海外某660 MW机组接入临时系统PSS试验方案探讨

黄晓鹏，于永良，丁永允，段海洲，魏 来

(1.辽宁东科电力有限公司，辽宁 沈阳 110179；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

1 故障概况

海外某660 MW机组调试升负荷过程中发生低频振荡事故，振荡前有功功率为380 MW，无功功率为70 Mvar，PSS功能未投入，振荡过程中有功功率逐渐发散，振荡频率为0.4 Hz左右，振荡过程持续7 min。起初有功波动幅值为60 MW左右，由于此振荡一直未平息，振荡后期有功功率、无功功率、机端电压逐步发散，最终振幅达到200 MW，导致系统故障跳闸，机组与系统解列，并造成全厂失电。机组低频振荡曲线见图1。

图1 机组低频振荡曲线

文献[1]介绍了由调速系统引起的低频振荡，根据现场对调速系统检查，当系统发生低频振荡时，汽轮机蒸汽调节阀变化幅度很小，变化幅度不足以引起有功功率的大幅变化，因此排除此台机组由于调速系统引起的低频振荡。随后对机组当前接入系统进行分析，通过系统阻抗计算判断机组与系统为弱连接，当负荷升高到一定程度时极易发生低频振荡，通过上述分析决定投入PSS解决机组低频振荡问题，使机组达到满负荷试运要求。励磁系统和发电机主要参数见表1。

表1 励磁系统型号和发电机主要参数

2 PSS试验工况选取

根据DL/T 1231—2018《电力系统稳定器整定试验导则》对机组试验工况的要求，被试机组有功功率应大于60%额定值，无功功率小于20%额定值。由于机组运行至58%额定负荷时就会发生低频振荡，系统阻尼接近于零。因此无法在有功功率为60%额定值时进行PSS试验。文献[2]表明试验工况对励磁系统滞后特性影响较大，励磁系统滞后特性影响因素还包括励磁系统调差系数和系统联系电抗。此项目励磁系统调差系数暂定为零，系统联系阻抗经过计算约为0.8。发电机励磁系统模型见图2。

图2 发电机励磁系统模型

采用海佛容-菲利普斯发电机模型可计算得到模型中各个参数K1-K6，根据图2可知，主要影响励磁系统滞后特性的参数只有K3和K6，当系统联系电抗和发电机电抗确认时K3为固定值，此项目计算得0.33。表2为不同有功功率下K6的计算值，其计算条件为调差系数为零，系统联系电抗为0.8，无功功率为45 Mvar，机端电压为1.5 kV。不同有功功率下K6的数值见表2，不同工况下励磁系统滞后特性见图3。

表2 不同有功功率下K6的数值

图3 不同工况下励磁系统滞后特性

图3利用Matlab软件计算出的励磁系统无补偿特性，在低频段0.2～0.6 Hz，不同机组有功功率的励磁系统滞后角度最大相差在15°左右；0.7～2 Hz，滞后角度最大相差小于10°。因此不同工况下试验主要影响的是励磁系统滞后特性，K6数值越小，励磁系统滞后角度越大。

为使PSS试验过程中不造成机组低频振荡跳闸，在无法达到60%额定负荷试验工况时，可选取使机组低频振荡负荷90%进行PSS试验，试验过程中一旦发生振荡无法平息的情况，应迅速降低负荷平息振荡，如果仍无效果，应将机组解列。本项目引起低频振荡跳机负荷约为385 MW，选取试验有功工况为350 MW。如图5所示无PSS的2%负载阶跃响应阻尼比只有0.02左右，如果再提高有功功率进行PSS试验，系统阻尼将接近于零，易造成机组振荡跳机。

3 励磁系统PSS超前滞后特性整定

3.1 PSS超前滞后的补偿原则

根据导则，通过调整PSS相位补偿，使附加力矩在0.1～0.3 Hz(不含0.3 Hz)频段超前△ω轴不应大于30°，在0.3～2.0 Hz 频率的力矩向量在超前Δω轴20°至滞后Δω轴 45°之间，同时PSS不应引起同步力矩显著削弱而导致振荡频率进一步降低、阻尼进一步减弱。

低频振荡主要有区域间振荡和局部振荡两种类型。前者是系统的一个区域机群对于另一个区域机群的振荡，振荡频率一般较低，在0.1～0.7 Hz。局部振荡是电气距离较近的少数发电机之间的相互振荡，该振荡局限于区域内，频率范围为0.7～2 Hz。根据机组低频振荡跳闸记录，低频振荡在0.3～0.5 Hz。现场2%负载阶跃响应曲线有功功率低频振荡频率为0.53 Hz。通过运行观察和阶跃试验，低频振荡的频率主要集中在0.3～0.7 Hz，属于区域间振荡。考虑此机组接入的系统并不完善，PSS补偿原则应为机组有功功率运行至60%～100%额定负荷区间，在0.3～0.7 Hz频段的附加力矩在Δω轴接近于零，使PSS抑制低频振荡的能力在此频段发挥最强效果，达到机组带满负荷的目的。

3.2 基于“定点补偿”PSS整定

由表3发电机进相运行数据可知，机组有功功率在330 MW时，发电机无功功率+30 ～-20 Mvar变化过程中，系统电压从420 kV变为385 kV，说明在同一有功功率下，无功调节范围变化不大，如果保持基本相同的发电机电压给定值，励磁系统无补偿特性在不同有功负荷下基本为固定值，因此可以准确进行“定点补偿”。由表4可知，机组在不同有功负荷下维持机端电压给定值不变时，K6计算结果基本保持不变，负荷从350 MW变至550 MW励磁系统滞后特性基本保持不变。因此在350 MW进行PSS有补偿试验时，在0.3～0.7 Hz低频段附加力矩在Δω轴接近于零即可。图4中有补偿相角为PSS补偿相角和无补偿拟合角度之和。励磁系统有补偿特性相角，在0.4～0.8 Hz时补偿角度值为-85°～-90°，低频段附加力矩在Δω轴接近于零，表5为PSS参数整定值。

