770MW水轮发电机组PSS2B试验与参数整定

刘喜泉，毕欣颖，陈小明，马晓光，孔令欢

（1. 溪洛渡水力发电厂，云南 永善 657300；2. 中国电力科学研究院，北京100085）

辅机及其他

770MW水轮发电机组PSS2B试验与参数整定

刘喜泉1，毕欣颖1，陈小明1，马晓光2，孔令欢1

（1. 溪洛渡水力发电厂，云南 永善 657300；2. 中国电力科学研究院，北京100085）

本文利用△δ-△ω坐标系简要分析了电力系统低频振荡产生机理及PSS工作原理，结合PSS2B模型，介绍了溪洛渡水电站770MW水轮发电机组励磁系统PSS试验与参数整定方法，验证了溪洛渡水电站770MW机组励磁系统投入PSS后对增强系统正阻尼，抑制系统低频振荡具有很好效果。

PSS2B；参数整定；励磁系统；770MW水轮发电机组

0 引言

溪洛渡电站共装设18台额定有功功率为770MW水轮发电机组，总装机容量为13860MW，年发电量571.2～640.6亿千瓦时，其作为我国第二大水电站，世界第三大水电站，是我国“西电东送”的骨干电源点[1]。溪洛渡电站机组主要技术参数见表1。溪洛渡电站左岸采用南瑞生产的NES5100自并励励磁系统，右岸采用ABB公司生产的Unitrol6800自并励励磁系统，励磁软件控制均采用PID+PSS2B控制模型。由于励磁调节器、励磁系统发电机磁场绕组的相位滞后特性，使励磁调节器产生了相位滞后于功角并与转速变化反相位的负阻尼转矩，因此电力系统稳定器（Power System Stabilizer, PSS）作为励磁调节器的附加控制，可以有效地增强电力系统正阻尼，可以抑制电网系统的低频（0.1～2Hz）振荡继而提高电力系统的稳定性。因此溪洛渡水电站的电力系统稳定器（PSS）试验尤为重要。

1 PSS原理及模型

低频振荡的产生是因为系统阻尼的减小，PSS的作用在于增加正阻尼转矩，以抵消励磁控制系统引起的负阻尼转矩。依据小扰动分析的同步发电机的数学模型（Phillips-Heffron模型）[2]如图1所示，励磁调节器AVR与PSS产生的力矩[2]如图2所示。

图1 同步发电机数学模型（Phillips-Heffron）

因AVR采用机端电压负反馈的闭环控制，励磁系统本身又具有惯性，在长距离送电、负荷较大时，若转子角出现低频振荡，AVR提供的附加磁链相位落后于角度振荡，它的一个分量与转速反相位，即产生负阻尼力矩。当AVR负阻尼分量超过发电机固有正阻尼分量时，就会使角度振荡加大，发生低频振荡。为使PSS能够起到正阻尼作用，需使PSS力矩在图2的第一、二象限才可以，通过调整PSS相位补偿，在电力系统0.3Hz～2.0Hz低频振荡区内使PSS输出的力矩向量对应△ω超前20°～滞后45°范围内，若相对于ΔPe则滞后于-70°～-135°范围内，当频率低于0.2Hz频率时，最大的超前角不应大于40°，相对于ΔPe则滞后角不小于-60°[3]。

图2 AVR与PSS产生力矩向量示意图

表1 溪洛渡水电站发电机组主要技术参数

溪洛渡电站励磁系统PSS模型采用IEEE Std 421.5™-2005中规定的标准PSS2B模型，如图3所示。PSS2B模型为功率和转速或频率双输入电力系统稳定器，也称为加速功率型PSS模型。溪洛渡电站励磁系统左岸为南瑞公司生产的NES5100励磁系统，右岸为能事达公司集成的ABB UNITROL6800励磁系统。

图3 PSS2B模型传递函数

PSS2B参数如下：ω：发电机转子角速度；P：发电机有功功率变化；s：微分算子；T6、Tr：惯性时间常数；Tw1～Tw4：隔直环节1～4的时间常数；Ks1：PSS输出增益；Ks2：电功率惯性环节增益；Ks3：合成比例增益；T7：惯性时间常数；T1，T3，T10：PSS输出超前时间常数；T2，T4，T11：PSS滞后时间常数；M：斜坡跟踪低通滤波器阶数；N：斜坡跟踪滤波器整体阶数；T8：多阶低通滤波器超前时间常数；T9：多阶低通滤波器滞后时间常数。

