二灘電站機(jī)組振蕩現(xiàn)象及原因分析

1、二灘電站機(jī)組振蕩現(xiàn)象及原因分析王文新(二灘水力發(fā)電廠, 四川省攀枝花市617000摘要:詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了二灘電站投產(chǎn)以來發(fā)生的較為典型的機(jī)組振蕩和勵磁電壓異常波動現(xiàn)象, 并從勵磁裝置原理、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS 參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行操作方式等方面對這些現(xiàn)象予以分析, 闡明其原因。最后總結(jié)了二灘電站提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的措施和方法。關(guān)鍵詞:水電站; 電壓波動; 低頻振蕩; ; V/中圖分類號:TV734. 2; TM712收稿日期:2007205218; 修回日期:2007207204。0引言當(dāng)前, 全國, 西, 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)還不合理系統(tǒng)聯(lián)系也較弱, 全網(wǎng)范圍內(nèi)的低頻振蕩仍是500kV 電網(wǎng)較大的安全威脅。二灘電

2、站裝機(jī)330萬kW , 目前是川渝地區(qū)最大的電廠。由于二灘機(jī)組在地理接線上處于華中2川渝電網(wǎng)的最西端, 遠(yuǎn)距離、大負(fù)荷的送電方式不僅使機(jī)組容易產(chǎn)生低頻振蕩, 而且整個電網(wǎng)發(fā)生振蕩時, 二灘機(jī)組也是電氣量變化最大、反應(yīng)最強(qiáng)烈的。因此, 深入了解、分析二灘電站投產(chǎn)以來發(fā)生的歷次機(jī)組振蕩和勵磁電壓波動事件, 對電廠甚至電網(wǎng)的安全運(yùn)行可以起到一定的借鑒作用。本文統(tǒng)計(jì)了二灘電站歷年典型勵磁波動事件及機(jī)組振蕩現(xiàn)象, 并進(jìn)行初步分析, 以供參考。1機(jī)組振蕩事件統(tǒng)計(jì)1. 1四川電網(wǎng)低頻振蕩2001年8月3日20:55和20:57, 二灘電站系統(tǒng)電壓在532kV 539kV 之間波動, 總有功功率在2460MW

3、 2590MW 之間波動, 系統(tǒng)頻率在49195Hz 50105Hz 之間波動,2號6號機(jī)組有功功率有20MW 30MW 的波動,2號6號機(jī)組無功功率有10Mvar 20Mvar 的波動。2號6號機(jī)組所帶負(fù)荷分別為510MW , 500MW , 500MW ,510MW ,510MW 。2002年7月15日10:10, 二灘電站系統(tǒng)電壓為536kV , 總有功2703MW , 總無功423Mvar , 系統(tǒng)電壓在534kV 539kV 之間波動, 總有功功率在2680MW 2736MW 之間波動; 當(dāng)日11:44, 系統(tǒng)kV , 總有功2703MW , 總無功426Mvar , 系統(tǒng)電壓在53

4、6kV 538kV 之間波動, 總有功功率在2674MW 2726MW 之間波動。1. 2機(jī)組功率波動2002年3月1日14:47, 6號機(jī)組有功負(fù)荷475MW , 無功-115Mvar , 監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“6F 勵磁電壓上限1450V ”警報(bào), 操作員站上顯示6號機(jī)組勵磁電壓值跳變, 最低-113V 、最高450V , 無功在-75Mvar -14215Mvar 之間波動,500kV 母線電壓在526kV 530kV 之間波動。2002年4月22日,3號機(jī)組有功由330MW 加至370MW 過程中突然最高升至450MW , 然后又降至250MW , 無功波動范圍為-220Mvar -140Mva

5、r ,500kV 電壓在526kV 537kV 之間緩慢波動。2002年5月9日,3號機(jī)組有功360MW , 無功波動范圍為-190Mvar -50Mvar ,500kV 母線電壓波動范圍為525kV 518kV , 有功波動范圍為390MW 320MW , 監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“3F 勵磁上限1450V 、上限2500V ”警報(bào)。1. 3機(jī)組勵磁電壓波動2004年1月11日23:46,2號機(jī)組減有功操作至350MW 時, 監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“2F 、3F 勵磁電壓上限1450V 、上限2500V ”警報(bào), 現(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)3號機(jī)組勵磁電壓波動范圍為120V 250V , 無功功率在-45Mvar -130Mvar

