浅析励磁系统PSS与低励限制配合不当引起的机组功率波动

浅析励磁系统 PSS与低励限制配合不当引起的机组功率波动

姜忠平

云南大唐国际李仙江流域水电开发有限公司 ,云南 普洱 665000

摘要：水轮机组励磁系统PSS 是励磁调节器的一种附加控制功能，借助于AVR控制励磁输出，阻尼同步电机的低频功率振荡，用以改善电力系统稳定性能。低励限制的作用是避免发电机系统出现欠励磁而发生失步现象。某电厂由于励磁调节设备投产时过于追求低励限制的效果，励磁厂家选用的低励限制模型将低励限制的调节参数设置较大，与PSS参数配合不当造成机组功率波动。现场通过调整低励限制控制参数将低励输出减小，使低励对PSS输出的影响尽量减小，消除机组功率波动。

关键词：励磁调节器 PSS 低励限制 控制参数 功率 波动

Analysis of Power Fluctuation of Generator Unit Caused by Improper Combination of Excitation System PSS and Low Excitation Limitation

Jiang zhongping

（yunnan datang international li xianjiang basin hydropower development co., LTD., yunnan puer 665000）

Abstract：The excitation system PSS of hydraulic turbine is an additional control function of the excitation regulator. With the help of AVR, the excitation output is controlled to damp the low-frequency power oscillation of synchronous motor, so as to improve the stability of power system. The function of low excitation limit is to avoid the phenomenon of out-of-step caused by under-excitation in generator system. Due to the excessive pursuit of the effect of low excitation restriction when the excitation regulating equipment is put into operation in a power plant, the low excitation restriction model selected by the excitation manufacturer sets the adjustment parameters of low excitation restriction to a large extent, which results in the power fluctuation of the unit due to improper coordination with PSS parameters. By adjusting the control parameters of low excitation limit, the output of low excitation will be reduced, so that the influence of low excitation on PSS output will be minimized, and the power fluctuation of unit will be eliminated..

Keywords: Excitation regulator ,PSS, Low incentive limit, Control parameters,power, fluctuation

0.前言

2016年7月10日，某水电厂1号机组带46MW负荷运行。4时50 分左右，机组电气量（有功功率、无功功率、励磁电压、励磁电流等）出现了大幅波动的情况。异常状态出现时，其它两台机组处于停机状态。波动前，机组有功功率为 40MW，无功功率为-19MVar。波动时，发电机有功功率、无功功率、励磁电压、励磁电流均出现大幅波动，（有功波动范围为：32MW-114MW；无功波动范围为-21MVar-43MVar：励磁电压波动范围-19V-500V：励磁电流波动范围：438A-1057A）。运行人员现场对各设备进行检查，发现调速器运行正常，各保护装置无告警信息，励磁调节器出现欠励限制动作信号（欠励限制定值最大最小均为-19.1MVar,定值是根据 2008 年进相试验报告向上上浮1MVar，限制动作后封锁外部控制脉冲），一次调频动作信号（机组频率超出 50±0.05Hz 范围，一次调频动作，有功调节方向与频率变化方向相反）。

1.停机后的检查情况

（1） 检查计算机监控系统上位机数据服务器主机、操作员站、调度通信机无硬件故障报警，1 号机组 LCU 现地控制柜 CPU、I/O 及通讯模块运行正常，无任何硬件故障报警信息。

（2） 检查调速系统电气调柜电源正常，PLC 运行正常，无硬件故障报警信息，盘柜内板卡及元器件无明显损坏现象，盘柜内接线无松动。并于7 月 20 日中试所试验人员对 1 号机组进行了调速系统试验和一次调频静态试验，各项试验结果均符合规程要求。

