竺士章 陈新琪 陈皓 方思立
摘要 总结了8年来浙江电网PSS试验情况，叙述了试验方法，提供了各个环节试验结果和分析说明，并对PSS工作提出了看法。
关键词 PSS 试验 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
电力系统稳定器(简称PSS)是励磁系统的一个附加功能，用于提高电力系统阻尼，解决低频振荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。它抽取与此振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。本文总结了8年来浙江电网大型机组PSS的试验情况，叙述了试验方法，提供了各个环节试验结果和分析说明。从中得到的一些认识、规律和提出对进一步开展PSS工作的看法，有助于PSS的推广和应用。
1 浙江电网PSS试验情况
1.1 PSS控制结构图（见图1）
图1 PSS控制结构图
1.2 被试励磁系统概况（见表1）
表1 被试励磁系统概况
|
机组 |
额定有功功率 |
励磁系统型式 |
生产厂 |
PSS信号 |
|
台州电厂7、8号机 |
330MW |
机端变无刷励磁 |
ALSTHOM |
有功功率 |
|
台州电厂5号机 |
125MW |
三机励磁KKL－2 |
南自厂 |
有功功率 |
|
温州电厂1、2号机 |
125MW |
三机励磁KKL－2 |
南自厂 |
有功功率 |
|
镇海电厂1、2号机 |
125MW |
自并励 |
洪山 |
有功功率 |
|
北仑电厂1号机 |
600MW |
自并励 |
东芝 |
有功功率 |
|
北仑电厂2号机 |
600MW |
机端变无刷励磁 |
ALSTHOM |
有功功率 |
1.3 励磁控制系统滞后特性的测量励磁控制系统滞后特性即无补偿频率特性。因励磁控制系统滞后特性的存在，加到励磁调节器的附加信号经滞后才能产生附加力矩。测量励磁控制系统滞后特性应测量附加力矩对PSS迭加点的滞后角度。因为在发电机高功率因数运行时，机端电压对PSS迭加点的滞后角度近似等于附加力矩对PSS迭加点的滞后角度。
励磁控制系统滞后特性的测量可见：
(1)励磁控制系统滞后特性基本分为两种：自并励系统(约为－40°～－90°)，励磁机励磁系统(约为－40°～－150°)。
(2)同一频率角度范围表示同一发电机励磁系统在不同的系统工况和发电机工况下有不同的滞后角度，从几度到十几度。其中也包含了测量误差。
(3)温州电厂与台州电厂虽采用同一励磁控制系统，因转子电压反馈和调节器放大倍数不同，励磁系统滞后特性发生明显变化。
(4)励磁调节器的PSS迭加点位置不同，励磁控制系统滞后特性也不同。
1.4 有补偿频率特性的测量
有补偿频率特性由无补偿频率特性与PSS单元相频特性相加得到，用来反映经PSS相位补偿后的附加力矩相位。DL/T650－1998《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》提出有补偿频率特性在该电力系统低频振荡区内满足－80°～－135°要求，此角度以机械功率方向为零度。根据试验的方便情况可采用两种方法：(1)断开PSS信号输入端，在PSS输入端加噪声信号，测量机端电压相对PSS输入信号的相角；(2)PSS环节的相角加上励磁控制系统滞后相角。
试验结果见表2。由试验可见：(1)通过调整PSS参数可以使有补偿频率特性在较宽的频率范围内满足要求。
表2 有补偿频率特性
|
机组 |
0.2Hz |
0.5Hz |
1.0Hz |
1.6Hz |
2.0Hz |
|
台州电厂7、8号机 |
11° |
－40° |
－74° |
－144° |
－148° |
|
台州电厂5号机 |
－55° |
－67° |
－94° |
－130° |
－158° |
|
温州电厂1、2号机 |
－67° |
－87° |
－86° |
－107° |
－133° |
|
镇海电厂1、2号机 |
|
－60.9° |
－87.3° |
|
－132° |
|
北仑电厂1号机 |
－92° |
－95° |
－100° |
－112° |
－120° |
|
北仑电厂2号机 |
－14° |
－55° |
－113° |
－133° |
－142° |
(2)ALSTHOM机组PSS低频段相位补偿特性未能满足要求。
(3)北仑电厂1号机PSS在小于0.4Hz范围增大隔直环节时间常数，使之低频段有良好的相位补偿特性，而且提升放大倍数(0.2Hz处提高1.76倍)。
