汽轮发电机励磁系统PSS参数优化

刘海峰

(云南大唐国际电力有限公司, 云南 昆明 650011)

1 设备概述

某厂汽轮机为哈尔滨汽轮机有限责任公司制造的亚临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排汽、反动凝汽式汽轮机，调峰运行时采用定-滑-定压运行，其中滑压运行的范围是(30 %～95 %)额定负荷(ECR)。发电机励磁系统为ABB公司的UN5000型静态励磁系统，包括1台励磁变压器，3面整流柜(+EG1、+EG2、+EG3)，1面交流进线柜(+EA)，1面直流馈线柜(+EE)，1面AVR柜(+ER)，1面灭磁开关柜(+ES)以及1路起励电源。

2 电力系统稳定器参数优化的必要性

目前，大容量机组普遍采用快速励磁系统，虽然增加了电力系统的静态稳定和暂态稳定性能，但也可能因系统阻尼减弱而产生动态不稳定，即振荡失步问题。2003年以来，中国南方电网有限责任公司先后多次发生频率为0.4 Hz的低频振荡。根据事后的仿真分析，在某些电网运行方式下系统的弱阻尼是造成电网低频振荡的主要原因，而投入大机组的电力系统稳定器(PSS)并合理地整定其参数是解决该问题的主要措施。2008年红河电厂曾经发生0.38 Hz频率的持续功率波动，机组对电网产生一个持续的强迫扰动。该扰动的频率与电网的某个振荡模式(电网分析出云南、贵州电网对广东电网存在约0.4 Hz的振荡模式)比较接近，诱发电网产生低频振荡。振荡起始阶段为负阻尼，中间阶段基本为零阻尼，然后逐渐平息。振荡过程中，事故机组的阀门波动始终较大，但在电网大量PSS和调度及时采取直流调制等控制措施的作用下，系统阻尼增大，使得振荡没有继续发散而逐步平息。该电厂事故机组在电网强阻尼的作用下也逐渐恢复到稳定状态，避免了事态的扩大化。由此可看出电厂PSS参数优化的必要性。

3 PSS工作原理

PSS采用转速偏差(Δω)、频率偏差(Δf)、加速功率偏差(ΔPa)、电功率偏差(ΔPe)中的一个或者几个信号(一般为2个)作为AVR的附加输入，产生阻尼力矩，以提高电力系统动态稳定。由于PSS具有物理概念清晰、参数易于选择等优点，目前正得到大规模的推广和应用。为了更好地说明PSS是如何为系统提供正阻尼和抑制低频振荡的，可以建立如图1所示的Δω/Δδ(功角偏差)坐标系。

图1 Δω/Δδ平面PSS原理

在低频振荡过程中，ΔPa，Δω，Δδ，ΔPe，ΔUt等遵从图1所示的相位关系。由于AVR按电压偏差信号ΔUt进行调节，励磁系统本身的惯性具有滞后特性，其产生的电磁力矩ΔM1滞后于Δδ一个角度Φ1。从图1中可以看出，ΔM1在Δω轴上的分量是负值，提供负阻尼，为了消除这种负阻尼，需要提供一个附加控制信号，PSS就具有这种功能。以取加速功率偏差(ΔPa)为输入信号的PSS为例，其产生的电磁力矩ΔM2滞后于ΔPa一个角度Φ2，Φ2包括励磁系统对ΔPa产生的滞后角度和PSS环节的相位补偿角度。为使机组稳定运行并使最后合成的电磁力矩ΔM在Δω轴上的分量为正值，即提供正阻尼，则由PSS产生的电磁力矩应满足要求：在该电力系统低频振荡区内使PSS输出的力矩向量对应Δω轴的角度为-10°～45°，并使本机振荡频率力矩对应Δω轴的角度为0～30°。通过适当调整PSS输出信号的相位及放大倍数，就可使最后的合成力矩提供正的阻尼力矩及正的同步力矩。

4 PSS参数整定计算原则

根据《南方电网电力系统稳定器整定试验导则（试行）》的规定：0.2～2.0 Hz频率范围内PSS输出力矩向量滞后Δω轴的角度为-10°～45°；原则上要求PSS输出力矩向量为0.4～0.8 Hz频率范围内滞后Δω轴的角度为0～30°，并尽可能接近0。

