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(1.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810000;2.國網(wǎng)青海省電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，青海 西寧 810000)

1 引言

隨著我國電力系統(tǒng)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，特高壓輸電線路持續(xù)建設(shè)，大容量火電、水電機(jī)組的不斷并網(wǎng)發(fā)電，國家電網(wǎng)已經(jīng)成為世界上最典型的(特)超高壓、遠(yuǎn)距離、大容量、大規(guī)模分布式發(fā)電、交直流混合輸電的復(fù)雜電網(wǎng)，安全穩(wěn)定問題變得日益復(fù)雜。在這些復(fù)雜的安全穩(wěn)定問題中，電力系統(tǒng)低頻振蕩問題是影響電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的最重要因素之一。一旦電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩，相關(guān)電氣量(功率、電壓、電流等)將做周期性波動，如果沒有采取有效措施來抑制系統(tǒng)的低頻振蕩，將會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的嚴(yán)重事故，造成重大的損失。

電力系統(tǒng)低頻功率振蕩是電力系統(tǒng)的負(fù)阻尼引起的，一般在與系統(tǒng)聯(lián)系較弱、輸送距離過大、輸送功率較大的線路上容易發(fā)生，在采用高放大倍數(shù)的快速勵(lì)磁系統(tǒng)的情況下更容易發(fā)生[1]。

目前抑制系統(tǒng)低頻振蕩的主要方法有發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)、采用直流小信號調(diào)制、采用柔性交流輸電裝置等方法。由于PSS有著安裝容易、成本低、抑制低頻振蕩效果好的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)行業(yè)被廣泛的使用。然而，PSS 的參數(shù)直接影響補(bǔ)償之后的相位和增益，不恰當(dāng)?shù)恼▍?shù)不僅起不到提供系統(tǒng)正阻尼轉(zhuǎn)矩的作用，反而可能削弱系統(tǒng)的正阻尼，降低電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性[2-3]。

本文在論述低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理的同時(shí)，對廣西某水電站1號機(jī)組開展了PSS參數(shù)整定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：整定PSS參數(shù)的機(jī)組具有良好的抑制低頻振蕩的效果，且沒有產(chǎn)生反調(diào)現(xiàn)象，整定后的PSS參數(shù)能夠滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，提高了發(fā)電機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行能力。

2 低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理

由上面的分析可知：當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)不恰當(dāng)時(shí)，有可能產(chǎn)生負(fù)阻尼。引發(fā)電力系統(tǒng)低頻振蕩的大致原因主要有以下兩點(diǎn)：

(1)比例式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采集信號較單一，僅反應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓偏差來調(diào)節(jié)勵(lì)磁，這樣一來它強(qiáng)調(diào)了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)壓功能，而忽略了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器功能。如果要實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器功能，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器還應(yīng)反應(yīng)發(fā)電機(jī)的機(jī)械穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)而進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，即還需要采集發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號Δω或電磁功率信號-ΔPe。

(2)比例式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是采用按電壓偏差信號-ΔU進(jìn)行調(diào)節(jié)的，勵(lì)磁系統(tǒng)本身具有慣性為滯后特性，其產(chǎn)生的電磁力矩ΔΜ1滯后于Δδ一個(gè)角度Φ1，如圖1所示。此時(shí)，ΔΜ1在ω軸上的分量是負(fù)值，這時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器起的作用是增強(qiáng)發(fā)電機(jī)的同步能力，而消弱阻尼能力。

綜上所述，若能通過發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)與Δω同相的電磁功率-ΔPe，則勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的力矩ΔΜ1與PSS產(chǎn)生的力矩ΔΜ2的合成力矩會落在第一或者第二象限，進(jìn)而產(chǎn)生正的阻尼電磁功率。

圖1 Δδ-Δω平面PSS原理示意圖

3 PSS參數(shù)現(xiàn)場整定

按照《電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則》的要求，PSS現(xiàn)場參數(shù)整定流程如下[4-5]：

3.1 勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償頻率特性的測量

勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償頻率特性是指發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、PSS沒有投入的條件下，測量機(jī)端電壓與PSS疊加點(diǎn)之間的頻率響應(yīng)特性，用HP35670A動態(tài)信號分析儀產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)信號(初始電平為0mVpk)，接入調(diào)節(jié)器PSS信號輸入點(diǎn)，并將此信號接入HP35670A的分析通道1上。發(fā)電機(jī)機(jī)端PT二次側(cè)三相電壓接入HST-2變換器，變換器的輸出接入HP35670A的分析通道2，緩慢增加偽隨機(jī)信號的電平，使發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓波動不大于1%，用HP35670A測量勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償相頻特性。

在無補(bǔ)償頻率特性測量的過程中，應(yīng)該遵循以下原則：

(1)白噪聲信號應(yīng)從零開始緩慢添加，防止白噪聲對勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

(2)在加白噪聲的過程中要控制白噪聲的幅值，使得發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的波動不要超過額定電壓的1%，勵(lì)磁電壓的波動要控制在額定勵(lì)磁電壓的30%～40%之內(nèi)。

