發(fā)電機(jī)深調(diào)進(jìn)相工況下加速功率型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器特性分析

摘要：加速功率型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PowerSystemStabilizer，PSS）在發(fā)動(dòng)機(jī)深度調(diào)峰進(jìn)相中，由于計(jì)算誤差大，有可能導(dǎo)致功率低頻、振蕩這些問(wèn)題的產(chǎn)生。為解決這些問(wèn)題，闡述如何進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，并且借助仿真測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)分析的合理性，具體是通過(guò)勵(lì)磁裝置采用電氣量計(jì)算轉(zhuǎn)速的方法，通過(guò)求解，獲得有功、無(wú)功狀態(tài)下轉(zhuǎn)速靈敏度分析。通過(guò)這一分析驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)理論分析的精準(zhǔn)度，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定研究有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：深度調(diào)峰進(jìn)相工況加速功率電力系統(tǒng)穩(wěn)定器低頻電抗參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM712

CharacteristicAnalysisofPowerSystemStabilizerwithAcceleratedPowerUnderDeepPhaseModulationofGenerator

YANGLiu1WANGHaihai2LANXin3

NanchangKechenElectricPowerTestResearchCo.，Ltd.，NanchangCity，JiangxiProvince，330000China

Abstract：PowerSystemStabilizer（PSS）withacceleratedpowermaycauseproblemssuchaslowfrequencyandoscillationofpowerduetolargecalculationerrorsduringdeeppeakmodulation&n_{50bh91z4gcL/aHJfAZ7IOovOWz+aCdB/5GytT9PdrXE=}bsp;oftheengine.Inordertosolvetheseproblems，thispaperdescribeshowtoanalyzethestabilityofthesystem，andverifiestherationalityofthesystemanalysiswiththehelpofsimulationtests.Specifically，themethodofcalculatingtherotationratebyelectricgasthroughtheexcitationdeviceisadopted.Throughsolving，thesensitivityanalysisoftherotationrateunderactiveandreactivestateisobtained，andtheaccuracyoftheon-sitetheoreticalanalysisisverifiedthroughthisanalysis.Ithasacertainreferencevalueforthestudyofsystemstability.

KeyWords：Deeppeakmodulation;Phasecondition;Acceleratedpower;Powersystemstabilizer;Lowfrequency;Reactanceparameters

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器所具備的附加勵(lì)磁控制裝置，可提供附加阻尼轉(zhuǎn)矩來(lái)提高系統(tǒng)阻尼，對(duì)穩(wěn)定系統(tǒng)和抑制低頻振蕩有重要的作用。在該技術(shù)的使用過(guò)程中，還可以改善模型在有功狀態(tài)下的“反調(diào)”現(xiàn)象，關(guān)于這個(gè)方面現(xiàn)階段的研究論文非常多。我國(guó)目前朝著新型電力系統(tǒng)的方向發(fā)展，在這個(gè)背景下新型電力系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)電力安全，傳統(tǒng)運(yùn)行中機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下電力系統(tǒng)穩(wěn)定器仍舊具備極好的性能，但是不少火電機(jī)組深度調(diào)峰過(guò)程中，進(jìn)相工況發(fā)生功率振蕩，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，引發(fā)振蕩事件，這提示人們?nèi)耘f需要加強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的研究，只有不斷研發(fā)新技術(shù)才可以適應(yīng)新時(shí)期的高質(zhì)量的要求。

1技術(shù)背景

在我國(guó)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)背景下，區(qū)域電網(wǎng)之間會(huì)存在0.1～0.3Hz的低頻震蕩，以單一的電功率作為輸出信號(hào)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，該設(shè)備會(huì)導(dǎo)致0.1～2.0Hz頻率之間的低頻震蕩“反調(diào)”現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。最開(kāi)始用單一電功率輸入簡(jiǎn)單信號(hào)后，“反調(diào)”會(huì)變得更嚴(yán)重，新時(shí)期自動(dòng)發(fā)電控制（AutomaticGenerationControl，AGC）廣泛使用，整體的調(diào)節(jié)速度加快，電網(wǎng)不允許用閉鎖的方式來(lái)解決“反調(diào)”，這種情況下需要使用扭振頻率來(lái)解決，這個(gè)過(guò)程中使用簡(jiǎn)單的電功率加軸速度雙輸入信號(hào)并不能解決“反調(diào)”的問(wèn)題，唯一有效的措施是加速功率。這是因?yàn)殡姽β首鳛檩斎胄盘?hào)的穩(wěn)定器在具體的工作中，其原理是設(shè)定的機(jī)械功率恒定，在調(diào)整功率的時(shí)候電功率就會(huì)代替加速功率。

