石门坎励磁系统PSS试验报告JB407.docx

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石门坎励磁系统PSS试验报告JB407

目录

1试验目的1

2AVR及PSS原理、传递函数及其参数1

2.1PSS工作原理1

2.2PSS参数整定计算原则2

2.3PSS参数整定计算方法3

2.4发电机组励磁系统AVR及PSS控制框图3

2.5发电机、AVR及PSS参数4

2.6PSS输入、输出特性参数说明4

3试验内容5

3.1励磁系统无补偿频率特性测量5

3.2励磁系统有补偿频率特性测量5

3.2PSS投退试验6

3.3PSS自动投退功能试验6

3.4PSS主回路临界增益试验6

3.5PSS电压阶跃响应试验6

3.6PSS限幅功能试验6

3.7PSS反调试验7

4试验结果7

4.1机组频率特性7

4.2PSS投退试验8

4.3PSS投退功能试验9

4.4PSS临界增益试验9

4.5投入与退出PSS情况下电压阶跃的试验录波图11

4.6试验结果定量计算分析12

4.7PSS限幅功能试验13

4.8反调14

5结论及意见14

石门坎#1、#2发电机组励磁系统PSS试验报告

试验日期：

2011年10月13日天气：

阴气温：

25℃

1试验目的

为了提供正阻尼抑制低频振荡，根据南方电网公司的要求，石门坎#1、#2发电机组进行了励磁系统的PSS功能试验，根据现场试验情况，其励磁系统PSS参数的合理整定与投运将对抑制系统的低频振荡产生作用。

本次现场试验的目的,一是获取石门坎#1、#2发电机组实际的低频段（0.2—2.0Hz）相位频率特性，进一步明确和验证石门坎#1、#2发电机组低频振荡特性，为调整石门坎#1、#2发电机组PSS整定值提供依据；二是通过对石门坎#1、#2发电机组所做的电压阶跃试验，验证PSS对发电机组振荡的有效正阻尼,进一步调整PSS增益；以上工作总的目的是使石门坎#1、#2发电机组PSS具备投运条件。

该机组采用南瑞电控生产的NES5100微机励磁系统，本次试验分别于2011年10月11日及13日在石门坎#1、#2发电机及励磁调节器旁内完成；试验设备为Photon+动态信号分析仪，WFLC-VI录波仪。

2AVR及PSS原理、传递函数及其参数

2.1PSS工作原理

图1：

PSS原理示意图

对快速励磁调节器可以不考虑调节器自身的时间滞后，只需要考虑励磁机（自并励系统不须考虑）和发电机的惯性时间滞后，即需要考虑1—2个惯性环节的时间滞后，所以励磁调节器调整发电机励磁，进而影响发电机电磁功率所产生的电磁功率变化量ΔPe相对于Δδ的相位改变在90—180度的范围之内；具体而言，从发电机小扰动分析模型（菲立浦—埃弗仑模型）可知，正常情况下，ΔPe超前于Δδ，这样ΔPe位于Δδ—Δω平面的第一、二象限，如上图矢量1或2所示，它们在Δω轴上的投影位于Δω轴的正向，所以这时励磁调节器调节发电机励磁所产生的ΔPe对发电机低频振荡将发挥正阻尼作用而有效地抑制低频振荡。

当发电机重载运行以及经过远距离送电时，菲立浦—埃弗仑模型中ΔPe与Δδ的比例系数将由正变负，由此ΔPe滞后于Δδ，上述的矢量1或2将变为矢量3或4而进入第三、四象限，它们在Δω轴上的投影位于Δω轴的负向，实际上这时励磁调节器调节发电机励磁所产生的ΔPe对发电机低频振荡将发挥负阻尼作用而使低频振荡趋于发散，而现代励磁调节器采用的高放大倍数使这种负阻尼效应更加严重。

为扭转上述负阻尼效应，必须在励磁调节器引入附加控制产生另外一个电磁功率变化量ΔPe，保证励磁控制对发电机低频振荡产生正确的正阻尼效应而抑制振荡，显然ΔPe，应保证它在在Δω轴上的投影位于Δω轴的正向，也即ΔPe，与Δω的相位差应不大于90度，理想情况下ΔPe，与Δω的相角差应为零度，这就是在发电机励磁控制中引入PSS的背景。