（3） 检查励磁系统各盘柜电源正常，励磁调节器无硬件故障信息，各盘柜内板卡及元器件无明显损坏现象，接线无松动情况。对 1 号机下达空载态指令，发电机由停机态开机至空载，各电气量正常，各系统无报警信息。7 月 20 日中试所试验人员对 1 号机组励磁系统各项功能进行了检测，检测结果符合规程要求。

（4） 7 月 30 日中试所试验人员及励磁厂家技术人员对 1 号机励磁系统进行了动态试验，通过试验找到了引起电气量波动的原因。

2.励磁系统动态试验情况

根据检查情况对该振荡现象的进行了细致分析，制定了分别验证PSS投入、低励限制动作单独和同时存在时机组的运行情况试验方案。整个验证环节，将AGC、AVC退出，一次调频投入。

（1） 投入PSS：发电机有功功率为75MW，无功功率为0MVar。设置发电机低励限制动作值为-19MVar。励磁调节器就地减磁，减少发电机无功功率，直至励磁调节器低励限制动作，检测到励磁电压波动，机组功率振荡。波形如下：

图1：振荡整体录波图

图2：振荡时电气量波形图（励磁调节器内部录波图）

从图1-图2波形中看出，此次振荡过程中，有功功率波动范围为：56.753-98.190MW，无功功率波动范围为：-35.082MVar至23.255MVar。励磁电压已达到最大、最小触发角，已出现削顶的现象，其波动范围为611.572至-477.295V。有功功率的振荡频率约0.809HZ。

比较7.10日的振荡时，发电机运行工况、功率波动范围及振荡频率一致，可以认为此次振荡与7.10日发生的振荡属于同一性质的振荡。诱发的原因和振荡的性质一致。

（2） 退出PSS：发电机有功功率为75MW，无功功率为0MVar。缓慢减少无功功率，至-19MVar左右，低励限制动作。各电气量如下图所示：

图3：退出PSS，低励限制动作

上图中，PSS退出，缓慢减少无功，低励限制动作后，励磁电压出现明显波动，其波动范围为65.918-158.691V，无功功率相对平稳，维持在-19MVar。发电机出现轻微波动，未出现振荡现象。

（3） 修改低励限制为-25MVar,投入PSS，缓慢减少发电机无功功率，至-10MVar左右，进行-1.5%的机端电压阶跃，其阶跃波形如下图所示：

图4：投入PSS，低励限制设置为-25MVar，下阶跃使无功至-20MVar录波图

根据上图，投入PSS，发电机无功功率下阶跃减少至-20MVar左右，发电机各电气量稳定，未出现波动。

（4）修改励磁调节器内部低励限制的相关参数（磁调节器欠励Q+U模式由“00000050”改为“00000000”，以调减低励控制Uuel的增益至原值的 1/4，以降低低励限制控制输出），投入PSS，设置低励限制动作值为-19MVar。降低无功至低励限制动作，其功率波形如下图所示：

图5：修改低励限制参数，投入PSS，减少无功至低励限制动作

发电机励磁电压波动较大，但并未出现振荡。低励限制与PSS未出现不匹配。

3.原因分析

（1） 由验证试验结果可知，该电厂 1 号机组“7.10”振荡是由励磁系统内部的强迫振荡引起，而强迫振荡则是由 PSS 输出所引起。

对于 PSS 输出所引起的强迫振荡，其可能性原因有二：

1）PSS 参数不合适，导致 PSS 输出未能起到正阻尼的效果甚至在扰动发生后加剧了振荡的效果。该电厂 1 号机组在机组负载工况下已进行过扫频后的相位补偿，并进行了负载阶跃试验验证，证明 PSS对振荡应起到正阻尼的效果，能够有效的抑制外部扰动所引起的功率低频振荡。因此该可能性原因基本可以排除。

