劉世富，李銘銘，王春明

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250002；3.華能德州電廠，山東 德州 253024）

0 引言

隨著大容量機(jī)組在電網(wǎng)中比例的不斷增加和用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性問(wèn)題越來(lái)越被重視，大容量機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)的速度、一次調(diào)頻過(guò)程中積分電量的多少，對(duì)維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定有著重要意義。隨著電力系統(tǒng)的擴(kuò)大，快速勵(lì)磁系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線出現(xiàn)了低頻振蕩問(wèn)題。為了保證電網(wǎng)安全，有效的抑制區(qū)域型低頻振蕩，機(jī)組需要投入PSS功能。一次調(diào)頻過(guò)程中會(huì)使機(jī)組有功快速波動(dòng)，PSS會(huì)隨有功的變化而引起無(wú)功大幅波動(dòng)，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

華潤(rùn)電力（菏澤）有限公司1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)為東方電機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)制造的600 MW汽輪發(fā)電機(jī)，鍋爐為北京B&W公司按美國(guó)B&W公司制造，汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠引進(jìn)日立技術(shù)制造的超超臨界壓力汽輪機(jī)，制粉系統(tǒng)采用一次風(fēng)正壓直吹式磨煤機(jī)，給水調(diào)節(jié)配置2×50%B-MCR調(diào)速汽動(dòng)給水泵，DCS采用艾默生公司生產(chǎn)的OVATION控制系統(tǒng)，DEH、ETS由東汽配套供貨設(shè)計(jì)的H5000M，大、小機(jī)TSI采用EPRO公司的MMS 6000系列監(jiān)視系統(tǒng)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為東方電機(jī)公司組裝生產(chǎn)的Untrol5000型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，PSS傳遞函數(shù)符合IEEEStd.421-2A模型的要求。

1 一次調(diào)頻

1.1 一次調(diào)頻介紹

我國(guó)電力工業(yè)法規(guī)定電網(wǎng)的頻率誤差率1%，電網(wǎng)通過(guò)機(jī)組的AGC功能及調(diào)頻機(jī)組實(shí)現(xiàn)二次調(diào)頻，保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，但對(duì)電網(wǎng)中快速的小的負(fù)荷變化需汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）在不改變負(fù)荷設(shè)定點(diǎn)的情況下，監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)速的變化，改變發(fā)電機(jī)功率，適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的隨機(jī)變動(dòng)，保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，即一次調(diào)頻。一次調(diào)頻功能是通過(guò)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)門的開(kāi)度，利用機(jī)組的蓄熱來(lái)快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。目前新建機(jī)組普遍應(yīng)用DEH來(lái)進(jìn)行汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和有功功率的控制。DEH中一次調(diào)頻功能是將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值直接換算成有功功率指令。其中汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)函數(shù)f（x）轉(zhuǎn)換后生成一次調(diào)頻因子，直接疊加到DEH的有功功率給定值上，以控制汽輪機(jī)的調(diào)門開(kāi)度。一次調(diào)頻因子的設(shè)置包括頻差死區(qū)和轉(zhuǎn)速不等率兩個(gè)因素。頻差死區(qū)的設(shè)置是為了防止在電網(wǎng)頻差小范圍變化時(shí)汽機(jī)調(diào)門不必要的動(dòng)作[1]。

1.2 一次調(diào)頻參數(shù)技術(shù)指標(biāo)

一次調(diào)頻的主要參數(shù)技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)速不等率、調(diào)頻死區(qū)、調(diào)頻負(fù)荷范圍等。一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速不等率（δ）是指機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定值不變的情況下，機(jī)組功率P由0至額定值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量（Δn）與額定轉(zhuǎn)速（n0）的比值，通常以百分?jǐn)?shù)形式表示：

考慮到機(jī)組的功率變化，實(shí)際應(yīng)用中用下式來(lái)表示轉(zhuǎn)速不等率

轉(zhuǎn)速不等率δ是反映機(jī)組調(diào)頻能力的重要指標(biāo)，既反映了機(jī)組一次調(diào)頻能力的強(qiáng)弱，又表明了穩(wěn)定性的好壞。轉(zhuǎn)速不等率δ越大，機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的調(diào)頻能力越小，機(jī)組運(yùn)行越穩(wěn)定；轉(zhuǎn)速不等率δ越小，機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的調(diào)頻能力越強(qiáng)，但機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性差。機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率δ一般設(shè)置為 3%～6%。