5 AVR参数

1号发电机组电压闭环PID参数：KR=500，TC1=1，TB1=10，TC2=TB2=0.025；机组调差系数为3 %，PSS临界增益取值为10。

5.1 PSS输入、输出特性参数说明

发电机额定视在功率、额定转速、额定频率对应的PSS输入信号为1 p.u.(100 %)；PSS输出信号叠加到AVR电压相加点，1 p.u.对应发电机端电压额定值。

5.2 励磁系统频率特性测量

5.2.1 无补偿频率特性测量无补偿频率特性即励磁系统滞后特性，为自动电压调节器中PSS输入点到发电机电压间的相频特性。测量是在并网运行的机组上进行的，试验条件是要求机组的功率因数尽量接近1。测量时通过PHOTONII动态信号分析仪输出一个白噪声信号至励磁调节器的误差环节，其响应(机端电压)经过电压变换器测试仪转换后送入PHOTONII，测量包括励磁系统在内的发电机频率响应特性。这里电压变换器测试仪将发电机端三相电压转换为一个直流电压信号，主要作用是在发电机回路和试验回路实现电气隔离。

无补偿频率特性测量应注意以下3点：

(1)适当选择信号大小和配置A／D变比，一般要求发电机电压波动控制在1 %～2 %范围内；

(2)信号必须从0开始缓慢增大，防止冲击；

(3)有时频谱仪输出和AVR间易产生共模干扰，使之无法得到光滑的频响曲线，可通过在频谱仪输出和AVR间串接入光电隔离器解决。自并励励磁系统无补偿相频滞后较小，一般需要在低频段进行滞后补偿，高频段进行超前补偿。

5.2.2 励磁系统有补偿频率特性测量

励磁系统有补偿频率特性由无补偿频率特性与PSS单元相频特性相加得到。试验主要检验PSS现场试验整定值对相位的补偿是否能够达到预期的效果。

由无(有)补偿频率特性试验结果可知，补偿前相位由扣除电压变换器之后所得；现场试验过程中，由于装置不具备有补偿测试功能，因此现场未能完成装置的PSS有补偿特性测试，所以有补偿结果由计算值给出。

由机组补偿前后频率特性及相频特性可看出：在1.1 Hz时，PSS基本无补偿；小于1.1 Hz时，提供滞后补偿；大于1.1 Hz时，提供超前补偿。在1.6 Hz时，有下凹点，滞后角度最大，为-142°，此点为振荡频率点。在0.2～2 Hz频段内，补偿后相频特性靠近Δω轴，PSS提供了较好的相频补偿。

6 整定内容

6.1 PSS投退试验

PSS投退试验的目的是检验机组PSS投入与退出是否正常，投入退出瞬间是否产生大的扰动。由1号发电机PSS投退试验波形可知，在PSS投退过程中，机组无功功率无异常波动，发电机组PSS可以正常投退。

6.2 PSS自动投退功能试验

在机组PSS外部投入硬开关的情况下，PSS程序依据设定的自动投入、退出百分比(或者有名值有功功率)进行投退。当发电机实际发出有功功率大于PSS自动投入百分比(有功)时，PSS自动投入；当发电机实际发出有功功率低于PSS自动退出百分比(有功)时，PSS自动退出。

经过现场检验，该电厂2台机组励磁调节器内部PSS投入功率以有功功率PN作为投入功率标幺值计算基准，且该调节器能够根据设定的PSS门槛值进行正确的PSS投退。

6.3 PSS主回路临界增益试验

结合机组的相频特性测试结果，在计算出PSS试验整定值的情况下，将PSS试验整定值输入AVR调节器之后，投入PSS，并逐步修改PSS的主回路放大倍数，直至发电机励磁电压及无功出现明显的波动，此时对应的PSS主回路放大倍数即为PSS在该整定参数情况下的临界增益。

