水电机组电力系统稳定器(PSS)试验及参数整定

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(1.国网青海省电力公司电力科学研究院，青海 西宁 810000;2.国网青海省电力公司 经济技术研究院，青海 西宁 810000)

1 引言

随着我国电力系统规模的持续扩大，特高压输电线路持续建设，大容量火电、水电机组的不断并网发电，国家电网已经成为世界上最典型的(特)超高压、远距离、大容量、大规模分布式发电、交直流混合输电的复杂电网，安全稳定问题变得日益复杂。在这些复杂的安全稳定问题中，电力系统低频振荡问题是影响电力系统安全、稳定运行的最重要因素之一。一旦电力系统发生低频振荡，相关电气量(功率、电压、电流等)将做周期性波动，如果没有采取有效措施来抑制系统的低频振荡，将会导致电力系统的严重事故，造成重大的损失。

电力系统低频功率振荡是电力系统的负阻尼引起的，一般在与系统联系较弱、输送距离过大、输送功率较大的线路上容易发生，在采用高放大倍数的快速励磁系统的情况下更容易发生[1]。

目前抑制系统低频振荡的主要方法有发电机励磁系统加装电力系统稳定器(PSS)、采用直流小信号调制、采用柔性交流输电装置等方法。由于PSS有着安装容易、成本低、抑制低频振荡效果好的特点，在电力系统行业被广泛的使用。然而，PSS 的参数直接影响补偿之后的相位和增益，不恰当的整定参数不仅起不到提供系统正阻尼转矩的作用，反而可能削弱系统的正阻尼，降低电力系统动态稳定性[2-3]。

本文在论述低频振荡产生机理的同时，对广西某水电站1号机组开展了PSS参数整定试验，试验结果表明：整定PSS参数的机组具有良好的抑制低频振荡的效果，且没有产生反调现象，整定后的PSS参数能够满足相关技术标准的要求，提高了发电机的安全、稳定运行能力。

2 低频振荡产生机理

由上面的分析可知：当励磁系统调节不恰当时，有可能产生负阻尼。引发电力系统低频振荡的大致原因主要有以下两点：

(1)比例式励磁调节器采集信号较单一，仅反应发电机机端电压偏差来调节励磁，这样一来它强调了励磁调节器的调压功能，而忽略了电力系统稳定器功能。如果要实现励磁系统的电力系统稳定器功能，励磁调节器还应反应发电机的机械稳定状态进而进行励磁调节，即还需要采集发电机的转速信号Δω或电磁功率信号-ΔPe。

(2)比例式励磁调节器是采用按电压偏差信号-ΔU进行调节的，励磁系统本身具有惯性为滞后特性，其产生的电磁力矩ΔΜ1滞后于Δδ一个角度Φ1，如图1所示。此时，ΔΜ1在ω轴上的分量是负值，这时励磁调节器起的作用是增强发电机的同步能力，而消弱阻尼能力。

综上所述，若能通过发电机励磁系统产生一个与Δω同相的电磁功率-ΔPe，则励磁系统产生的力矩ΔΜ1与PSS产生的力矩ΔΜ2的合成力矩会落在第一或者第二象限，进而产生正的阻尼电磁功率。

图1 Δδ-Δω平面PSS原理示意图

3 PSS参数现场整定

按照《电力系统稳定器整定试验导则》的要求，PSS现场参数整定流程如下[4-5]：

3.1 励磁系统无补偿频率特性的测量

励磁系统无补偿频率特性是指发电机并网、PSS没有投入的条件下，测量机端电压与PSS叠加点之间的频率响应特性，用HP35670A动态信号分析仪产生一个伪随机信号(初始电平为0mVpk)，接入调节器PSS信号输入点，并将此信号接入HP35670A的分析通道1上。发电机机端PT二次侧三相电压接入HST-2变换器，变换器的输出接入HP35670A的分析通道2，缓慢增加伪随机信号的电平，使发电机的机端电压波动不大于1%，用HP35670A测量励磁系统无补偿相频特性。

