刁曉虹,夏潮
(中國電力科學(xué)研究院,北京市 100192)
西部某水電站裝機容量3600MW,安裝6臺單機容量600MW的混流式水輪發(fā)電機組,是國家“十五”重點建設(shè)項目[1-2]。由于電網(wǎng)建設(shè)與電源建設(shè)、負(fù)荷發(fā)展存在時間差,現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和地區(qū)用電負(fù)荷難以滿足該水電送出的需求;水電送出需求和地區(qū)用電需求難以充分滿足。其次,該電網(wǎng)區(qū)外特高壓線路、區(qū)外部分重要輸電斷面的潮流及方向以及區(qū)外電網(wǎng)的阻尼特性顯著地影響該電網(wǎng)的穩(wěn)定水平,從而對該電網(wǎng)交流外送通道及區(qū)域內(nèi)主要水電送出通道的送電能力構(gòu)成壓力,限制了水電站的送電能力。2009年底,電網(wǎng)穩(wěn)定計算結(jié)果表明:該水電站只要有1臺機組額定負(fù)荷運行,在該區(qū)域某斷面N-1故障時,系統(tǒng)就會失去動態(tài)穩(wěn)定。系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性問題可以通過優(yōu)化并網(wǎng)機組的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilization,PSS)參數(shù)來得到改善。本文在綜合考慮系統(tǒng)需求及機組穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,首先確定PSS參數(shù)優(yōu)化方案,然后對該電站5、6號機組進行PSS參數(shù)優(yōu)化后現(xiàn)場試驗驗證工作[3],最后對PSS參數(shù)優(yōu)化后該水電站的送出能力進行計算,和原始參數(shù)下水電站的送出能力進行比較,以證明PSS參數(shù)優(yōu)化方案的有效性和可行性[4]。
水電站G1、G3、G5采用通用電氣加拿大公司生產(chǎn)的600MW水輪機,G2、G4、G6采用東方電機有限公司生產(chǎn)的600MW水輪機。G1G6發(fā)電機均采用東方電機有限公司的600MW水輪發(fā)電機,勵磁系統(tǒng)采用自并勵勵磁系統(tǒng),勵磁調(diào)節(jié)器為ABB公司的UNITROL 5000型微機勵磁調(diào)節(jié)器,該勵磁調(diào)節(jié)器是雙通道勵磁調(diào)節(jié)器,勵磁調(diào)節(jié)器控制方式采用的是比例積分微分(proportional integral derivative,PID)+PSS控制。PID環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型如圖1所示,PSS可使用4型PSS,傳遞函數(shù)如圖2所示。圖1中:Ut為發(fā)電機機端電壓;TR為電壓采樣環(huán)節(jié)時間常數(shù);Uref為參考電壓;UPSS為PSS輸出;UP+為 AVR 輸出上限;UEF為調(diào)節(jié)器輸出電壓;UP-為AVR輸出下限;KR為增益;TC1、TC2、TB1、TB2為超前、滯后環(huán)節(jié)時間常數(shù)。圖2中:ω0、PG0為角速度和功率參考值;ωG、PG分別為發(fā)電機角速度和功率;Trw為角速度控制時間常數(shù);Kr為功率控制增益;Trp為功率控制時間常數(shù);TW為慣性環(huán)節(jié)系數(shù);TW1、TW2、T5、T6、T7為隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù);T9、T10、T12為高頻濾波環(huán)節(jié)時間常數(shù);T1、T2、T3、T4、T13、T14為超前、滯后環(huán)節(jié)時間常數(shù);KP為增益;Usmax、Usmin為PSS最大、最小輸出。
圖2中,PSS的原始參數(shù)為:T5=T6=T7=5s;Trw=0.02s;T9=0.6s;T10=T12=0.12s;Kp=3;Kr=0.15;Tw=0.54s;Tw1=5s;Trp=0.02s;Tw2=5 s;T1=0.25s;T2=0.04s;T13=T14=0.1s;T3=0.3s;T4=0.03s;Usmax=0.1pu;Usmin=-0.1pu。
電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的研究方法包括頻域法[5-9]和時域法[7-9],本項目在計算研究工作中以頻域法為主,并用時域法加以校驗。通過時域法和頻域法對水電站機組PSS阻尼效果進行評估,對比小干擾及大干擾穩(wěn)定計算時的阻尼比。其中大干擾暫態(tài)計算只對省間某雙回聯(lián)絡(luò)線進行了三相短路N-1故障的校驗,故障點設(shè)置在500kV母線2%的位置,故障時間100ms。小干擾穩(wěn)定計算結(jié)果見表1。
表1 小干擾穩(wěn)定計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of small signal stability