調(diào)頻死區(qū)的設(shè)置主要是為了防止電網(wǎng)頻率在小范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)汽機(jī)調(diào)門的不必要的頻繁動(dòng)作，調(diào)頻過(guò)于靈敏，不利于設(shè)備的安全運(yùn)行。為了保持一次調(diào)頻時(shí)機(jī)組的穩(wěn)定和機(jī)組的實(shí)際調(diào)頻能力及設(shè)備的安全，還需要對(duì)調(diào)頻負(fù)荷進(jìn)行限幅，防止一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)機(jī)組出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷的情況。

根據(jù)《山東電網(wǎng)機(jī)（廠）網(wǎng)協(xié)調(diào)技術(shù)要求》調(diào)技[2008]106號(hào)文的要求，結(jié)合發(fā)電公司的實(shí)際情況，一次調(diào)頻的機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的速度變動(dòng)率為4%～5%；調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置為±2 r/min；最大一次調(diào)頻值為±6%；在機(jī)組負(fù)荷300～600 MW的范圍內(nèi)允許投入一次調(diào)頻。

一次調(diào)頻死區(qū)：±2 r/min

功頻調(diào)差系數(shù)：K=-4 MW/r/min（相當(dāng)于系統(tǒng)速度變動(dòng)率：δ=5%）

一次調(diào)頻最大負(fù)荷變化幅度為額定負(fù)荷的±6%=36 MW

一次調(diào)頻負(fù)荷下限：300 MW

一次調(diào)頻負(fù)荷上限：600 MW

2 PSS及其參數(shù)整定

2.1 PSS工作原理

PSS是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的一個(gè)附加控制，它的控制作用是通過(guò)AVR的調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)的。PSS通過(guò)轉(zhuǎn)速偏差Δω、功率偏差ΔPe、頻率偏差Δf中的1種或2種信號(hào)作為輸入信號(hào)，采用超前、滯后環(huán)節(jié)來(lái)補(bǔ)償勵(lì)磁系統(tǒng)中的時(shí)滯，產(chǎn)生圖3中所示的與Δω同軸的附加轉(zhuǎn)矩來(lái)增加系統(tǒng)阻尼，抑制系統(tǒng)低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加系統(tǒng)功率輸送能力。

圖1 AVR及PSS產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩

圖 1中，ΔTE為 AVR 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；ΔTPSS為PSS產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩；ΔT′E為合成轉(zhuǎn)矩。常規(guī)快速勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩ΔTE在Δω軸上產(chǎn)生負(fù)的投影，負(fù)的阻尼轉(zhuǎn)矩；PSS產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩ΔTPSS在Δδ軸上產(chǎn)生正的投影，正的同步轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過(guò)正確整定后的PSS產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩ΔTPSS則在Δω軸上產(chǎn)生較大的正阻尼轉(zhuǎn)矩，在Δδ軸上產(chǎn)生較小的同步轉(zhuǎn)矩?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)合成的轉(zhuǎn)矩ΔT′E有了正的阻尼轉(zhuǎn)矩和更大的同步轉(zhuǎn)矩，從而抑制發(fā)電機(jī)由于阻尼轉(zhuǎn)矩不足產(chǎn)生的振蕩失步和由于同步轉(zhuǎn)矩不足產(chǎn)生的滑行失步[2]。

圖2所示華潤(rùn)菏澤電廠1號(hào)機(jī)組Unitrol5000勵(lì)磁PSS模型。PSS2A模型為加速功率型PSS，它采用發(fā)電機(jī)電氣功率Pe和轉(zhuǎn)速Δω信號(hào)作為輸入，Pe和Δω在經(jīng)過(guò)隔直環(huán)節(jié)后，穩(wěn)態(tài)信號(hào)被濾除，經(jīng)過(guò)數(shù)值變換得到加速功率的波動(dòng)信號(hào)；再通過(guò)多階超前、滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行相位校正，得到超前于機(jī)組電氣功率波動(dòng)相位的勵(lì)磁附加控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)限幅環(huán)節(jié)后疊加到AVR的PID輸入端?？刂菩盘?hào)通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)作用于發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)，產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，抑制電氣功率在低頻振蕩范圍內(nèi)的波動(dòng)。