2 PSS2B现场试验整定方法

依据《电力系统稳定器整定试验导则（DL/T1231-2013）》，在溪洛渡电站机组投运时主要进行了如下PSS试验内容。

2.1 无补偿相频特性测试

励磁系统无补偿相频特性是指在发电机并网后，PSS没有投入条件下，通过外加一模拟量信号（白噪声）取代PSS输出信号，叠加到AVR中，计算0.1～2Hz范围内各频率点发电机电压相对于输入信号相频特性。溪洛渡电站某台发电机无补偿相频特性见表2。在进行无补偿相频特性测量时需注意：输入模拟量信号要由零缓慢增大，在发电机机端电压波动在1%～2%范围内即可

表2 发电机组励磁系统无补偿相频特性

2.2 PSS参数整定及有补偿相频特性的确定

依据DL/T1231-2013标准中规定，PSS参数整定应使PSS产生的电磁力矩在0.1Hz～2.0Hz的频率范围内滞后ΔPe信号-60°～-135°。如果用Φe表示励磁系统的相位，用Фpss表示PSS的相位，则要求PSS的参数整定应使得在0.1Hz～2.0Hz的频率范围内Φe＋Фpss在-60°～-135°之间。根据无补偿相频特性PSS计算可得到溪洛渡水电站某机组PSS环节的相频特性和PSS的有补偿相频特性，计算结果如图4和表3所示，其中PSS的有补偿特性用Φe＋Фpss计算得到，通过仿真计算，确定PSS参数见表4。

图4 某机组机有补偿、无补偿相频特性

由表2可以看出：在0.1～2.0Hz的频率范围内，有补偿相频特性在-70°～-132°范围内，由PSS产生的电磁力矩的阻尼分量为正，PSS相位补偿满足相关标准要求。

2.3 PSS临界增益及Ks1增益确定

理论上讲，在正确的相位补偿下，PSS的增益越大，其提供的正阻尼越强，但实际上，电力系统是一个高阶非线性系统，提高PSS的增益虽然可以增加某些机电振荡模式的阻尼，但如果PSS增益过大，也可能引起电磁振荡的负阻尼使系统出现不稳定现象，此时，机组的励磁电压和无功功率可能出现等幅或增幅振荡。因此，PSS实际存在一个能稳定运行的最大增益，即临界增益[4,5]。

表3 发电机组补偿前、后相频特性

表4 机组励磁系统PSS参数整定值

PSS临界增益是由很多因素决定的，如发电机的负荷水平、PSS所在电厂以及系统中PSS的配置和投退情况、电力系统的运行方式等。因此，有必要用现场试验的方法来对PSS的增益进行整定。在选定的相位补偿下，缓慢提高PSS的增益，同时观察励磁系统的变化，直到出现不稳定现象为止，主要标志是调节器输出电压、发电机转子电压出现频率较高（1～4Hz）的振荡，这时的PSS增益即为临界增益。PSS正常运行时的增益一般取临界增益的1/3～1/5，留有足够的增益裕度[3,6]。使Ks1值由5缓慢增大至30时，观察机组无功、励磁电压等参数波形，具体试验波形如图5、6所示，图5-图9中参数释义如下：P：发电机有功功率；Q：发电机无功功率；UAB：发电机定子线电压；UFD：发电机励磁电压；IFD：发电机励磁电流。

从试验波形分析，当Ks1=30时，无功及励磁电压有一点振荡，随后根据试验情况，确定PSS的临界增益为30，PSS的Ks1增益取值为10。

图5Ks1=10时，某机组PSS投入录波图

图6Ks1=30时，某机组PSS投入录波图

2.4 PSS阻尼效果检验

PSS参数整定完成后，需通过试验验证PSS投入后的阻尼效果。在进行PSS效果检验前，需确定系统稳定情况下，PSS投、退时，发电机机端电压和无功功率应无异常波动。检验PSS投入阻尼效果，一般采用发电机负载阶跃响应来判断。可通过在PSS投入和退出两种工况下进行2%负载阶跃响应试验，比较有功功率的振荡情况，检验PSS的正阻尼抑制功率振荡效果。

