海外某660 MW機組接入臨時系統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.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

1 故障概況

海外某660 MW機組調試升負荷過程中發生低頻振蕩事故，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散，振蕩頻率為0.4 Hz左右，振蕩過程持續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、機端電壓逐步發散，最終振幅達到200 MW，導致系統故障跳閘，機組與系統解列，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]介紹了由調速系統引起的低頻振蕩，根據現場對調速系統檢查，當系統發生低頻振蕩時，汽輪機蒸汽調節閥變化幅度很小，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速系統引起的低頻振蕩。隨后對機組當前接入系統進行分析，通過系統阻抗計算判斷機組與系統為弱連接，當負荷升高到一定程度時極易發生低頻振蕩，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。勵磁系統和發電機主要參數見表1。

表1 勵磁系統型號和發電機主要參數

2 PSS試驗工況選取

根據DL/T 1231—2018《電力系統穩定器整定試驗導則》對機組試驗工況的要求，被試機組有功功率應大于60%額定值，無功功率小于20%額定值。由于機組運行至58%額定負荷時就會發生低頻振蕩，系統阻尼接近于零。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滯后特性影響較大，勵磁系統滯后特性影響因素還包括勵磁系統調差系數和系統聯系電抗。此項目勵磁系統調差系數暫定為零，系統聯系阻抗經過計算約為0.8。發電機勵磁系統模型見圖2。

圖2 發電機勵磁系統模型

采用海佛容-菲利普斯發電機模型可計算得到模型中各個參數K1-K6，根據圖2可知，主要影響勵磁系統滯后特性的參數只有K3和K6，當系統聯系電抗和發電機電抗確認時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，其計算條件為調差系數為零，系統聯系電抗為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的數值見表2，不同工況下勵磁系統滯后特性見圖3。

表2 不同有功功率下K6的數值

圖3 不同工況下勵磁系統滯后特性

圖3利用Matlab軟件計算出的勵磁系統無補償特性，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滯后特性，K6數值越小，勵磁系統滯后角度越大。

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，試驗過程中一旦發生振蕩無法平息的情況，應迅速降低負荷平息振蕩，如果仍無效果，應將機組解列。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，系統阻尼將接近于零，易造成機組振蕩跳機。

3 勵磁系統PSS超前滯后特性整定

3.1 PSS超前滯后的補償原則

根據導則，通過調整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不應引起同步力矩顯著削弱而導致振蕩頻率進一步降低、阻尼進一步減弱。

低頻振蕩主要有區域間振蕩和局部振蕩兩種類型。前者是系統的一個區域機群對于另一個區域機群的振蕩，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發電機之間的相互振蕩，該振蕩局限于區域內，頻率范圍為0.7～2 Hz。根據機組低頻振蕩跳閘記錄，低頻振蕩在0.3～0.5 Hz。現場2%負載階躍響應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，屬于區域間振蕩。考慮此機組接入的系統并不完善，PSS補償原則應為機組有功功率運行至60%～100%額定負荷區間，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發電機進相運行數據可知，機組有功功率在330 MW時，發電機無功功率+30 ～-20 Mvar變化過程中，系統電壓從420 kV變為385 kV，說明在同一有功功率下，無功調節范圍變化不大，如果保持基本相同的發電機電壓給定值，勵磁系統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計算結果基本保持不變，負荷從350 MW變至550 MW勵磁系統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參數整定值。

表3 50%額定負荷發電機進相試驗數據

表4 不同負荷下機組運行參數

圖4 勵磁系統PSS補償特性

表5 PSS整定參數

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

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，觀察勵磁調節器的輸出或發電機轉子電壓有無持續振蕩。如無持續振蕩則增大PSS增益，直至勵磁調節器的輸出或發電機轉子電壓出現微小、持續振蕩時為止，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的振蕩頻率應是無PSS振蕩頻率的80%～120%；有PSS比無PSS的負載階躍響應的阻尼比應有明顯提高，其中有PSS的負載階躍響應的阻尼比應大于0.1。根據圖5和表6不同增益負載階躍的試驗結果，選擇KS1=5作為運行增益。

表6 2%負載階躍試驗

圖5 2%發電機負載階躍曲線

4.2 PSS增益運行觀察

電力系統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，系統阻尼基本為零，極易發生低頻振蕩。PSS中的增益KS1=5投入，在負荷達到530 MW，系統阻尼基本為零，多次發生低頻振蕩。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增益根據實際情況調整

PSS是個閉環控制系統，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，使系統失穩，電氣振蕩的頻率一般為3～7 Hz，因此PSS中的KS1受限于勵磁系統的電氣振蕩特性[3-4]。臨界增益試驗過程中導則要求發電機轉子電壓出現等幅或接近等幅值振蕩為止。文獻[5-6]在臨界增益現場試驗過程中轉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。根據實際有功功率低頻振蕩情況，同時考慮PSS反調和勵磁調節器的輸出幅值進行PSS增益的調整，盡可能滿足機組滿負荷運行的需要。

5 PSS參數優化

文獻[3]認為現有參數整定方法在高頻段增益上翹造成了整體增益裕度偏小，導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定裕度。利用現有PSS 2B第3個超前滯后補償環節，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。對于超前滯后環節(1+T10s)/(1+T11s)，當設置為T11>T10時，其相頻特性滯后，幅頻特性為衰減。設計目標為減小0.1～2 Hz滯后角度的同時，盡量減小3 Hz以上增益。

PSS 2B三階不同參數有補償相頻特性的具體數據見圖6。三階環節(0.08s+1)/(0.1s+1)在0.3～0.8 Hz范圍內，三階參數滯后小于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，三階的增益較優化前有一定提高。

圖6 三階環節參數幅頻及相頻曲線

采用PSASP程序，利用機組參數和模型建立單機無窮大系統，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。勵磁系統采用表1參數，PSS參數采用表5參數。通過仿真試驗表明，三階參數可以提高臨界增益，從而提高系統阻尼比，最終提高機組在臨時系統中的帶負荷能力。

二階和三階參數仿真結果見表8，通過對三階參數和二階參數對比仿真試驗，PSS的臨界增益由35變為45，阻尼比由0.26提高至0.3。通過上述仿真結果表明，可以通過適當調整PSS三階參數，提高系統阻尼。

表8 二階和三階參數仿真結果

6 結語

本文主要針對海外某660 MW項目調試升負荷過程中發生低頻振蕩跳機后，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，應選取機組低頻振蕩負荷的90%進行試驗。PSS超前滯后參數整定原則，將不同運行工況下頻發的系統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阻尼轉矩發揮最強作用。PSS增益整定原則，首先滿足導則整定的要求，根據實際有功功率低頻振蕩情況，同時考慮PSS反調和勵磁調節器的輸出幅值進行PSS增益的調整，盡可能滿足機組滿負荷運行的需要。PSS參數優化原則，整定三階參數在不影響PSS補償超前滯后角度的情況下，盡可能增大臨界增益。本項目最終調整PSS增益KS=8使機組帶至滿負荷完成機組試運行工作。