庞晓艳 李明节 梁汉泉 陈苑文
四川省电力公司调度中心
摘要：本文介绍了二滩水电厂多次出现的低频振荡现象和机组励磁系统，分析了低频振荡现象发生的背景和根源。现场试验表明，机组励磁系统设计存在缺陷，其伏特/赫兹（V/Hz）限幅环节限制了PSS输出信号。在二滩机组带满负荷运行，多台机组增加励磁调压时，多台机组PSS功能同时退出，致使PSS功能未能真正发挥作用。这些教训对大容量机组励磁系统设计、调试及运行等具有指导意义。 关键词：低频振荡；电力系统稳定器（PSS）；伏特/赫兹（V/Hz）限制
一前言
二滩水电厂位于四川省西南部攀枝花地区，装机容量６５５０ＭＷ，经１１００多公里的５００ｋＶ输电通道向川渝和华中电网送电。根据川渝孤立电网、川渝－华中互联电网的小干扰稳定性分析，在二滩大功率远距离输电方式下，系统均存在１个与二滩、宝珠寺和铜街子机组强相关的负阻尼振荡模式。为此在二滩、宝珠寺和铜街子机组励磁系统中，投入了电力系统稳定器（以下简称ＰＳＳ）附加控制功能，并经过现场调试投入运行，而且时域数字仿真表明，系统ＰＳＳ配置方案可以明显改善系统阻尼特
性，防治低频振荡现象的发生。
但是自２００１年８月以来，二滩水电厂已多次发生低频振荡现象，而且电厂现场打印记录显示机组ＰＳＳ功能一直处于投运状态。为了弄清低频振荡发生的根源，我们对多次发生低频振荡的背景和二滩机组励磁系统进行了分析，并通过现场试验，最终查明了低频振荡的根源。本文将介绍二滩水电厂多次出现的低频振荡现象、机组励磁系统及现场试验情况等，提出了在大容量机组及励磁系统设计、调试和实际运行中需注意的问题。
二低频振荡现象及特点
1．2001年8月3日低频振荡
20:47 因负荷中心电压低，四川省调通知二滩将电压调至电压曲线上限，二滩5台机组相继增加了励磁。
20:48 二滩汇报电压在532KV至539KV之间波动。低频振荡
20:53 龚嘴电厂汇报7台机有功、无功均在波动，无功摆动大，有功摆动小。
20:54 洪沟站汇报500KV、220KV所有电流表计均在摆动；龙王站汇报电压在510－520KV之间波动；江油电厂汇报机组励磁电流波动大；映秀湾汇报110KV有功波动大，电压基本无波动。
20:55 令宝珠寺电厂立即加负荷，二滩电厂根据周波情况减负荷。
21:02 二滩负荷减至2100MW，系统恢复正常。
2．2002年7月1日低频振荡
16:38 四川省调通知二滩将500kV电压调至电压曲线上限。
16:40:21 二滩#6机增磁按钮选中，增加励磁；
16:40:46 二滩#1机增磁按钮选中，增加励磁；
16:41:11 二滩#2机增磁按钮选中，增加励磁；
16:51 二滩电厂汇报500kV线路总负荷在2650MW~2700MW范围波动，电压在536kV~539kV波动。
16:59 省调通知视万龙线潮流减负荷至2600MW。
17:01 二滩电厂出力减至2600MW，系统恢复正常。
3．2002年7月15日低频振荡
10:03 四川省调通知二滩电厂电压调上限运行。
10:18 二滩汇报５００ｋＶ线路总有功波动50MW，总无功波动50Mvar，电压波动3KV.
