□王軍德 胡 斌 牛丹鳳 施桂芳

電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是首要問題。安全穩(wěn)定措施的提高主要有兩方面：一是合理安排電網(wǎng)結(jié)構(gòu)并加強(qiáng)建設(shè)，二是繼電保護(hù)措施的完善。保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)是電力系統(tǒng)的電源配置和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這個(gè)基礎(chǔ)很大程度上決定了電力系統(tǒng)穩(wěn)定的水平。但大量的重大事故證明：繼電保護(hù)裝置不能被強(qiáng)大的網(wǎng)架代替，在系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的有效手段是自動(dòng)檢測和繼電保護(hù)[1～4]。下面就一種低頻振蕩檢測裝置在水電機(jī)組的應(yīng)用效果分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和現(xiàn)場驗(yàn)證分析。

一、動(dòng)態(tài)模型實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)中重點(diǎn)采用測電功率(Pe)的穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)所用主系統(tǒng)為一水輪發(fā)電機(jī)，經(jīng)長線送電給無窮大系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)接線圖，發(fā)電機(jī)采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式。

(一)振蕩中投入穩(wěn)定器。在系統(tǒng)發(fā)生0.9Hz的低頻持續(xù)振蕩時(shí)投入穩(wěn)定器，經(jīng)l～2周(2s以內(nèi))振蕩就完全平息了,平息低頻振蕩的效果都十分顯著。

(二)線路參數(shù)突變。這種情況相當(dāng)于發(fā)電機(jī)的負(fù)荷發(fā)生一個(gè)擾動(dòng)，是否投入穩(wěn)定器，其響應(yīng)特性有很大差別。無穩(wěn)定器時(shí)，線路參數(shù)變動(dòng)以后，至少要4周后振蕩才能平息下來，超調(diào)量達(dá)到13%～15%，而有穩(wěn)定器時(shí)，1周即平息下來，超調(diào)量約3%。

(三)原動(dòng)機(jī)功率突變。當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率突變后，觀察到以頻率為信號(hào)的穩(wěn)定器，具有良好反應(yīng)特性，10%原動(dòng)機(jī)突增，僅擺動(dòng)一次，就接近新的穩(wěn)定值，過調(diào)量約9%，而無穩(wěn)定器時(shí)，將出現(xiàn)持續(xù)振蕩。

但是，以電功率Pe為信號(hào)的穩(wěn)定器，當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率變化時(shí)，穩(wěn)定器的響應(yīng)特性反而不如無穩(wěn)定器的，當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率突增10%后，投入穩(wěn)定器時(shí)，端電壓下降最大達(dá)15%，不但使最大擺角增大，而且也呈現(xiàn)了明顯的振蕩，這種現(xiàn)象稱之為“反調(diào)現(xiàn)象”[5～6]。雖然，在真實(shí)的機(jī)組上，原動(dòng)機(jī)功率不可能像模型試驗(yàn)中那樣，作突然的改變，但是只要采用電功率為信號(hào)的穩(wěn)定器，或多或少的都會(huì)出現(xiàn)這種“反調(diào)現(xiàn)象”。試驗(yàn)中觀察到，當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率變化緩慢，或變化很小時(shí)，反調(diào)現(xiàn)象就可以減輕。

至于“反調(diào)現(xiàn)象”的原因，可作如下解釋：在同步轉(zhuǎn)速時(shí)，若原動(dòng)機(jī)功率Pm恒定(△Pm=0)，則過剩功率即等于電功率Pe偏差的負(fù)值，并與角加速度α成正比，即

ΔP=ΔPm-ΔPe=-ΔPe=TJα

(1)

式中，TJ為機(jī)組慣性常數(shù)；α為角加速度。

如果對(duì)-△Pe在時(shí)間間隔△t內(nèi)取積分，就得到與角速度偏差成正比的量，即

=TJΔω

(2)

