基于海佛容-菲利普斯模型的PSS参数优化与研究

2019-03-08于远鹏

水电站机电技术 2019年2期

于远鹏

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都610051）

1 概述

根据电力系统稳定性的要求，二滩水电站励磁控制系统附加了PSS系统，增设PSS的目的是当系统出现扰动时为发电机转子转速摇摆提供正阻尼，以增强与电力系统的联系。PSS能在系统突然施加一个干扰，如在线路退出运行或系统联系较弱和稳定裕度不够时，起到重要作用[1～4]。二滩水电站机组PSS增益设定是根据现场试验进行调整，取得了较好的阻尼效果。实践证明，二滩水电站机组增设PSS系统是提高系统稳定和增加功率输送较经济和有效的一种方式。

PSS模型采用加速功率型的海佛容-菲利普斯模型PSS单元，其传递函数如图1所示。

图1 海佛容-菲利普斯模型传递函数

其中各参数的定义如表1所示。

UNITROL5000微机励磁数字调节器采用的PSS为IEEEPSS-2 A型标准传递函数，⊗ω和Pe双输入信号的电力系统稳定器。⊗ω和Pe输入信号是通过对发电机极端电压和定子电流采样软件计算得到。二滩水电站励磁调节器软件中PSS框图如图2所示。

表1 PSS 参数定义

由软件图可以看出，转子频率信号（12014 f EP_RELATIVE）输入到PSS模块中的IN_f_PSS，与额定频率相对值（软件图中的-10000）功能快）进行差值运算，频差相对值经过隔直环节，信号输入到相加器中，有功功率信号（10218）输入到PSS模块中的IN_P_PSS中，经过隔直环节，低通滤波器，信号放大，信号输入到相加器中，与转子频率信号相加，经过陷波器，滤除掉特定频率的信号，合成信号再经过滤波器，信号放大，超前滞后环节，输出限幅，再与PSS的P/Q限制信号进行比较，较大值者作为输出信号12010。

图2 UNITROL5000微机励磁数字调节器PSS框图

PSS输出信号12010通过切换开关模块298，输出信号12798，PSS信号12798接入到SP-42模块即 AVR_PID 模块，信号接入 6918（ADD_IN1_AVR）AVR附加输入1，与12001（经过限制器干预后，最终处理好的（AVR）PID控制器偏差信号）进行相加，相加的输出信号作为AVR_PID调节的偏差信号。

2 空载特性曲线确定基准值和模型参数

2号机空载特性曲线如图3。

图3 2号机空载特性曲线

由发电机的空载特性可以确定发电机励磁回路的计算基准值及模型参数[5-7]：

（1）发电机励磁电流的基准值Ifdb：选取发电机空载特性曲线气隙线上与发电机额定电压对应的发电机励磁电流作为基准值：Ifdb=1350 A。

（2）发电机励磁回路电阻的基准值Rfdb：选取发电机铭牌额定励磁电压与额定励磁电流之比为励磁回路电阻的基准值，即：

有 Ufdn=318，Ifdn=2709，则：

（3）发电机励磁基准值Ufdb：Ufdb=Rfdb×Ifdb=0.1174×1350=158.5 V。

（4）根据发电机空载特性计算模型需要的饱和系数：对应发电机额定电压的气隙线电流为1350 A，实际电流为1575 A，则：

对应发电机1.2倍额定电压的气隙线电流为1645 A，实际电流为2310 A，则：

PSASP程序中a、b、n的计算值如下：

（5）整流器换相压降系数Kc计算：励磁变压器的三相整流桥换相压降系数Kc可以用下面的公式计算：

式中Uk为励磁变短路电压，Sn、Un为励磁变额定容量和二次额定电压，Ifdb、Ufdb为励磁电压和励磁电流基准值，Rfdb为发电机励磁回路电阻基准值。

（6）励磁系统最大输出电压VRmax和最小输出电压VRmin

计算励磁系统最大输出电压和最小输出电压可以用下面的公式计算：

αmin和αmax是可控整流器的最小控制角和最大控制角。二滩水电站励磁系统的最大控制角αmax=149°，最小控制角 αmin=15°。经计算可得出

标幺值为：

3 PSS参数优化试验

（1）调差系数计算：按照系统要求，调差系数应设置在+4%。在50%～100%无功功率负荷下测得机端电压Ut1和给定值UREF1后，在发电机空载试验中测量UREF1时机端电压Ut0，然后按照公式计算可得出实际的调差系数。