10:21 通知宝珠寺加负荷，二滩负荷由2700MW减至2500MW。
１０:２５ 二滩负荷减至２５００ＭＷ，波动平息．
从上述的低频振荡现象看，有四个明显的特点：第一，低频振荡现象发生的背景均是丰水期二滩机组满负荷运行，在二滩多台机组增加励磁后出现的。第二，二滩电厂现场打印显示机组PSS功能一直处于投运状态。第三，二滩电厂降低出力，受端电厂增加出力，低频振荡现象消失。第四，现场打印记录显示二滩机组增加励磁，机端电压保持恒定。
三低频振荡的原因分析及防止措施
我们首先对低频振荡发生时的系统运行工况进行了时域数字仿真。仿真结果表明二滩机组PSS功能投运对抑制功率振荡有明显效果。根据多次低频振荡现象发生的背景，我们又对二滩机组的励磁系统进行了研究分析，发现励磁系统的PSS输出信号在V/Hz限制之前，V/Hz环节的增益整定为1.05，V/Hz限制环节是否过滤了PSS输出信号？为此，四川省电力公司组织人员对二滩＃2机组励磁系统进行了现场试验，试验结果表明，机组励磁系统设计存在缺陷，V/Hz限制环节不仅限制了励磁给定信号，而且限
制了PSS输出信号。在二滩多台机组相继增加励磁进行调压时，多台机组PSS功能同时退出，系统阻尼由强阻尼转变为弱阻尼，这就是二滩电厂多次发生低频振荡现象的根源。下面介绍二滩机组励磁系统、现场试验情况以及防止措施。
１．二滩机组励磁系统
二滩水电厂机组励磁系统采用加拿大GE 公司的SILCO5自并励励磁系统，其自动电压调节器（AVR ）逻辑框图如图1所示。
图1 二滩机组励磁系统逻辑框图
Figure 1 logic diagram of ertan units excitation system
从图1可以看出，二滩机组PSS 输出信号PSSOP 与励磁给定信号AVRREF 、低励限制信号MINELOP 叠加后，经伏特/赫兹（V/Hz ）限制和机端电压限制环节后，形成AVR 设定值AVRSP 。励磁系统V/Hz 限制环节的幅值VHZOP 等于发电机频率FREQFB 乘以V/Hz 增益VHZGN 。
V/Hz 限制环节实际上是用来保护发电机和升压变压器，以防止发电机在低频率运行时，励磁给定信号AVRREF 过大，造成机端电压过高，产生过度持续磁通而损坏发电机和升压变压器。V/Hz 增益VHZGN 的整定值取决于发电机和升压变压器允许的持续过磁通能力，也就是发电机和升压变压器的V/Hz 值。发电机和升压变压器的典型V/Hz 值和允许运行时间如下表1[1]。 表1
V/Hz （pu ）
1.25 1.2 1.15 1.1 1.05 发电机 0.2 1.0 6.0 20.0 长期运行 允许运行
时间
(min) 升压变压器 1.0 5.0 20.0 长期运行
由表1可以看出，机组V/Hz 值，也就是发电机机端运行电压相对于机端额定电压的标么值和频率标么值之比小于1.05pu 时，发电机可以长期运行。升压变压器V/Hz 值，也就是机组升压变压器低压侧运行电压相对于低压侧额定电压的标么值和频率标么值之比小于1.1时，升压变压器可以长期运行。
当发电机以某一机端电压运行时，发电机机端电压等于升压变低压侧电压。如果机端额定电压与升压变低压侧额定电压相同，则机组V/Hz 值等于升压变压器V/Hz 值，励磁系统V/Hz 增益整定值取决于发电机，应整定为1.05；如果升压变低压侧额定电压比机端
额定电压低5％，机组V/Hz值等于升压变压器V/Hz值的0.95倍，励磁系统V/Hz增益整定值则取决于变压器，应整定为1.1。通常在设计参数选择时，机组升压变的低压额定电压比发电机额定电压应低5％。
但是二滩机组机端额定电压与升压变低压侧额定电压相同，均为18kV，二滩机组励磁系统V/Hz增益VHZGN整定为1.05。当电网运行正常，机组频率测量值为50Hz，V/Hz 限制的幅值为1.05pu ，也就是V/Hz限制首先将AVR设定值AVRSP限制在1.05pu内。２．二滩机组励磁系统试验情况
（1） 单机增加励磁调压试验
#2机组并网带400MW负荷，通过调整＃2机组增磁按钮AVR-R来调整发电机机端电压。当机端电压增
至18.72kV时，继续增加励磁给定，发电机机端电压保持不变。从工作站观测到的信息为：励磁给定信号AVRREF＝1112，V/Hz限制信号VHZOP＝1075，AVR设定值AVRSP信号也限制为AVRSP＝1075。可见，V/Hz限制器限制了励磁给定电压，限制了机组的正常调压。这时PSS的输出有－7到6的波动，但V/Hz环节后的信号没有波动，说明了V/Hz限制器也限制了PSS的作用。
（2） 阶跃响应试验
在#2机组机端电压为18.2kV时，励磁给定信号AVRREF＝1047，加2％AVR TS阶跃信号，从录波图上看出，阶跃扰动的上、下阶跃引起的有功波动在1个周波后衰减。
