UNITROL5000励磁调节器PSS参数的优化.doc
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UNITROL5000励磁调节器PSS参数的优化
张振程
(内蒙古工业大学电力学院,内蒙古呼和浩特金川开发区010080)
摘要:
结合PSS抑制电力系统低频振荡的基本原理及PSS参数整定原则,介绍了瑞士ABB公司UNITROL5000励磁调节器PSS的基本构成和电路数字模型。
分别采用ABB厂家提供的PSS参数和现场试验所得的PSS整定参数对内蒙古岱海发电厂1号机励磁调节器的PSS进行验证试验。
经过在线有补偿相频特性、负载阶跃干扰试验结果的比较,表明采用现场整定的PSS参数抑制低频振荡效果优于厂家提供的PSS参数,机组长期运行的PSS参数应按现场整定的值设置。
关键词:
PSS参数;低频振荡;相频特性;阶跃响应
THEOPTIMIZATIONTOUNITROL5000EXCITATIONADJUSTER’SPSSPARAMETER
ZHANGZhen-cheng
(1.Schoolofelectricpower,InnerMongoliaUniversityofTechnology,JinchuanDevelopmentZoneHohhot010080,China)
Abstract:
CombingwithelementaryprinciplesthatPSSpreventsoscillationfromlowfrequencyandsettingpriciplesforPSSparameter,thispaperintroducesthebasicconstructionandcircuitdigitalmodelofUNITROL5000excitationadjusterwhichismadeinSwitzerland.PSSofUnit1inInnerMongoliaDaihaipowerplantistestedwiththeparametersuppliedbyABBCompanyandtheparametersuppliedbyfield-test.Fromonlinecompensatingphase-frequencycharacteristicandastepinterferencetest,itisshowedthatthefield-testparameterisbetterthantheparametersuppliedformABBCompany.ParametersettingofPSSinunitgeneratorrunningmustbesetaccordingtothefield-testsetting.
Keywords:
PSSparameter;lowfrequencyoscillation;phase-frequencycharacteristic;stepresponse
中图分类号:
TM712文献标识:
B文章编号:
0引言
随着集成电路和晶闸管直接励磁的快速励磁系统在现代大型发电机组中的采用,自动励磁调节器AVR的时间常数不断缩短、增益进一步提高,使得电力系统的阻尼特性恶化[1]。
电气联系较弱的电网甚至出现负阻尼,导致系统在低频0.1~2Hz发生振荡,严重威胁系统的稳定性[2]。
抑制低频振荡的手段一是减小负阻尼,二是增加正阻尼。
减小负阻尼的措施有采用动态增益衰减减小负阻尼、检出低频振荡电压并加以抑制、复根补偿等。
增加正阻尼的措施有采用PSS、最优励磁控制、静止补偿器、直流输电控制等[3]。
诸多措施中,投入发电机励磁调节器中的电力系统稳定器PSS是最直接、最经济的方法。
其电路简单,效果良好,在国内外都得到了广泛的应用。
为保证电力系统稳定器PSS充分发挥作用,选择理想的PSS整定参数十分必要。
内蒙古岱海发电有限责任公司1号机为上海汽轮发电机厂生产的600MW汽轮发电机组,励磁采用瑞士ABB公司的自并励励磁系统,自动调节方式为PID+PSS。
可供选择的PSS参数分别由ABB厂家提供和内蒙古电力科学研究院现场试验确定。
经计算机仿真计算和现场确认试验,结果表明现场试验确定的PSS参数对抑制低频振荡更为有效。
1UNITROL5000励磁调节器PSS原理
1.1电力系统稳定器PSS的基本原理
PSS的控制方式,就是在自动励磁调节器AVR中,除以电压偏差△Ue作为反馈量外,再引转速偏差△ω、频率偏差△f、加速功率偏差△P、电功率偏差△Pe中的一个或几个附加信号(一般为两个)作为励磁控制的辅助输入,经一定的相位校正,产生正值的阻尼力矩,平息电机或电力系统的低频振荡,提高系统的动态稳定。
励磁调节器本身是一个滞后单元,重负荷时K5<0[4],电压调节产生负阻尼,其电磁转矩△Me在△ω轴上投影为负。
当PSS以△ω为输人信号,经相位补偿后的△Up引人AVR,产生与△ω轴同相位的附加力矩△Mp。
确定适当的增益,将使△Mp与△Me的合成力矩在△轴上的投影为正,此时AVR提供正阻尼,系统总阻尼加强[5]。
PSS作用原理如图1所示。