如果PSS采用负的ΔPe作为输入信号，那么这个信号经过励磁调节器、励磁机、发电机后产生的相位滞后导致PSS产生的ΔPe，未必与Δω的相角差小于90度，要使ΔPe，与Δω的相角差小于90度甚至为零，必须对PSS输入信号（—Δpe）进行相位补偿，所以PSS的核心就是由超前—滞后环节实现的相位补偿，由于一个超前—滞后环节只能补偿30—60度的相位角，所以PSS需要由多级超前—滞后环节串联构成。

2.2PSS参数整定计算原则

根据“南方电网电力系统稳定器整定试验导则（试行）”的规定，0.2Hz～2.0Hz频率范围内滞后Δω轴的角度在-10º～45º之间；原则上要求PSS输出力矩向量在0.3Hz～0.8Hz频率范围内滞后Δω轴的角度在0º～30º之间，并尽可能接近0º。

2.3PSS参数整定计算方法

我们依据上述原则，编写了基于遗传变异法求最优解的PSS参数整定计算软件，计算PSS的相位补偿时间常数；PSS增益Ks1，则是得到临界增益后，再确定Ks1取值；至于PSS的其他常规环节参数，比如投入PSS的有功水平等，则依据云南电网的通常做法执行。

2.4石门坎#1、#2发电机组励磁系统AVR及PSS控制框图

图2：

#1、#2机组AVR和PSS控制框图

2.5发电机、AVR及PSS参数

2.5.1发电机参数

名称

单位

数值

名称

单位

数值

额定容量

MVA

76.5

直轴同步电抗Xd（不饱和）

p.u

1

额定功率

MW

65

交轴同步电抗Xq（不饱和）

p.u

0.66

额定电压

kV

10.5

直轴瞬变电抗Xd’（不饱和）

p.u

0.27

额定功率因数

cosφ

0.85

直轴超瞬变电抗Xd”（不饱和）

p.u

0.2

额定转速

r/min

214.3

交轴超瞬态电抗Xq”（不饱和）

p.u

0.24

额定频率

Hz

50

负序电抗

p.u

0.22

额定励磁电压

V

315

零序电抗

p.u

0.09

额定励磁电流

A

850

定子漏抗

p.u

0.12

空载励磁电流

A

179

定子开路时直轴瞬态开路时间常数Tdo’

s

6.196

空载励磁电压

V

483

飞轮力矩GD2

Tm2

4110

短路比

1.1

转子机械时间常数

s

6.76

表1：

石门坎#1、#2发电机参数

2.5.2AVR参数

#1、#2发电机组PID参数：

电压闭环PID参数：

Kp=60.00;Ki=20.00;Kd=0.00;

电流闭环PID参数：

Kp=30.00;Ki=10.00;Kd=0.00;

调差系数：

0。

2.5.3PSS参数

根据本次试验所测得的石门坎#1、#2机组励磁系统的相频特性，计算得到的PSS试验定值如表2。

序号

参数名称

计算值

序号

参数名称

计算值

1

Tw1

4.00

11

T7

4.00

2

Tw2

4.00

12

T8

0.60

3

Tw3

4.00

13

T9

0.12

4

Tw4

0.00

14

Ks1

10.00（#1）

12.00（#2）

5

T1

0.15

15

Ks2

0.59

6

T2

0.01

16

Ks3

1.00

7

T3

0.16

17

M

5.00

8

T4

0.01

18

N

1.00

9

T5

1.2

19

PSS投入有功门槛（MW）

6.5

10

T6

3.2

20

PSS上下限幅

±10.00%

表2：

#1、#2机组PSS参数

补充：

与PSS相关的其他参数是KW=1，Xq=0.66。

PSS临界增益取值#1机组20.00，#2机组24.00。

2.6PSS输入、输出特性参数说明

发电机额定视在功率、额定转速、额定频率对应的PSS输入信号为1pu；PSS输出信号迭加到AVR电压相加点，1pu（100%）对应发电机端电压额定值。

3试验内容

3.1励磁系统无补偿频率特性测量

测量是在并网运行的机组上进行的，试验条件是要求机组的功率因数尽量接近于1。

测量时通过PHOTON+动态信号分析仪输出一个白噪声信号至励磁调节器的误差环节，其响应（机端电压）经过电压变换器测试仪转换后送入PHOTON+测量包括励磁系统在内的发电机频率响应特性，这里电压变换器测试仪将发电机端三相电压转换为一个直流电压信号，主要作用是在发电机回路和试验回路实现电气隔离。

