電力系統(tǒng)振蕩的原因及危害

1、電力系統(tǒng)振蕩的原因及危害1前言XXXX公司是裝機(jī)容量為2×600MW的新建大型火力發(fā)電廠，它同原有XXXX公司的2×500MW俄羅斯汽輪機(jī)組構(gòu)成一個(gè)電源點(diǎn)，經(jīng)三條500KV線路向系統(tǒng)送電，地處京津唐負(fù)荷中心，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定起著重要的支撐作用。作為京津唐電網(wǎng)最大的發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對(duì)華北電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有舉足輕重的影響。根據(jù)國(guó)家十五計(jì)劃實(shí)現(xiàn)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的要求，華北電網(wǎng)規(guī)定，新建大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)有系統(tǒng)穩(wěn)定措施并調(diào)整好后才能并網(wǎng)運(yùn)行，為此我廠先后完成了對(duì)3#、4#機(jī)組的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)定值整定和試驗(yàn)工作,實(shí)驗(yàn)效果明顯。應(yīng)國(guó)家電力調(diào)度中心要求，2003年6月

2、18日，在華北電力調(diào)度局方式處的組織下PSS正式投入運(yùn)行。2低頻振蕩產(chǎn)生原因分析及危害性電力系統(tǒng)低頻振蕩在國(guó)內(nèi)外均有發(fā)生，通常出現(xiàn)在遠(yuǎn)距離、重負(fù)荷輸電線路上，或者互聯(lián)系統(tǒng)的弱聯(lián)絡(luò)線上，在采用快速響應(yīng)高放大倍數(shù)勵(lì)磁系統(tǒng)的條件下更容易出現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，快速勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)大為減少，這有效地改善了電壓調(diào)節(jié)特性，提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平。但由于自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的附加阻尼為負(fù)值，抵消了系統(tǒng)本身所固有的正阻尼，使系統(tǒng)的總阻尼減少或成為負(fù)值，以至系統(tǒng)在擾動(dòng)作用后的功率振蕩長(zhǎng)久不能平息，甚至導(dǎo)致自發(fā)的低頻振蕩，低頻振蕩的頻率一般在0.2-2Hz之間。(風(fēng)險(xiǎn)管理世界低頻振蕩會(huì)引起聯(lián)絡(luò)線過(guò)流

3、跳閘或系統(tǒng)與系統(tǒng)或機(jī)組與系統(tǒng)之間的失步而解列，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。解決低頻振蕩問(wèn)題成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要課題之一。3PSS原理及其作用為了既能利用高放大倍數(shù)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器又能避免其負(fù)阻尼效應(yīng)，人們對(duì)傳統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)一個(gè)可能引起負(fù)阻尼的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，向其中注入某些附加控制信號(hào)，使之可以提供正的阻尼，平息振蕩，這就是PSS最基本的原理。PSS作為一種附加勵(lì)磁控制環(huán)節(jié)，即在勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中，通過(guò)引入附加信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)正阻尼轉(zhuǎn)矩，去克服勵(lì)磁調(diào)節(jié)器引起的負(fù)阻尼，控制量可以采用電功率偏差(P)、機(jī)端電壓頻率偏差(f)、過(guò)剩功率(Pm)、和發(fā)電機(jī)軸速度偏差(w)以及它們的組合等。它不僅可以補(bǔ)償

4、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的負(fù)阻尼，而且可以增加正阻尼，使發(fā)電機(jī)有效提高遏制系統(tǒng)低頻振蕩能力。盡管PSS已是成熟的普遍技術(shù)，但它仍是消除互聯(lián)電網(wǎng)負(fù)阻尼低頻振蕩最經(jīng)濟(jì)有效的方法。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較小、互聯(lián)程度較低時(shí)，系統(tǒng)振蕩不明顯，PSS整定不為人們所關(guān)注。但在當(dāng)今大電網(wǎng)互聯(lián)迅速發(fā)展的情況下，PSS的作用已經(jīng)引起人們的高度重視。1994年我國(guó)南方聯(lián)營(yíng)電網(wǎng)發(fā)生的系統(tǒng)振蕩事故是典型的一例，事后分析表明，若在此系統(tǒng)的主力機(jī)組上加裝PSS，可以有效地阻尼振蕩，防止有嚴(yán)重后果的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定破壞事故的發(fā)生。4PSS的構(gòu)成和傳遞函數(shù)早期的PSS由分立元件構(gòu)成，在微機(jī)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中PSS由軟件構(gòu)成，我廠3#、4#機(jī)組均是哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)

