曾畢鵬，熊 杰，周 成，高雄清，宋宴明

(水利部長江委陸水樞紐工程局，湖北 赤壁 437300)

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電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在MNGETA水電站的應(yīng)用

曾畢鵬，熊 杰，周 成，高雄清，宋宴明

(水利部長江委陸水樞紐工程局，湖北 赤壁 437300)

詳細介紹了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)的基本原理及其在MNGETA水電站的應(yīng)用。PSS提高了電網(wǎng)運行的可靠性，對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定起到了積極的作用，在廣大中小水電網(wǎng)，特別是在孤網(wǎng)運行的水電系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。圖6幅。

水電站；電力穩(wěn)定器；錄波分析；原理；應(yīng)用

1 概 述

MNGETA水電站位于坦桑尼亞，裝有2臺臥式混流機組(2×160 kW，發(fā)電機為400 V低壓機組，額定定子電流288.8 A，額定勵磁電流110 A，額定勵磁電壓45 V)。2臺機組直接并聯(lián)組網(wǎng)后向用戶供電，負荷在70～250 kW之間變化，輸電距離大于10 km。

2臺機組各自單機帶負荷運行還是比較穩(wěn)定，并列運行時，無論如何調(diào)整調(diào)速器的參數(shù)，發(fā)電機的端電壓很穩(wěn)定，勵磁電流(包括無功功率)擺動范圍非常小，但是有功功率只能穩(wěn)定運行在某個點，而不是在某個區(qū)間穩(wěn)定運行；當調(diào)速器改成手動方式運行時，完全不能滿足負荷變化的要求，無法穩(wěn)定運行。2臺并列運行后，逐步遞增負荷，總負荷可以達到230 kW以上，而機組實際只能運行在150 kW的負荷區(qū)，超過這個區(qū)域2臺機組就無法穩(wěn)定的并列運行。

2 錄波分析

雙機并列運行總負荷為100 kW，有功功率與無功功率波動波形圖如下所示(見圖1)。

圖1 有功功率與無功功率波動波形

當總負荷到達150 kW時，定子電流擺幅達到200多A(額定定子電流288.8 A)。由于機組大幅波動，發(fā)電機過電流保護動作，機組無法正常運行。

根據(jù)錄波分析可知：可能是輸電線路線徑較小引起的阻抗過大、水頭波動及尾水是否產(chǎn)生旋流等多種綜合因素，加上勵磁又是采用的快速、高放大倍數(shù)的微機勵磁。通過將其中1臺機組(2號機)的勵磁由自動電壓調(diào)節(jié)模式切換到手動勵磁電流調(diào)節(jié)模式，2臺機組的振蕩情況得到明顯改善；而且隨著負荷的增加，2臺機組有功負荷分配越平均運行得越穩(wěn)定(見圖2)

圖2 1號機恒壓運行，2號機恒流運行的勵磁調(diào)節(jié)器錄波

根據(jù)圖2分析可知：勵磁1臺機組切恒流(手動)運行后，機組之間的有功功率波動幅度有所減小。根據(jù)這個情況，我們分析判斷機組發(fā)生了有功低頻振蕩，引起了定子電流等幅(或增幅)振蕩。低頻振蕩原因是孤網(wǎng)運行時2臺機組在小干擾下發(fā)生的頻率為0.2～2.5 Hz范圍內(nèi)的持續(xù)振蕩現(xiàn)象，此時發(fā)電機2臺轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生了磁場拉力，互相牽扯、搖擺。產(chǎn)生有功低頻振蕩的原因是由于電力系統(tǒng)的負阻尼效應(yīng)，經(jīng)常出現(xiàn)在弱聯(lián)系、遠距離、重負荷輸電線路上，在采用快速、高放大倍數(shù)的微機調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)上發(fā)生概率更高。因此，建議試投PSS(電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)，通過勵磁裝置的PSS輸出抑制機組的低頻振蕩。同時，提出調(diào)速器增加1次調(diào)頻功能可能效果更好。

經(jīng)過試驗證明，雙機并列1臺勵磁投入PSS后，機組振蕩有改善，2臺同時投入PSS后，機組振蕩明顯減弱，機組帶負荷運行情況正常。由于現(xiàn)場缺少相應(yīng)的試驗設(shè)備(如頻譜分析儀、繼電測試儀、示波器等)，只能根據(jù)勵磁軟件錄波分析機組的相關(guān)電量(見圖3～圖6)。