试验数据如下：

带入上式计算，得D=4.05%，与设置基本一致。

（2）励磁系统在线无补偿频率响应特性试验：发电机有功功率调到接近机组最大出力，无功功率尽量调小；自动励磁调节器单通道运行；PSS退出运行。在PSS输出信号迭加点输入扫频扰动信号，测量发电机电压对于PSS输出信号迭加点的频率响应特性，即励磁系统滞后特性。

2号机测试时有功出力为P=500 MW，无功出力为Q=-40 Mvar。如图4。

图4 2号机在线无补相频特性测量值

从试验结果可以看出，从0.1～2.5 Hz这个频段中，励磁系统相位在-22°到22°范围内，在1.3 Hz附近有一个明显的拐点，由此可知，2号机的本机振荡频率在1.3 Hz附近。

（3）PSS相位补偿特性和参数整定：按照电网要求，PSS参数整定的原则是：应使其相位补偿在0.1～2.5 Hz的频率范围内都能产生尽可能大的阻尼力矩。

根据PSS数学模型和励磁系统在线无补偿相频特性测量值，按照PSS参数整定原则用逐步逼近的方法确定PSS参数（其中PSS的增益需通过临界增益试验确定）。按照二滩水电站2号发电机AVR模型和PSS传递函数框图的数学模型（图5），计算得到2号机PSS相频特性的补偿，有关补偿相频特性如下：

图5 二滩水电站2号发电机AVR模型和PSS传递函数框图

有补偿相频特性值在-63°～-106°范围内。

由于PSS采用的是发电机负的电功率（-Pe）作为输入信号，经隔直后，-ΔPe信号的相位超前-Δω约90°，由PSS提供的电磁力矩与Δω的相位差则在+27°～-16°范围内。因此在 0.1～2.5 Hz的频率范围内PSS都能产生正的阻尼力矩。

（4）PSS临界增益调整：在选定的相位补偿下，PSS投入运行，逐渐增大PSS的增益，当观察到励磁电压和无功功率出现明显振荡时，定为PSS的临界增益。试验表明，当PSS的增益增大到Kpss=12，观察到励磁电压和无功功率出现明显振荡。因此，PSS的临界增益定为12。PSS的运行增益取临界增益的 1/3，即 Ks1=4。

（5）PSS参数初步确定，经计算与试验可得出PSS运行参数为：

PSS输出限幅：Vsmax=+10% Vsmin=-10%

PSS自动投入点暂定为0.3 Pn

PSS自动退出点暂定为0.2 Pn

（6）仿真试验：在PSASP程序中，采用12型自并励静止励磁系统模型和2型PSS在单机无穷大母线系统0.1～2.0 Hz范围内进行仿真。

根据上述仿真结果分析，我们可以得知：

在PSS投入和退出两种工况下进行负载阶跃响应仿真试验，比较有功功率的振荡情况，检验PSS的阻尼作用。通过仿真的波形图可以看出，在同样的扰动下，PSS退出的情况下有功功率振荡的次数为4次以上；PSS投入后降低为1次，说明PSS对于系统的低频振荡提供了良好的阻尼。

（7）PSS参数优化后的实际运行情况：以2号机为例，2009年 01月 09日 10：17，CCS上发“GIS 2号故障录波装置启动；1、2、4、5、6 号机机组保护 1号总启动动作；1、2、4、5、6 号机机组故障录波装置启动；2号机无功反馈故障发生，2号机定子电压测量值故障”等报警；检查二滩水电站设备运行正常，汇报省调并经询问为普叙线跳闸。

查看采集历史数据，2 F机组无功功率突变时监控数据表如表2所示。

表2 机组无功功率突变时监控数据表

根据监控采集历史数据做波形变化比较如下：二普线路无功和电压发生大幅波动，导致二滩水电站2 F机组无功功率和机端电压瞬间大幅波动。但由于励磁系统PSS的及时响应，系统的波动并没有改变2号机组及其他4台机组的无功变浅趋势，也没有引起其他5台机组的无功功率、励磁电压、励磁电流大幅波动，也未导致机组其他参数突变及报警[8～10]。由此，可以判断2号机组励磁系统PSS参数设置得当，能够满足系统的要求。