聯(lián)絡(luò)線三相短路N-1暫態(tài)穩(wěn)定計算結(jié)果見圖3,大干擾阻尼比為-0.329。
圖3 水電站6號機與三峽左岸1號機相對功角Fig.3 Opposite power angle of No.6generator in hydropower station and No.1generator in Three Gorges Left Bank Station
仿真結(jié)果表明:考慮水電站自帶旋轉(zhuǎn)備用,直流外送通道外送300MW時,水電站及相鄰電站最大輸出電力為1765MW,直流外送通道不外送時最大輸出電力為1365MW。
按豐水期該電站4臺機和相鄰電站1臺機的開機方式研究系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定水平,通過對該電網(wǎng)進行小干擾穩(wěn)定分析,針對系統(tǒng)存在的與水電站強相關(guān)的振蕩頻率約0.33Hz的振蕩模式進行研究。
對電站勵磁系統(tǒng)PSS模型參數(shù)進行優(yōu)化研究,以提高PSS臨界增益進而提高機組運行增益。優(yōu)化后PSS的參數(shù)有更平緩的幅頻特性,有效地降低了PSS高頻段的幅值,可以提高PSS的臨界增益。
此次優(yōu)化沒有對PID參數(shù)做出調(diào)整,因此勵磁系統(tǒng)無補償特性仍采用原始數(shù)據(jù),PSS模型在原有PSS2A模型上增加一級超前滯后環(huán)節(jié),改造為PSS2B模型[10]。使用多目標(biāo)魯棒參數(shù)優(yōu)化專用仿真軟件對該電站PSS參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化后5、6號機的PSS參數(shù)為:TW1=TW2=TW3=T7=5s;TW4=0s;T1=0.1s;T2=0.06s;T3=0.5s;T4=0.12s;T10=0.2s;T11=0.07s;T8=0.6s;T9=0.12s;M=5;N=1。參數(shù)優(yōu)化后的PSS較大幅度地降低引起發(fā)電機勵磁閉環(huán)系統(tǒng)電磁振蕩的因素,提高增益。
分別在現(xiàn)場發(fā)電機帶約50%負(fù)荷和100%負(fù)荷時進行優(yōu)化試驗研究,進行優(yōu)化參數(shù)后的PSS效果檢驗。
根據(jù)PSS模型和仿真計算得到5、6號機PSS環(huán)節(jié)的頻率特性“φe”和勵磁系統(tǒng)的有補償特性“φe+φpss”,計算結(jié)果如圖4所示。
圖4 相頻特性Fig.4 Phase-Frequency characteristics
由圖4可見,在0.12.0Hz的頻率范圍內(nèi),由PSS產(chǎn)生的電磁力矩的阻尼分量為正(在0.1Hz附近,PSS2B模型參數(shù)比原始參數(shù)相位補償效果略有下降),PSS對地區(qū)振蕩頻率和聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)振蕩頻率都具有較好的阻尼,PSS相位補償可以滿足要求。
理論上講,在正確的相位補償下,PSS的增益越大,其提供的正阻尼越強,但實際上,電力系統(tǒng)是一個高階的復(fù)雜系統(tǒng),增加PSS的增益雖然可以增加某些機電振蕩的阻尼,但如果PSS增益過大,也可能引起PSS調(diào)節(jié)環(huán)振蕩,使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定,此時,發(fā)電機的勵磁電壓和無功功率可能出現(xiàn)明顯擺動甚至是等幅或增幅擺動,因此,PSS實際存在一個能穩(wěn)定運行的最大增益,即臨界增益。PSS的運行增益一般取臨界增益的1/51/3,以留有足夠的增益裕度,水電站的運行增益取臨界增益的1/2,增益裕度略低于這個水平。這主要是考慮到2個因素:(1)系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的需要;(2)運行增益KS1為15時,勵磁閉環(huán)系統(tǒng)運行正常,發(fā)電機未出現(xiàn)無功波動現(xiàn)象,勵磁電壓穩(wěn)定。5、6號機的PSS運行增益Ks1為15時,錄波圖見圖5。
圖5 取Ks1=15時的錄波圖Fig.5 Recorded diagram as Ks1=15
圖中:UAB為發(fā)電機機端線電壓;P為發(fā)電機有功功率;Q為發(fā)電機無功功率;UFD為發(fā)電機勵磁電壓;IFD為發(fā)電機勵磁電流。
發(fā)電機并網(wǎng)運行,先將PSS切除,進行2%的電壓階躍試驗,同時啟動WFLC錄波,記錄有功功率的擺動幅值和次數(shù)。將PSS投入,同樣工況下重復(fù)以上試驗,記錄和觀察2次的錄波圖,PSS投入運行時,有功功率的擺動幅值和次數(shù)應(yīng)減少。
圖6為水電站5、6號機PSS退出和投入2種情況下的電壓階躍試驗錄波圖。由圖6可以看出,PSS對于發(fā)電機組機的本機振蕩有明顯的抑制作用。
圖6 機端電壓2%階躍時的錄波圖Fig.6 Recorded diagram as 2%step of generator voltage