图1PSS原理
Fig.1principleforPSS
1.2UNITROL5000的PSS基本构成和工作原理
UNITROL5000的数字式励磁调节器的PSS采用IEEEPSS2A型标准模型,其输入为Δω和ΔPe双输入信号,由发电机机端电压和定子电流采样、软件计算得到。
根据发电机速度偏差Δω与电功率和机械功率偏差的基本方程式的拉普拉斯形式:
(1)
式中,Δω(s)为速度的变化;ω为速度的标么值;ΔPm(s)为机械功率变化的标么值;ΔPe(s)为电功率同步分量变化的标么值;Ms为惯性常数;D为阻尼系数。
在额定转速时,ω在速度小范围变化时(小于0.01额定转速),可认为仍保持为1;因惯性常数Ms通常在6~14间,在感兴趣的频率范围0.2~3.0Hz内D较小,MsD,D可以忽略不计,则公式
(1)变成:
(2)
当机械功率恒定时ΔPm(s)=0,速度偏差Δω可单独从电功率变化ΔPe(s)中获得,但如果仅将ΔPe(s)作为稳定器输入信号,当ΔPm(s)变化时将产生一个错误的输出。
为避免导致机端电压异常波动,还应引入机械功率ΔPm(s)。
ΔPm(s)可从等式
(2)获得并受限制于一个低通滤波器G(s),从而一个近似的速度变化可表示为:
整理后得
(3)
(3)
公式(3)中的第一部分为速度信号和电功率信号的积分所合成的机械功率积分信号,G(s)为斜坡低通滤波器的传递函数,第二部分为电功率的积分。
从式中很容易看出无低通滤波及G(s)=1时,输出为常规的速度信号Δω(s),而当没有机械功率分量及G(s)=0时,为常规的电功率积分信号。
因为滤波器不在主要稳定性处理环节中,所以它不会限制到稳定器的增益特性。
低通滤波器G(s)的特性必须维持一个足够的通过带宽,使机械功率信号ΔPm(s)最快速的反映实际机械功率变化。
根据公式(3)并配以两级相位超前环节和增益控制构成了图1中的
PSS数字模型。
PSS输入信号为转子角速度的偏差Δω与电功率Pe,输入信号经过两级冲洗器滤过后叠加合成机械功率积分信号。
在机械功率恒定及参
数匹配好的情况下,电功率的积分信号与速度信号经两级冲洗器后的值相等,但极性相反。
因此合成的机械功率分量为零,PSS为电功率信号的积分的PSS。
当机械功率改变时,速度信号变化较小,而
电功率的积分有一个大变化,合成的机械功率分量将不为零。
电功率积分信号通过冲洗器滤过获得。
超前-滞后
斜坡跟踪滤器
AVR
两级冲洗器
两级冲洗器
限幅器
图2UNITROL5000PSS数字模型
Fig.2PSSdigitalmodelforUNITROL5000
T7值对应于TW1、TW2、TW3使PSS在感兴趣的频率范围(大于0.1Hz)内起作用。
KS2应等于T7/2H。
KS3提供两个通道间一个合适的比例系数,通常设为1。
合成机械功率积分信号通过G(s)滤波器并减去电功率信号的积分信号,形成加速功率信号。
以加速功率为信号的PSS理论上是没有反调的。
加速功率信号经过一个放大环节KS1,超前—滞后网络提供一个满足相位、增益补偿需要的信号。
2岱海电厂PSS参数设定值
2.1PSS参数整定
PSS参数的整定,要求兼顾联网后出现的0.2Hz左右的系统振荡频率和1.3Hz左右的地区振荡频率。
因此,PSS参数整定应使PSS产生的电磁力矩(在额定有功功率和无功很小的情况下近似认为基本与△Vt同相)在0.1~2.0Hz频率范围内滞后-△Pe信号60°~120°。
即在轴的±30°范围内,则要求PSS的参数整定应使得在0.1~2.0HZ的频率范围内在-60°~-120°之间[6]。
从理论上讲,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的复杂系统,增加PSS的增益虽然可以增加某些机电振荡的阻尼,但同时也可能引起电磁振荡的负阻尼,从而使系统出现不稳定现象,反应在励磁电压和无功功率可能出现明显振荡甚至是等幅或增幅振荡。
因此,PSS存在一个实际的最大增益[7]。
PSS临界增益是由很多因素决定的,如发电机的负荷水平、机组的出力和电力系统的运行方式等,所以一般用现场试验的方法来确定。
可供内蒙古岱海发电厂1号机选用的两套PSS参数整定值[8],分别为:
(1)ABB厂家提供的PSS整定参数
KS1=4.5;KS2=0.22;KS3=1.00;T1=0.12s;T2=0.04s;T3=0.28s;T4=0.04s;T7=2.00s;T8=0.00s;T9=0.10s;TW1=2.0s;TW2=2.0s;TW3=2.0s;TW4=0.0s;N=1;M=5;PMACHmin=30.0%;UMACHmax=115.0;UMACHmin=80.0%;USTmax=10.0%;USTmin=10.0%;T10=0.00s;T11=0.00s
(2)现场确定的PSS整定参数