具体试验接线见下图。

图3励磁系统频率特性试验接线原理图

3.2励磁系统有补偿频率特性测量

有补偿特性主要检验PSS现场试验整定值对相位的补偿结果是否能够达到预期的补偿效果，在现场试验条件具备的情况下进行该试验。

3.2PSS投退试验

本试验检验机组PSS投入与退出是否正常，投入退出瞬间是否产生大的扰动。

3.3PSS自动投退功能试验

该试验在机组PSS外部投入硬开关投入的情况下，PSS程序依据设定的自动投入退出百分比（或者有名值有功功率）进行投退，当发电机实际发出有功功率大于PSS自动投入百分比（有功）时PSS自动投入，当发电机实际发出有功功率低于PSS自动退出百分比（有功）时PSS自动退出。

3.4PSS主回路临界增益试验

结合机组的相频特性测试结果，在计算出PSS试验整定值的情况下，由厂家将PSS试验定值输入AVR调节器之后，投入PSS，并逐步修改PSS的主回路放大倍数，直至发电机励磁电压及无功出现明显的波动，此时对应的PSS主回路放大倍数即为PSS在该PSS参数情况下的临界增益。

3.5PSS电压阶跃响应试验

该试验用于检验PSS整定参数值的有效性。

将PSS退出与投入情况下相同发电机机端电压阶跃的录波图进行对比，根据发电机有功功率的振荡波形分析PSS的效果，PSS投入情况下发电机有功功率振荡次数应该明显少于未投入PSS情况下的振荡次数。

《中国南方电网电力系统稳定器（PSS）运行管理规定》对PSS投入情况下对比未投入情况下的阻尼比进行了量化的规定。

3.6PSS限幅功能试验

PSS输出最终叠加到AVR的PID上（绝大部分叠加到电压叠加点上），相当于改变发电机的给定电压。

因此PSS输出限幅的大小将有效的影响PSS的作用效果。

现场试验过程中将PSS输出限幅修改到装置允许的最小值和正常运行所整定的限幅值，在此情况下进行发电机机端电压的阶跃试验。

对比两者波形，限幅越小，PSS作用越小，相同阶跃情况下发电机有功功率振荡次数应多于限幅大者。

当然，该情况的出现必须建立在阶跃过程中PSS输出限幅已经达到所设定的最小限幅基础上。

3.7PSS反调试验

发电机运行过程中，由于PSS装置不能辨别机组有功功率改变是由于系统原因还是运行人员人为的增减负荷所导致，因此PSS投入情况下，发电机有功功率改变将由于PSS的作用而产生无功功率向“相反”方向增减的现象——反调，即发电机有功功率增加时无功功率降低；发电机有功功率降低时无功功率增加。