试验结果如图7、8所示，从试验录波，可以清晰看出在PSS投入后振荡次数和振荡幅值都有明显减少，PSS阻尼效果明显，PSS对于本机振荡有抑制作用。用另一套调节器进行阶跃试验时，PSS同样有较强的阻尼效果。

2.5 PSS反调试验

无功功率“反调”是指增加机械功率输入时发电机发出的无功功率会减少；相反，在减少机械功率输入时发电机发出的无功功率会增加。PSS的原理是通过励磁系统的作用抑制有功功率的低频振荡[7,8]，可以说PSS是通过无功功率的波动来抑制有功功率的波动。所以，在正常情况下，投入PSS后较不投PSS时励磁系统的波动要大一些，只要无功功率的波动在合适的范围内，就可认为正常。溪洛渡电站采用的PSS2B模型，该模型采用转速和有功功率变化双输入加速功率型模型，原理上能有效抑制反调现象。

溪洛渡电站某机组进行“反调”试验时，用监控系统以最快的速度为水轮机减小机械功率100MW后又迅速恢复（由600MW减小到500MW后又迅速增大至600MW），录取有功和无功功率的变化波形如图9所示。可见，无功功率从5Mvar变化到26Mvar过程中基本未见“反调”现象。通过试验发现发电机机端电压变化量小于3%Ugn、无功功率小于30%Qn，均无明显波动，说明溪洛渡电站PSS无“反调”现象，满足相关技术标准要求。

图7 PSS未投入时，2%Ugn阶跃录波

图8 PSS投入后（Ks1=10），2%Ugn阶跃录波

图9 某机组反调试验录波图

3 结论

（1）本文利用在线频率响应特性分析方法，进行了溪洛渡电站770MW水轮发电机励磁系统PSS试验与参数整定，试验结果表明，该励磁系统PSS对系统0.1Hz～2.0Hz低频振荡具有很好的抑制作用，为系统提供了正阻尼，可以长期投入。

（2）溪洛渡水电站PSS参数的正确配置与运行，为溪洛渡水电站作为我国第二大电站，系统骨干电源，为抑制系统低频振荡及系统稳定发挥非常重要的作用。

[1] 刘喜泉, 陈小明. 溪洛渡水电站左岸励磁系统灭磁回路工作原理及设计[J]. 水电自动化与大坝监测, 2012, 36(2): 36-39.

[2] 刘取. 电力系统稳定性及发电机励磁控制[M]. 中国电力出版社, 2007, 3.

[3] DL/T1231-2013 电力系统稳定器整定试验导则[S]. 国家能源局, 2013, 08.

[4] 竺士章. 发电机励磁系统试验[M]. 中国电力出版社. 2005, 2.

[5] 方思立, 苏为民. 电力系统稳定器配置、构成、参数计算及投运试验[J]. 中国电力, 2004, 10 37(10): 8-13.

[6] 方思立, 谭有信, 黄文灵. 电力系统稳定器参数计算及调试方法[J]. 中国电力, 2000(6), 29-32.

[7] 雷传友, 冯喆, 吴建超. 二滩水电站励磁系统数学模型参数测试及PSS参数的整定[J]. 电网技术2005, 3 29(6): 49-52.

[8] 竺士章, 陈皓, 赵红光, 等. 嘉兴发电厂300MW发电机励磁调节器参数测定和电力系统稳定器试验结果[J]. 电网技术, 2001, 25(4): 51-53.

审稿人：李金香

Test and Parameter-setting of Power System Stabilizer-PSS2B of 770MW Hydro-generator Units

LIU Xiquan1, BI Xinying1, CHENXiaoming1, MA Xiaoguang2, Kong Linghuan1
（1. Xiluo Du Hydropower Plant, Yongshan 657300, China; 2. Electric Power Research Institute, Beijing 100085, China）

By using the △δ-△ωcoordinates, the power system low frequency oscillation principle and PSS were described, combined with the PSS2B model, the PSS test method and the PSS parameter-setting of the excitation system of 770MW units in Xiluodu Hydropower Station were introduced, and it verified that the Xiluodu hydropower station 770MW units excitation system put PSS on can enhance the system positive damping and has a good effect on suppression system low frequency oscillation.

PSS2B; parameter-setting; excitation system; 770MW hydro-generator units

TM312

A

1000-3983(2016)02-0037-05

2015-05-26

刘喜泉（1980-），主要从事电气二次设备维护与研究工作，高级工程师。