1.5 PSS放大倍数和输出限幅PSS放大倍数都以标幺值表示。输入值按PSS信号是哪一路，取机组额定有功功率、额定转速或额定频率为基值。输出值以PSS迭加点额定机端电压值为基值。当PSS迭加点与电压迭加点不一致时，要按低频振荡频率下的环节放大倍数折算额定机端电压值。因PSS中的超前滞后环节影响放大倍数，本文以1Hz下的放大倍数进行比较，见表3。
表3 放大倍数、稳定裕量和限幅值
|
机组 |
1Hz下PSS
放大倍数 |
增益裕量
dB |
相角裕量
° |
1Hz下PSS迭加点
到励磁电压的
放大倍数 |
1Hz下PSS信号输
入点到励磁电压
的放大倍数 |
限幅值％ |
|
台州电厂7、8号机 |
0.27,0.48 |
3.4,5.9 |
26,27 |
16.99 |
4.6,8.2 |
2.72 |
|
台州电厂5号机 |
0.65 |
12.7 |
101 |
3.00 |
2.0 |
5.5 |
|
温州电厂1、2号机 |
0.56 |
8 |
49 |
3.00 |
1.7 |
4.5 |
|
镇海电厂1、2号机 |
0.17 |
>11.7 |
|
3.75 |
0.64 |
5.6 |
|
北仑电厂1号机 |
0.63 |
>6 |
>60 |
1.20 |
0.76 |
4.8 |
|
北仑电厂2号机 |
2.4 |
7.2 |
24.5 |
3.16 |
7.5 |
4.3 |
1.6 PSS开环频率特性开环频率特性用于测量增益裕量及相角裕量，判断闭环控制系统的稳定性，判断PSS放大倍数是否适当。可在PSS输入端或PSS输出端解开闭环进行测量。由表3可见，开环频率特性的增益裕量及相角裕量除台州电厂7、8号机和北仑电厂2号机外均符合DL/T650－1998标准要求，增益裕量大于6dB、相角裕量大于40°。
1.7 负载电压给定阶跃响应负载电压给定阶跃响应作为验证试验项目可以直接观察PSS投入引起地区内与本机有关振荡模式阻尼比的提高，从表4中可见振荡频率均在1.18Hz以上。阶跃响应不能检验区域间与本机有关振荡模式阻尼比的提高。试验结果表明以上机组PSS的作用均有效。有的机组对负载电压阶跃反映迟钝，以至难以测量，这可能是调节器的一些环节滤去了阶跃信号中的高频分量，也可能是在试验工况下系统阻尼比较大。
表4 负载电压给定阶跃响应
|
机组 |
无PSS |
有PSS |
有无PSS的第
二峰值比 |
|
阻尼比 |
振动频率 Hz |
振次 |
阻尼比 |
振动频率 Hz |
振次 |
|
台州电厂7、8号机 |
0.104 |
1.56 |
4 |
0.18 |
2.7 |
3 |
0.346 |
|
台州电厂5号机 |
0.065 |
1.67 |
3.5 |
0.12 |
1.8 |
2 |
0.74 |
|
温州电厂1、2号机 |
0.061 |
1.54 |
1.5 |
／ |
／ |
<1 |
／ |
|
镇海电厂1、2号机 |
0.15 |
1.68 |
1.5 |
0.22 |
2.0 |
1 |
0.87 |
|
北仑电厂1号机 |
0.095 |
1.50 |
>4 |
0.32 |
1.30 |
1 |
0.50 |
|
北仑电厂2号机 |
0.072 |
1.18 |
3 |
0.11 |
2.5 |
<2 |
0.56 |
2 对PSS工作的几点看法
2.1 关于相位补偿的频率范围
DL/T650－1998《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》提出了PSS应满足该机各振荡模式下相位补偿要求，其振荡频率一般在0.2～2.0Hz范围内。相位补偿可按分析计算得出该系统振荡模的实际频率范围设计，也可按0.2～2.0Hz频率范围设计。后者因频带宽，不易在全范围满足要求，如果有一定的经验，也可以经初步分析后进行现场试验整定。以上所列浙江电网PSS整定工作均为不依靠系统计算分析，仅由现场试验整定。除ALSTHOM机组PSS因没有可调整点无法扩大相位补偿的频率范围之外，其他机组在0.5～1.6Hz内满足－60°～－135°)有补偿频率特性的要求。这里要指出，在DL/T650－1998发布之前采用有补偿频率特性－60°～－135°的要求。DL/T650－1998提出有补偿频率特性－80°～－135°的要求。
ALSTHOM机组PSS的相位补偿仅满足0.75Hz以上低频振荡范围的要求。其原因是PSS仅设计一个隔直环节，没有超前滞后环节。建议：(1)对电力系统进行小干扰稳定性分析后判断ALSTHOM机组PSS是否需要重新设计。(2)应在供货前提供励磁系统数学模型参数，得到确认后再发货。