現(xiàn)代電力不斷發(fā)展，弱聯(lián)系的電網(wǎng)和長(zhǎng)距離輸電線路、電網(wǎng)快速勵(lì)磁系統(tǒng)的使用成為當(dāng)前電網(wǎng)的主要特征，這些特征導(dǎo)致電力系統(tǒng)阻尼降低，低頻振蕩的可能性大大增加影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器有物理概念清楚和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，成為抑制低頻的主要措施，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠，在投運(yùn)之前，需要進(jìn)行參數(shù)的整定，如此才可以達(dá)到理想的阻尼效果。目前可使用試湊法或者是頻譜分析儀把白噪聲信號(hào)輸入調(diào)節(jié)器之內(nèi)，測(cè)量未投入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器時(shí)候的電壓相頻，逐一對(duì)比電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的參數(shù)，在其中找到合理的參數(shù)值。這種方法只能找到一組可接受參數(shù)，要想優(yōu)化參數(shù)方案，需要投入大量時(shí)間去對(duì)比，這個(gè)過(guò)程實(shí)際很難實(shí)現(xiàn)，而且參數(shù)設(shè)定依賴(lài)實(shí)驗(yàn)人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，一般人很難完成[1]。

2加速型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的原理

2.1不同工況下作用機(jī)理

典型的加速功率型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器傳遞函數(shù)如圖1所示。在該圖中，分別用△表示轉(zhuǎn)速變化量與電功率變化量；T表示時(shí)間常數(shù)；時(shí)間常數(shù)主要用于過(guò)濾軸系扭振與噪聲信號(hào)；M與N表示陷波器函數(shù)；K表示電力系統(tǒng)穩(wěn)定器增益、電功率的計(jì)算補(bǔ)償、功率匹配系數(shù)等。

圖中可知，表示課程機(jī)械功率的偏差和陷波器函數(shù)相乘，再與電功率的變化量相減，具體為：

在式（1）中，表示機(jī)組總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中，系統(tǒng)側(cè)振蕩，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)有功功率的變化，在引起變化后，與之間的經(jīng)過(guò)隔直、積分之后，數(shù)值相等且極性相反，在輸出后，得到=0，加速度功率變化量為負(fù)電功率偏差的積分，在增益、超前等環(huán)節(jié)，具備抑制震蕩的功能，具體功能實(shí)現(xiàn)是：

在式（2）中，若發(fā)電機(jī)有功功率產(chǎn)生變化，且變化是由原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率產(chǎn)生變化所引發(fā)，此時(shí)的變化會(huì)很明顯，變化不明顯，二者合成之后，得到0，此號(hào)在通過(guò)陷波器之后，和電功率的偏差量相減。陷波器在反調(diào)的范圍之內(nèi)，增益數(shù)值無(wú)限接近1，在兩者相減之后，加速功率的變化信號(hào)很小，此時(shí)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器輸出的近似值為零。加速功率型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是利用加速功率信號(hào)平衡機(jī)械功率改變，讓電力系統(tǒng)穩(wěn)定器僅僅在發(fā)生低頻振蕩的時(shí)候起作用。

2.2轉(zhuǎn)速計(jì)算

在勵(lì)磁裝置中，采集到機(jī)端電壓和電流之后，計(jì)算發(fā)電機(jī)軸內(nèi)的電勢(shì)，求取角頻×率為機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)，再輸入給。發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)與電壓之間的相互如圖2所示。

按照?qǐng)D2坐標(biāo)顯示，結(jié)合上圖關(guān)系來(lái)看，與軸之間的夾角表示為：，在句式中，對(duì)進(jìn)行求導(dǎo)，能夠得到角頻率。電壓與軸之間的夾角，可通過(guò)電壓信號(hào)來(lái)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)。市場(chǎng)上廠家勵(lì)磁處理方式基本上一致，但在擾動(dòng)過(guò)程中，如何計(jì)算精準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)的是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器轉(zhuǎn)速獲取的難點(diǎn)。計(jì)算的公式為：