表3 50%额定负荷发电机进相试验数据

表4 不同负荷下机组运行参数

图4 励磁系统PSS补偿特性

表5 PSS整定参数

表5中，TW1-TW4为隔直时间常数；T7、T8、M、N为滤波环节参数；KS1-KS3为增益；T1-T4，T10，T11为超前/滞后环节时间常数。

4 PSS增益的整定

4.1 PSS增益试验测试

观察PSS输出为零时投入PSS，观察励磁调节器的输出或发电机转子电压有无持续振荡。如无持续振荡则增大PSS增益，直至励磁调节器的输出或发电机转子电压出现微小、持续振荡时为止，此时的增益即为临界增益，通过试验临界增益测定为15。PSS运行增益取临界增益的20%～30%，2%负载阶跃试验见表6。

有PSS的振荡频率应是无PSS振荡频率的80%～120%；有PSS比无PSS的负载阶跃响应的阻尼比应有明显提高，其中有PSS的负载阶跃响应的阻尼比应大于0.1。根据图5和表6不同增益负载阶跃的试验结果，选择KS1=5作为运行增益。

表6 2%负载阶跃试验

图5 2%发电机负载阶跃曲线

4.2 PSS增益运行观察

电力系统振荡有一定的随机性，表7为机组运行若干天的运行记录。未投PSS功能，有功功率在380 MW以上时，系统阻尼基本为零，极易发生低频振荡。PSS中的增益KS1=5投入，在负荷达到530 MW，系统阻尼基本为零，多次发生低频振荡。增益KS1=5时仍不能满足满负荷运行的要求。PSS中的增益KS1=8投入，负荷达到机组满负荷运行。

表7 投入PSS前后机组运行过程中有功振荡对比

4.3 PSS增益根据实际情况调整

PSS是个闭环控制系统，增加PSS增益值可以增加机电振荡模式阻尼，减小电气振荡模式的阻尼。增益过大会引起电气振荡模式振荡的负阻尼，使系统失稳，电气振荡的频率一般为3～7 Hz，因此PSS中的KS1受限于励磁系统的电气振荡特性[3-4]。临界增益试验过程中导则要求发电机转子电压出现等幅或接近等幅值振荡为止。文献[5-6]在临界增益现场试验过程中转子电压均波动超过当前值的15%，而本项目试验过程中，KS1=15时仅仅为轻微的转子电压波动。因此临界增益的提升还有一定余量，增加增益的同时，可以重点观察3～7 Hz电气振荡的情况。根据实际有功功率低频振荡情况，同时考虑PSS反调和励磁调节器的输出幅值进行PSS增益的调整，尽可能满足机组满负荷运行的需要。

5 PSS参数优化

文献[3]认为现有参数整定方法在高频段增益上翘造成了整体增益裕度偏小，导致了低频段模式下运行增益不足的问题。如能够在低频段时保持增益不变的同时降低高频段最高增益值，就可以提高整体的增益稳定裕度。利用现有PSS 2B第3个超前滞后补偿环节，可以在不改变中低频段的增益同时，降低最高增益值，提高整体增益裕度。对于超前滞后环节(1+T10s)/(1+T11s)，当设置为T11>T10时，其相频特性滞后，幅频特性为衰减。设计目标为减小0.1～2 Hz滞后角度的同时，尽量减小3 Hz以上增益。

PSS 2B三阶不同参数有补偿相频特性的具体数据见图6。三阶环节(0.08s+1)/(0.1s+1)在0.3～0.8 Hz范围内，三阶参数滞后小于5°左右，相位补偿均可以满足要求，高频段大于3 Hz时，幅值衰减至85%以下。在 0.1～2 Hz频段内，三阶的增益较优化前有一定提高。

图6 三阶环节参数幅频及相频曲线

采用PSASP程序，利用机组参数和模型建立单机无穷大系统，进行此项目定性的仿真分析。仿真工况有功功率为400 MW，无功功率为80 Mvar，机端电压为额定电压。励磁系统采用表1参数，PSS参数采用表5参数。通过仿真试验表明，三阶参数可以提高临界增益，从而提高系统阻尼比，最终提高机组在临时系统中的带负荷能力。

二阶和三阶参数仿真结果见表8，通过对三阶参数和二阶参数对比仿真试验，PSS的临界增益由35变为45，阻尼比由0.26提高至0.3。通过上述仿真结果表明，可以通过适当调整PSS三阶参数，提高系统阻尼。

表8 二阶和三阶参数仿真结果

6 结语

本文主要针对海外某660 MW项目调试升负荷过程中发生低频振荡跳机后，对PSS的试验整定进行了探讨。试验工况选取原则，在达不到60%额定负荷试验工况的情况下，应选取机组低频振荡负荷的90%进行试验。PSS超前滞后参数整定原则，将不同运行工况下频发的系统振荡频率和本机振荡频率附加力矩补偿至Δω轴接近于零，使PSS阻尼转矩发挥最强作用。PSS增益整定原则，首先满足导则整定的要求，根据实际有功功率低频振荡情况，同时考虑PSS反调和励磁调节器的输出幅值进行PSS增益的调整，尽可能满足机组满负荷运行的需要。PSS参数优化原则，整定三阶参数在不影响PSS补偿超前滞后角度的情况下，尽可能增大临界增益。本项目最终调整PSS增益KS=8使机组带至满负荷完成机组试运行工作。