6、 之間波動。電站總有功功率835MW , 無功功率-510Mvar , 系統(tǒng)電壓525kV , 3號機(jī)組有功450MW , 無功-85Mvar , 機(jī)端電壓1716kV 。2004年1月11日23:50, 將3號機(jī)組有功由450MW 減到200MW , 勵磁電壓在150V 左右保持穩(wěn)定; 次日00:06, 將3號機(jī)組負(fù)荷加到350MW 左右時, 其勵磁電壓又發(fā)生波動。18第31卷第5期2007年10月20日Vol. 31No. 5Oct. 20, 20071. 4機(jī)組有功、無功波動2004年12月20日, 二灘電站總有功功率1755MW , 其中1號、2號、4號、5號機(jī)組有功功率分別為531M

7、W ,531MW , 524MW ,170MW 。其間, 運(yùn)行人員對1號機(jī)組進(jìn)行小幅有功調(diào)整。12月20日18:12, 監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“1號機(jī)組保護(hù)啟動”、“1號機(jī)勵磁電氣限制最小值到達(dá)”、“1號機(jī)過負(fù)荷保護(hù)啟動(49G1 ”、“1號機(jī)有功功率上限1580MW ”、“1號機(jī)有功功率限制到達(dá)”等報(bào)警信號,1號機(jī)組負(fù)荷由530MW 升至602MW 后, 又恢復(fù)到530MW ; 當(dāng)日18:26, 監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“1號機(jī)組保護(hù)啟動”、“1號機(jī)過負(fù)荷保護(hù)啟動(49G1 ”、“1號機(jī)有功功率限制到達(dá)”、“1值到達(dá)”等報(bào)警信號,1后突降到340MW , 2005年1120號機(jī)組, 500kV 系統(tǒng)電壓531kV 。

8、1號機(jī)組有功設(shè)定值在474MW 49315MW 之間調(diào)整, 機(jī)組實(shí)際有功在476MW 513MW 之間變化, 機(jī)組無功在-37Mvar -45Mvar 之間變化。操作員站上觀察到1號機(jī)勵磁電壓最高達(dá)到539V , 有功最大值為638MW 、最小值為436MW 的波動現(xiàn)象; 監(jiān)控系統(tǒng)先后發(fā)“1號機(jī)勵磁電壓上限1450V ”和“1號機(jī)勵磁電壓上限2500V ”報(bào)警信號各5次, 多次發(fā)“1號機(jī)勵磁電氣限制最小值到達(dá)”警報(bào)。1. 5系統(tǒng)低頻振蕩2006年7月1日20:46至21:01, 華中電網(wǎng)發(fā)生3次低頻振蕩, 二灘機(jī)組振蕩明顯, 其中以20:59至21:01持續(xù)70s 的振蕩最為劇烈。二灘6臺機(jī)組

9、的電壓、電流、有功和無功、勵磁電壓、勵磁電流、頻率等電氣量明顯呈發(fā)散振蕩趨勢。華中電網(wǎng)與川渝電網(wǎng)解列后, 二灘機(jī)組振蕩逐漸平息。由于這次全網(wǎng)范圍內(nèi)的低頻振蕩原因已很清楚, 故不再贅述。2機(jī)組振蕩或勵磁波動原因分析根據(jù)多次勵磁波動(振蕩 事件統(tǒng)計(jì), 二灘機(jī)組振蕩問題都出現(xiàn)在還沒有進(jìn)行過改造的勵磁系統(tǒng)。本文認(rèn)為, 二灘舊勵磁裝置邏輯原理不合理、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS 補(bǔ)償參數(shù)不太完善以及機(jī)組運(yùn)行操作方法不正確是造成二灘機(jī)組振蕩或勵磁多次波動的主要原因。2. 1舊勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)框圖分析圖1為二灘機(jī)組舊勵磁系統(tǒng)邏輯框圖?？梢钥闯? 二灘機(jī)組PSS 輸出信號PSSOP 與勵磁給定信號AV RREF 、低勵

