试验日期：2010年7月24日 天气：晴 环温：22℃

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，铜厂河电站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,一是获取铜厂河电站发电机组实际的低频段(0.2—2.0Hz)相位频率特性，进一步明确和验证铜厂河电站发电机组低频振荡特性，为调整铜厂河电站发电机组PSS整定值提供依据；二是通过对铜厂河电站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铜厂河电站发电机组PSS具备投运条件。

该机组采用三和电控公司生产的励磁装置，本次试验于2010年7月24日在铜厂河电站内完成；试验设备为PHOTONII动态信号分析仪，WFLC-VI录波仪。

2  AVR及PSS原理、传递函数及其参数

2.1  PSS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。

2.2  PSS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。

2.3  PSS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Ks，则是得到临界增益后，再确定Ks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  铜厂河电站发电机组励磁系统AVR及PSS控制框图

图2  铜厂河电站发电机组三和励磁系统AVR传递函数

图3  铜厂河电站发电机组三和励磁系统PSS传递函数

根据IEEE的PSS模型分类，该套励磁调节器PSS模型为PSS-1A型。

2.5  发电机、AVR及PSS参数

2.5.1  发电机参数

额定容量：             4MW

额定定子电压：         6.3kV

额定机端电流：         458.2A

额定励磁电压：         132V

额定励磁电流：         330A

2.5.2  AVR参数

PID参数：

KP=7;    KI=5.00;     KD=0;    

2.5.3  PSS参数

根据本次试验所测得的铜厂河电站机组励磁系统的相频特性，计算得到的PSS试验定值为：

T1=0.3；T2=0.04；T3=0.26；T4=3.9；T5=6； KS=8；

PSS出口限幅±10%；

自动投退有功功率：0.1PN。

（A1=A2=0；T6为采样系数，设置值较小，可忽略。）

2.6  PSS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PHOTONII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PHOTONII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4  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。

3.3  PSS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。

3.4  PSS自动投退功率功能试验

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。

3.5  PSS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。

3.6  PSS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。

3.7  PSS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。

3.8  PSS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  #1机组试验相关数据

4.1.1 机组频率特性

表1  铜厂河电站#1发电机组励磁系统频率特性表（P=4MW，Q=0.2MVar）

4.1.2  PSS投退试验

图5：发电机PSS投入功能试验(P=4MW，Q=0.2MVar,PSS投入)

图6：发电机PSS退出功能试验(P=4MW，Q=0.2MVar,PSS退出)

经过现场检验，该电厂发电机组PSS的投退功能正常。

4.1.3  PSS投退功率功能试验

在发电机P=4MW,Q=0.2Mvar的工况下，通过修改PSS的自动投入退出值，观察PSS的输出。试验时，设置PSS自动投退有功为1.1PN。投入PSS，进行+10%阶跃。

图7：发电机自动投退有功功能试验(P=4MW，Q=0.2MVar,PSS投入)

此时投入PSS进行阶跃，其效果与未投入PSS效果接近，经过判断，该机组的PSS自动投退功能正常，在外部投入开关投入的情况下，能够根据设定值自动投退。

4.1.4  PSS临界增益试验

现场修改Ks，将Ks由1逐步增加，当Ks逐步修改到16时，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)出现明显的波动，励磁电压波动值为46V-61V，由此确定该机组在该参数情况下临界增益为16.00。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Ks=8.00的阶跃试验，最终确定PSS系统的放大倍数ks为8.00。

4.1.5  投入与退出PSS情况下10%电压阶跃的试验录波图

4.1.5.1  A通道阶跃

图8：发电机组PSS退出情况下10%阶跃试验（P=4MW,Q=0.2MVar）

图9：发电机组PSS投入情况下10%阶跃试验（P=4MW,Q=0.2MVar）

4.1.5.2  B通道阶跃

图10：发电机组PSS退出情况下10%阶跃试验（P=4MW,Q=0.2MVar）

图11：发电机组PSS投入情况下10%阶跃试验（P=4MW,Q=0.2MVar）

4.1.6  试验结果定量计算分析

由于投入PSS之后相同阶跃量下机组有功功率只有一个振荡周波，无法科学计算出其阻尼，因此上表中未对应给出，但是从振荡次数分析，其相同阶跃情况下的振荡次数已经出现了明显下降，在此认为其阻尼已较大，能够满足预期要求。