但是當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率變化時(shí)，情形就有所不同。原動(dòng)機(jī)功率由Pm1增至Pm2，電功率Pe將沿著螺線變化，在1～2階段內(nèi)，Pm>Pe，所以過剩功率△P>0，在這個(gè)階段內(nèi)電功率是增大的，所以△Pe>0，但穩(wěn)定器測量的實(shí)際值為-△Pe，這樣就造成穩(wěn)定器測量的信號(hào)與實(shí)際過剩功率反號(hào)，信號(hào)經(jīng)過處理后得到的加速度與速度信號(hào)也與要求的相反，因而提供了負(fù)值的阻尼轉(zhuǎn)矩及負(fù)值同步轉(zhuǎn)矩。在階段3～4內(nèi)，測得的信號(hào)相位與要求的也相反。雖然2～3、4～5兩個(gè)階段，穩(wěn)定器提供的信號(hào)的相位是正確的，但就整個(gè)過程來說，過渡過程仍然被惡化了。

二、現(xiàn)場試驗(yàn)

吉林臺(tái)電站有4臺(tái)115MVA的機(jī)組，采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，穩(wěn)定器采用頻率偏差為信號(hào)[7～8]，其傳遞函數(shù)如下：

(3)

穩(wěn)定器的輸出送到磁放大器的附加繞組上，并且把4臺(tái)發(fā)電機(jī)的附加繞組連接在一起。階躍干擾后，發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果及模擬計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果。

在上述動(dòng)模及現(xiàn)場試驗(yàn)中，穩(wěn)定器的作用在于改變了自然響應(yīng)中的特征根λ，無論是原動(dòng)機(jī)功率改變或線路參數(shù)突變，都相當(dāng)于一個(gè)外部階躍輸入，階躍輸入的穩(wěn)態(tài)值是恒定的，所以試驗(yàn)中記錄下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，相當(dāng)于零狀態(tài)響應(yīng)，只要是特征根具有足夠的阻尼比，響應(yīng)就可以從初始狀態(tài)平穩(wěn)地過渡到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。這種情況，類似于直流電源向電容充電的情況。

需要指出的是：如果外部輸入是隨時(shí)間按某種規(guī)律或隨機(jī)地改變，則所得的響應(yīng)，就不可能過渡到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。例如，電力系統(tǒng)中的負(fù)荷變化，有可能在聯(lián)絡(luò)線或發(fā)電機(jī)上造成功率的隨機(jī)波動(dòng)。前面已指出，這時(shí)系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)，不僅包含了自然模eλt，還包含了與輸入函數(shù)f(t)有關(guān)的強(qiáng)迫響應(yīng)?？梢韵胂?，裝設(shè)了穩(wěn)定器后，可以使自然模具有足夠的阻尼比，改善自然響應(yīng)。但是無法消除與輸入函數(shù)有關(guān)的強(qiáng)迫響應(yīng)。當(dāng)然，如果外部輸入函數(shù)是具有一定間隔的階躍函數(shù)，并且間隔時(shí)間足夠長，則穩(wěn)定器改善自然響應(yīng)特性的作用，就反映在階躍響應(yīng)的后續(xù)過程衰減加快了，而擺動(dòng)的幅值變化不大。

現(xiàn)場試驗(yàn)系統(tǒng)的接線，試驗(yàn)時(shí)，吉林臺(tái)電站開1、3、4號(hào)機(jī)，改變恰甫其海電廠的出力，以調(diào)整吉林臺(tái)兩回出線的總功率，并在不同的兩回線總功率時(shí)，切斷F—C線,試驗(yàn)穩(wěn)定器對(duì)這種大干擾的作用。

試驗(yàn)采用勵(lì)磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖，穩(wěn)定器采用電功率信號(hào)，并采用了兩個(gè)隔離環(huán)節(jié)，輸出的限幅為±5%，1、2號(hào)機(jī)的傳遞函數(shù)為

(4)

