電力穩(wěn)定器參數(shù)整定在發(fā)電廠低頻振蕩抑制中的應(yīng)用

寧效偉（廣東省粵電集團韶關(guān)發(fā)電廠,廣東　韶關(guān)　512132）

電力穩(wěn)定器參數(shù)整定在發(fā)電廠低頻振蕩抑制中的應(yīng)用

寧效偉
（廣東省粵電集團韶關(guān)發(fā)電廠,廣東韶關(guān)512132）

摘要：本文介紹了兩種經(jīng)典的電力穩(wěn)定器模型，分析了其結(jié)構(gòu)特點與應(yīng)用范圍，詳細闡述了電力系統(tǒng)低頻振蕩概念及其產(chǎn)生的機理，在頻域內(nèi)推導(dǎo)了電力穩(wěn)定器抑制低頻振蕩的原理。通過對韶關(guān)電廠10號機組勵磁系統(tǒng)與電力穩(wěn)定器的參數(shù)實測與一系列試驗，確定了各工況下電力穩(wěn)定器參數(shù)的優(yōu)化值，結(jié)果證明電力穩(wěn)定器參數(shù)的恰當整定，使PSS在各種工況下都能為勵磁系統(tǒng)提供恰當?shù)淖枘幔梢杂行б种瓢l(fā)電機的低頻振蕩。

關(guān)鍵詞：電力穩(wěn)定器;低頻振蕩;參數(shù)整定;勵磁系統(tǒng)

1　電力系統(tǒng)穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)與特點

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的通用框圖一般由隔直、放大、超前滯后、限制增益等環(huán)節(jié)組成，如圖1所示：

因滿足不同的需要與不同公司的產(chǎn)品，電力穩(wěn)定器（PSS）的具體功能與構(gòu)架均有所不同，美國IEEE電力生產(chǎn)委員會于1992年發(fā)布的《用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究的勵磁系統(tǒng)參考模型》中，推薦了兩種經(jīng)典的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型：PSS1A型和PSS2A型，分別如圖2與圖3所示。

PSS1A型與PSS2A型分別為單輸入型與雙輸入型，前者的輸入信號VSI一般采用頻率、角速度或者頻率，其結(jié)構(gòu)簡單明朗，便于電力穩(wěn)定器參數(shù)的修改與設(shè)定，使用方便；后者的輸入信號一般采用頻率、角速度或功率、功率中的組合信號，引入的另外一個輸入信號（角速度或頻率），可以抑制單純由功率或頻率信號做為輸入而引起的無功反調(diào)現(xiàn)象，因此電路比較復(fù)雜。有研究證明：在大部分情況下，參數(shù)整定適當?shù)腜SS1A型可得到與PSS2A型穩(wěn)定器相近的效果。

在電力穩(wěn)定器的實際投運中，不同特性、處于電網(wǎng)不同節(jié)點的機組應(yīng)采用相應(yīng)的PSS，PSS的實際投運經(jīng)驗證明：汽輪發(fā)電機組采用以△Pe為輸入信號的PSS1A型時，只要整定的參數(shù)合理，反調(diào)現(xiàn)象不明顯，不需要采用特殊的措施去抑制機組的反調(diào)；滯后特性較強的勵磁系統(tǒng)，一般采用PSS1A型穩(wěn)定器，輸入信號適宜選擇△Pe；滯后角較小的自并勵系統(tǒng)或高起始勵磁系統(tǒng)，可以采用PSS1A或PSS2A型電力穩(wěn)穩(wěn)定器，輸入信號可以采用△Pe或△Pe與△f；水輪發(fā)電機組的有功調(diào)節(jié)速度較快，此時必須要考慮反調(diào)的影響，一般采用△Pe與△f相加作為輸入信號的PSS2A型穩(wěn)定器，必要時需專門設(shè)計對抑制反調(diào)更為有效的控制電路。