5、的三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組,型號(hào)為QFSN-600-2YH，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用英國(guó)ROLLS-ROYCE(簡(jiǎn)稱(chēng)R-R)公司的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器， PSS完全由軟件構(gòu)成，其PSS輸入信號(hào)采用發(fā)電機(jī)電功率即P，其結(jié)構(gòu)如圖1：圖1電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)方框圖ROLLS-ROYCE公司的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)輸入信號(hào)為發(fā)電機(jī)的負(fù)電功率信號(hào)，由此生成一個(gè)相位補(bǔ)償及增益控制的調(diào)節(jié)信號(hào)以對(duì)有功功率振蕩產(chǎn)生阻尼作用。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)為：PSS自動(dòng)投入值：0.3PU 功率，返回值0.14PU 功率，Kp=2、Te=10 、T1=2、T2=0.35、T3=4、T4=0.2、T5=0.05、T6=0.08、T7=0.05，P

6、SS輸出限幅： ±5%5PSS實(shí)驗(yàn)過(guò)程5.1勵(lì)磁系統(tǒng)在線無(wú)補(bǔ)償頻率特性的測(cè)量勵(lì)磁控制系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償頻率特性即勵(lì)磁系統(tǒng)滯后特性。因勵(lì)磁控制系統(tǒng)滯后特性的存在，加到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的附加信號(hào)經(jīng)滯后才能產(chǎn)生附加力矩。測(cè)量勵(lì)磁控制系統(tǒng)滯后特性應(yīng)測(cè)量附加力矩對(duì)PSS迭加點(diǎn)的滯后角度。因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)高功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，機(jī)端電壓對(duì)PSS迭加點(diǎn)的滯后角度近似等于附加力矩對(duì)PSS迭加點(diǎn)的滯后角度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行,記錄有功、無(wú)功、機(jī)端電壓值，PSS不投入，用頻譜儀將噪音信號(hào)加入到調(diào)節(jié)器的相加點(diǎn)上，測(cè)量勵(lì)磁系統(tǒng)的相頻特性。測(cè)得的勵(lì)磁系統(tǒng)在線無(wú)補(bǔ)償相頻特性見(jiàn)表1。表1勵(lì)磁系統(tǒng)相頻特性由表1可見(jiàn)，在線無(wú)補(bǔ)償頻率特性

7、基本正常,相位滯后比一般的交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)稍大些。(勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)約為-40°-150°)5.2勵(lì)磁系統(tǒng)在線有補(bǔ)償頻率特性的測(cè)量有補(bǔ)償頻率特性由無(wú)補(bǔ)償頻率特性與PSS單元相頻特性相加得到，用來(lái)反映PSS相位補(bǔ)償后的附加力矩相位。DL/T650-1998<<大行汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件>>提出有補(bǔ)償頻率特性在該電力系統(tǒng)低頻振蕩區(qū)內(nèi)滿足-80°至-135°要求，此角度以機(jī)械功率方向?yàn)榱愣取Ｒ话阍囼?yàn)采用的方法為：(1)斷開(kāi)PSS輸入端，在PSS輸入端加噪聲信號(hào)，測(cè)量機(jī)端電壓相對(duì)PSS輸入信號(hào)的相角。(2)PSS環(huán)節(jié)的相角加

8、上勵(lì)磁控制系統(tǒng)滯后相角。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，PSS參數(shù)的預(yù)選擇，可以用以上方法進(jìn)行，此試驗(yàn)的目的是找出一組較好的PSS參數(shù)，并盡量使整個(gè)低頻振蕩頻率范圍內(nèi)都得到較好的相位補(bǔ)償。由于R-R公司的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中未設(shè)置PSS輸入端，也未有相應(yīng)的軟件，此試驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法進(jìn)行。因此，由中國(guó)電科院技術(shù)人員根據(jù)廠家提供的PSS的傳遞函數(shù)框圖，預(yù)設(shè)置一組PSS參數(shù)，用MATLAB自編程序進(jìn)行仿真計(jì)算。PSS參數(shù)：Kp=2 Te=10 T1=2 T2=0.35 T3=4 T4=0.2 T5=0.05 T6=0.08 T7=0.05，計(jì)算所得PSS得相頻特性見(jiàn)圖2、Kp=2.0時(shí)幅頻特性曲線見(jiàn)圖3將計(jì)算所得的各低頻振蕩頻率