2）PSS 环节与低励限制环节参数不匹配。低励限制动作后的输出叠加到主环上，若该输出过大可能会导致叠加后的幅频相频特性发生变化，使得之前按照常规工况整定的 PSS 参数不能完全适用，这样使得 PSS 环节的输出会削弱系统的正阻尼甚至产生负阻尼从而加剧振荡现象的发生。从本次该电厂 1 号机组“7.10”振荡现象及上述验证试验的结果来看，可以判断就是该原因导致。具体说明如下：

a）低励限制的模型。

该电厂 1 号机励磁系统低励限制为叠加型，如下图 8 所示，首先根据低励限制曲线算出当前有功下所对应的低励限制动作无功给定值 qcg；其次，用 qcg 减去当前实际的无功值 q，得到无功偏差Δqcg；最后，将Δqcg 乘以增益 k，然后叠加到 AVR 电压给定上，并进入电压闭环 PID 计算。

图 6 低励限制模型

b）PSS 模型。

该电厂 1 号机组励磁系统采用 PSS2A 模型，具体模型如下图 9 所示。PSS 环节输出也是叠加型，即 PSS2A 的输出叠加到电压给定上，并进入电压闭环 PID 计算。

图 7 PSS2A/2B 模型

c）低励限制与 PSS 环节叠加到主环模型。

如图 10 所示，低励限制环节与 PSS 环节的输出最终叠加到电压给定上，并进入主环PID计算环节。

图8 低励与 PSS 叠加到主环模型

d）低励限制环节输出对 PSS 环节的影响

对于该电厂 1 号机组来说，在投产过程中 PSS 试验是在励磁系统低励限制未动作的工况下进行无补偿扫频并根据扫频结果进行相位的校正，那么在实际的并网运行中由于Uuel低励输出与Upss输出叠加，低励限制的输出使得 Upss+AVRPID 环节的幅频相频特性产生变化，Uuel 低励输出越大，对 Upss 输出产生的影响越大。而该电厂 1 号机组所使用的 SAVR2000 励磁系统在设备投产时，励磁厂家过于追求低励限制的效果，在其选用的低励限制模型中将低励限制的控制参数设置较大，即低励限制动作后所产生的 Uuel 较大，这样虽然能够迅速的将进相无功拉回到限制曲线以内，但其弊端就是对 PSS 环节的输出影响较大，使得原先整定的 PSS 参数针对低励限制动作的工况不适用。

在 SAVR2000 现有的软件架构下，为了解决上述问题，在确保低励限制功能正常使用的前提下，可考虑降低低励限制动作后的输出。7 月 30 日，在该电厂 1 号机组的现场验证试验过程中，通过减少 Uuel的控制参数（将增益 K 减小到原来的 1/4），使低励输出减小，使低励对 PSS 输出的影响尽量减小，试验验证波形参考图 2、图9 及图10 所示。

图图9 投入 PSS，减磁将无功功率减至-19MVAR 低励限制动作时波形

图10 投入PSS，做-1.5%电压阶跃将无功功率减至-19MVAR 低励限制动作时波形

从试验结果来看，修改低励控制参数后，分别进行了减磁使低励限制动作和电压下阶跃使低励限制动作，试验证明低励限制不仅能够在无功功率低于限制值时动作并将无功功率迅速拉升到限制值以上，而且不会影响 PSS 的输出，造成机组无功和有功振荡。

4.结束语

该电厂其它两机组使用的也是SAVR2000 励磁调节系统，所选用的低励限制模型中也有低励限制的控制参数设置较大情况，存在引起机组功率波动的隐患，随后也通过修改励磁调节器欠励Q+U模式，调减低频控制的增益至原值的1/4，降低低励限制控制输出，减少其对 PSS 环节的输出影响，并进行了相关动态验证，试验证明低励限制动作后发电机各电气量能够维持稳定运行，彻底消除了三台机组因低励限制动作引起功率波动的隐患。

参考文献

［1］DL/T 489-2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程

[2] DL/T 1013-2006大中型水轮发电机微机励磁调节器试验与调整导则

[3] DL/T 583-2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件

[4] GB/T 7409.3-2007 同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求