(3)由于頻譜儀輸出的白噪聲信號與和AVR兩者之間易有可能產(chǎn)生共模干擾，導(dǎo)致掃頻之后得不到光滑的頻率響應(yīng)特性曲線，因此可以考慮通過在頻譜儀輸出和AVR疊加點(diǎn)之間接入光電隔離器來解決上述問題。

(4)如果在本機(jī)振蕩頻率附近，滯后角度比較大，在補(bǔ)償?shù)倪^程中可以不考慮該點(diǎn)的補(bǔ)償。

將發(fā)電機(jī)的有功出力調(diào)整到80%以上，發(fā)電機(jī)無功出力盡量小，機(jī)組補(bǔ)償前后相頻特性如表1所示。

表1 機(jī)組補(bǔ)償前后相頻特性

3.2 PSS參數(shù)整定計(jì)算

通過頻譜儀掃頻可以得到勵(lì)磁系統(tǒng)無補(bǔ)償?shù)念l率特性。通過PSS計(jì)算軟件對PSS參數(shù)進(jìn)行整定，使得勵(lì)磁系統(tǒng)有補(bǔ)償頻率特性滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。經(jīng)過整定后的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的PSS參數(shù)如表2所示。

表2 PASS2A模型機(jī)組PSS整定參數(shù)

圖2 補(bǔ)償前后勵(lì)磁系統(tǒng)頻率特性

3.3 PSS環(huán)節(jié)臨界增益測試

從理論分析可知，在相位補(bǔ)償正確的前提下，PSS的增益越大，給系統(tǒng)貢獻(xiàn)的正阻尼就越大。但工程實(shí)際中，鑒于電力系統(tǒng)高階、非線性的特性，PSS增益過大，有可能引起PSS調(diào)節(jié)環(huán)振蕩，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、勵(lì)磁電壓擺動劇烈，引發(fā)發(fā)電機(jī)跳機(jī)事故。因此，我們在進(jìn)行PSS參數(shù)整定試驗(yàn)中需要確定PSS的臨界增益。在PSS其他參數(shù)選取合適、相位補(bǔ)償合理的前提下，逐漸將PSS的增益增大，同時(shí)監(jiān)測有功功率、勵(lì)磁電壓、機(jī)端的變化，直到上述電氣量的波形出現(xiàn)不穩(wěn)定為止。為了保證機(jī)組運(yùn)行時(shí)的安全，PSS實(shí)際運(yùn)行使用的增益一般保留一定裕度，通常為臨界增益的1/3～1/5。

3.4 PSS效果驗(yàn)證

通過在線有補(bǔ)償勵(lì)磁系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性仿真整定PSS參數(shù)后，需要利用負(fù)載階躍響應(yīng)的方法驗(yàn)證PSS抑制低頻振蕩的效果。

在PSS退出和PSS投入兩種情況下，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行電壓階躍試驗(yàn)(階躍量不超過額定機(jī)端電壓的4%)，分別記錄發(fā)電機(jī)投入PSS和退出PSS兩種情況下的有功功率、無功功率、機(jī)端電壓、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等電氣量的波形。通過對上述電氣量的波形進(jìn)行比較和分析就可以得出PSS抑制低頻振蕩的效果。

將試驗(yàn)機(jī)組中勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)按照表2進(jìn)行整定，在未投入和投入PSS的情況下，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行額定機(jī)端電壓2%的電壓階躍試驗(yàn)，相關(guān)電氣量的波形如圖3、圖4所示。由圖4可以分析出：機(jī)組在PSS投入后，系統(tǒng)阻尼明顯增強(qiáng)，在發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓發(fā)生波動時(shí)，有功功率振蕩振蕩次數(shù)和幅值明顯減小，由此可見PSS有著較好的抑制低頻振蕩的作用。

圖3 無PSS時(shí)±2%階躍響應(yīng)試驗(yàn)錄波圖

圖4 有PSS時(shí)±2%階躍響應(yīng)試驗(yàn)錄波圖

3.5 反調(diào)試驗(yàn)

由于試驗(yàn)機(jī)組的PSS采用PSS2A模型，因此當(dāng)有功功率發(fā)生波動時(shí)，無功功率基本不受影響，即無反調(diào)現(xiàn)象。分析圖5、圖6可知：在機(jī)組有功功率快速減少5MW然后迅速上升5MW的過程中，無功功率變化很小，符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)論

本文通過對廣西某水電站1號機(jī)PSS參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)、參數(shù)整定和仿真計(jì)算，得到了表2中的PSS整定參數(shù)，PSS補(bǔ)償之后的相位滿足Q/GDW 143-2012《電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則》的要求，現(xiàn)場試驗(yàn)也驗(yàn)證了PSS投運(yùn)后抑制低頻振蕩的效果，滿足了試驗(yàn)機(jī)組和電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行需求，對其他機(jī)組的PSS參數(shù)整定試驗(yàn)有著較大的借鑒意義。

圖5 反調(diào)減有功試驗(yàn)

圖6 反調(diào)升有功試驗(yàn)