于遠(yuǎn)鵬

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610051）

1 概述

根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，二灘水電站勵磁控制系統(tǒng)附加了PSS系統(tǒng)，增設(shè)PSS的目的是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速搖擺提供正阻尼，以增強(qiáng)與電力系統(tǒng)的聯(lián)系。PSS能在系統(tǒng)突然施加一個干擾，如在線路退出運(yùn)行或系統(tǒng)聯(lián)系較弱和穩(wěn)定裕度不夠時，起到重要作用[1～4]。二灘水電站機(jī)組PSS增益設(shè)定是根據(jù)現(xiàn)場試驗進(jìn)行調(diào)整，取得了較好的阻尼效果。實踐證明，二灘水電站機(jī)組增設(shè)PSS系統(tǒng)是提高系統(tǒng)穩(wěn)定和增加功率輸送較經(jīng)濟(jì)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(shù)如圖1所示。

圖1 海佛容-菲利普斯模型傳遞函數(shù)

其中各參數(shù)的定義如表1所示。

UNITROL5000微機(jī)勵磁數(shù)字調(diào)節(jié)器采用的PSS為IEEEPSS-2 A型標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)，?ω和Pe雙輸入信號的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。?ω和Pe輸入信號是通過對發(fā)電機(jī)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(diào)節(jié)器軟件中PSS框圖如圖2所示。

表1 PSS 參數(shù)定義

由軟件圖可以看出，轉(zhuǎn)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(jìn)行差值運(yùn)算，頻差相對值經(jīng)過隔直環(huán)節(jié)，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(jīng)過隔直環(huán)節(jié)，低通濾波器，信號放大，信號輸入到相加器中，與轉(zhuǎn)子頻率信號相加，經(jīng)過陷波器，濾除掉特定頻率的信號，合成信號再經(jīng)過濾波器，信號放大，超前滯后環(huán)節(jié)，輸出限幅，再與PSS的P/Q限制信號進(jìn)行比較，較大值者作為輸出信號12010。

圖2 UNITROL5000微機(jī)勵磁數(shù)字調(diào)節(jié)器PSS框圖

PSS輸出信號12010通過切換開關(guān)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(jīng)過限制器干預(yù)后，最終處理好的（AVR）PID控制器偏差信號）進(jìn)行相加，相加的輸出信號作為AVR_PID調(diào)節(jié)的偏差信號。

2 空載特性曲線確定基準(zhǔn)值和模型參數(shù)

2號機(jī)空載特性曲線如圖3。

圖3 2號機(jī)空載特性曲線

由發(fā)電機(jī)的空載特性可以確定發(fā)電機(jī)勵磁回路的計算基準(zhǔn)值及模型參數(shù)[5-7]：

（1）發(fā)電機(jī)勵磁電流的基準(zhǔn)值Ifdb：選取發(fā)電機(jī)空載特性曲線氣隙線上與發(fā)電機(jī)額定電壓對應(yīng)的發(fā)電機(jī)勵磁電流作為基準(zhǔn)值：Ifdb=1350 A。

（2）發(fā)電機(jī)勵磁回路電阻的基準(zhǔn)值Rfdb：選取發(fā)電機(jī)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(zhǔn)值，即：

有 Ufdn=318，Ifdn=2709，則：

（3）發(fā)電機(jī)勵磁基準(zhǔn)值Ufdb：Ufdb=Rfdb×Ifdb=0.1174×1350=158.5 V。

（4）根據(jù)發(fā)電機(jī)空載特性計算模型需要的飽和系數(shù)：對應(yīng)發(fā)電機(jī)額定電壓的氣隙線電流為1350 A，實際電流為1575 A，則：

對應(yīng)發(fā)電機(jī)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(shù)Kc計算：勵磁變壓器的三相整流橋換相壓降系數(shù)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(zhǔn)值，Rfdb為發(fā)電機(jī)勵磁回路電阻基準(zhǔn)值。

（6）勵磁系統(tǒng)最大輸出電壓VRmax和最小輸出電壓VRmin

計算勵磁系統(tǒng)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(tǒng)的最大控制角αmax=149°，最小控制角 αmin=15°。經(jīng)計算可得出

標(biāo)幺值為：

3 PSS參數(shù)優(yōu)化試驗

（1）調(diào)差系數(shù)計算：按照系統(tǒng)要求，調(diào)差系數(shù)應(yīng)設(shè)置在+4%。在50%～100%無功功率負(fù)荷下測得機(jī)端電壓Ut1和給定值UREF1后，在發(fā)電機(jī)空載試驗中測量UREF1時機(jī)端電壓Ut0，然后按照公式計算可得出實際的調(diào)差系數(shù)。

試驗數(shù)據(jù)如下：

帶入上式計算，得D=4.05%，與設(shè)置基本一致。

（2）勵磁系統(tǒng)在線無補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性試驗：發(fā)電機(jī)有功功率調(diào)到接近機(jī)組最大出力，無功功率盡量調(diào)小；自動勵磁調(diào)節(jié)器單通道運(yùn)行；PSS退出運(yùn)行。在PSS輸出信號迭加點輸入掃頻擾動信號，測量發(fā)電機(jī)電壓對于PSS輸出信號迭加點的頻率響應(yīng)特性，即勵磁系統(tǒng)滯后特性。

