加速功率型PSS转速测量诱发机组功率振荡分析

熊鸿韬，陆海清，汪宗恒，谢 勇

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014；3.华能国际电力股份有限公司玉环电厂，浙江 台州 317604）

输配电技术

加速功率型PSS转速测量诱发机组功率振荡分析

熊鸿韬1，陆海清1，汪宗恒2，谢 勇3

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014；3.华能国际电力股份有限公司玉环电厂，浙江 台州 317604）

阐述了因加速功率型PSS转速测量产生低频干扰而引起机组功率振荡的原理，并依据产生机理提出了2种抑制措施。以某660 MW机组的功率振荡事件为研究对象，通过判断励磁电压与有功功率相位关系、调整PSS定值、对比不同机组的PSS中间变量等方法确定了功率振荡的原因。最后，将所提出的2种抑制措施应用于该机组，分析比较了2种抑制措施的优缺点及适用范围。分析表明，消除转速测量模块缺陷是解决功率振荡问题的根本方法。

加速功率；电力系统稳定器；测量模块；功率振荡

0 引言

PSS（电力系统稳定器）不仅可以消除低频振荡，还可以将受稳定性限制的最大输送功率提高到线路极限[1]。在国内，几乎所有的机组均已配置了PSS功能。PSS1A模型因无法区分机组升降负荷与功率振荡，易发生反调现象，已被加速功率型PSS取代。加速功率型PSS在原电功率单一输入的基础上，增加了转速（或频率）信号，从而有效消除反调现象。但转速（或频率）信号通常由定子电压、电流以及发电机参数计算间接获得，在测量或者计算过程中可能出现干扰信号，引发机组功率振荡。

近些年，国内外学者对加速功率型PSS进行了大量研究，如文献[2]研究了转速计算引起的PSS2A反调现象；文献[3-5]研究了PSS超前滞后环节参数的整定与优化；文献[6]研究了加速功率型PSS功率匹配系数的整定，主要对轴系扭振滤波函数参数进行了研究；文献[7]分析了PSS频率采样异常引发机组功率振荡的故障机理和诊断结论，但对转速测量引起机组功率振荡问题的研究很少。

以下基于加速功率型PSS转速测量引起机组功率振荡的原理，结合某660 MW机组功率振荡事件，对比2种抑制措施的优缺点及适用范围。

1 事件回顾

图1 PSS投入前后功率及电压波动情况

从图1可以看出，有功功率波动最大幅度为25 MW，约3.8%Pn，励磁电压最大幅度为67 V（额定428 V）。有功振荡波形呈现周期性，幅度时大时小，振荡频率为1.4 Hz，属于机组本机振荡频率范围。

2 加速功率型PSS的工作原理

2.1 工作原理

加速功率型PSS采用转速（或频率）、电功率2个信号输入，能够消除单信号（电功率）输入可能引起的反调现象。若采用频率信号，当系统运行方式发生变化时，可能引起系统动态稳定性或励磁系统工作稳定性下降，因此一般采用转速信号作为信号输入[8]。典型的加速功率型PSS原理如图2所示。

在不考虑机械阻尼时，同步发电机的转子运动方程可以表示为：

图2 加速功率型PSS模型

式中：Tj为机组的转动惯量（包括原动机）；Tm为原动机转矩；Te为发电机的电磁转矩。

在标幺系统（额定转速下）中，可以认为转矩和功率是等值的，因此得到式（2）：

式中：Pm为机组机械功率；Pe为机组电功率。

2006年 “国家非物质文化遗产名录推荐项目名单”公布，国酒茅台酿制技艺名列其中，成为酱香型白酒工艺的唯一代表。第八届中国国际食品和饮料展览会（SIAL China 2007）在上海举行，这是亚洲地区规模最大展会之一。

将式（2）写成偏差形式，并进行拉普拉斯变换，可得：

使用计算到的合成机械功率偏差减去电功率的偏差得到加速度功率变化量ΔPa，即：

式中：G（s）为陷波器函数，也称轴系扭振滤波函数，其表达式见式（5）：

陷波器主要作用是过滤发电机合成机械功率偏差信号中频率较高的各种噪声信号及机组轴系扭振信号，并保证低频信号通过。一般要求在反调频率范围，最好在小于2 Hz范围内，陷波器增益接近1。

当机组机械功率保持不变时，合成机械功率变化量基本为零，加速功率变化量可表示为：

加速功率型PSS等效为PSS1A模型。当电功率变化量为0时，加速功率变化量也为0。

当机组升降负荷时，转速基本不变，因此，合成机械功率变化量与电功率变化量相等，加速功率变化量可表示为：

因陷波器在反调频率范围内，增益接近1，因此加速功率变化量 ΔPa接近0，加速功率型PSS输出为0，不会引起反调现象。

2.2 角速度信号获取

发电机角速度获取方法一般有2种：第一种是在发电机大轴上加装测速装置直接获取；第二二是通过测量定子电压、电流等信号推导获得。

第二种方法获取角速度信号不需要增加其他设备，方法简单，信号稳定，目前基本所有加速功率型PSS均采用该方法。但该方法获得的并不是实际角速度转速信号，容易出现测量、计算等干扰信号。若干扰信号ωn叠加到转速信号ω时，加速功率变化量ΔPa输出将变为：

