基于海佛容-菲利普斯模型的PSS參數優化與研究

于遠鵬

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都610051）

1 概述

根據電力系統穩定性的要求，二灘水電站勵磁控制系統附加了PSS系統，增設PSS的目的是當系統出現擾動時為發電機轉子轉速搖擺提供正阻尼，以增強與電力系統的聯系。PSS能在系統突然施加一個干擾，如在線路退出運行或系統聯系較弱和穩定裕度不夠時，起到重要作用[1～4]。二灘水電站機組PSS增益設定是根據現場試驗進行調整，取得了較好的阻尼效果。實踐證明，二灘水電站機組增設PSS系統是提高系統穩定和增加功率輸送較經濟和有效的一種方式。

PSS模型采用加速功率型的海佛容-菲利普斯模型PSS單元，其傳遞函數如圖1所示。

圖1 海佛容-菲利普斯模型傳遞函數

其中各參數的定義如表1所示。

UNITROL5000微機勵磁數字調節器采用的PSS為IEEEPSS-2 A型標準傳遞函數，?ω和Pe雙輸入信號的電力系統穩定器。?ω和Pe輸入信號是通過對發電機極端電壓和定子電流采樣軟件計算得到。二灘水電站勵磁調節器軟件中PSS框圖如圖2所示。

表1 PSS 參數定義

由軟件圖可以看出，轉子頻率信號（12014 f EP_RELATIVE）輸入到PSS模塊中的IN_f_PSS，與額定頻率相對值（軟件圖中的-10000）功能快）進行差值運算，頻差相對值經過隔直環節，信號輸入到相加器中，有功功率信號（10218）輸入到PSS模塊中的IN_P_PSS中，經過隔直環節，低通濾波器，信號放大，信號輸入到相加器中，與轉子頻率信號相加，經過陷波器，濾除掉特定頻率的信號，合成信號再經過濾波器，信號放大，超前滯后環節，輸出限幅，再與PSS的P/Q限制信號進行比較，較大值者作為輸出信號12010。

圖2 UNITROL5000微機勵磁數字調節器PSS框圖

PSS輸出信號12010通過切換開關模塊298，輸出信號12798，PSS信號12798接入到SP-42模塊即 AVR_PID 模塊，信號接入 6918（ADD_IN1_AVR）AVR附加輸入1，與12001（經過限制器干預后，最終處理好的（AVR）PID控制器偏差信號）進行相加，相加的輸出信號作為AVR_PID調節的偏差信號。

2 空載特性曲線確定基準值和模型參數

2號機空載特性曲線如圖3。

圖3 2號機空載特性曲線

由發電機的空載特性可以確定發電機勵磁回路的計算基準值及模型參數[5-7]：

（1）發電機勵磁電流的基準值Ifdb：選取發電機空載特性曲線氣隙線上與發電機額定電壓對應的發電機勵磁電流作為基準值：Ifdb=1350 A。

（2）發電機勵磁回路電阻的基準值Rfdb：選取發電機銘牌額定勵磁電壓與額定勵磁電流之比為勵磁回路電阻的基準值，即：

有 Ufdn=318，Ifdn=2709，則：

（3）發電機勵磁基準值Ufdb：Ufdb=Rfdb×Ifdb=0.1174×1350=158.5 V。

（4）根據發電機空載特性計算模型需要的飽和系數：對應發電機額定電壓的氣隙線電流為1350 A，實際電流為1575 A，則：

對應發電機1.2倍額定電壓的氣隙線電流為1645 A，實際電流為2310 A，則：

PSASP程序中a、b、n的計算值如下：

（5）整流器換相壓降系數Kc計算：勵磁變壓器的三相整流橋換相壓降系數Kc可以用下面的公式計算：

式中Uk為勵磁變短路電壓，Sn、Un為勵磁變額定容量和二次額定電壓，Ifdb、Ufdb為勵磁電壓和勵磁電流基準值，Rfdb為發電機勵磁回路電阻基準值。

（6）勵磁系統最大輸出電壓VRmax和最小輸出電壓VRmin

計算勵磁系統最大輸出電壓和最小輸出電壓可以用下面的公式計算：

αmin和αmax是可控整流器的最小控制角和最大控制角。二灘水電站勵磁系統的最大控制角αmax=149°，最小控制角 αmin=15°。經計算可得出

標幺值為：

3 PSS參數優化試驗

（1）調差系數計算：按照系統要求，調差系數應設置在+4%。在50%～100%無功功率負荷下測得機端電壓Ut1和給定值UREF1后，在發電機空載試驗中測量UREF1時機端電壓Ut0，然后按照公式計算可得出實際的調差系數。

試驗數據如下：

帶入上式計算，得D=4.05%，與設置基本一致。

（2）勵磁系統在線無補償頻率響應特性試驗：發電機有功功率調到接近機組最大出力，無功功率盡量調小；自動勵磁調節器單通道運行；PSS退出運行。在PSS輸出信號迭加點輸入掃頻擾動信號，測量發電機電壓對于PSS輸出信號迭加點的頻率響應特性，即勵磁系統滯后特性。