9、下PSS相位角p與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的在線無(wú)補(bǔ)償頻率特性上同頻率下勵(lì)磁系統(tǒng)滯后角e相加，得到在線有補(bǔ)償頻率特性計(jì)算值。計(jì)算所得的在線有補(bǔ)償頻率特性見(jiàn)下表2。從表2可見(jiàn)，在低頻震蕩頻率0.2Hz-1.7 Hz范圍內(nèi)都基本滿足滯后-80°-(-135°)的要求，此組PSS參數(shù)是比較合適的。圖2 PSS系統(tǒng)相頻特性曲線圖3 Kp=2.0時(shí)幅頻特性曲線表2在線有補(bǔ)償頻率特性計(jì)算值其中：=e + p5.3階越響應(yīng)(以4#機(jī)組為例)試驗(yàn)條件：發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，P=589.6MW Q=77.4Mvar Vt=19.44KV先進(jìn)行PSS不投入時(shí)2%電壓階越響應(yīng)試驗(yàn)。通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸出，在發(fā)電機(jī)機(jī)

10、端產(chǎn)生±2%的階越，錄取發(fā)電機(jī)機(jī)端有功功率、機(jī)端電壓、無(wú)功功率、勵(lì)磁電壓波形(見(jiàn)圖4)。由圖4可見(jiàn)，在PSS未投入運(yùn)行的條件下，做機(jī)端電壓±2%階越響應(yīng)試驗(yàn)，在上階越時(shí)有功功率產(chǎn)生三擺振蕩，振蕩頻率為1.5Hz。在下階越時(shí)有功功率產(chǎn)生三擺振蕩，振蕩頻率為1.5Hz。通過(guò)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)控制屏幕調(diào)整PSS增益Kp=0.5，投入PSS，重做±2%階越試驗(yàn)。通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸出，在發(fā)電機(jī)機(jī)端產(chǎn)生±2%的階越，錄取發(fā)電機(jī)機(jī)端有功功率、機(jī)端電壓、無(wú)功功率、勵(lì)磁電壓波形(見(jiàn)圖5)。圖4 無(wú)PSS時(shí)的2%電壓階越響應(yīng)圖5有PSS(Kp=0.5)時(shí)的2%電壓

11、階越響應(yīng)錄波圖由錄波圖5可見(jiàn)，PSS起到了抑制功率振蕩的作用，無(wú)論是上階越還是下階越時(shí)，只產(chǎn)生一擺振蕩，振蕩頻率為1.5Hz。圖6有PSS(Kp=1.0)時(shí)的2%電壓階越響應(yīng)錄波圖相同工況下，通過(guò)AVR控制屏幕調(diào)整Kp分別為1和2、3繼續(xù)做±2%階越試驗(yàn)，錄取發(fā)電機(jī)機(jī)端有功功率、機(jī)端電壓、無(wú)功功率、勵(lì)磁電壓波形(見(jiàn)圖6、7、8)，比較PSS的增益不同時(shí)阻尼功率振蕩的能力。以找出較合理的PSS增益值。圖7有PSS(Kp=2.0)時(shí)的2%電壓階越響應(yīng)錄波圖由錄波圖可見(jiàn)，PSS阻尼功率振蕩能力隨Kp的增大而逐步增強(qiáng)，無(wú)論是上階躍還是下階躍時(shí)，只產(chǎn)生一擺振蕩，振蕩頻率為1.5Hz。5.4PS

12、S增益整定通過(guò)以上Kp取不同值時(shí)的階越響應(yīng)結(jié)果可知，PSS阻尼功率振蕩能力隨Kp的增大而逐步增強(qiáng)，但是增益過(guò)大同樣會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定危害，根據(jù)圖3( Kp=2.0時(shí)的幅頻特性計(jì)算曲線)，PSS在0.5Hz-2Hz時(shí)的交流放大倍數(shù)約為0.3-0.5，已經(jīng)足夠大。由圖5至圖8錄波圖結(jié)果，認(rèn)為取Kp=2比較合適。5.5PSS反調(diào)試驗(yàn)對(duì)于采用發(fā)電機(jī)電功率信號(hào)的PSS，主要的副作用是無(wú)功反調(diào)，當(dāng)通過(guò)減小原動(dòng)機(jī)的輸入功率來(lái)減少發(fā)電機(jī)的出力時(shí)，若調(diào)整速度較快，發(fā)電機(jī)的無(wú)功輸出會(huì)突然大幅度增加，幾秒后又恢復(fù)到原來(lái)無(wú)功水平。如果增加了有功，則無(wú)功會(huì)會(huì)瞬間大幅度減少，幾秒鐘后恢復(fù)到原來(lái)水平。無(wú)功反調(diào)現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)將對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)不利影響。試驗(yàn)時(shí)，PSS投入運(yùn)行，按正常運(yùn)行增減負(fù)荷速度改變有功功率，觀察調(diào)節(jié)器輸出電壓和電流，不出現(xiàn)隨有功功率變化而大幅度擺動(dòng)現(xiàn)象。圖8有PSS(Kp=3.0