KS1=2.0;KS2=0.56;KS3=1.00;T1=0.30s;T2=0.05s;T3=0.30s;T4=0.05s;T7=5.00s;T8=0.50s;T9=0.10s;TW1=5.0s;TW2=5.0s;TW3=5.0s;TW4=0.0s;N=1;M=5;PMACHmin=30.0%;UMACHmax=115.0%;UMACHmin=80.0%;USTmax=10.0%;USTmin=-10.0%;T10=0.10s;T11=0.03s
2.2PSS补偿相频特性分析
励磁调节器单柜自动运行,PSS退出,将频谱分析仪输出的白噪声信号加在AVR的相加点上,AVR通过A/D采集频谱分析仪输出的白噪声信号并迭加在AVR的给定电压上,逐步增加白噪声信号电平,将发电机定子电压信号通过FLC-1转换器输入到频谱仪的输入通道2,用频谱仪测量白噪声信号与发电机电压之间的频率特,由于低频震荡频率出现在2Hz以下,故主要针对该区段无补偿相频特性进行测试。
根据在线无补偿相频特性测试结果和PSS各环节的参数,可计算出励磁系统的在线有补偿相频特性。
用Φe表示励磁系统的相位(在线无补偿相频特性)、ΦPSS表示PSS的相位,以Φe+ΦPSS表示在线有补偿相频特性。
图3中,相频特性1是根据现场测试确定PSS参数后,经计算机仿真计算得出的励磁系统在线有补偿的相频特性;相频特性2是根据ABB厂家提供的PSS参数经计算机仿真计算后得出的励磁系统在线有补偿相频特性。
1
2
图3励磁系统有补偿相频特性
Fig.3compensatingphase-frequencycharacteristicforexcitationsystem
由图3知,相频特性2在0.1Hz~2Hz的频率范围内,由PSS产生的电磁力矩滞后25°~135°之间,即PSS在0.1Hz~2Hz的频率范围内可以提供正的阻尼力矩,但与标准要求滞后60°~120°差异较大,在0.1Hz~0.2Hz频段相位滞后不足,在0.5Hz~2.0Hz频段相位滞后偏离过大,PSS提供正阻尼较弱。
相频特性1在0.1Hz~2Hz的频率范围内,由PSS产生的电磁力矩滞后在58°~99°之间,即PSS在0.1Hz~2Hz的频率范围内完全符合标准要求提供强阻尼,从而在线补偿相频特性效果非常理想。
2.3负载阶跃试验分析
发电机并网运行,操作励磁调节器主控软件,将PSS切除,进行不大于4%阶跃试验,同时录波,记录有功功率的摆动幅值和次数。
将PSS投入,同样工况下重复以上试验,录波记录有功功率的摆动幅值和次数。
其中的P图录波,见图4~7。
图中有功功率P为以额定值600MW为基准的标么值。
PSS未投入时,进行+1%阶跃试验,试验波形见图4,通过录波图可以看出,发电机有功功率的前稳态值为387.6MW,有功功率的振荡次数为3次,振荡频率1.16Hz,有功功率的阻尼比为0.152。
岱海电厂1号机组在PSS未投入时,对电网系统的阻尼已经大于0.1,属于较强的阻尼。
采用ABB提供的PSS参数,PSS投入后进行+1%阶跃试验,试验波形P图见图5。
通过录波图可以看出,发电机有功功率的前稳态值为399.6MW,有功功率的振荡次数为2次,振荡频率为1.25Hz,有功功率的阻尼比为0.199。
机组对系统的阻尼有较大的改善,阻尼比由0.152提高到0.199。
PSS未投入时,进行+2%阶跃试验,试验波形P图见图6。
通过录波图可以看出,发电机有功功率的前稳态值为398.4MW,有功功率的振荡次数为4次,振荡频率为1.28Hz,有功功率的阻尼比为0.158。
采用现场整定的PSS参数,在PSS投入后,进行+2%阶跃试验,试验波形P图见图7。
通过录波图可以看出,发电机有功功率的前稳态值为398.4MW,有功功率的振荡次数为2次,振荡频率为1.28Hz,有功功率的阻尼比为0.239。
机组对系统的阻尼有很大的改善,阻尼比由0.158提高到0.239。
负载阶跃试验表明,采用现场整定的PSS参数,在有功振荡相当的情况下,有功功率阻尼比进一步加大。
图4PSS退出+1%阶跃试验P图
Fig.41%steptestPgraphforremovingPSS
图5ABBPSS参数+1%阶跃试验P图
Fig.51%steptestPgraphbyusingABBPSSParameter
图6PSS退出+2%阶跃试
Fig.62%steptestPgraphforremovingPSS
图7采用现场整定PSS参数+2%阶跃试验P图
Fig.51%steptestPgraphbyusingfield-testPSSParameter
3结论
ABB厂家提供的PSS参数虽然对系统的阻尼有较大的改善。
但仿真计算的结果显示PSS的在线有补偿相频特性不能完全满足要求,不能在0.1~2Hz范围内完全抑制系统有功功率的振荡。
而采用现场整定的PSS参数对于系统的低频振荡在0.1~2Hz全范围内,均有较好的抑制作用且有功功率阻尼比更大。
因此长期投入运行应采用现场试验确定的PSS参数。
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作者简介:
张振程(1966-),男,工程师,主要从事电力系统自动控制的专业技术工作与研究;
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