PSS的原理是通過勵磁系統(tǒng)的作用抑制有功功率的低頻振蕩,可以說PSS是通過無功功率的波動來抑制有功功率的波動,所以,在正常情況下,投入PSS后較不投PSS時無功功率的波動要大一些,只要無功功率的波動在合適的范圍內(nèi),就可認(rèn)為正常。另外,用電功率作為輸入信號的PSS在原動機功率發(fā)生變化時,由于PSS自己不能區(qū)分系統(tǒng)波動和原動機功率波動,仍然作用于勵磁系統(tǒng),造成無功功率波動,這種現(xiàn)象就叫“反調(diào)”[11-13],如果反調(diào)的影響太大,就需要在執(zhí)行增減有功功率操作時閉鎖PSS的作用。PSS采用IEEE-2B模型從原理上講,是不會有“反調(diào)”的。
5、6號機組反調(diào)試驗結(jié)果如圖7所示。5號機組PSS無功反調(diào)試驗時,有功功率從344MW下降到290MW,再從290MW上升到344MW,無功反調(diào)現(xiàn)象不明顯。6號機PSS無功反調(diào)試驗時,有功功率從344MW下降到320MW,再從320MW上升到344MW,無功反調(diào)現(xiàn)象不明顯。
圖7 PSS反調(diào)試驗Fig.7 Reverse action test of PSS
用電力系統(tǒng)綜合分析程序(PSASP)對水電站PSS參數(shù)優(yōu)化前后電網(wǎng)的穩(wěn)定性進行分析[8],小干擾穩(wěn)定計算結(jié)果為:優(yōu)化前,振蕩頻率0.351Hz,阻尼比0.009,為弱阻尼;優(yōu)化后,振蕩頻率0.348Hz,阻尼比0.040,為中等阻尼。
聯(lián)絡(luò)線三相短路N-1暫態(tài)穩(wěn)定計算結(jié)果見圖8。
水電站開機方式選擇為4臺機組,相鄰水電站開機方式為1臺。故障設(shè)置為500kV雙回聯(lián)絡(luò)線一回線路靠近一端500kV母線側(cè)三相短路接地,線路跳閘。表2給出了優(yōu)化前和優(yōu)化后的暫態(tài)穩(wěn)定計算結(jié)果。從暫態(tài)穩(wěn)定計算結(jié)果看,優(yōu)化后省間振蕩模式的大擾動阻尼比明顯提高。
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圖9為水電站機組相對于三峽水電站機組的相對功角曲線,優(yōu)化前在系統(tǒng)最嚴(yán)重的N-1故障下,系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定失穩(wěn)。優(yōu)化后參數(shù)在系統(tǒng)最嚴(yán)重的N-1故障下,系統(tǒng)沒有失去穩(wěn)定。
圖9 水電站6號機對于三峽電站左1號機的相對功角曲線Fig.9 Opposite power angle of No.6generator in hydropower station and No.1generator in Three Gorges Left Bank Station
仿真計算結(jié)果表明:采用優(yōu)化的PSS2B模型,考慮水電站自帶旋轉(zhuǎn)備用,直流外送通道外送300MW時,水電站和相鄰電站最大輸出電力為2900MW,直流外送通道不外送時最大2700MW,分別比原始參數(shù)提高輸送能力31.4%和26.7%。
(1)水電站投運初期,機組并網(wǎng)滿發(fā)時,系統(tǒng)中存在1個阻尼很弱的省間振蕩模式,該模式與該水電站送出能力強相關(guān),嚴(yán)重威脅區(qū)域電網(wǎng)的安全。計算結(jié)果表明即使水電站自帶旋轉(zhuǎn)備用,水電站和相鄰電站最大輸送電力僅為1765MW,僅為2電站總裝機容量的41%。水電站機組投產(chǎn)初期,該振蕩模式頻率為0.351Hz,阻尼比為0.009的弱阻尼模式,這是限制水電站5、6號機組電力送出的主要原因。(2)對PSS參數(shù)優(yōu)化,是提高系統(tǒng)阻尼最有效、最經(jīng)濟快捷的手段。PSS參數(shù)優(yōu)化方案為提高PSS的臨界增益,將PSS模型由原有的PSS2A模型改造為PSS2B模型,增加1級超前滯后環(huán)節(jié)。參數(shù)優(yōu)化后的PSS高頻段幅值降低,減輕引起發(fā)電機勵磁閉環(huán)系統(tǒng)電磁振蕩的因素,提高了運行增益。(3)通過現(xiàn)場試驗以及2010年典型方式計算結(jié)果驗證了優(yōu)化方案的有效性和可行性,確定了PSS優(yōu)化參數(shù)。(4)優(yōu)化后的參數(shù)提高了該電網(wǎng)夏季豐水期電網(wǎng)的系統(tǒng)阻尼,保證了水電站滿負(fù)荷運行4臺機組和相鄰電站滿負(fù)荷運行1臺機組方式下該電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性,可以將該水電站和相鄰電站開機極限功率由1765MW提高到2900MW,達(dá)到總裝機容量的68.1%,提高量為總裝機容量的31.4%。
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