竺士章 陳新琪 陳皓 方思立
摘要 總結了8年來浙江電網PSS試驗情況，敘述了試驗方法，提供了各個環節試驗結果和分析說明，并對PSS工作提出了看法。
關鍵詞 PSS 試驗 浙江
Summary of Tests of PSS in Zhejiang Electric Power System
Abstract The recent tests of PSS in Zhejiang electric power system are summarized in this paper. The testing methods, testing results and analysis are provided. Also the viewpoints and Suggestions for the work of PSS ar epu tforward.
Key Words PSS test Zhejiang
電力系統穩定器(簡稱PSS)是勵磁系統的一個附加功能，用于提高電力系統阻尼，解決低頻振蕩問題，是提高電力系統動態穩定性的重要措施之一。它抽取與此振蕩有關的信號，如發電機有功功率、轉速或頻率，加以處理，產生的附加信號加到勵磁調節器中，使發電機產生阻尼低頻振蕩的附加力矩。本文總結了8年來浙江電網大型機組PSS的試驗情況，敘述了試驗方法，提供了各個環節試驗結果和分析說明。從中得到的一些認識、規律和提出對進一步開展PSS工作的看法，有助于PSS的推廣和應用。
1 浙江電網PSS試驗情況
1.1 PSS控制結構圖（見圖1）
圖1 PSS控制結構圖
1.2 被試勵磁系統概況（見表1）
表1 被試勵磁系統概況
|
機組 |
額定有功功率 |
勵磁系統型式 |
生產廠 |
PSS信號 |
|
臺州電廠7、8號機 |
330MW |
機端變無刷勵磁 |
ALSTHOM |
有功功率 |
|
臺州電廠5號機 |
125MW |
三機勵磁KKL－2 |
南自廠 |
有功功率 |
|
溫州電廠1、2號機 |
125MW |
三機勵磁KKL－2 |
南自廠 |
有功功率 |
|
鎮海電廠1、2號機 |
125MW |
自并勵 |
洪山 |
有功功率 |
|
北侖電廠1號機 |
600MW |
自并勵 |
東芝 |
有功功率 |
|
北侖電廠2號機 |
600MW |
機端變無刷勵磁 |
ALSTHOM |
有功功率 |
1.3 勵磁控制系統滯后特性的測量勵磁控制系統滯后特性即無補償頻率特性。因勵磁控制系統滯后特性的存在，加到勵磁調節器的附加信號經滯后才能產生附加力矩。測量勵磁控制系統滯后特性應測量附加力矩對PSS迭加點的滯后角度。因為在發電機高功率因數運行時，機端電壓對PSS迭加點的滯后角度近似等于附加力矩對PSS迭加點的滯后角度。
勵磁控制系統滯后特性的測量可見：
(1)勵磁控制系統滯后特性基本分為兩種：自并勵系統(約為－40°～－90°)，勵磁機勵磁系統(約為－40°～－150°)。
(2)同一頻率角度范圍表示同一發電機勵磁系統在不同的系統工況和發電機工況下有不同的滯后角度，從幾度到十幾度。其中也包含了測量誤差。
(3)溫州電廠與臺州電廠雖采用同一勵磁控制系統，因轉子電壓反饋和調節器放大倍數不同，勵磁系統滯后特性發生明顯變化。
(4)勵磁調節器的PSS迭加點位置不同，勵磁控制系統滯后特性也不同。
1.4 有補償頻率特性的測量