圖2 Unitrol 5000勵(lì)磁PSS模型

2.2 PSS現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)PSS參數(shù)整定試驗(yàn)中，首先要測(cè)量勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性，然后通過(guò)計(jì)算調(diào)整相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)來(lái)得到滿足上述要求的“PSS+VR”有補(bǔ)償頻率響應(yīng)特性，確定PSS的臨界放大倍數(shù)[3]。將計(jì)算整定的參數(shù)輸入勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，對(duì)1號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行2%階躍響應(yīng)試驗(yàn)，驗(yàn)證PSS正阻尼效果（圖3、圖4）。試驗(yàn)證明在本機(jī)振蕩頻率下，PSS相位補(bǔ)償正確，PSS環(huán)節(jié)很好的起到抑制系統(tǒng)低頻振蕩的作用。

圖3 未投入PSS情況下的2%階躍響應(yīng)試驗(yàn)

圖4 投入PPS情況下的2%階躍響應(yīng)試驗(yàn)

反調(diào)，就是發(fā)電機(jī)無(wú)功隨有功增減而減增，顯然不利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定，需要避免。在正常情況下，投入PSS后較不投PSS時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)的波動(dòng)要大，只要無(wú)功功率的波動(dòng)在合適的范圍內(nèi)，就可認(rèn)為正常。另外，用電功率作為輸入信號(hào)的PSS在原動(dòng)機(jī)功率發(fā)生變化時(shí)，由于PSS自己不能區(qū)分系統(tǒng)波動(dòng)和原動(dòng)機(jī)功率波動(dòng)，仍然作用于勵(lì)磁系統(tǒng)，造成無(wú)功功率波動(dòng)，如果影響太大，就需要在執(zhí)行增減有功功率操作時(shí)閉鎖PSS的作用，試驗(yàn)結(jié)果證明反調(diào)的影響在正常范圍內(nèi)，試驗(yàn)情況見(jiàn)錄波圖。圖5為1號(hào)機(jī)組反調(diào)試驗(yàn)錄波圖。

圖5 華潤(rùn)菏澤1號(hào)機(jī)組PSS試驗(yàn)反調(diào)錄波圖

3 一次調(diào)頻對(duì)PSS影響

根據(jù)華潤(rùn)菏澤電廠試運(yùn)指揮部的安排，PSS試驗(yàn)于機(jī)組滿負(fù)荷168 h前完成，一次調(diào)頻試驗(yàn)在168 h結(jié)束后進(jìn)行。PSS試驗(yàn)于2011年3月10日完成，一次調(diào)頻在3月19日進(jìn)行。

本機(jī)組DEH只設(shè)計(jì)有手動(dòng)和CCS控制兩種控制方式，且只有順序閥控制。據(jù)此，該機(jī)組熱態(tài)試驗(yàn)在順序閥方式下共進(jìn)行2種運(yùn)行方式4個(gè)試驗(yàn)，其中包括DEH手動(dòng)和協(xié)調(diào)控制方式。分別在這兩種方式下進(jìn)行機(jī)組11 rpm轉(zhuǎn)速偏差試驗(yàn)，延遲時(shí)間滿足3 s要求，分別在15 s和45 s內(nèi)負(fù)荷能達(dá)到調(diào)整要求，機(jī)爐電各主要參數(shù)基本穩(wěn)定，滿足運(yùn)行要求。