《中国南方电网电力系统稳定器（PSS）运行管理规定》规定：

机组PSS反调量应该在机组1/3额定无功功率范围之内。

4试验结果

4.1机组频率特性

表3：

#1机组相频特性

频率

测量相频

补偿后相频

频率

测量相频

补偿后相频

0.205994

-26.95

-93.37

1.213074

-83.65

-83.38

0.297546

-35.03

-94.32

1.304626

-97.28

-93.26

0.411987

-43.03

-92.78

1.419067

-109.67

-101.92

0.50354

-44.22

-86.22

1.51062

-138.49

-128.07

0.595093

-52.55

-87.35

1.602173

-141.38

-128.84

0.709534

-59.01

-85.29

1.716614

-147.51

-132.29

0.801086

-63.28

-83.42

1.808167

-137.25

-119.88

0.892639

-75.06

-90.06

1.899719

-128.21

-109.24

1.00708

-77.66

-86.35

2.01416

-128.83

-107.71

1.098633

-78.00

-82.50

表4：

#2机组相频特性

频率

测量相频

补偿后相频

频率

测量相频

补偿后相频

0.183105

-26.9272

-92.19

1.190186

-91.6198

-84.09

0.320435

-37.3719

-94.95

1.281738

-102.4

-90.44

0.434875

-45.8521

-93.30

1.396179

-118.302

-101.91

0.526428

-46.8462

-85.96

1.487732

-147.261

-127.48

0.617981

-58.3277

-89.64

1.625061

-150.331

-127.68

0.686646

-60.6974

-82.90

1.693726

-161.194

-135.10

0.823975

-64.8637

-80.32

1.785278

-151.107

-122.06

0.892639

-89.8795

-99.56

1.922607

-138.571

-107.08

1.029968

-87.7082

-90.46

1.991272

-142.8

-108.28

1.121521

-84.9477

-82.85

备注：

本表格中补偿前相位由扣除电压变换器之后所得；现场试验过程中，由于厂家认为有补偿特性测试存在一定的现场风险，对完成该实验无彻底的把握，因此现场未能完成该装置的PSS有补偿特性测试，上表中的有补偿结果由计算值给出。

4.2PSS投退试验

图4：

#1发电机PSS退出—投入

图5：

#2发电机PSS退出—投入

PSS投、退过程中，#1、2机组无功没有异常波动，#1、2机组PSS可以正常投、退。

4.3PSS自动投退功能试验

PSS退出

PSS投入

图6：

#1机PSS自动投退功能阶跃试验方法录波图（P=56.4MW，Q=3.8MVar）

PSS退出

PSS投入

图7：

#2机PSS自动投退功能阶跃试验方法录波图（P=56.6MW，Q=2.8MVar）

PSS自动投退值设为90%Sn，在有功功率56.6MW，无功功率2.8Mvar，即有功功率小于90%Sn的工况下，进行PSS投入状态下的阶跃验证试验。

图6、图7中两条有功功率曲线分别为退出和投入PSS的录波曲线，对比发现，投入PSS后，由于视在功率小于设定值，PSS不起作用，可以验证PSS投退功能正常。

4.4PSS临界增益试验

现场修改Ks1，将Ks1由1逐步增加，当ks1逐步修改到20时（#2机组为24），#1、2发电机无功功率、励磁电压（现场观察励磁系统的励磁电压表）出现较为明显的波动，由此确定该机组在该参数情况下临界增益为20（#2机组为24）；在之后的发电机电压阶跃试验过程中，根据临界增益进行了#1机Ks1=10、#2机Ks1=12的阶跃试验，最终确定#1发电机励磁系统PSS放大倍数ks1=10，#2发电机ks1=12。

Ks1=20

Ks1=10

图8：

#1发电机临界增益试验（P=56.5MW,Q=3.8MVar）

Ks1=12

Ks1=24

图9：

#2发电机临界增益试验（P=64.3MW,Q=4.1MVar）

在以上图中，#1机Qmax=4.144MVar；Qmin=3.205MVar，可以计算得出#1机组在临界增益试验过程中无功功率的变化量达到0.939MVar；#2机Qmax=5.072MVar；Qmin=3.467MVar，可以计算得出#2机组在临界增益试验过程中无功功率的变化量达到1.605MVar。