3號(hào)機(jī)采用相同傳遞函數(shù)，只是放大系數(shù)為0.354。

吉林臺(tái)電廠的現(xiàn)場試驗(yàn)，說明了穩(wěn)定器確實(shí)對(duì)于大干擾穩(wěn)定性，具有明顯的效益，試驗(yàn)成功地得出了切除一回線時(shí)，無穩(wěn)定器的功率極限為162MW，而投入穩(wěn)定器后，極限功率可達(dá)到244MW，提高了功率極限50%左右。這里輸送功率極限受到了事故后以振蕩形式出現(xiàn)的不穩(wěn)定性限制，所以穩(wěn)定器發(fā)揮了它的重要作用，在這種情況下，采用穩(wěn)定器，可以減少為保持穩(wěn)定性在送端電廠切除的機(jī)組的臺(tái)數(shù)。同時(shí)，也看到整定穩(wěn)定器的參數(shù)使其兼顧事故前及事故后系統(tǒng)情況是有可能的。當(dāng)然，不可能在兩種情況下都達(dá)到最佳狀態(tài)(阻尼比=0.707)，例如總功率為182.3MW時(shí)，試驗(yàn)所得到的事故后系統(tǒng)的阻尼比為0.084，但從運(yùn)行的角度來看，已經(jīng)滿足要求。

根據(jù)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，對(duì)大干擾以后第一擺的擺幅的影響分析如下：由于穩(wěn)定器提高了事故后的功角特性，增大了減速面積，這有利于克服第一擺失去穩(wěn)定。從動(dòng)模試驗(yàn)的結(jié)果來看，在故障期間，勵(lì)磁電壓Ufd因電壓調(diào)節(jié)器的作用，快速的達(dá)到頂值，當(dāng)故障切除以后，勵(lì)磁電壓ufd在0.4～0.8s之間，維持著比無穩(wěn)定器時(shí)相應(yīng)的電壓更高的數(shù)值，因而第一擺的擺幅也減小了。由吉林臺(tái)電廠現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果來看(見表5.1)，投入穩(wěn)定器后，大干擾后第一擺的擺幅減小了，仍然起到了穩(wěn)定的作用。

三、存在的不足及改進(jìn)措施

根據(jù)分析，以電功率為信號(hào)的穩(wěn)定器，當(dāng)快速增加或減小原動(dòng)機(jī)的功率時(shí)，它的“反調(diào)作用”是有害的，尤其是當(dāng)工作到人工穩(wěn)定區(qū)的時(shí)侯，這種反調(diào)作用會(huì)使靜態(tài)功率極限下降，對(duì)遠(yuǎn)距離送電的機(jī)組，使用這種信號(hào)并不理想。所以，對(duì)穩(wěn)定器的輸入信號(hào)、限制穩(wěn)定器作用的因素以及穩(wěn)定器對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)能力的研究仍然十分重要，也十分迫切，需要進(jìn)一步的、反復(fù)的實(shí)踐，以使電力系統(tǒng)穩(wěn)定器發(fā)揮更加理想的作用。

綜上所述，由于PSS技術(shù)的應(yīng)用，使得電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性大為增強(qiáng)，改善了系統(tǒng)的阻尼特性，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，使電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行得到了加強(qiáng)。

四、結(jié)語

通過對(duì)低頻振蕩自動(dòng)檢測裝置(穩(wěn)定器)在吉林臺(tái)和恰甫其海電廠的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：一是對(duì)于自發(fā)低頻振蕩，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器具有良好的抑制能力，當(dāng)發(fā)電機(jī)采用穩(wěn)定器后，可以使特征根實(shí)部由正值變?yōu)樨?fù)值，并且可以達(dá)到事前給定的阻尼比，不但可以克服低頻振蕩，而且可以大大改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。二是穩(wěn)定器可以有效地提高系統(tǒng)在受到小干擾時(shí)的穩(wěn)定功率極限，也就是說可以達(dá)到最大可能的穩(wěn)定極限。三是對(duì)于系統(tǒng)受到大干擾而引起的振蕩，無論是因瞬時(shí)故障引起的振蕩還是永久性的故障引起的振蕩，對(duì)第一擺及后續(xù)的搖擺均具有明顯的抵制和克服作用。