通過(guò)對(duì)進(jìn)行計(jì)算，獲得角速度，計(jì)算公式如下：

在式（4）中：表示有功；表示無(wú)功；表示發(fā)動(dòng)機(jī)的電壓；X表示勵(lì)磁廠家的整定電抗參數(shù)。

3振蕩事故分析

3.1振蕩概述

現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，其額定功率為660MW。振蕩前的初始運(yùn)行過(guò)程中，該發(fā)電機(jī)的額定功有功功率為99MW，其中包含15%的額定功率。測(cè)定在該運(yùn)行狀態(tài)下的無(wú)功為10Mvar，本文是在這個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的試驗(yàn)，該工況下涉網(wǎng)的性能滿足要求。在進(jìn)相試驗(yàn)中，電廠運(yùn)行人員進(jìn)行減磁操作，讓無(wú)功在運(yùn)行中降低到-170Mvar之后，此時(shí)的機(jī)端電壓和有功功率等產(chǎn)生振蕩，在該工況下，有功的功率波動(dòng)為5MW，勵(lì)磁波動(dòng)為25V，在推出電力系統(tǒng)穩(wěn)定器之后，振蕩現(xiàn)象消失。

3.2負(fù)阻尼的原因

進(jìn)行工況的過(guò)程中，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定器作用的原因包含信號(hào)測(cè)量、隔直、相位補(bǔ)償和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的增益等不同環(huán)節(jié)。在工作現(xiàn)場(chǎng)，大負(fù)荷工況狀態(tài)下，深調(diào)進(jìn)相工況下的掃描測(cè)試、勵(lì)磁的參數(shù)定值，在諸多的測(cè)試中記錄下對(duì)應(yīng)參數(shù)，結(jié)合振蕩過(guò)程的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器PSS內(nèi)部變量輸出，進(jìn)而分析出現(xiàn)負(fù)阻尼的原因以便于后續(xù)的分析和調(diào)整[2]。結(jié)合具體分析可知，電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中，電網(wǎng)功率振蕩發(fā)生的時(shí)候，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器正確的運(yùn)動(dòng)邏輯讓其在合成后接近零，在高頻濾波后，只有一組參數(shù)進(jìn)入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器中，為滯后的系統(tǒng)提供正阻尼。但是結(jié)合本項(xiàng)目工況來(lái)看，振蕩數(shù)值為變量的五倍，造成輸出=參數(shù)的浮動(dòng)，在同相位的影響下，振蕩幅值是輸出參數(shù)的2倍，本應(yīng)該進(jìn)入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的超前之后輸入變量從“-”變成“+”，“反調(diào)”形成，導(dǎo)致電力系統(tǒng)穩(wěn)定性出現(xiàn)反向作用。技術(shù)人員與電廠聯(lián)系確認(rèn)，了解到本次的振動(dòng)并非電動(dòng)機(jī)異常調(diào)節(jié)所導(dǎo)致的，因?yàn)樵诠た刂杏泄β实臏y(cè)定正常，但是部分無(wú)用參數(shù)不能對(duì)消。在工控中，引發(fā)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器產(chǎn)生負(fù)阻尼的原因就是輸出不正常，在電力系統(tǒng)穩(wěn)定器轉(zhuǎn)速的計(jì)算下，造成這種變化成倍放大，這是由于深調(diào)進(jìn)相狀態(tài)下導(dǎo)致的負(fù)阻尼，進(jìn)而產(chǎn)生功率振蕩的原因。

3.3仿真分析

利用實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的搭建，具體開(kāi)展對(duì)發(fā)電機(jī)、主變壓器和輸電線路等進(jìn)行仿真，對(duì)于信號(hào)不同的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝置，分別進(jìn)行數(shù)字物理的混合仿真測(cè)試。通過(guò)測(cè)試可發(fā)現(xiàn)，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在特殊工況狀態(tài)下，阻尼特性均會(huì)變差，比如深度調(diào)峰、進(jìn)相工況等部分，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)阻尼[3]。