有補償頻率特性由無補償頻率特性與PSS單元相頻特性相加得到，用來反映經PSS相位補償后的附加力矩相位。DL/T650－1998《大型汽輪發電機自并勵靜止勵磁系統技術條件》提出有補償頻率特性在該電力系統低頻振蕩區內滿足－80°～－135°要求，此角度以機械功率方向為零度。根據試驗的方便情況可采用兩種方法：(1)斷開PSS信號輸入端，在PSS輸入端加噪聲信號，測量機端電壓相對PSS輸入信號的相角；(2)PSS環節的相角加上勵磁控制系統滯后相角。
試驗結果見表2。由試驗可見：(1)通過調整PSS參數可以使有補償頻率特性在較寬的頻率范圍內滿足要求。
表2 有補償頻率特性
|
機組 |
0.2Hz |
0.5Hz |
1.0Hz |
1.6Hz |
2.0Hz |
|
臺州電廠7、8號機 |
11° |
－40° |
－74° |
－144° |
－148° |
|
臺州電廠5號機 |
－55° |
－67° |
－94° |
－130° |
－158° |
|
溫州電廠1、2號機 |
－67° |
－87° |
－86° |
－107° |
－133° |
|
鎮海電廠1、2號機 |
|
－60.9° |
－87.3° |
|
－132° |
|
北侖電廠1號機 |
－92° |
－95° |
－100° |
－112° |
－120° |
|
北侖電廠2號機 |
－14° |
－55° |
－113° |
－133° |
－142° |
(2)ALSTHOM機組PSS低頻段相位補償特性未能滿足要求。
(3)北侖電廠1號機PSS在小于0.4Hz范圍增大隔直環節時間常數，使之低頻段有良好的相位補償特性，而且提升放大倍數(0.2Hz處提高1.76倍)。
1.5 PSS放大倍數和輸出限幅PSS放大倍數都以標幺值表示。輸入值按PSS信號是哪一路，取機組額定有功功率、額定轉速或額定頻率為基值。輸出值以PSS迭加點額定機端電壓值為基值。當PSS迭加點與電壓迭加點不一致時，要按低頻振蕩頻率下的環節放大倍數折算額定機端電壓值。因PSS中的超前滯后環節影響放大倍數，本文以1Hz下的放大倍數進行比較，見表3。
表3 放大倍數、穩定裕量和限幅值
|
機組 |
1Hz下PSS
放大倍數 |
增益裕量
dB |
相角裕量
° |
1Hz下PSS迭加點
到勵磁電壓的
放大倍數 |
1Hz下PSS信號輸
入點到勵磁電壓
的放大倍數 |
限幅值％ |
|
臺州電廠7、8號機 |
0.27,0.48 |
3.4,5.9 |
26,27 |
16.99 |
4.6,8.2 |
2.72 |
|
臺州電廠5號機 |
0.65 |
12.7 |
101 |
3.00 |
2.0 |
5.5 |
|
溫州電廠1、2號機 |
0.56 |
8 |
49 |
3.00 |
1.7 |
4.5 |
|
鎮海電廠1、2號機 |
0.17 |
>11.7 |
|
3.75 |
0.64 |
5.6 |
|
北侖電廠1號機 |
0.63 |
>6 |
>60 |
1.20 |
0.76 |
4.8 |
|
北侖電廠2號機 |
2.4 |
7.2 |
24.5 |
3.16 |
7.5 |
4.3 |
1.6 PSS開環頻率特性開環頻率特性用于測量增益裕量及相角裕量，判斷閉環控制系統的穩定性，判斷PSS放大倍數是否適當。可在PSS輸入端或PSS輸出端解開閉環進行測量。由表3可見，開環頻率特性的增益裕量及相角裕量除臺州電廠7、8號機和北侖電廠2號機外均符合DL/T650－1998標準要求，增益裕量大于6dB、相角裕量大于40°。