4.1.7  PSS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：

图12：发电机PSS输出限幅0.1%时10%阶跃录波图(P=4MW,Q=0.2MVar)

从以上波形可以看出，该机组的PSS限幅功能能够起到预期的限幅作用。

4.1.8  反调

本次反调的录波如下图所示：

图13：铜厂河电站发电机组反调试验录波图(有功4MW下降至3.2MW)

从上图可以看出：在发电机的反调试验过程中，发电机有功功率增减0.9MW。在此过程中，无功功率波动较小（Qmax=0.506MVar，Qmin=0.2Mvar；变化量近0.117MVar），其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。

4.2  #2机组试验相关数据

4.2.1 2机组频率特性

表2  铜厂河电站#2发电机组励磁系统频率特性表（P=4MW，Q=0.2MVar）

4.2.2  PSS投退试验

图14：发电机PSS投入功能试验(P=4MW，Q=0.2MVar,PSS投入)

图15：发电机PSS退出功能试验(P=4MW，Q=0.2MVar,PSS退出)

经过现场检验，该电厂发电机组PSS的投退功能正常。

4.2.3  PSS投退功率功能试验

在发电机P=4MW,Q=0.2Mvar的工况下，通过修改PSS的自动投入退出值，观察PSS的输出。试验时，设置PSS自动投退有功为1.1PN。投入PSS，进行10%阶跃。

图16：发电机自动投退有功功能试验(P=4MW，Q=0.2MVar,PSS退出)

此时投入PSS进行阶跃，其效果与未投入PSS效果接近，经过判断，该机组的PSS自动投退功能正常，在外部投入开关投入的情况下，能够根据设定值自动投退。

4.2.4  PSS临界增益试验

现场修改Ks，将Ks由1逐步增加，当ks逐步修改到16时，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)出现明显的波动，励磁电压波动值为45V-59V，由此确定该机组在该参数情况下临界增益为16。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Ks=8的阶跃试验，最终确定PSS系统的放大倍数ks为8。

4.2.5  投入与退出PSS情况下10%电压阶跃的试验录波图

4.2.5.1  A通道阶跃

图17：发电机组PSS退出情况下10%阶跃试验（P=4MW,Q=0.2MVar）

图18：发电机组PSS投入情况下10%阶跃试验（P=4MW,Q=0.2MVar）

4.2.5.2  B通道阶跃

图19：发电机组PSS退出情况下10%阶跃试验（P=4MW,Q=0.2MVar）

图20：发电机组PSS投入情况下10%阶跃试验（P=4MW,Q=0.2MVar）

4.2.6  试验结果定量计算分析

B通道阻尼比计算情况：

4.2.7  PSS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：

图21：发电机PSS输出限幅0.1%时10%阶跃录波图(P=4MW,Q=0.2MVar)

从以上波形可以看出，该机组的PSS限幅功能能够起到预期的限幅作用。

4.2.8  反调

本次反调的录波如下图所示：

图22：铜厂河电站发电机组反调试验录波图(有功4MW下降至3.2MW)

从上图可以看出：在发电机的反调试验过程中，发电机有功功率增减0.8MW。在此过程中，无功功率波动较小（Qmax=0.953MVar，Qmin=0.65Mvar；变化量近0.303MVar），其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，该电厂发电机组PSS投退、自动投退功能正常。

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，该电厂机组的PSS输出限幅能够起到预期的限幅作用。

第六，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，铜厂河电站机组在当前的出力状况下，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。

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