基于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器試驗應用研究

李 誠，張 達，方 旎

（1.國家電投集團江西電力有限公司貴溪發(fā)電有限責任公司，江西 貴溪 335400；2.河海大學能源與動力學院，江蘇 南京 211100）

0 引言

隨著我國電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，核電、火電、水電機組、新能源機組的不斷并網(wǎng)發(fā)電，電力系統(tǒng)內(nèi)的電源點形式多樣，系統(tǒng)日益復雜，電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行顯得尤為關鍵。在這些復雜的安全穩(wěn)定問題中，電力系統(tǒng)低頻振蕩是影響電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的重要因素。

當電力系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生低頻振蕩，相關電氣量將做周期性波動，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電壓、電流、有功、無功負荷產(chǎn)生同頻振蕩，陷入振蕩的機組轉(zhuǎn)子會進行相對擺動。振蕩發(fā)生后，速率較快，其振蕩頻率通常在每分鐘幾個周波至幾十個周波的范圍內(nèi)，隨之機組過流保護動作跳閘解列。如果沒有采取有效措施來抑制系統(tǒng)的低頻振蕩，將會導致電力系統(tǒng)的嚴重事故，造成重大的損失。

目前大容量火力機組仍是電網(wǎng)主力軍，這些機組基本上采用自并勵勵磁方式，屬快速勵磁系統(tǒng)，較其他勵磁方式更容易產(chǎn)生負阻尼，雖然快速勵磁系統(tǒng)的時間常數(shù)已大幅減少，這雖然改善了電壓調(diào)節(jié)性能，提高了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，但由于自動勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的附加阻尼為負阻尼，抵消了系統(tǒng)本身所固有的正阻尼，使發(fā)電機抑制低頻振蕩能力下降，不利于電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在抑制低頻振蕩，提高靜態(tài)穩(wěn)定的功率極限，影響暫態(tài)穩(wěn)定等方面發(fā)揮著極其重要的作用[1]。

1 課題研究意義

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在不同的參數(shù)配置下能產(chǎn)生不同的效果，如若配置整定不當，將反受其影響。因此，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器裝置能否有效抑制低頻振蕩的關鍵，如何合理配置或選定電力系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)尤為關鍵。因此，在大容量火電機組中及時完成電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（power system stabilizer，PSS）試驗，并加以應用研究，是不可或缺的一個環(huán)節(jié)。

現(xiàn)以某640 MW火電機組為例，重點闡述PSS試驗的步驟和相關研究等，通過現(xiàn)場對機組進行PSS試驗的方法，觀察電力系統(tǒng)穩(wěn)定器阻尼功率低頻振蕩的效果，作為今后的運行參數(shù)，以抑制可能出現(xiàn)的電力系統(tǒng)低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。上述也是本課題研究的意義，以期對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的使用和現(xiàn)場試驗有所幫助。

2 系統(tǒng)參數(shù)及模型

機組AVR采用PID+PSS控制方式[2-4]，PID和PSS的數(shù)學模型見圖1、2。

表1 發(fā)電機參數(shù)

圖1 勵磁系統(tǒng)PID模型

圖2 勵磁系統(tǒng)PSS模型

3 PSS現(xiàn)場試驗

3.1 勵磁系統(tǒng)無補償相頻特性測量：

1）發(fā)電機并網(wǎng)運行，機組有功帶600 MW，無功約為30 MVAR，勵磁調(diào)節(jié)器PSS退出。

2）將頻譜儀輸出的白噪聲迭加在AVR的給定電壓上，逐步增大白噪聲電平，速率不易過快，防止白噪聲對勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，使發(fā)電機電壓波動不超過2%。

3）如果在本機振蕩頻率附近，滯后角度比較大，在補償?shù)倪^程中可以不考慮該點的補償。

4）用動態(tài)信號分析儀測量輸出的白噪聲與發(fā)電機電壓之間的頻率特性即勵磁系統(tǒng)無補償頻率響應特性。

5）試驗儀器：LDS動態(tài)信號分析儀、PMDR2000錄波儀。

3.2 PSS相位補償和參數(shù)整定

根據(jù)勵磁系統(tǒng)無補償特性試驗結(jié)果計算PSS參數(shù) 。 設 定 Tw1＝Tw2＝Tw3=5；T1＝0.19，T2＝0.02，T3＝0.2，T4＝0.03，T5＝T6＝0，T7＝5，T8＝0.2，T9＝0.12；M＝5，N＝1；KS2=1.028 898，KS3=1