在无补偿频率特性测量的过程中，应该遵循以下原则：

(1)白噪声信号应从零开始缓慢添加，防止白噪声对励磁系统产生冲击。

(2)在加白噪声的过程中要控制白噪声的幅值，使得发电机机端电压的波动不要超过额定电压的1%，励磁电压的波动要控制在额定励磁电压的30%～40%之内。

(3)由于频谱仪输出的白噪声信号与和AVR两者之间易有可能产生共模干扰，导致扫频之后得不到光滑的频率响应特性曲线，因此可以考虑通过在频谱仪输出和AVR叠加点之间接入光电隔离器来解决上述问题。

(4)如果在本机振荡频率附近，滞后角度比较大，在补偿的过程中可以不考虑该点的补偿。

将发电机的有功出力调整到80%以上，发电机无功出力尽量小，机组补偿前后相频特性如表1所示。

表1 机组补偿前后相频特性

3.2 PSS参数整定计算

通过频谱仪扫频可以得到励磁系统无补偿的频率特性。通过PSS计算软件对PSS参数进行整定，使得励磁系统有补偿频率特性满足相关技术标准的要求。经过整定后的发电机励磁系统的PSS参数如表2所示。

表2 PASS2A模型机组PSS整定参数

图2 补偿前后励磁系统频率特性

3.3 PSS环节临界增益测试

从理论分析可知，在相位补偿正确的前提下，PSS的增益越大，给系统贡献的正阻尼就越大。但工程实际中，鉴于电力系统高阶、非线性的特性，PSS增益过大，有可能引起PSS调节环振荡，导致发电机机端电压、励磁电压摆动剧烈，引发发电机跳机事故。因此，我们在进行PSS参数整定试验中需要确定PSS的临界增益。在PSS其他参数选取合适、相位补偿合理的前提下，逐渐将PSS的增益增大，同时监测有功功率、励磁电压、机端的变化，直到上述电气量的波形出现不稳定为止。为了保证机组运行时的安全，PSS实际运行使用的增益一般保留一定裕度，通常为临界增益的1/3～1/5。

3.4 PSS效果验证

通过在线有补偿励磁系统频率响应特性仿真整定PSS参数后，需要利用负载阶跃响应的方法验证PSS抑制低频振荡的效果。

在PSS退出和PSS投入两种情况下，对发电机进行电压阶跃试验(阶跃量不超过额定机端电压的4%)，分别记录发电机投入PSS和退出PSS两种情况下的有功功率、无功功率、机端电压、励磁电压、励磁电流等电气量的波形。通过对上述电气量的波形进行比较和分析就可以得出PSS抑制低频振荡的效果。

将试验机组中励磁系统参数按照表2进行整定，在未投入和投入PSS的情况下，对发电机进行额定机端电压2%的电压阶跃试验，相关电气量的波形如图3、图4所示。由图4可以分析出：机组在PSS投入后，系统阻尼明显增强，在发电机机端电压发生波动时，有功功率振荡振荡次数和幅值明显减小，由此可见PSS有着较好的抑制低频振荡的作用。

图3 无PSS时±2%阶跃响应试验录波图

图4 有PSS时±2%阶跃响应试验录波图

3.5 反调试验

由于试验机组的PSS采用PSS2A模型，因此当有功功率发生波动时，无功功率基本不受影响，即无反调现象。分析图5、图6可知：在机组有功功率快速减少5MW然后迅速上升5MW的过程中，无功功率变化很小，符合相关技术标准的要求。

4 结论

本文通过对广西某水电站1号机PSS参数进行现场试验、参数整定和仿真计算，得到了表2中的PSS整定参数，PSS补偿之后的相位满足Q/GDW 143-2012《电力系统稳定器整定试验导则》的要求，现场试验也验证了PSS投运后抑制低频振荡的效果，满足了试验机组和电网的安全、稳定运行需求，对其他机组的PSS参数整定试验有着较大的借鉴意义。

图5 反调减有功试验

图6 反调升有功试验