现场试验整定的条件为励磁调节器可以进行励磁系统滞后特性的测量，即可以在PSS迭加点加入测量用的噪声信号。但有些微机励磁调节器做不到。对此，DL/T650－1998标准中明确要求励磁调节器具备测量励磁控制系统滞后特性功能。
将PSS计算分析得到不同运行方式和事故状况下的励磁系统滞后特性，结合现场试验实测励磁系统滞后特性，从而合理而准确地整定PSS参数。
2.2 关于振荡模式的分析通过振荡模式的分析了解各振荡模的振频和阻尼比。PSS首先应保证在大小运行方式下阻尼比均满足要求，于是要分析无PSS时大小运行方式下阻尼比，确定必须投入PSS的电厂和机组。电力系统故障以后阻尼往往被削弱，所以要进行故障预测和故障后动态稳定性分析，以判断在故障情况下PSS是否仍可为系统动态稳定提供足够的正阻尼。如存在问题，需进行进一步研究。
各振荡模的振频应包括在PSS频带范围内。由于振荡模式分析需要电力系统和励磁系统参数，需要运行状态和分析经验的积累，建议在开展分析工作的同时，不失时机地通过现场试验将大型汽轮发电机组PSS投入运行。通过投入试验来验证和改进分析工作，用计算分析来指导和简化PSS投入试验。
2.3 关于PSS放大倍数PSS放大倍数可按临界放大倍数的1/3～1/5整定。浙江电网PSS试验均采用测量开环频率特性稳定裕量的方法测量调整PSS放大倍数，原因有3个：一是测量开环频率特性稳定裕量采用加白噪声到励磁系统的方法，试验简单，且对发电机扰动较小，试验安全。二是有的装置PSS放大倍数调整困难，临界放大倍数不易达到。三是有的装置PSS放大倍数没法调整。已进行9处PSS试验只有台州电厂7、8号机ALSTHOM机组的增益裕量和相角裕量都小于标准规定值。说明采用测开环频率特性稳定裕量的方法测量调整PSS放大倍数是可行的。
台州电厂7、8号机ALSTHOM机组的增益裕量和相角裕量小于标准规定值，但是其PSS放大倍数却只有0.27和0.48，在9台机PSS放大倍数中偏小。北仑电厂1号机PSS放大倍数为0.63，稳定裕量却满足要求。因此PSS放大倍数与稳定裕量的关系不确定。但计入PSS迭加点到励磁电压的放大倍数后，从PSS信号输入点到励磁电压的总放大倍数看与稳定裕量的关系是明确的。台州电厂7、8号机和北仑电厂2号机总放大倍数大于其他机组1倍以上，稳定裕量明显低于其他机组。
台州电厂5号机和温州电厂1、2号机有着相近的总放大倍数，但他们的稳定裕量有差别。这说明放大倍数与机组在系统中的位置有关，放大倍数需要由试验或计算的稳定裕量来决定。
对一些原动机稳定性不是很好，平时有功功率就在波动的机组，如PSS仅采用有功功率信号，会增加机组有功功率的波动。因为仅采用有功功率信号的PSS有反调作用。对此，首先应减小原动机的扰动，其次PSS取较小的放大倍数。
2.4 关于PSS的输出限幅放大倍数大，PSS输出就容易限幅。比如取有功功率为信号的PSS放大倍数为1，输出限幅为5％，当有功功率波动大于5％就限幅，即使有功功率波动大到无穷，PSS输出只使基波幅值增加到5％的1.27倍。一般认为PSS输出限幅可以按5％～10％考虑。
不同的振荡模式和强度对系统的破坏是不同的。故障发生可能伴随几种振荡模式，限幅是不加区别的削弱PSS信号对各种振荡模式的控制。智能式的PSS有可能判别严重后果的振荡模式并加大对其的控制力度。
2.5 核实振荡模式分析结果可以通过励磁系统加入阶跃信号给系统一个激励，分析该响应，得到与本机有关的振荡模式，从而核实振荡模式计算分析结果。
2.6 制订PSS整定计算规范和现场试验大纲上述问题涉及PSS计算分析研究。浙江省电力试验研究所早年进行过振荡模式的分析(小干扰稳定性分析)和PSS参数设计，但未与PSS现场投运结合起来。希望滚动地进行振荡模式的分析，相应制订协调一致的PSS整定计算规范和现场试验大纲。1999年6月全国电力系统励磁研讨会也提出了这个要求。
作者单位：
竺士章 （浙江省电力试验研究所 杭州 310014）
陈新 （浙江省电力试验研究所 杭州 310014）
琪陈皓 （浙江省电力试验研究所 杭州 310014）
方思立 （国家电力公司电力科学研究院 北京 100085）
参考文献：
［1］DL/ T650－1998 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件
［2］IEEE Std 421.2－1990 IEEE Guide for Identification, Testing ＆ Evaluation of the dynamic Performance of Excitation Control System 励磁控制系统动态性能鉴别、试验和评定的指南