无功波动明显，说明KS1=20（#2机组为24）已达到临界增益值。

4.5投入与退出PSS情况下电压阶跃的试验录波图

4.5.1#1机组PSS退出、投入阶跃对比试验

4.5.1.1I通道阶跃

PSS投入

PSS退出

图10：

#1发电机组定子1%阶跃试验（P=64.2MW,Q=4.1MVar）

4.5.1.2II通道阶跃

PSS投入

PSS退出

图11：

#1发电机组定子1%阶跃试验（P=56.6MW,Q=4.0MVar）

图10、11中，两条有功功率曲线分别为退出和投入PSS的录波曲线，可以看到PSS投入后，正阻尼效果明显。

4.5.2#2机组PSS投入退出阶跃对比试验

4.5.2.1I通道阶跃

PSS投入

PSS退出

图12：

#2发电机组定子1%阶跃试验（P=64.2MW,Q=3.8MVar）

4.5.2.2II通道阶跃

PSS退出

PSS投入

图13：

#2发电机组定子1%阶跃试验（P=64.1MW,Q=3.7MVar）

图12、13中，两条有功功率曲线分别为退出和投入PSS的录波曲线，可以看到PSS投入后，正阻尼效果明显。

#2机组有功降至59MW后进入机组振荡区，有功输出无法稳定，输出波动很大，因此，出于安全及效果的考虑，未进行80%工况下阶跃试验。

4.6试验结果定量计算分析

机组

投/退

P（MW）

振荡周期（ms）

振荡频率（Hz）

P1

P2

P3

P4

阻尼比

#1

PSS退

56.5

675

1.481

57.7

55.1

57.8

55.5

0.019513

PSS投

56.5

687

1.455

57.3

55.2

56.8

56.1

0.17485

PSS退

64.2

641

1.560

65.6

62.7

65.6

63.3

0.036892

PSS投

64.2

621

1.610

65.2

63.4

64.6

64

0.17485

#2

PSS退

64.2

673

1.485

65.4

62.7

65.3

63.4

0.055927

PSS投

64.2

705

1.417

65.1

63.4

64.4

64

0.230284

PSS退

64.2

663

1.509

65.4

62.6

65.2

63.3

0.061715

PSS投

64.2

6834

1.463

65.1

63.3

64.5

63.9

0.17485

根据《中国南方电网电力系统稳定器（PSS）运行管理规定》的规定，PSS投入之后的发电机有功功率振荡频率与投入之前的频率之比应该在95%-110%之内，从上表可以看出本次试验的结果在上述规定的范围之内；鉴于该试验机组在未投入PSS情况下其阻尼比符合《中国南方电网电力系统稳定器（PSS）运行管理规定》的规定，在该种情况下投入PSS后机组的阻尼比应该提高0.1以上，从上表中可以看出，在投入PSS的情况下，#1机在100％和80％有功、#2机在100%有功工况下，阻尼比提高的情况符合导则的要求。

4.7PSS限幅功能试验

本次试验过程中，进行励磁系统PSS功能的输出限幅试验，南瑞电控生产的NES5100微机励磁系统，PSS输出限幅的最小值为0.1%，设为0.1%进行试验。

PSS投入，限幅0.1%

PSS投入，限幅10%

图14#1发电机1%阶跃录波图（P=56.4MW,Q=3.9MVar）

PSS投入，限幅0.1%

PSS投入，限幅10%

图15#2发电机1%阶跃录波图（P=56.6MW,Q=2.8MVar）

图14、15中，两条有功功率曲线分别为投入PSS输出限幅10%和0.1%的录波曲线。

通过对比可以看出，机组PSS输出限幅功能起到了预期的限幅作用。

4.8反调

本次反调的录波如下图所示：

图16#1发电机组反调试验录波图（有功64.4MW下降至59.1MW）

图17#2发电机组反调试验录波图（有功64.1MW下降至44.3MW）

从以上图可以读出：

#1在发电机的反调试验过程中，发电机有功功率都由有功64.4MW下降至59.1MW,在此过程中，无功功率Qmax=4.981MVar，Qmin=2.989Mvar；变化量1.992MVar；#2在发电机的反调试验过程中，发电机有功功率由64.1MW下降至44.3MW,在此过程中，无功功率Qmax=4.396MVar，Qmin=1.487Mvar；变化量2.915MVar；

该发电机在反调过程中无功波动范围在三分之一额定无功范围之内,符合《中国南方电网电力系统稳定器（PSS）运行管理规定》的要求。

5结论及意见

通过以上试验，可以得出如下结论：

第一，在采用本报告提供的PSS试验整定值的情况下，PSS补偿后的相位在《中国南方电网电力系统稳定器（PSS）运行管理规定》所要求的范围之内。

第二，该电厂#1、#2发电机组PSS投退功能正常。

第三，在采用本次试验的PSS整定值的情况下，机组PSS投入后的机组振荡频率和阻尼比能够满足《中国南方电网电力系统稳定器（PSS）运行管理规定》的要求。

第四，反调试验过程中，发电机机端电压和无功功率波动在《中国南方电网电力系统稳定器（PSS）运行管理规定》所规定的范围之内，符合其要求；

第五，从本机组PSS有补偿频率特性可以看出，补偿后的相位在《中国南方电网电力系统稳定器（PSS）运行管理规定》所规定的范围之内，且本报告提供的参数能够使该机组的PSS在0.2-2.0Hz范围内正常工作。

鉴于以上分析，石门坎#1、#2机组在采用本报告2.5.3节中所述的PSS定值的情况下具备投运条件，可以投入运行。

———————————报告结束—————————