2　低頻振蕩的定義及其產(chǎn)生的原理

在電力系統(tǒng)中，眾多發(fā)電機組在電網(wǎng)中并列運行，當電網(wǎng)中發(fā)生小擾動（比如電壓波動）時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間會發(fā)生相對搖擺，若此時的電力系統(tǒng)缺乏必要的正阻尼，就會失去動態(tài)穩(wěn)定[3]。構(gòu)成電力系統(tǒng)的元件大多為非線元件，系統(tǒng)整體呈現(xiàn)非線性特性，動態(tài)失穩(wěn)時發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間會出現(xiàn)持續(xù)的搖擺振蕩，輸送的功率也會發(fā)生相應(yīng)的振蕩，從而影響功率的輸送。由于這種持續(xù)振蕩的頻率很低，一般在0.2～2.5Hz之間，故稱為低頻振蕩。從電力系統(tǒng)中出現(xiàn)過的低頻振蕩來看，低頻振蕩較容易出現(xiàn)在負荷重、輸電距離遠的線路上，或者電網(wǎng)之間的的弱聯(lián)絡(luò)線上。隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)普遍采用數(shù)字電路與晶閘管，勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間常數(shù)從幾秒減少到毫秒級，大大降低了電力系統(tǒng)的阻尼，甚至產(chǎn)生負阻尼，導(dǎo)致自發(fā)性的低頻振蕩。

電力系統(tǒng)低頻振蕩的產(chǎn)生原理，國內(nèi)外有過眾多的研究與分析，總結(jié)起來主要有以下幾種：

（1）負阻尼機理；

（2）強制性共振機理；

（3）分叉理論；

（4）參數(shù)諧振；

（5）混沌現(xiàn)象。

上述五種振蕩機理可以劃分為三類：

1）電力系統(tǒng)的固有頻率與擾動信號或輸入信號存在某種內(nèi)在的關(guān)系，從而引發(fā)了較大幅度的共振或諧振，當該頻率處于低頻區(qū)域時，即產(chǎn)生了低頻振蕩。

2）從線性系統(tǒng)來分析，當存在小擾動時，由于系統(tǒng)自動裝置的參與調(diào)節(jié)，改變了系統(tǒng)的特性，于是特征根的相限也變化，產(chǎn)生了附加的負阻尼，抵消了系統(tǒng)固有的正阻尼，于是振蕩不衰減甚至振蕩加劇。

3）電力系統(tǒng)采用了大量非線性原件，當擾動發(fā)生時，導(dǎo)致系統(tǒng)的參數(shù)也跟著變化，于是導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，從而產(chǎn)生系統(tǒng)的振蕩。

受益于線性系統(tǒng)理論的成熟與完善，在所有的低頻振蕩原理中，負阻尼機理研究已經(jīng)形成了一套比較完整的理論體系，并且在實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。從理論上來考慮，非線性系統(tǒng)在特定的條件下（比如系統(tǒng)發(fā)生了小擾動時），可以看成是有外加的非線性影響的線性系統(tǒng)，于是不論是線性系統(tǒng)還是非線性系統(tǒng)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩的基本原因是負阻尼。在電網(wǎng)建設(shè)或者工程建設(shè)時，才主要考慮共振和諧振理論。混沌理論暫時還停留在理論上的研究。分叉理論目主要用于低階單變量系統(tǒng)。

3　PSS抑制低頻振蕩原理的分析

根據(jù)單機無窮大系統(tǒng)模型，又稱為Phillips-Heffron模型[1]，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)是一個滯后特性單元，由發(fā)電機的磁場滯后角和勵磁系統(tǒng)的滯后角構(gòu)成，通過K6閉環(huán)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：。總滯后角。勵磁控制系統(tǒng)框圖如下：

勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)GES（s）是滯后特性的，當K5為負值時，電壓調(diào)節(jié)器會產(chǎn)生負阻尼，其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩△ME在△ω軸上投影為負；設(shè)定PSS的輸入信號為△ω，PSS通過參數(shù)整定設(shè)置為超前相位補償，相位角，于是PSS在軸上產(chǎn)生與同相位的附加力矩，然后通過PSS參數(shù)的整定，使得該附加轉(zhuǎn)矩△TPSS對應(yīng)的正阻尼大于由電壓調(diào)節(jié)器對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩△Me所對應(yīng)的負阻尼，從而使勵磁系統(tǒng)從整體上來講是提供正阻尼的，于是就可以有效的抑制低頻振蕩[2]。當機組負荷較高時，此時K5小于0，單機無窮大系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩△M位于第四象限，如此時勵磁系統(tǒng)能提供一個位于第一象限的附加電磁轉(zhuǎn)矩△M，那么△M與△M的合成矢量和就可能位于第一象限，位于第一相限的的電磁轉(zhuǎn)矩會向系統(tǒng)提供正阻尼，起到抑制低頻振蕩的作用[3]。這個位于第一象限的附加電磁轉(zhuǎn)矩△M可通過合理整定PSS的參數(shù)來獲得。為了簡明，只單獨考慮由PSS提供的附加電磁轉(zhuǎn)矩M，根據(jù)單機無窮大系統(tǒng)的框圖（以輸入△ω信號為例，來推導(dǎo)出PSS的傳遞函數(shù)），△ω信號經(jīng)過傳遞函數(shù)GPSS（S）的PSS環(huán)節(jié)送到△Uref疊加點處，附加信號△ω所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩△M的路徑如圖5所示。

