27416783华能荆门上大压小热电联产新建工程1号机组PSS试验报告.docx
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27416783华能荆门上大压小热电联产新建工程1号机组PSS试验报告
华能荆门“上大压小”热电联产新建工程
1号机组电力系统稳定器（PSS）试验报告
武汉方源东力电力技术中心
二○一四年十一月
工作单位：
国网湖北省电力公司电力科学研究院
荆门热电厂
国电南瑞科技股份有限公司
工作人员：
湖北省电力科学研究院：
丁凯陈乔
国电南瑞科技股份有限公司：
杜思明
试验日期：
2014年11月
试验地点：
荆门热电厂
报告编写：
陈乔
报告审核：
报告批准：
1.概述
从全国联网的要求和联网稳定计算表明，联网后系统中存在0.2Hz左右甚至更低频率的低频振荡，因此，为保证电网的安全，发电厂的励磁调节器应投入电力系统稳定器（PSS）。
这些电力系统稳定器除能抑制本机型低频振荡外，还应能有效地抑制区域型低频振荡，即PSS对于在0.1Hz－2.0Hz之间的振荡都应有抑制作用。
华能荆门发电厂1号机为350MW火电机组，采用自并励励磁方式，微机励磁调节器为国电南瑞NES-5100。
湖北省电力科学研究院在荆门发电厂和国电南瑞科技有限公司的技术人员的配合下于2014年11月完成了1号机组PSS现场投运工作。
2.系统及设备参数
2.1发电机主要技术参数
型号：
QFSN-350-2-22
额定功率：
350MW
额定容量：
412MVA
额定功率因数：
0.85（滞后）
额定电压：
20kV
额定电流：
11887A
额定频率：
50Hz
额定转速：
3000r/min
额定励磁电压：
434.6V
额定励磁电流：
2287A
空载励磁电压：
147.3V
空载励磁电流：
830.2A
转子绕组直流电阻（15℃）：
0.141148Ω
转子线圈自感LF：
1.372H
直轴同步电抗Xd：
215.14%
直轴瞬变电抗（饱和值/非饱和值）Xd′：
24.8/28.18%
直轴超瞬变电抗（饱和值/非饱和值）Xd″：
17.51/19.03%
横轴同步电抗Xq：
215.14%
横轴瞬变电抗（饱和值/非饱和值）Xq′：
24.8/28.18%
横轴超瞬变电抗（饱和值/非饱和值）Xq″：
17.51/19.03%
负序电抗（饱和值/不饱和值）X2：
19.54/21.24%
零序电抗（饱和值/不饱和值）Xo：
8.52/8.97%
定子开路转子绕组时间常数（
）：
10.488s
定子三相短路瞬变分量时间常数（
）：
1.2089s
定子二相短路瞬变分量时间常数（
）：
1.9815s
定子单相短路瞬变分量时间常数（
）：
2.2795s
定子三相、二相或单相短路超瞬变分量时间常数（
）：
0.1511s
定子三相、二相短路电流非周期分量时间常数（
）：
0.2939s
定子单相短路非周期分量时间常数（
）：
0.2386s
直轴开路暂态时间常数Td0’：
10.488s
交轴开路暂态时间常数Tq0’：
1.1653s
直轴开路次暂态时间常数Td0”：
0.0496s
交轴开路次暂态时间常数Tq0”：
0.0679s
发电机飞轮转矩GD2：
29.54t.m2
发电机转动惯量：
7.385t.m2
转子机械惯性时间常数（
）：
1.967s
2.2励磁系统主要技术参数
励磁调节器型号:
国电南瑞NES-5100
额定励磁电压（V）:
434.6（
）
额定励磁电流（A）:
2287
励磁系统强励顶值电压倍数:
≥2
强励电压响应比:
≥2
强励允许时间（s）:
≥10
2.3励磁变压器主要技术参数
型式：
树脂绝缘干式变压器
型号：
ZSCB10-3600/20/0.88
生产厂家：
顺特电气
额定容量：
3600kVA
额定电压：
短路阻抗：
5.84%
三相连接组别：
Yd11
2.4互感器变比
发电机定子PT变比：
20000V/100V
发电机定子CT变比：
15000A/5A
转子分流器变比：
3000A/75mV
3.系统结构
3.1励磁系统结构
华能荆门“上大压小”热电联产新建工程1号机组发电机励磁系统为自并励系统，其结构见图
（1）。
图
（1）自并励静止励磁系统结构
3.2励磁系统主回路模型原型结构
对于自并励静止励磁、三相全波整流器的励磁系统，其主回路模型原型结构见图
（2）。
图
（2）励磁系统主回路模型原型结构
3.3励磁调节器（AVR）及电力系统稳定器（PSS）
厂家提供自动励磁调节器PID+PSS（包括限制环节）模型框图及相关参数如下。
图（3）AVR原型结构框图
参数及变量说明：
Ut：
发电机定子电压
Kp：
比例环节参数
Uref：
定子电压参考值
Ki：
积分环节参数
Uf：
励磁电压
Kd：
微分环节参数
URMAX：
励磁电压上限
Tr：
电压测量时间常数,为0.01秒