在#2机组机端电压为18.4kV时，加2％AVR TS阶跃信号，从录波图上看出，阶跃扰动的上阶跃引起的有功波动约8个周波后衰减，而下阶跃引起的有功波动在1个周波后衰减。
从试验结果看，在不同的机端电压水平下，加入相同的阶跃扰动信号，机组有功波动的衰减周期是不同的。其原因为在机端电压较高时，励磁给定信号AVRREF较大，励磁给定信号AVRREF叠加2％AVR TS上阶跃信号，再叠加PSS输出信号PSSOP后超过了V/Hz的限制值，PSS输出信号受到限制。而叠加2％AVR TS下阶跃信号后没超过V/Hz 限制的限制值，PSS输出信号发挥了抑制有功振荡的作用。
可见，当机组励磁给定信号AVRREF叠加PSS输出信号PSSOP之和大于V/Hz的限制值VHZOP时，AV
R设定值AVRSP信号被限制为AVRSP＝VHZOP。V/Hz限制不仅限制了励磁给定信号AVRREF，而且限制了PSS输出信号PSSOP。
３．防止二滩水电厂低频振荡的措施
在二滩大功率远距离输电方式下，二滩机组ＰＳＳ功能可靠投运是防止低频振荡现象发生的重要措施。目前二滩机组励磁系统存在缺陷，需要进行改造。
在二滩励磁系统改造之前，发生低频振荡的隐患依然存在，运行中采取措施为：丰水期在二滩机组带满负荷之前，提高系统运行电压，尽可能避免在二滩满负荷运行时多台机组同时增加励磁，避免多台机组PSS功能同时退出运行的情况发生。
四低频振荡的启示
随着全国联网工程的不断推进，互联电网规模日益扩大，电网长过程动态稳定问题更加突出，大容量机组励磁调节性能的好坏对电网安全稳定运行影响很大，二滩电厂多次出现的低频振荡现象给了我们许多启示。
1．在大容量机组接入系统的可行性研究阶段，应加强励磁系统对互联电网动态稳定水平影响的研究分析，并从系统安全稳定的角度对机组励磁调节性能提出具体的要求，励磁系统的各种限幅环节不能影
响正常的调节性能。
2．电网调度运行部门在重视发电机组励磁系统A VR和PSS性能参数的基础上，应高度重视励磁系统的各种限幅环节的参数，这些保障设备安全的限幅定值可能会严重影响励磁系统调节性能。
3．在进行机组PSS参数调试项目中，在常规调试项目的基础上，应增加各限幅环节对PSS功能影响的试验。
4．在发电机和升压变的设计参数选择时，机组升压变的低压额定电压应比发电机额定电压应低5％。
参考文献
1．四川电力试验研究院，《二滩电站＃2机组V/Hz限制对PSS影响的试验报告》，2002年8月
2．二滩水电开发有限责任公司，《二滩水电站励磁系统安装、维护、运行手册》，1998年1月
3．[加] PRABHA KUNDUR，《电力系统稳定与控制》，中国电力出版社
ＴＨＥ ＰＨＥＮＯＭＥＮＯＮ ＡＮＤ ＲＥＡＳＯＮ ＯＦ ＲＯＴＯＲ ＯＳＣＩＬＬＡＴＩＯＮ ＩＮ ＥＲＴＡＮ ＨＹＤＲＯ ＰＬＡＮＴ
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ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ａｎｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｈｙｄｒｏ ｐｌａｎｔ， ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅｓ ｉｔｓ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎ． Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｄｅｆｅｃｔ ｉｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｉｔｓ Ｖ／Ｈｚ ｌｉｍｉｔｅｒ ｒｅｓｔｒｉｃｔ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ＰＳＳ． Ｗｈｅｎ Ｅｒｔａｎ ｕｎｉｔｓ ｉｓ ｉｎ ｆｕｌｌ ｌｏａｄ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｕｎｉｔｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｔｏ ｒｅｇｕｌａｔｅ ｖｏｌｔａｇｅ， ｔｈｅ ＰＳＳ ｏｆ ｍｕｌｉ－ｕｎｉｔｓ ｅｘｉｔ， ｔｈｅ ＰＳＳ ｄｏｎｔ ｗｏｒｋ． Ｔｈｅｓｅ ｌｅｓｓｏｎ ｈａｖｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｂｕｇ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．
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