1.7 負載電壓給定階躍響應負載電壓給定階躍響應作為驗證試驗項目可以直接觀察PSS投入引起地區內與本機有關振蕩模式阻尼比的提高，從表4中可見振蕩頻率均在1.18Hz以上。階躍響應不能檢驗區域間與本機有關振蕩模式阻尼比的提高。試驗結果表明以上機組PSS的作用均有效。有的機組對負載電壓階躍反映遲鈍，以至難以測量，這可能是調節器的一些環節濾去了階躍信號中的高頻分量，也可能是在試驗工況下系統阻尼比較大。
表4 負載電壓給定階躍響應
|
機組 |
無PSS |
有PSS |
有無PSS的第
二峰值比 |
|
阻尼比 |
振動頻率 Hz |
振次 |
阻尼比 |
振動頻率 Hz |
振次 |
|
臺州電廠7、8號機 |
0.104 |
1.56 |
4 |
0.18 |
2.7 |
3 |
0.346 |
|
臺州電廠5號機 |
0.065 |
1.67 |
3.5 |
0.12 |
1.8 |
2 |
0.74 |
|
溫州電廠1、2號機 |
0.061 |
1.54 |
1.5 |
／ |
／ |
<1 |
／ |
|
鎮海電廠1、2號機 |
0.15 |
1.68 |
1.5 |
0.22 |
2.0 |
1 |
0.87 |
|
北侖電廠1號機 |
0.095 |
1.50 |
>4 |
0.32 |
1.30 |
1 |
0.50 |
|
北侖電廠2號機 |
0.072 |
1.18 |
3 |
0.11 |
2.5 |
<2 |
0.56 |
2 對PSS工作的幾點看法
2.1 關于相位補償的頻率范圍
DL/T650－1998《大型汽輪發電機自并勵靜止勵磁系統技術條件》提出了PSS應滿足該機各振蕩模式下相位補償要求，其振蕩頻率一般在0.2～2.0Hz范圍內。相位補償可按分析計算得出該系統振蕩模的實際頻率范圍設計，也可按0.2～2.0Hz頻率范圍設計。后者因頻帶寬，不易在全范圍滿足要求，如果有一定的經驗，也可以經初步分析后進行現場試驗整定。以上所列浙江電網PSS整定工作均為不依靠系統計算分析，僅由現場試驗整定。除ALSTHOM機組PSS因沒有可調整點無法擴大相位補償的頻率范圍之外，其他機組在0.5～1.6Hz內滿足－60°～－135°)有補償頻率特性的要求。這里要指出，在DL/T650－1998發布之前采用有補償頻率特性－60°～－135°的要求。DL/T650－1998提出有補償頻率特性－80°～－135°的要求。
ALSTHOM機組PSS的相位補償僅滿足0.75Hz以上低頻振蕩范圍的要求。其原因是PSS僅設計一個隔直環節，沒有超前滯后環節。建議：(1)對電力系統進行小干擾穩定性分析后判斷ALSTHOM機組PSS是否需要重新設計。(2)應在供貨前提供勵磁系統數學模型參數，得到確認后再發貨。
現場試驗整定的條件為勵磁調節器可以進行勵磁系統滯后特性的測量，即可以在PSS迭加點加入測量用的噪聲信號。但有些微機勵磁調節器做不到。對此，DL/T650－1998標準中明確要求勵磁調節器具備測量勵磁控制系統滯后特性功能。
將PSS計算分析得到不同運行方式和事故狀況下的勵磁系統滯后特性，結合現場試驗實測勵磁系統滯后特性，從而合理而準確地整定PSS參數。
2.2 關于振蕩模式的分析通過振蕩模式的分析了解各振蕩模的振頻和阻尼比。PSS首先應保證在大小運行方式下阻尼比均滿足要求，于是要分析無PSS時大小運行方式下阻尼比，確定必須投入PSS的電廠和機組。電力系統故障以后阻尼往往被削弱，所以要進行故障預測和故障后動態穩定性分析，以判斷在故障情況下PSS是否仍可為系統動態穩定提供足夠的正阻尼。如存在問題，需進行進一步研究。
各振蕩模的振頻應包括在PSS頻帶范圍內。由于振蕩模式分析需要電力系統和勵磁系統參數，需要運行狀態和分析經驗的積累，建議在開展分析工作的同時，不失時機地通過現場試驗將大型汽輪發電機組PSS投入運行。通過投入試驗來驗證和改進分析工作，用計算分析來指導和簡化PSS投入試驗。