從上面可以看出，若GPSS（S）與d（s）相等，則該兩項抵消；△M 與△ω不但成正比，而且△M 與△ω軸向同相，于是就向系統(tǒng)提供了正的阻尼轉(zhuǎn)矩。在實際PSS參數(shù)整定中，不要求GPSS（s）與d（s）完全相等而抵消，只要滿足在低頻振蕩的頻率范圍內(nèi)，兩者的超前相角與滯后相角基本上抵消，PSS提供的是正的而不是負的阻尼轉(zhuǎn)矩，所以PSS必定設(shè)置有超前環(huán)節(jié)，于是其傳遞函數(shù)為：，該式子通常作為PSS通用傳替函數(shù)，只是當輸入的信號不同時，組成PSS的具體環(huán)節(jié)稍微有所不同，以及為了防止PSS的輸出幅值過大造成的發(fā)電機過電壓危險，PSS還設(shè)置了限幅環(huán)節(jié)[5]，實際投運中的PSS，考慮到信號的失真、測量信號的處理難度，還設(shè)置有濾波單元、測量單元等。

4　電力穩(wěn)定器參數(shù)整定在韶關(guān)發(fā)電廠低頻振蕩抑制中的應(yīng)用

電力穩(wěn)定器是勵磁系統(tǒng)的一部分，要合理整定PSS的參數(shù)，一般是采用時域和頻域相結(jié)合的方法來進行研究[6]，首先建立勵磁系統(tǒng)的模型與測得其各個環(huán)節(jié)的參數(shù)與頻譜特性，在此基礎(chǔ)上結(jié)合機組勵磁系統(tǒng)的增益與反調(diào)現(xiàn)象，對PSS的參數(shù)進行整定與校核[7]。在廣東電力科學(xué)研究院的幫助下，對韶關(guān)電廠10號發(fā)電機勵磁系統(tǒng)模型進行了參數(shù)測試，完成了勵磁調(diào)節(jié)器模型各個環(huán)節(jié)的頻譜特性測試、勵磁系統(tǒng)空載特性數(shù)據(jù)的測試、發(fā)電機空載階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)的測試，發(fā)電機負載調(diào)差極性和調(diào)差系數(shù)數(shù)據(jù)的測試，等等，通過仿真系統(tǒng)進行仿真，與實際試驗結(jié)果進行比對，驗證了勵磁控制系統(tǒng)的模型參數(shù)[8]，最終確立了韶關(guān)電廠10號發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)，在此基礎(chǔ)之上，對10號機組勵磁系統(tǒng)PSS各環(huán)節(jié)參數(shù)進行了設(shè)計與優(yōu)化，通過仿真試驗，確定了最終優(yōu)化參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)試，將韶關(guān)電廠發(fā)電機組的PSS投入運行，使之滿足在整個低頻振蕩頻率段上均能提供良好的正阻尼，能夠有效地抑制與本機強相關(guān)的振蕩模式[9]，提高了粵北電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

韶關(guān)電廠10號發(fā)電機是東方電機廠生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機組，額定功率為300MW，型號為QFSN-300-2-20，勵磁系統(tǒng)采用的是南瑞電控勵磁調(diào)節(jié)器，其PSS是PSS-2B模型，模型框圖如圖6所示：

根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，將10號機組的PSS參數(shù)整定如下：Tw1=Tw2=Tw3=3s，T7=3s，T8=0s，T9=0.1s，M=5，N=1，T1=0.14s，T2=0.03s，T3=0.14s，T4=0.02s，T5=T6=0s，Ks1=6.09，Ks2=0.39，PSS輸出限幅：±5%。

投運PSS后機組的各項指標均滿足要求，對本機功率振蕩抑制效果顯著：未投入振蕩3-4次，投入后振蕩1次，幅值減小約一半，在0.2-2Hz內(nèi)均能滿足相位補償?shù)囊蟆０凑諆?yōu)化后的參數(shù)將PSS投入實際運行，韶關(guān)電廠10號機組PSS投運前后的試驗錄波波形分別如圖7、圖8所示：

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作者簡介：寧效偉(1979-),男,湖南邵陽人，在職研究生,工程碩士,主要從事發(fā)電廠電氣一次設(shè)備的檢修與技術(shù)研究工作。