刘世富，李铭铭，王春明

（1.山东电力研究院，山东 济南 250002；2.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250002；3.华能德州电厂，山东 德州 253024）

0 引言

随着大容量机组在电网中比例的不断增加和用户对电能质量要求的提高，电网频率稳定性问题越来越被重视，大容量机组一次调频响应的速度、一次调频过程中积分电量的多少，对维持电网频率稳定有着重要意义。随着电力系统的扩大，快速励磁系统的广泛应用，电网联络线出现了低频振荡问题。为了保证电网安全，有效的抑制区域型低频振荡，机组需要投入PSS功能。一次调频过程中会使机组有功快速波动，PSS会随有功的变化而引起无功大幅波动，影响机组的稳定运行。

华润电力（菏泽）有限公司1号机组发电机为东方电机股份有限公司设计制造的600 MW汽轮发电机，锅炉为北京B&W公司按美国B&W公司制造，汽轮机为东方汽轮机厂引进日立技术制造的超超临界压力汽轮机，制粉系统采用一次风正压直吹式磨煤机，给水调节配置2×50%B-MCR调速汽动给水泵，DCS采用艾默生公司生产的OVATION控制系统，DEH、ETS由东汽配套供货设计的H5000M，大、小机TSI采用EPRO公司的MMS 6000系列监视系统，励磁调节器为东方电机公司组装生产的Untrol5000型微机励磁调节器，PSS传递函数符合IEEEStd.421-2A模型的要求。

1 一次调频

1.1 一次调频介绍

我国电力工业法规定电网的频率误差率1%，电网通过机组的AGC功能及调频机组实现二次调频，保持电网频率稳定，但对电网中快速的小的负荷变化需汽轮机调节系统（DEH）在不改变负荷设定点的情况下，监测到转速的变化，改变发电机功率，适应电网负荷的随机变动，保证电网频率稳定，即一次调频。一次调频功能是通过调节汽轮机调门的开度，利用机组的蓄热来快速响应电网频率的变化。目前新建机组普遍应用DEH来进行汽轮机转速和有功功率的控制。DEH中一次调频功能是将汽轮机转速与额定转速的差值直接换算成有功功率指令。其中汽轮机额定转速与实际转速的差值经函数f（x）转换后生成一次调频因子，直接叠加到DEH的有功功率给定值上，以控制汽轮机的调门开度。一次调频因子的设置包括频差死区和转速不等率两个因素。频差死区的设置是为了防止在电网频差小范围变化时汽机调门不必要的动作[1]。

1.2 一次调频参数技术指标

一次调频的主要参数技术指标有转速不等率、调频死区、调频负荷范围等。一次调频转速不等率（δ）是指机组调节系统给定值不变的情况下，机组功率P由0至额定值对应的转速变化量（Δn）与额定转速（n0）的比值，通常以百分数形式表示：

考虑到机组的功率变化，实际应用中用下式来表示转速不等率

转速不等率δ是反映机组调频能力的重要指标，既反映了机组一次调频能力的强弱，又表明了稳定性的好坏。转速不等率δ越大，机组对电网的调频能力越小，机组运行越稳定；转速不等率δ越小，机组对电网的调频能力越强，但机组运行的稳定性差。机组转速不等率δ一般设置为 3%～6%。

调频死区的设置主要是为了防止电网频率在小范围内波动时汽机调门的不必要的频繁动作，调频过于灵敏，不利于设备的安全运行。为了保持一次调频时机组的稳定和机组的实际调频能力及设备的安全，还需要对调频负荷进行限幅，防止一次调频动作时机组出现过负荷的情况。

根据《山东电网机（厂）网协调技术要求》调技[2008]106号文的要求，结合发电公司的实际情况，一次调频的机组调速系统的速度变动率为4%～5%；调节死区设置为±2 r/min；最大一次调频值为±6%；在机组负荷300～600 MW的范围内允许投入一次调频。

一次调频死区：±2 r/min

功频调差系数：K=-4 MW/r/min（相当于系统速度变动率：δ=5%）

一次调频最大负荷变化幅度为额定负荷的±6%=36 MW

一次调频负荷下限：300 MW

一次调频负荷上限：600 MW

2 PSS及其参数整定

2.1 PSS工作原理

PSS是发电机励磁系统的一个附加控制，它的控制作用是通过AVR的调节作用实现的。PSS通过转速偏差Δω、功率偏差ΔPe、频率偏差Δf中的1种或2种信号作为输入信号，采用超前、滞后环节来补偿励磁系统中的时滞，产生图3中所示的与Δω同轴的附加转矩来增加系统阻尼，抑制系统低频振荡，提高电力系统稳定性，增加系统功率输送能力。

图1 AVR及PSS产生的转矩

图 1中，ΔTE为 AVR 产生的转矩；ΔTPSS为PSS产生的附加转矩；ΔT′E为合成转矩。常规快速励磁系统产生的转矩ΔTE在Δω轴上产生负的投影，负的阻尼转矩；PSS产生的附加转矩ΔTPSS在Δδ轴上产生正的投影，正的同步转矩。经过正确整定后的PSS产生的附加转矩ΔTPSS则在Δω轴上产生较大的正阻尼转矩，在Δδ轴上产生较小的同步转矩。可见，经过合成的转矩ΔT′E有了正的阻尼转矩和更大的同步转矩，从而抑制发电机由于阻尼转矩不足产生的振荡失步和由于同步转矩不足产生的滑行失步[2]。