圖3 2臺并列投，2號機PSS錄波 (各錄半分鐘)

圖4 2臺同時投，PSS錄波(各錄半分鐘)

圖5 2臺并列，2號機退出，PSS錄波(各錄半分鐘)

圖6 2臺并列，同時退出，PSS錄波(各錄半分鐘)

根據(jù)以上4組波形圖可以分析出有功功率在低頻振蕩時的波動幅度較大，而且是發(fā)散的，直接影響了機組正常并列運行；而通過在勵磁裝置上投入PSS后，輸出有效地抑制了低頻的振蕩，滿足了單機及2臺并列的穩(wěn)定運行條件。

得出的試驗結(jié)論：此孤網(wǎng)并列運行的2臺機組所形成的系統(tǒng)中，存在著有功低頻振蕩，頻率大約在0.2～2.5 Hz之間；通過在勵磁設(shè)備上投入PSS，機組的低頻振蕩得到了有效抑制。

引起有功低頻振蕩的原因有可能是以下3種之一，也可能是它們的組合：一是輸電線纜較細；二是水輪機及其控制系統(tǒng)原因；三是水工建筑物方面的原因(進水水位不穩(wěn)、出水口產(chǎn)生旋流)。

所以，也可以從引起有功低頻振蕩的原因去解決，當然，投入PSS是最經(jīng)濟的解決方案；而是否在勵磁裝置上投入或退出PSS則要看機組的組網(wǎng)情況及運行的實際工況來決定。

3 PSS的作用

電力系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩的原因很多，其中主要原因是發(fā)電機與電網(wǎng)之間的聯(lián)系構(gòu)架薄弱，輸電距離較長、阻尼較小，功率因數(shù)較高，這時如果系統(tǒng)受到擾動(有功功率發(fā)生擾動)，就會出現(xiàn)功率的振蕩，不能依靠自身的阻尼來平息振蕩，從而使得振蕩進一步擴大。

因此，要防止低頻振蕩，就要增加系統(tǒng)的正阻尼，減少負阻尼。有很多方法可以達到此目的，如改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化水工結(jié)構(gòu)、改變運行方式或調(diào)節(jié)方式、減小聯(lián)絡(luò)線的輸運功率、調(diào)整有功與無功控制器的相關(guān)參數(shù)進行配合等，但最為有效且經(jīng)濟的方法則是采用PSS來解決。

發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)是由多個慣性環(huán)節(jié)組成的反饋控制系統(tǒng)，從勵磁調(diào)節(jié)器的信號測量到發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組，每一環(huán)節(jié)都有慣性，其中最主要的慣性是發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組?？傮w來看，勵磁系統(tǒng)是一個滯后的環(huán)節(jié)，這種滯后性使得在系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩時勵磁電流變化滯后于轉(zhuǎn)子角的變化，加劇了轉(zhuǎn)子角的擺動，也就提供了負阻尼。PSS的任務(wù)就是抵消這種負阻尼，同時提供正的阻尼。

4 結(jié) 語

我國微機型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的實際運用始于20世紀90年代，小在湖北恩施電力公司建始縣小溪口電站，大到葛洲壩電廠都有使用。當時在華中科技大學涂光瑜教授的帶領(lǐng)下，對所有模型在低頻段提供正阻尼的情況均進行了仿真實驗，并對PSS環(huán)節(jié)的幅頻及相頻進行了驗證。

當然，PSS在電站運行中也不是沒有遺留問題。在PSS輸入時，機組的無功功率會有一定的波動，這種波動的幅度在不同的有功負載情況下有所不同；這就要我們在試驗時要通過長時間的錄波來捕捉這種波動，再來應(yīng)對解決。

經(jīng)過專家們20多年的努力，從PSS—1A到PSS—2A的發(fā)展，已經(jīng)將獨立的裝置集成到勵磁調(diào)節(jié)器中，在目前水電站的運行實踐中使性能得到了進一步完善提高。

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責任編輯 吳 昊

2014-10-30

曾畢鵬(1964-)，男，工程師，主要從事水電站勵磁設(shè)備的安全經(jīng)濟運行及研究工作。