2號機(jī)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(jī)在線無補(bǔ)相頻特性測量值

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

（3）PSS相位補(bǔ)償特性和參數(shù)整定：按照電網(wǎng)要求，PSS參數(shù)整定的原則是：應(yīng)使其相位補(bǔ)償在0.1～2.5 Hz的頻率范圍內(nèi)都能產(chǎn)生盡可能大的阻尼力矩。

根據(jù)PSS數(shù)學(xué)模型和勵磁系統(tǒng)在線無補(bǔ)償相頻特性測量值，按照PSS參數(shù)整定原則用逐步逼近的方法確定PSS參數(shù)（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(fā)電機(jī)AVR模型和PSS傳遞函數(shù)框圖的數(shù)學(xué)模型（圖5），計算得到2號機(jī)PSS相頻特性的補(bǔ)償，有關(guān)補(bǔ)償相頻特性如下：

圖5 二灘水電站2號發(fā)電機(jī)AVR模型和PSS傳遞函數(shù)框圖

有補(bǔ)償相頻特性值在-63°～-106°范圍內(nèi)。

由于PSS采用的是發(fā)電機(jī)負(fù)的電功率（-Pe）作為輸入信號，經(jīng)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(nèi)。因此在 0.1～2.5 Hz的頻率范圍內(nèi)PSS都能產(chǎn)生正的阻尼力矩。

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

（5）PSS參數(shù)初步確定，經(jīng)計算與試驗可得出PSS運(yùn)行參數(shù)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(tǒng)模型和2型PSS在單機(jī)無窮大母線系統(tǒng)0.1～2.0 Hz范圍內(nèi)進(jìn)行仿真。

根據(jù)上述仿真結(jié)果分析，我們可以得知：

在PSS投入和退出兩種工況下進(jìn)行負(fù)載階躍響應(yīng)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(shù)為4次以上；PSS投入后降低為1次，說明PSS對于系統(tǒng)的低頻振蕩提供了良好的阻尼。

（7）PSS參數(shù)優(yōu)化后的實際運(yùn)行情況：以2號機(jī)為例，2009年 01月 09日 10：17，CCS上發(fā)“GIS 2號故障錄波裝置啟動；1、2、4、5、6 號機(jī)機(jī)組保護(hù) 1號總啟動動作；1、2、4、5、6 號機(jī)機(jī)組故障錄波裝置啟動；2號機(jī)無功反饋故障發(fā)生，2號機(jī)定子電壓測量值故障”等報警；檢查二灘水電站設(shè)備運(yùn)行正常，匯報省調(diào)并經(jīng)詢問為普敘線跳閘。

查看采集歷史數(shù)據(jù)，2 F機(jī)組無功功率突變時監(jiān)控數(shù)據(jù)表如表2所示。

表2 機(jī)組無功功率突變時監(jiān)控數(shù)據(jù)表

根據(jù)監(jiān)控采集歷史數(shù)據(jù)做波形變化比較如下：二普線路無功和電壓發(fā)生大幅波動，導(dǎo)致二灘水電站2 F機(jī)組無功功率和機(jī)端電壓瞬間大幅波動。但由于勵磁系統(tǒng)PSS的及時響應(yīng)，系統(tǒng)的波動并沒有改變2號機(jī)組及其他4臺機(jī)組的無功變淺趨勢，也沒有引起其他5臺機(jī)組的無功功率、勵磁電壓、勵磁電流大幅波動，也未導(dǎo)致機(jī)組其他參數(shù)突變及報警[8～10]。由此，可以判斷2號機(jī)組勵磁系統(tǒng)PSS參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

4 優(yōu)化PSS參數(shù)后的效果

通過對二灘水電站2號發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型參數(shù)測試和仿真建立的勵磁系統(tǒng)及PSS模型和參數(shù)，可以初步確定PSS的參數(shù)設(shè)置，該組參數(shù)在仿真試驗中，對勵磁系統(tǒng)有很好的暫態(tài)穩(wěn)定性，達(dá)到指標(biāo)如下：

（1）發(fā)電機(jī)空載條件下的電壓調(diào)節(jié)精度高于1%。

（2）發(fā)電機(jī)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(diào)量MP為15%左右。

（5）調(diào)整時間為3 s左右。

根據(jù)《DL/T583-2006大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》關(guān)于系統(tǒng)性能的要求可知該組PSS參數(shù)能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。二灘水電站勵磁系統(tǒng)能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求?？勺罱K確定一組可以使發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的PSS參數(shù)。

5 結(jié)語

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)和PSS都具有較深的理論知識，通過對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入研究，加深了對發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)和PSS理論知識的理解，也初步確定了勵磁系統(tǒng)的PSS參數(shù)，使勵磁系統(tǒng)有很好的暫態(tài)穩(wěn)定性。