电力系统稳定器在MNGETA水电站的应用

曾毕鹏，熊 杰，周 成，高雄清，宋宴明

(水利部长江委陆水枢纽工程局，湖北 赤壁 437300)



电力系统稳定器在MNGETA水电站的应用

曾毕鹏，熊 杰，周 成，高雄清，宋宴明

(水利部长江委陆水枢纽工程局，湖北 赤壁 437300)

详细介绍了电力系统稳定器(PSS)的基本原理及其在MNGETA水电站的应用。PSS提高了电网运行的可靠性，对电网的安全、稳定起到了积极的作用，在广大中小水电网，特别是在孤网运行的水电系统中有广阔的应用前景。图6幅。

水电站；电力稳定器；录波分析；原理；应用

1 概 述

MNGETA水电站位于坦桑尼亚，装有2台卧式混流机组(2×160 kW，发电机为400 V低压机组，额定定子电流288.8 A，额定励磁电流110 A，额定励磁电压45 V)。2台机组直接并联组网后向用户供电，负荷在70～250 kW之间变化，输电距离大于10 km。

2台机组各自单机带负荷运行还是比较稳定，并列运行时，无论如何调整调速器的参数，发电机的端电压很稳定，励磁电流(包括无功功率)摆动范围非常小，但是有功功率只能稳定运行在某个点，而不是在某个区间稳定运行；当调速器改成手动方式运行时，完全不能满足负荷变化的要求，无法稳定运行。2台并列运行后，逐步递增负荷，总负荷可以达到230 kW以上，而机组实际只能运行在150 kW的负荷区，超过这个区域2台机组就无法稳定的并列运行。

2 录波分析

双机并列运行总负荷为100 kW，有功功率与无功功率波动波形图如下所示(见图1)。

图1 有功功率与无功功率波动波形

当总负荷到达150 kW时，定子电流摆幅达到200多A(额定定子电流288.8 A)。由于机组大幅波动，发电机过电流保护动作，机组无法正常运行。

根据录波分析可知：可能是输电线路线径较小引起的阻抗过大、水头波动及尾水是否产生旋流等多种综合因素，加上励磁又是采用的快速、高放大倍数的微机励磁。通过将其中1台机组(2号机)的励磁由自动电压调节模式切换到手动励磁电流调节模式，2台机组的振荡情况得到明显改善；而且随着负荷的增加，2台机组有功负荷分配越平均运行得越稳定(见图2)

图2 1号机恒压运行，2号机恒流运行的励磁调节器录波

根据图2分析可知：励磁1台机组切恒流(手动)运行后，机组之间的有功功率波动幅度有所减小。根据这个情况，我们分析判断机组发生了有功低频振荡，引起了定子电流等幅(或增幅)振荡。低频振荡原因是孤网运行时2台机组在小干扰下发生的频率为0.2～2.5 Hz范围内的持续振荡现象，此时发电机2台转子之间产生了磁场拉力，互相牵扯、摇摆。产生有功低频振荡的原因是由于电力系统的负阻尼效应，经常出现在弱联系、远距离、重负荷输电线路上，在采用快速、高放大倍数的微机调节励磁系统上发生概率更高。因此，建议试投PSS(电力系统稳定器)，通过励磁装置的PSS输出抑制机组的低频振荡。同时，提出调速器增加1次调频功能可能效果更好。

经过试验证明，双机并列1台励磁投入PSS后，机组振荡有改善，2台同时投入PSS后，机组振荡明显减弱，机组带负荷运行情况正常。由于现场缺少相应的试验设备(如频谱分析仪、继电测试仪、示波器等)，只能根据励磁软件录波分析机组的相关电量(见图3～图6)。

图3 2台并列投，2号机PSS录波 (各录半分钟)

图4 2台同时投，PSS录波(各录半分钟)

图5 2台并列，2号机退出，PSS录波(各录半分钟)

图6 2台并列，同时退出，PSS录波(各录半分钟)

根据以上4组波形图可以分析出有功功率在低频振荡时的波动幅度较大，而且是发散的，直接影响了机组正常并列运行；而通过在励磁装置上投入PSS后，输出有效地抑制了低频的振荡，满足了单机及2台并列的稳定运行条件。

得出的试验结论：此孤网并列运行的2台机组所形成的系统中，存在着有功低频振荡，频率大约在0.2～2.5 Hz之间；通过在励磁设备上投入PSS，机组的低频振荡得到了有效抑制。

引起有功低频振荡的原因有可能是以下3种之一，也可能是它们的组合：一是输电线缆较细；二是水轮机及其控制系统原因；三是水工建筑物方面的原因(进水水位不稳、出水口产生旋流)。

所以，也可以从引起有功低频振荡的原因去解决，当然，投入PSS是最经济的解决方案；而是否在励磁装置上投入或退出PSS则要看机组的组网情况及运行的实际工况来决定。

3 PSS的作用

电力系统产生低频振荡的原因很多，其中主要原因是发电机与电网之间的联系构架薄弱，输电距离较长、阻尼较小，功率因数较高，这时如果系统受到扰动(有功功率发生扰动)，就会出现功率的振荡，不能依靠自身的阻尼来平息振荡，从而使得振荡进一步扩大。

因此，要防止低频振荡，就要增加系统的正阻尼，减少负阻尼。有很多方法可以达到此目的，如改善电网结构、优化水工结构、改变运行方式或调节方式、减小联络线的输运功率、调整有功与无功控制器的相关参数进行配合等，但最为有效且经济的方法则是采用PSS来解决。

发电机的励磁控制系统是由多个惯性环节组成的反馈控制系统，从励磁调节器的信号测量到发电机转子绕组，每一环节都有惯性，其中最主要的惯性是发电机转子绕组。总体来看，励磁系统是一个滞后的环节，这种滞后性使得在系统产生低频振荡时励磁电流变化滞后于转子角的变化，加剧了转子角的摆动，也就提供了负阻尼。PSS的任务就是抵消这种负阻尼，同时提供正的阻尼。

4 结 语

我国微机型电力系统稳定器的实际运用始于20世纪90年代，小在湖北恩施电力公司建始县小溪口电站，大到葛洲坝电厂都有使用。当时在华中科技大学涂光瑜教授的带领下，对所有模型在低频段提供正阻尼的情况均进行了仿真实验，并对PSS环节的幅频及相频进行了验证。

当然，PSS在电站运行中也不是没有遗留问题。在PSS输入时，机组的无功功率会有一定的波动，这种波动的幅度在不同的有功负载情况下有所不同；这就要我们在试验时要通过长时间的录波来捕捉这种波动，再来应对解决。

经过专家们20多年的努力，从PSS—1A到PSS—2A的发展，已经将独立的装置集成到励磁调节器中，在目前水电站的运行实践中使性能得到了进一步完善提高。

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责任编辑 吴 昊

2014-10-30

曾毕鹏(1964-)，男，工程师，主要从事水电站励磁设备的安全经济运行及研究工作。