URMIN：
励磁电压下限
Ta：
励磁系统自身时间常数,为0.0033秒
UUEL：
欠励限制输出
UPSS：
PSS输出
UOEL：
过励限制输出
UC：
调差输出
Td：
微分滞后时间常数，为0.0033秒
图（4）PSS原型结构框图
4.试验仪器设备
序号
名称
型号
功能
数量
1
数字万用表
FLUKE289
基本电气量测量
1台
2
频谱分析仪/低频正弦信号发生器
35670A
信号发生及
频谱分析
1台
3
信号变换器
HST-2
信号变换
1台
4
数字录波仪
WFLC-VI
试验波形录制分析
1台
5.PSS参数整定
5.1在线无补偿励磁系统频率响应特性测试
试验条件：
P=315MW，Q=50Mvar，机组PSS退出。
试验方法：
用HP35670A动态信号分析仪产生一个白噪声信号（初始电平为0mVpk），接入调节器PSS信号输入点，并将此信号接入HP35670A的分析通道1上。
发电机机端PT二次侧三相电压接入FLC变换器，变换器的输出接入HP35670A的分析通道2，缓慢的增加白噪声信号的电平（1370mV），使发电机的机端电压幅值波动不大于1%，用HP35670A测量励磁系统无补偿相频特性，测试结果参见表1“φe”。
表11号机励磁系统无补偿相频特性
f（Hz）
Фe（°）
f（Hz）
Фe（°）
f（Hz）
Фe（°）
0.1
-14
0.8
-55
1.5
-77
0.2
-23
0.9
-63
1.6
-78
0.3
-30
1.0
-65
1.7
-87
0.4
-42
1.1
-68
1.8
-83
0.5
-46
1.2
-69
1.9
-86
0.6
-48
1.3
-67
2.0
-88
0.7
-53
1.4
-75
5.2在线有补偿励磁系统频率响应特性仿真
如果用φe表示励磁系统的无补偿相频特性的相位角，用φpss表示PSS的相位角，则要求PSS的参数整定应使得在0.1Hz～2.0Hz的频率范围内φe＋φpss（即有补偿特性的相位角）在-60°～-120°之间。
励磁系统的频率响应特性通过测量已得到，测量结果见表1“φe”，PSS的模型已知，根据上述要求，通过仿真计算，按励磁调节器PSS实际传递函数设置的参数如下：
滤波器时间常数（Tw1）
5s
调整网络的超前时间常数（T1）
0.2s
滤波器时间常数（Tw2）
5s
调整网络的滞后时间常数（T2）
0.02s
门控制及变换器时间常数（Tw3）
5s
调整网络的超前时间常数（T3）
0.1s
门控制及变换器时间常数（Tw4）
0s
调整网络的滞后时间常数（T4）
0.04s
PSS增益系数（Ks1）
7
电功率计算时间常数（T7）
5s
电功率计算补偿因子（Ks2）
0.65
斜波跟踪滤波器时间常数（T8）
0.2s
信号匹配因子（Ks3）
1
斜波跟踪滤波器时间常数（T9）
0.1s
斜波跟踪滤波器阶数（M）
5
稳定信号上限（UST·max）
+0.05p.u.
斜波跟踪滤波器阶数（N）
1
稳定信号下限（UST·min）
-0.05p.u.
根据PSS模型和参数计算可得到华能荆门热电厂1号机PSS环节的频率响应特性和励磁系统的有补偿特性（即ΔVt/-ΔP），计算结果见表2，其中励磁系统的有补偿特性用φe＋φpss计算得到。
由表2可以看出：
在0.1～2.0Hz的频率范围内，励磁系统有补偿相频特性在-60.1°～-90.5°范围内，由PSS产生的电磁力矩的阻尼分量为正，PSS相位补偿可以满足要求。
图5是励磁系统无补偿特性、PSS相频特性和励磁系统有补偿特性曲线图。
表2励磁系统无补偿特性、PSS相频特性和励磁系统有补偿特性
f（Hz）
Φe（°）
Фpss（°）
Φe+ΦPSS（°）
0.1
-14
-46.09843713
-60.09843713
0.2
-23
-54.97157615
-77.97157615
0.3
-30
-53.03736132
-83.03736132
0.4
-42
-48.73432183
-90.73432183
0.5
-46
-43.89973948
-89.89973948
0.6
-48
-39.15145973
-87.15145973
0.7
-53
-34.72951714
-87.72951714
0.8
-55
-30.72259121
-85.72259121
0.9
-63
-27.1508434
-90.1508434
1
-65
-24.00223443
-89.00223443
1.1
-68
-21.25007453
-89.25007453
1.2
-69
-18.86188843
-87.86188843
1.3
-67
-16.80393799
-83.80393799
1.4
-75
-15.04348575
-90.04348575
1.5
-77
-13.54986226
-90.54986226