一次調(diào)頻試驗(yàn)過(guò)程中，有功功率快速波動(dòng)，考驗(yàn)PSS無(wú)功反調(diào)是否滿足規(guī)程要求。第一，驗(yàn)證不投入PSS情況下對(duì)電氣量的影響，勵(lì)磁運(yùn)行在自動(dòng)方式下，確認(rèn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器以退出PSS功能，一次調(diào)頻進(jìn)行機(jī)組11 rpm轉(zhuǎn)速偏差試驗(yàn)，錄取發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功等電氣量，通過(guò)電氣變化情況分析一次調(diào)頻對(duì)電氣量的影響。從試驗(yàn)的錄波圖（圖6）可以看出，有功由508.5 MW快速升至530.2 MW，機(jī)端電壓、無(wú)功、勵(lì)磁電壓無(wú)波動(dòng)現(xiàn)象，一次調(diào)頻試驗(yàn)過(guò)程中勵(lì)磁調(diào)節(jié)器基本不參與調(diào)節(jié)。第二，在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器投入PSS功能方式下，進(jìn)行機(jī)組11 rpm轉(zhuǎn)速偏差的一次調(diào)頻試驗(yàn)，錄取發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功等電氣量，通過(guò)對(duì)電氣量變化情況分析對(duì)PSS反調(diào)的影響。從試驗(yàn)的錄波圖（圖7）可以看出，機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻時(shí)，有功的波動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生影響，即PSS反調(diào)。由圖7可知，有功由479.6 MW升至513.7 MW；無(wú)功由62.9 Mvar降至51.1 Mvar；機(jī)端電壓22427V降至22305V；勵(lì)磁電壓由267 V降至245 V。一次調(diào)頻試驗(yàn)過(guò)程中勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 PSS參與調(diào)節(jié)并有輸出，使發(fā)電機(jī)無(wú)功大幅波動(dòng)。

PSS2A模型中發(fā)電機(jī)電氣功率Pe作為PSS模型的一個(gè)輸入量，一次調(diào)頻的試驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算發(fā)電機(jī)機(jī)械功率ΔPm和電磁功率ΔPe，二者只差得到發(fā)電機(jī)的加速功率ΔPa，這樣當(dāng)機(jī)組單方向增負(fù)荷或單方向減負(fù)荷時(shí)，加速功率等于零，PSS不起作用即不產(chǎn)生無(wú)功反調(diào)。PSS試驗(yàn)時(shí)，運(yùn)行人員按照電廠運(yùn)行規(guī)程，以最快的速度調(diào)節(jié)有功，由錄波圖可知，有功從507 MW升至519.2 MW；無(wú)功從62.1 Mvar升至63.8 Mvar，調(diào)整時(shí)間為 113 s。一次調(diào)頻試驗(yàn)中，有功從479.6MW升至513.7MW；無(wú)功從62.9 Mvar降至51.1 Mvar，所用時(shí)間為1.4 s。對(duì)比PSS反調(diào)試驗(yàn)和一次調(diào)頻試驗(yàn)中的錄波圖來(lái)看，一次調(diào)頻的有功的變化率比運(yùn)行人員調(diào)節(jié)有功變化快的多，PSS有輸出，反推加速功率不等于零，會(huì)產(chǎn)生無(wú)功反調(diào)現(xiàn)象。根據(jù)Q/GDW 143-2006對(duì)反調(diào)的要求，有功功率變化量變化10%，無(wú)功功率變化量小于30%額定無(wú)功功率，或小于用戶可接受值。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，一次調(diào)頻對(duì)投入PSS的1號(hào)機(jī)組影響是可接受的。因此機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻時(shí)不需要退出PSS功能[4]。

圖6 無(wú)PSS情況下11rpm轉(zhuǎn)速偏差試驗(yàn)

圖7 有PSS情況下11rpm轉(zhuǎn)速偏差試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

闡述了機(jī)組一次調(diào)頻的原理及試驗(yàn)、PSS的原理及其現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定方法，分別介紹了華潤(rùn)菏澤電廠1號(hào)機(jī)組一次調(diào)頻及PSS試驗(yàn)結(jié)果，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了有無(wú)PSS投入的情況下進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，分析一次調(diào)頻對(duì)PSS的影響，得出本機(jī)組一次調(diào)頻對(duì)PSS的影響在可接受的范圍內(nèi)的結(jié)論?；谶@個(gè)結(jié)論，華潤(rùn)菏澤電廠2號(hào)機(jī)組與1號(hào)機(jī)組在參數(shù)一致的情況下，可以借鑒1號(hào)機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組在一次調(diào)頻調(diào)整過(guò)程中無(wú)需要推出PSS功能。