图2所示华润菏泽电厂1号机组Unitrol5000励磁PSS模型。PSS2A模型为加速功率型PSS，它采用发电机电气功率Pe和转速Δω信号作为输入，Pe和Δω在经过隔直环节后，稳态信号被滤除，经过数值变换得到加速功率的波动信号；再通过多阶超前、滞后环节进行相位校正，得到超前于机组电气功率波动相位的励磁附加控制信号，经过限幅环节后叠加到AVR的PID输入端。控制信号通过励磁系统作用于发电机磁场，产生附加转矩，抑制电气功率在低频振荡范围内的波动。

图2 Unitrol 5000励磁PSS模型

2.2 PSS现场试验

现场PSS参数整定试验中，首先要测量励磁系统无补偿频率响应特性，然后通过计算调整相位补偿环节时间常数来得到满足上述要求的“PSS+VR”有补偿频率响应特性，确定PSS的临界放大倍数[3]。将计算整定的参数输入励磁调节器，对1号机组励磁系统进行2%阶跃响应试验，验证PSS正阻尼效果（图3、图4）。试验证明在本机振荡频率下，PSS相位补偿正确，PSS环节很好的起到抑制系统低频振荡的作用。

图3 未投入PSS情况下的2%阶跃响应试验

图4 投入PPS情况下的2%阶跃响应试验

反调，就是发电机无功随有功增减而减增，显然不利于电力系统稳定，需要避免。在正常情况下，投入PSS后较不投PSS时励磁系统的波动要大，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，如果影响太大，就需要在执行增减有功功率操作时闭锁PSS的作用，试验结果证明反调的影响在正常范围内，试验情况见录波图。图5为1号机组反调试验录波图。

图5 华润菏泽1号机组PSS试验反调录波图

3 一次调频对PSS影响

根据华润菏泽电厂试运指挥部的安排，PSS试验于机组满负荷168 h前完成，一次调频试验在168 h结束后进行。PSS试验于2011年3月10日完成，一次调频在3月19日进行。

本机组DEH只设计有手动和CCS控制两种控制方式，且只有顺序阀控制。据此，该机组热态试验在顺序阀方式下共进行2种运行方式4个试验，其中包括DEH手动和协调控制方式。分别在这两种方式下进行机组11 rpm转速偏差试验，延迟时间满足3 s要求，分别在15 s和45 s内负荷能达到调整要求，机炉电各主要参数基本稳定，满足运行要求。

一次调频试验过程中，有功功率快速波动，考验PSS无功反调是否满足规程要求。第一，验证不投入PSS情况下对电气量的影响，励磁运行在自动方式下，确认励磁调节器以退出PSS功能，一次调频进行机组11 rpm转速偏差试验，录取发电机有功、无功等电气量，通过电气变化情况分析一次调频对电气量的影响。从试验的录波图（图6）可以看出，有功由508.5 MW快速升至530.2 MW，机端电压、无功、励磁电压无波动现象，一次调频试验过程中励磁调节器基本不参与调节。第二，在励磁调节器投入PSS功能方式下，进行机组11 rpm转速偏差的一次调频试验，录取发电机有功、无功等电气量，通过对电气量变化情况分析对PSS反调的影响。从试验的录波图（图7）可以看出，机组进行一次调频时，有功的波动会对机组产生影响，即PSS反调。由图7可知，有功由479.6 MW升至513.7 MW；无功由62.9 Mvar降至51.1 Mvar；机端电压22427V降至22305V；励磁电压由267 V降至245 V。一次调频试验过程中励磁调节器 PSS参与调节并有输出，使发电机无功大幅波动。

PSS2A模型中发电机电气功率Pe作为PSS模型的一个输入量，一次调频的试验过程中，计算发电机机械功率ΔPm和电磁功率ΔPe，二者只差得到发电机的加速功率ΔPa，这样当机组单方向增负荷或单方向减负荷时，加速功率等于零，PSS不起作用即不产生无功反调。PSS试验时，运行人员按照电厂运行规程，以最快的速度调节有功，由录波图可知，有功从507 MW升至519.2 MW；无功从62.1 Mvar升至63.8 Mvar，调整时间为 113 s。一次调频试验中，有功从479.6MW升至513.7MW；无功从62.9 Mvar降至51.1 Mvar，所用时间为1.4 s。对比PSS反调试验和一次调频试验中的录波图来看，一次调频的有功的变化率比运行人员调节有功变化快的多，PSS有输出，反推加速功率不等于零，会产生无功反调现象。根据Q/GDW 143-2006对反调的要求，有功功率变化量变化10%，无功功率变化量小于30%额定无功功率，或小于用户可接受值。从试验数据可知，一次调频对投入PSS的1号机组影响是可接受的。因此机组进行一次调频时不需要退出PSS功能[4]。

图6 无PSS情况下11rpm转速偏差试验

图7 有PSS情况下11rpm转速偏差试验

4 结语

阐述了机组一次调频的原理及试验、PSS的原理及其现场参数整定方法，分别介绍了华润菏泽电厂1号机组一次调频及PSS试验结果，在此基础上，进行了有无PSS投入的情况下进行一次调频试验，对比现场实测结果，分析一次调频对PSS的影响，得出本机组一次调频对PSS的影响在可接受的范围内的结论。基于这个结论，华润菏泽电厂2号机组与1号机组在参数一致的情况下，可以借鉴1号机组的经验，机组在一次调频调整过程中无需要推出PSS功能。