2.3 關于PSS放大倍數PSS放大倍數可按臨界放大倍數的1/3～1/5整定。浙江電網PSS試驗均采用測量開環頻率特性穩定裕量的方法測量調整PSS放大倍數，原因有3個：一是測量開環頻率特性穩定裕量采用加白噪聲到勵磁系統的方法，試驗簡單，且對發電機擾動較小，試驗安全。二是有的裝置PSS放大倍數調整困難，臨界放大倍數不易達到。三是有的裝置PSS放大倍數沒法調整。已進行9處PSS試驗只有臺州電廠7、8號機ALSTHOM機組的增益裕量和相角裕量都小于標準規定值。說明采用測開環頻率特性穩定裕量的方法測量調整PSS放大倍數是可行的。
臺州電廠7、8號機ALSTHOM機組的增益裕量和相角裕量小于標準規定值，但是其PSS放大倍數卻只有0.27和0.48，在9臺機PSS放大倍數中偏小。北侖電廠1號機PSS放大倍數為0.63，穩定裕量卻滿足要求。因此PSS放大倍數與穩定裕量的關系不確定。但計入PSS迭加點到勵磁電壓的放大倍數后，從PSS信號輸入點到勵磁電壓的總放大倍數看與穩定裕量的關系是明確的。臺州電廠7、8號機和北侖電廠2號機總放大倍數大于其他機組1倍以上，穩定裕量明顯低于其他機組。
臺州電廠5號機和溫州電廠1、2號機有著相近的總放大倍數，但他們的穩定裕量有差別。這說明放大倍數與機組在系統中的位置有關，放大倍數需要由試驗或計算的穩定裕量來決定。
對一些原動機穩定性不是很好，平時有功功率就在波動的機組，如PSS僅采用有功功率信號，會增加機組有功功率的波動。因為僅采用有功功率信號的PSS有反調作用。對此，首先應減小原動機的擾動，其次PSS取較小的放大倍數。
2.4 關于PSS的輸出限幅放大倍數大，PSS輸出就容易限幅。比如取有功功率為信號的PSS放大倍數為1，輸出限幅為5％，當有功功率波動大于5％就限幅，即使有功功率波動大到無窮，PSS輸出只使基波幅值增加到5％的1.27倍。一般認為PSS輸出限幅可以按5％～10％考慮。
不同的振蕩模式和強度對系統的破壞是不同的。故障發生可能伴隨幾種振蕩模式，限幅是不加區別的削弱PSS信號對各種振蕩模式的控制。智能式的PSS有可能判別嚴重后果的振蕩模式并加大對其的控制力度。
2.5 核實振蕩模式分析結果可以通過勵磁系統加入階躍信號給系統一個激勵，分析該響應，得到與本機有關的振蕩模式，從而核實振蕩模式計算分析結果。
2.6 制訂PSS整定計算規范和現場試驗大綱上述問題涉及PSS計算分析研究。浙江省電力試驗研究所早年進行過振蕩模式的分析(小干擾穩定性分析)和PSS參數設計，但未與PSS現場投運結合起來。希望滾動地進行振蕩模式的分析，相應制訂協調一致的PSS整定計算規范和現場試驗大綱。1999年6月全國電力系統勵磁研討會也提出了這個要求。
作者單位：
竺士章 （浙江省電力試驗研究所 杭州 310014）
陳新 （浙江省電力試驗研究所 杭州 310014）
琪陳皓 （浙江省電力試驗研究所 杭州 310014）
方思立 （國家電力公司電力科學研究院 北京 100085）
參考文獻：
［1］DL/ T650－1998 大型汽輪發電機自并勵靜止勵磁系統技術條件
［2］IEEE Std 421.2－1990 IEEE Guide for Identification, Testing ＆ Evaluation of the dynamic Performance of Excitation Control System 勵磁控制系統動態性能鑒別、試驗和評定的指南