当机组机械功率、电功率均保持不变时，加速功率变化量仍会有输出，其输出与转速干扰变化量及陷波器函数有关，即：

干扰信号中频率较低部分，能够通过陷波器，将可能作为强迫振荡源诱发机组功率振荡。

由式（9）可以看出，抑制功率振荡主要有2种方法：修改陷波器参数；消除转速测量模块缺陷。

3 原因分析

通过分析试验波形发现：励磁电压Uf、无功功率∑Q3L和∑P3L存在很大的相关性，励磁电压波动超前无功功率约0.1 s，无功功率波动超前有功功率约0.09 s，如图3所示。

图3 励磁电压与功率相位关系

发电机的机端电压、励磁电压、机组有功和机组无功之间存在极大的关联性。若励磁电压波动滞后机组无功和机组有功波动，说明外部原因引起励磁电压的波动，即振荡由外部引起；若励磁电压超前机组无功和有功，则说明励磁电压先出现扰动，即扰动由励磁系统引起。如图3所示励磁电压超前，则说明励磁系统内部的原因引起功率振荡。

结合PSS投入/退出波形，现场判断未励磁系统中的PSS功能异常，现场采取重新整定PSS补偿参数、调整PSS放大倍数等多种措施后，功率振荡依然存在，因此判定功率振荡非PSS参数定值引起，而是由测量模块引起。

UNITROL5000励磁系统所采用的PSS模型如图4所示。

图4 UNITROL5000所用PSS模型

采用调试工具分别获取PSS输入、输出以及内部变量，同时获取了采用相同励磁系统的2号机组数据进行对比，详见表1。

由表1数据可知，正常运行时4号机组PSS输出为0.58%，远大于2号机组的输出（0.04%），主要原因是4号机转速测量结果经滤波后的数值仍较大（0.22%），2号机该参数为0。该参数说明机组转速变化量较大，按照4号机PSS转速输入为0.33%，反推算可知机组转速变化为9.9 r/min（额定转速为3000 r/min），而实际机组转速变化远小于该数值，因此，可以确定PSS转速测量存在问题，也正是由于这个原因才引发了机组的功率振荡。

表1 PSS各环节输出对比

4 事件处理

4.1 修改陷波器参数

陷波器G（s）典型参数为：T8=0.5，T9=0.1，M= 5，N=1。在BPA模型中M和N为固定值，由于建模需要，只修改 T8和T9，调整 T8=0，T9=0.3，调整前后谐波器的频谱特性如图5所示。

图5 不同陷波器参数幅频特性

从幅频特性上看，调整后的陷波器，在0.5 Hz以下的频段，幅值大于0.3；到1 Hz时幅值接近于0。可见，对于0.5 Hz以下的低频噪声滤除效果不是很明显，对于1 Hz以上的噪声消除十分明显。

现场实测表明，调整后PSS输出干扰明显减小，滤波效果较为明显，但无法完全消除转速测量干扰引发的机组功率振荡，同时也削弱了加速功率型PSS抑制反调的能力。此种方法只需修改定值即可实现，无需机组停机，简单方便，但不能从根本上解决问题，只可作为临时措施，不建议长期运行。

4.2 消除转速测量模块缺陷

造成机组功率振荡的原因是转速测量模块的输出存在较大干扰信号，可通过消除转速测量模块缺陷，消除转速测量引起的Δωn。根据式（9）可知，当机组机械功率、电功率均保持不变时，加速功率变化量输出为0。现场采用更换测量板件的方法来完善转速计算方法，更换测量板件后，重新投入PSS的波形如图6所示。

图6 更换PSS测量模块后电量波形

由图6可以看出，PSS投入后功率波动小于3 MW，与投入前功率波动相近。

5 结语

阐述了因加速功率型PSS转速测量产生低频干扰而引发机组功率振荡的原理，提出了抑制机组功率振荡的2种措施。

结合某660 MW机组的功率振荡，详细分析了事故过程及发生原因，并将2种抑制措施应用于该机组，对比分析了他们的效果、优缺点以及适用范围。

考虑到励磁电压、机组有功功率和无功功率之间存在电气控制关系，根据试验曲线励磁电压与有功功率的相位关系，确定了低频振荡的原因，为后续低频振荡事故调查提供了参考。

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（本文编辑：方明霞）

Analysis on Power Oscillation of Units Caused by Speed Measurement of PSS Based on PSS2A

XIONG Hongtao1，LU Haiqing1，WANG Zongheng2，XIE Yong3
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Hangzhou Yineng Electric Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310014，China；3.Yuhuan Power Plant，Huaneng Power International Inc.，Taizhou Zhejiang 317604，China）

The paper expounds the principle of power oscillation of units caused by low-frequency interference from speed measurement of PSS based on PSS2A.According to its generation mechanism，the paper also proposes two suppression methods.Taking power oscillation of a 660 MW unit as research object，the paper determines the cause of power oscillation by analyzing the phase relationship between excitation voltage and active power，adjusting the values of PSS and comparing PSS intermediate variables of different units.At last，the paper analyzes and compares the advantages，disadvantages and the applicable scope of the two suppression method by applying them to the unit.The analysis shows that the power oscillation can be fundamentally eliminated by erasing defects of rotation speed measurement module.

accelerating power；power system stabilizer（PSS）；speed measurement module；power oscillation

TM712

：B

：1007-1881（2017）03-0009-04

2016-12-14

熊鸿韬（1984），男，工程师，从事发电机励磁控制和电力系统稳定研究工作。