1.6
-78
-12.29489728
-90.29489728
1.7
-87
-11.25301606
-98.25301606
1.8
-83
-10.40116376
-93.40116376
1.9
-86
-9.718646927
-95.71864693
2.0
-88
-9.186940466
-97.18694047
图5励磁系统无补偿特性、PSS相频特性和有补偿特性曲线
5.3PSS临界增益试验
理论上讲，在正确的相位补偿下，PSS的增益越大，其提供的正阻尼越强，但实际上，电力系统是一个高阶非线性系统，提高PSS的增益虽然可以增加某些机电振荡模式的阻尼，但如果PSS增益过大，也可能引起某些电磁环振荡使系统出现不稳定现象，此时，机组的励磁电压和无功功率可能出现等幅或增幅振荡。
因此，PSS实际存在一个能稳定运行的最大增益，即临界增益。
PSS临界增益是由很多因素决定的，如发电机的负荷水平、PSS所在电厂以及系统中PSS的配置和投退情况、电力系统的运行方式等等，因此，有必要用现场试验的方法来对PSS的参数进行整定。
在选定的相位补偿下，缓慢提高PSS的增益，同时观察励磁系统的变化，直到出现不稳定现象为止，主要标志是调节器输出电压、发电机转子电压出现频率较高（1～4Hz）的振荡，这时的PSS增益即为临界增益。
PSS运行时的增益一般取临界增益的1/3-1/5，以留有足够的增益裕度。
图6是荆门热电厂1号机PSS增益Ks1=7时的录波图，可以看出这时系统是稳定的。
图9是PSS增益Ks1=28时的录波图，发电机励磁电压波动较大，已接近临界增益。
试验表明，当Ks1＝7时励磁系统输出稳定，确定Ks1＝7为PSS运行时的增益。
图61号机PSS增益Ks1＝7时录波图
图71号机PSS增益Ks1＝14时录波图
图81号机PSS增益Ks1＝22时录波图
图91号机PSS增益Ks1＝28时录波图
5.4PSS阻尼效果校核试验
试验条件：
P=315MW，Q=50Mvar。
试验方法：
在PSS投入和退出两种工况下进行3%负载阶跃响应试验，比较有功功率的振荡情况，检验PSS阻尼功率振荡的作用。
试验结果：
图10和图11分别为A套调节器无PSS时和有PSS时3%阶跃响应试验录波图，图12和图13分别为B套调节器无PSS时和有PSS时3%阶跃响应试验录波图。
可以看出在PSS投入后振荡次数减少，阻尼比由0.103提高到0.234，PSS对于本机振荡有抑制作用。
图10A套无PSS时3%阶跃响应试验录波图
图11A套有PSS时3%阶跃响应试验录波图
图12B套无PSS时3%阶跃响应试验录波图
图13B套有PSS时3%阶跃响应试验录波图
5.5PSS反调试验
试验条件：
P=315MW，Q=50Mvar，PSS投入。
PSS的原理是通过励磁系统的作用抑制有功功率的低频振荡，可以说PSS是通过无功功率的波动来抑制有功功率的波动，所以，在正常情况下，投入PSS后较不投PSS时励磁系统的波动要大一些，只要无功功率的波动在合适的范围内，就可认为正常。
另外，用电功率作为输入信号的PSS在原动机功率发生变化时，由于PSS自己不能区分系统波动和原动机功率波动，仍然作用于励磁系统，造成无功功率波动，这种现象就叫“反调”，华能荆门热电厂1号机PSS采用IEEE－2B标准模型，原理上能有效抑制反调现象。
试验情况见录波图14。
由图可见：
1）PSS投入后未见异常。
2）正常增减有功功率时，未见对励磁产生显著影响,说明反调的影响在正常范围内。
图141号机反调试验录波图
6试验结论
华能荆门热电厂1号发电机励磁系统PSS投运试验中，完成了在线无补偿频率响应特性测试、PSS参数整定、阶跃干扰试验及反调试验。
试验结果表明，PSS相位补偿合理，对低频振荡有较好的抑制作用，为系统提供了正阻尼。
PSS运行试验及反调试验表明，PSS可以正常投入运行。
7参数设置
华能荆门热电厂1号发电机PSS参数设置如下：
滤波器时间常数（Tw1）
5s
调整网络的超前时间常数（T1）
0.2s
滤波器时间常数（Tw2）
5s
调整网络的滞后时间常数（T2）
0.02s
门控制及变换器时间常数（Tw3）
5s
调整网络的超前时间常数（T3）
0.1s
门控制及变换器时间常数（Tw4）
0s
调整网络的滞后时间常数（T4）
0.04s
PSS增益系数（Ks1）
7
电功率计算时间常数（T7）
5s
电功率计算补偿因子（Ks2）
0.65
斜波跟踪滤波器时间常数（T8）
0.2s
信号匹配因子（Ks3）
1
斜波跟踪滤波器时间常数（T9）
0.1s
斜波跟踪滤波器阶数（M）
5
稳定信号上限（UST·max）
+0.05p.u.
斜波跟踪滤波器阶数（N）
1
稳定信号下限（UST·min）
-0.05p.u.
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