具体方法为：现场修改Ks1(时间继电器)，当Ks1由1逐步增加到10时，发电机无功功率、励磁电压出现较为明显的波动，由此确定该机组在该参数情况下临界增益为10；在之后的发电机电压阶跃试验过程中，根据临界增益最终得到了1号机Ks1为5。由1号发电机PSS临界增益试验图可知，1号机无功功率Qmax=18.259 Mvar，Qmin=13.830 Mvar；1号机在临界增益试验过程中无功功率出现明显的波动，说明Ks1=10已达到临界增益值。

6.4 PSS投入与退出情况下电压阶跃的试验录波

PSS投入与退出情况下的电压阶跃试验可用于检验PSS整定参数值的有效性。将PSS投入与退出情况下相同发电机机端电压阶跃的录波图进行对比，根据发电机有功功率的振荡波形分析PSS的效果可知，PSS投入情况下发电机有功功率的振荡次数明显少于PSS未投入情况下的振荡次数。

由1号机组阶跃试验波形图可知，PSS未投入情况下机端电压1 %阶跃有功功率周波震荡为2～3个；PSS投入后，机端电压1 %阶跃有功功率周波震荡为1～1.5个，振荡衰减，正阻尼效果明显，故PSS整定是有效的。

由于PSS I，II通道投入运行之后相同阶跃量下机组有功功率只有1个振荡周波，无法科学计算出其阻尼比，但是从振荡次数分析，其相同阶跃情况下的振荡次数已经出现了明显下降，因此认为其阻尼已较大，能够满足预期要求。

6.5 PSS限幅功能试验

PSS输出最终叠加到AVR的PID上(绝大部分叠加到电压叠加点上)，相当于改变发电机的给定电压。因此，PSS输出限幅的大小将有效地影响PSS的作用效果。现场试验过程中将PSS输出限幅修改到装置允许的最小值0.1 %和正常运行所整定的限幅值10 %，在这2种情况下进行发电机机端电压的1 %阶跃试验。对比2者试验波形发现，限幅越小，PSS作用越小，相同阶跃情况下发电机有功功率振荡次数多于限幅大者。但是，该情况的出现必须建立在阶跃过程中PSS输出限幅已经达到所设定的最小限幅基础上。

6.6 反调

在发电机运行过程中，不能确定PSS不能辨别机组有功功率改变是由于系统原因还是运行人员人为的增减负荷所导致的，因此，在PSS投入情况下，发电机有功功率改变将由于PSS的作用而产生无功功率向“相反”方向增减的现象，即发电机有功功率增加时无功功率降低；发电机有功功率降低时无功功率增加，这种现象称为反调。《中国南方电网电力系统稳定器(PSS)运行管理规定》(以下简称《规定》)要求：机组PSS反调量应该在机组1/3额定无功功率范围之内。

由1号机组反调试验录波情况可知，在1号发电机的反调试验过程中，发电机有功功率由285.2 MW下降至277.7 MW的过程中，无功功率Qmax=10.10 Mvar，Qmin=7.59 Mvar，变化量为2.51 Mvar。该机组PSS在反调过程中无功波动范围在1/3额定无功范围之内，符合《规定》的要求。

7 结论

(1)在采用PSS试验整定值的情况下，PSS补偿后的相位在《规定》所要求的范围之内。

(2)该电厂1号发电机组PSS投退功能正常。

(3)在采用上文试验的PSS整定值的情况下，机组PSS投入后的机组振荡频率和阻尼比能够满足《规定》的要求。

(4)在反调试验过程中，发电机无功功率波动符合《规定》的要求。

(5)从机组PSS有补偿频率特性可以看出，补偿后的相位符合《规定》的要求，且上文提供的参数能够使该机组的PSS在0.2～2.0 Hz范围内正常工作。

(6)2台机组经过PSS参数优化整定后，机组PSS自动投入至今运行良好，满足《规定》的要求。

8 结束语

通过对电力系统低频振荡机理的分析，有助于加深对发电机组PSS的理解及更好地完成现场参数整定。300 MW机组现场试验的顺利完成及PSS投运后的显著效果表明了PSS参数的合理性，同时也规范了现场操作流程，为开展同类型机组的PSS参数整定提供了借鉴。

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