勵磁系統(tǒng)無補償特性以及PSS的有補償特性結(jié)果見表2。

表2 勵磁無補償特性及PSS有補償特性

3.3 PSS增益調(diào)整試驗

投入PSS，緩慢增大PSS的增益，同時觀察勵磁系統(tǒng)的變化，直到出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象為止主要標志是調(diào)節(jié)器輸出電壓、發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓出現(xiàn)頻率較高（1～4 Hz）的劇烈振蕩，隨即立即將增益減小，這時的PSS增益KS1=30，即為最大增益或不穩(wěn)定增益。

將PSS增益KS1設定為8，將PSS投入，同時觀察發(fā)電機各運行參數(shù)，發(fā)電機穩(wěn)定運行。

3.4 PSS限幅值及投入門檻值整定

PSS限幅值整定為輸出下限-10%，輸出上限+10%；投入門檻值為30%額定功率。

3.5 PSS校核試驗

發(fā)電機并網(wǎng)運行，P=600 MW，PSS未投，進行A、B通道2%階躍響應試驗并錄波；投入PSS，進行A、B通道2%階躍響應試驗并錄波，PSS有作用時，有功功率的擺動幅值和次數(shù)應減少。機組PSS退出和投入（不同放大倍數(shù)）兩種情況下兩個通道的電壓階躍試驗錄波見圖3-8。可以看出，PSS對于本機振蕩有明顯的抑制作用。從A、B套階躍響應結(jié)果看，最終整定KS1為8。

圖3 A套不投PSS±2%階躍響應試驗錄波

圖4 A套投PSS（KS1=8）±2%階躍響應試驗錄波

圖5 B套不投PSS S±2%階躍響應試驗錄波

圖6 B套投PSS（KS1=6）±2%階躍響應試驗錄波

圖7 B套投PSS（KS1=7）±2%階躍響應試驗錄波

圖8 B套投PSS（KS1=8）±2%階躍響應試驗錄波

3.6 反調(diào)試驗

投入PSS，發(fā)電機增、減有功功率，觀察無功功率的變化。正常增減有功功率時未見對勵磁產(chǎn)生顯著影響，說明反調(diào)的影響在正常范圍內(nèi)。試驗波形見圖9

圖9 機組反調(diào)試試驗錄波圖

3.7 穩(wěn)定計算用PSS模型參數(shù)

根據(jù)PSS傳遞函數(shù)（圖2）及試驗中確定的參數(shù)，在PSASP程序中，可以確定采用4型PSS模型，見圖10。

圖10 PSS4型模型

PSS增益的本機標幺值K r=1，由于發(fā)電機功率基值與系統(tǒng)功率基值不同，所以Kp（=1）應轉(zhuǎn)換為K r=1×100/711=0.141添入計算模型。PSS增益K r=0.136已歸算到以100 MVA為基值的系統(tǒng)標幺值。PSS模型參數(shù)見表3。

3.8 PSS運行參數(shù)設置

設 定 Tw1＝Tw2＝Tw3=5；T1＝0.19，T2＝0.02，T3＝0.2，T4＝0.03，T5＝T6＝0，T7＝5，T8＝0.2，T9＝0.12；M＝5，N＝1；

表3 PSS模型參數(shù)

PSS限幅值整定為輸出下限-10%，輸出上限+10%；投入門檻值為30%額定功率。

4 結(jié)語

通過試驗研究，該套勵磁系統(tǒng)PSS環(huán)節(jié)性能符合標準DL/T 650—1998的規(guī)定，滿足DL/T 1231—2013電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗導則的要求，按整定參數(shù)投入運行后，機組可有效增加阻尼，抑制低頻振蕩。

隨著現(xiàn)代電力技術(shù)的不斷完善，電網(wǎng)的穩(wěn)定性逐步提升，正式由于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的成熟運用，現(xiàn)場合理整定，低頻振蕩等日益凸顯的問題得以解決。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）是勵磁系統(tǒng)的一種附加功能，它調(diào)取與低頻振蕩有關的信號并對其加以干預。產(chǎn)生的附加信號迭加到勵磁調(diào)節(jié)器中，使發(fā)電機產(chǎn)生阻尼低頻振蕩的附加轉(zhuǎn)矩，用于提高電力系統(tǒng)阻尼，解決低頻振蕩問題，投運電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）是提高電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性諸多措施中最為直接、也是最為經(jīng)濟的方法。