3.4電力系統(tǒng)穩(wěn)定器適應(yīng)性分析

若設(shè)有功率為，相同電氣量微小波動(dòng)狀態(tài)下，真實(shí)的轉(zhuǎn)速信號(hào)也可以認(rèn)為這個(gè)很小，同時(shí)固定。通過(guò)電氣量計(jì)算方法，能得到轉(zhuǎn)速變化量受電抗參數(shù)值、機(jī)組運(yùn)行所產(chǎn)生的影響。為分析這細(xì)微的影響，了解微小波動(dòng)下不同電抗參數(shù)、工況下的轉(zhuǎn)速變化，可通過(guò)函數(shù)式求導(dǎo)來(lái)計(jì)算。求導(dǎo)結(jié)果的物理意義是在設(shè)定的條件下，對(duì)無(wú)功功率微小波動(dòng)后，對(duì)轉(zhuǎn)速變化量所產(chǎn)生的影響：函數(shù)值越大，說(shuō)明微小波動(dòng)產(chǎn)生的影響越大；求導(dǎo)結(jié)果絕對(duì)值越小，轉(zhuǎn)速的變化量也會(huì)越小。若是相同的功率狀態(tài)下，真實(shí)轉(zhuǎn)速變化量是固定的。函數(shù)式為：

首先，分析有功對(duì)微小波動(dòng)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的變化，結(jié)合公式進(jìn)行推導(dǎo)可得到對(duì)應(yīng)的參數(shù)。根據(jù)計(jì)算，可知電抗參數(shù)的整定值偏大，這就會(huì)導(dǎo)致機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，在深調(diào)和進(jìn)相的環(huán)節(jié)，因?yàn)橛泄Φ牟▌?dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速偏差增大，導(dǎo)致系統(tǒng)會(huì)輸出比理論轉(zhuǎn)速更大的數(shù)字，從而導(dǎo)致穩(wěn)定器的輸出異常[4]。

其次，進(jìn)行無(wú)功功率的分析，結(jié)合參數(shù)設(shè)計(jì)與工況分析，深調(diào)進(jìn)相工況下，若無(wú)功功率是遲相、無(wú)功功率波動(dòng)相通過(guò)，這種狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較小。但無(wú)功進(jìn)相運(yùn)行且波動(dòng)相同工況下，不同的電抗參數(shù)就會(huì)影響到轉(zhuǎn)速。因此，使用電氣量計(jì)算機(jī)組的轉(zhuǎn)速，在對(duì)應(yīng)的波動(dòng)下，轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確性會(huì)受到電抗參數(shù)、機(jī)組運(yùn)行的影響，即電抗參數(shù)整定值越大、機(jī)組有功越低、進(jìn)相越深，計(jì)算出的轉(zhuǎn)速值就會(huì)越大，和真實(shí)之間產(chǎn)生巨大的偏差，部分狀態(tài)下轉(zhuǎn)速和電功率之間無(wú)法對(duì)消而出現(xiàn)阻尼特性的偏差。

3.5優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在660MW機(jī)組深調(diào)工控下，出現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的振蕩影響。為解決這一影響，對(duì)電抗參數(shù)進(jìn)行調(diào)整：其中分別取1.5p.u.、0.55p.u.，此時(shí)投入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，在有功為99MW、無(wú)功為10MVar的基礎(chǔ)上進(jìn)行減磁實(shí)驗(yàn)，當(dāng)=1.5p.u.時(shí)，出現(xiàn)振蕩；但當(dāng)調(diào)整=0.55p.u.后，減磁到-230Mvar，此時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，進(jìn)相實(shí)驗(yàn)合理，振蕩問(wèn)題被解決[5]。

為進(jìn)行深入研究，將取值在0.20p.u.、0.55p.u.、1.10p.u.、2.00p.u.的狀態(tài)下，投入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，在這個(gè)相狀態(tài)下調(diào)整機(jī)端電壓，可得到不同情況下的機(jī)端電壓擾動(dòng)參數(shù)。本次項(xiàng)目中=0.55p.u.后即可得到很好的實(shí)驗(yàn)效果。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在當(dāng)前成為電網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)，在系統(tǒng)中，電抗參數(shù)整定值偏大是導(dǎo)致機(jī)組深調(diào)進(jìn)相工況下出現(xiàn)振蕩的主要原因，振蕩發(fā)生后經(jīng)過(guò)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，信號(hào)幅值被放大，再產(chǎn)生阻尼。文章經(jīng)過(guò)分析之后，闡述負(fù)阻尼的出現(xiàn)影響因素和優(yōu)化調(diào)整過(guò)程，確認(rèn)在合適參數(shù)狀態(tài)下有良好的狀態(tài)。

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