2號機測試時有功出力為P=500 MW，無功出力為Q=-40 Mvar。如圖4。

圖4 2號機在線無補相頻特性測量值

從試驗結果可以看出，從0.1～2.5 Hz這個頻段中，勵磁系統相位在-22°到22°范圍內，在1.3 Hz附近有一個明顯的拐點，由此可知，2號機的本機振蕩頻率在1.3 Hz附近。

（3）PSS相位補償特性和參數整定：按照電網要求，PSS參數整定的原則是：應使其相位補償在0.1～2.5 Hz的頻率范圍內都能產生盡可能大的阻尼力矩。

根據PSS數學模型和勵磁系統在線無補償相頻特性測量值，按照PSS參數整定原則用逐步逼近的方法確定PSS參數（其中PSS的增益需通過臨界增益試驗確定）。按照二灘水電站2號發電機AVR模型和PSS傳遞函數框圖的數學模型（圖5），計算得到2號機PSS相頻特性的補償，有關補償相頻特性如下：

圖5 二灘水電站2號發電機AVR模型和PSS傳遞函數框圖

有補償相頻特性值在-63°～-106°范圍內。

由于PSS采用的是發電機負的電功率（-Pe）作為輸入信號，經隔直后，-ΔPe信號的相位超前-Δω約90°，由PSS提供的電磁力矩與Δω的相位差則在+27°～-16°范圍內。因此在 0.1～2.5 Hz的頻率范圍內PSS都能產生正的阻尼力矩。

（4）PSS臨界增益調整：在選定的相位補償下，PSS投入運行，逐漸增大PSS的增益，當觀察到勵磁電壓和無功功率出現明顯振蕩時，定為PSS的臨界增益。試驗表明，當PSS的增益增大到Kpss=12，觀察到勵磁電壓和無功功率出現明顯振蕩。因此，PSS的臨界增益定為12。PSS的運行增益取臨界增益的 1/3，即 Ks1=4。

（5）PSS參數初步確定，經計算與試驗可得出PSS運行參數為：

PSS輸出限幅：Vsmax=+10% Vsmin=-10%

PSS自動投入點暫定為0.3 Pn

PSS自動退出點暫定為0.2 Pn

（6）仿真試驗：在PSASP程序中，采用12型自并勵靜止勵磁系統模型和2型PSS在單機無窮大母線系統0.1～2.0 Hz范圍內進行仿真。

根據上述仿真結果分析，我們可以得知：

在PSS投入和退出兩種工況下進行負載階躍響應仿真試驗，比較有功功率的振蕩情況，檢驗PSS的阻尼作用。通過仿真的波形圖可以看出，在同樣的擾動下，PSS退出的情況下有功功率振蕩的次數為4次以上；PSS投入后降低為1次，說明PSS對于系統的低頻振蕩提供了良好的阻尼。

（7）PSS參數優化后的實際運行情況：以2號機為例，2009年 01月 09日 10：17，CCS上發“GIS 2號故障錄波裝置啟動；1、2、4、5、6 號機機組保護 1號總啟動動作；1、2、4、5、6 號機機組故障錄波裝置啟動；2號機無功反饋故障發生，2號機定子電壓測量值故障”等報警；檢查二灘水電站設備運行正常，匯報省調并經詢問為普敘線跳閘。

查看采集歷史數據，2 F機組無功功率突變時監控數據表如表2所示。

表2 機組無功功率突變時監控數據表

根據監控采集歷史數據做波形變化比較如下：二普線路無功和電壓發生大幅波動，導致二灘水電站2 F機組無功功率和機端電壓瞬間大幅波動。但由于勵磁系統PSS的及時響應，系統的波動并沒有改變2號機組及其他4臺機組的無功變淺趨勢，也沒有引起其他5臺機組的無功功率、勵磁電壓、勵磁電流大幅波動，也未導致機組其他參數突變及報警[8～10]。由此，可以判斷2號機組勵磁系統PSS參數設置得當，能夠滿足系統的要求。

4 優化PSS參數后的效果

通過對二灘水電站2號發電機勵磁系統模型參數測試和仿真建立的勵磁系統及PSS模型和參數，可以初步確定PSS的參數設置，該組參數在仿真試驗中，對勵磁系統有很好的暫態穩定性，達到指標如下：

（1）發電機空載條件下的電壓調節精度高于1%。

（2）發電機電壓上升時間TR為0.44 s。

（2）峰值電壓時間TP為0.44 s。

（4）超調量MP為15%左右。

（5）調整時間為3 s左右。

根據《DL/T583-2006大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件》關于系統性能的要求可知該組PSS參數能夠滿足國家標準的要求。二灘水電站勵磁系統能夠滿足國家標準和行業標準的要求。可最終確定一組可以使發電機穩定運行的PSS參數。

5 結語

發電機勵磁系統和PSS都具有較深的理論知識，通過對相關內容進行深入研究，加深了對發電機勵磁系統和PSS理論知識的理解，也初步確定了勵磁系統的PSS參數，使勵磁系統有很好的暫態穩定性。