。控制信號通過勵磁系統作用于發電機磁場，產生附加轉矩，抑制電氣功率在低頻振蕩范圍內的波動。

圖2 Unitrol 5000勵磁PSS模型

2.2 PSS現場試驗

現場PSS參數整定試驗中，首先要測量勵磁系統無補償頻率響應特性，然后通過計算調整相位補償環節時間常數來得到滿足上述要求的“PSS+VR”有補償頻率響應特性，確定PSS的臨界放大倍數[3]。將計算整定的參數輸入勵磁調節器，對1號機組勵磁系統進行2%階躍響應試驗，驗證PSS正阻尼效果（圖3、圖4）。試驗證明在本機振蕩頻率下，PSS相位補償正確，PSS環節很好的起到抑制系統低頻振蕩的作用。

圖3 未投入PSS情況下的2%階躍響應試驗

圖4 投入PPS情況下的2%階躍響應試驗

反調，就是發電機無功隨有功增減而減增，顯然不利于電力系統穩定，需要避免。在正常情況下，投入PSS后較不投PSS時勵磁系統的波動要大，只要無功功率的波動在合適的范圍內，就可認為正常。另外，用電功率作為輸入信號的PSS在原動機功率發生變化時，由于PSS自己不能區分系統波動和原動機功率波動，仍然作用于勵磁系統，造成無功功率波動，如果影響太大，就需要在執行增減有功功率操作時閉鎖PSS的作用，試驗結果證明反調的影響在正常范圍內，試驗情況見錄波圖。圖5為1號機組反調試驗錄波圖。

圖5 華潤菏澤1號機組PSS試驗反調錄波圖

3 一次調頻對PSS影響

根據華潤菏澤電廠試運指揮部的安排，PSS試驗于機組滿負荷168 h前完成，一次調頻試驗在168 h結束后進行。PSS試驗于2011年3月10日完成，一次調頻在3月19日進行。

本機組DEH只設計有手動和CCS控制兩種控制方式，且只有順序閥控制。據此，該機組熱態試驗在順序閥方式下共進行2種運行方式4個試驗，其中包括DEH手動和協調控制方式。分別在這兩種方式下進行機組11 rpm轉速偏差試驗，延遲時間滿足3 s要求，分別在15 s和45 s內負荷能達到調整要求，機爐電各主要參數基本穩定，滿足運行要求。

一次調頻試驗過程中，有功功率快速波動，考驗PSS無功反調是否滿足規程要求。第一，驗證不投入PSS情況下對電氣量的影響，勵磁運行在自動方式下，確認勵磁調節器以退出PSS功能，一次調頻進行機組11 rpm轉速偏差試驗，錄取發電機有功、無功等電氣量，通過電氣變化情況分析一次調頻對電氣量的影響。從試驗的錄波圖（圖6）可以看出，有功由508.5 MW快速升至530.2 MW，機端電壓、無功、勵磁電壓無波動現象，一次調頻試驗過程中勵磁調節器基本不參與調節。第二，在勵磁調節器投入PSS功能方式下，進行機組11 rpm轉速偏差的一次調頻試驗，錄取發電機有功、無功等電氣量，通過對電氣量變化情況分析對PSS反調的影響。從試驗的錄波圖（圖7）可以看出，機組進行一次調頻時，有功的波動會對機組產生影響，即PSS反調。由圖7可知，有功由479.6 MW升至513.7 MW；無功由62.9 Mvar降至51.1 Mvar；機端電壓22427V降至22305V；勵磁電壓由267 V降至245 V。一次調頻試驗過程中勵磁調節器 PSS參與調節并有輸出，使發電機無功大幅波動。

PSS2A模型中發電機電氣功率Pe作為PSS模型的一個輸入量，一次調頻的試驗過程中，計算發電機機械功率ΔPm和電磁功率ΔPe，二者只差得到發電機的加速功率ΔPa，這樣當機組單方向增負荷或單方向減負荷時，加速功率等于零，PSS不起作用即不產生無功反調。PSS試驗時，運行人員按照電廠運行規程，以最快的速度調節有功，由錄波圖可知，有功從507 MW升至519.2 MW；無功從62.1 Mvar升至63.8 Mvar，調整時間為 113 s。一次調頻試驗中，有功從479.6MW升至513.7MW；無功從62.9 Mvar降至51.1 Mvar，所用時間為1.4 s。對比PSS反調試驗和一次調頻試驗中的錄波圖來看，一次調頻的有功的變化率比運行人員調節有功變化快的多，PSS有輸出，反推加速功率不等于零，會產生無功反調現象。根據Q/GDW 143-2006對反調的要求，有功功率變化量變化10%，無功功率變化量小于30%額定無功功率，或小于用戶可接受值。從試驗數據可知，一次調頻對投入PSS的1號機組影響是可接受的。因此機組進行一次調頻時不需要退出PSS功能[4]。

圖6 無PSS情況下11rpm轉速偏差試驗

圖7 有PSS情況下11rpm轉速偏差試驗

4 結語

闡述了機組一次調頻的原理及試驗、PSS的原理及其現場參數整定方法，分別介紹了華潤菏澤電廠1號機組一次調頻及PSS試驗結果，在此基礎上，進行了有無PSS投入的情況下進行一次調頻試驗，對比現場實測結果，分析一次調頻對PSS的影響，得出本機組一次調頻對PSS的影響在可接受的范圍內的結論。基于這個結論，華潤菏澤電廠2號機組與1號機組在參數一致的情況下，可以借鑒1號機組的經驗，機組在一次調頻調整過程中無需要推出PSS功能。