10、限制信號M IN ELO P 疊加后, 經(jīng)伏特/赫茲(V/Hz 限制和機(jī)端電壓限制環(huán)節(jié)后, 形成AV R 設(shè)定值A(chǔ)V RSP , 因此PSSO P 信號將受V/Hz 限制和P/Q 限制2種勵磁限制功能的削弱。當(dāng)信號動作后,PSSOP 信號大于V/Hz 限制值的部分被屏蔽; 由于MN ELOP 信號與PSSOP 信號經(jīng)加法器作用于AVRREF , 因此PSSO P 信號小于MN ELO P 的部分也會被屏蔽掉 。圖1二灘機(jī)組舊勵磁系統(tǒng)邏輯框圖2. 2運(yùn)行操作方式分析由于二灘電站離負(fù)荷中心較遠(yuǎn), 線路較長, 線路損耗大, 充電功率也大, 不得不在豐水季節(jié)大負(fù)荷時抬高電壓運(yùn)行, 在枯水季節(jié)負(fù)荷輕時深

11、度運(yùn)行。如圖1所示, 對機(jī)組進(jìn)行增磁操作時, AV RREF 值大于V/Hz 限制動作值后, 將由V/Hz 限制環(huán)節(jié)起作用, AV RSP 信號值等于V/Hz 動作值。隨著系統(tǒng)頻率的變化,V/Hz 限制值也將按相應(yīng)規(guī)律變化。機(jī)組長時間在此工況下運(yùn)行, 可能造成機(jī)組勵磁異常波動。如果增磁操作太多, 造成AV RREF 值遠(yuǎn)大于V/Hz 限制動作值, 機(jī)組勵磁長期在V/Hz 控制環(huán)作用下運(yùn)行, 對機(jī)組穩(wěn)定不利。同理, 對機(jī)組進(jìn)行減磁操作時,AVRREF 值小于MN ELO P 限制動作值后, 將由P/Q 環(huán)節(jié)起作用, AVRSP 信號值等于MN ELOP 動作值與AV RREF 給定值的和。隨著機(jī)

12、組有功功率的變化, AV RSP 信號值也將按相應(yīng)規(guī)律變化。機(jī)組長時間在此工況下運(yùn)行, 也可能造成機(jī)組勵磁異常波動。如果減磁操作太多, 使AVRREF 值太小, 也將造成機(jī)組勵磁長期在P/Q 控制環(huán)的作用下運(yùn)行, 對機(jī)組穩(wěn)定也是不利的。2. 3PSS 補(bǔ)償分析二灘電站舊勵磁系統(tǒng)PSS 簡化傳遞函數(shù)W (s 為:W (s =K S1+T w s M (1+T w s 1+T 2s 1+T 4s式中:s 為拉普拉斯算子; 放大倍數(shù)K S =15; 隔直時間常數(shù)T W =4s ; 機(jī)組慣性時間常數(shù)M =812; 一級超前時間常數(shù)T 1=0114s ; 二級超前時間常數(shù)282007, 31(5 T 3

13、=0114s ; 一級滯后時間常數(shù)T 2=0105s ; 二級滯后時間常數(shù)T 4=0105s 。表1為二灘機(jī)組舊勵磁系統(tǒng)PSS 相頻特性和機(jī)組有補(bǔ)償相頻特性。表1二灘機(jī)組舊勵磁系統(tǒng)PSS 相頻特性和機(jī)組有補(bǔ)償相頻特性頻率/HzPSS 補(bǔ)償相角p ss 計(jì)算值/(° 機(jī)組無補(bǔ)償滯后相角e 實(shí)測值/(° 機(jī)組補(bǔ)償后相角(pss +e /(°011-41-10-51012-55-23-78013-56-30-86014-54-33-87015-51-47-98016-47-50-97017-45-52-97018-42-64110-3866111-35-112-34-1

14、36113-33-131-164114-32-108-140116-31-97-128118-31-100-131210-31-108-139215-33-112-145可以看出,012Hz 215Hz 頻率范圍內(nèi), PSS補(bǔ)償角度基本為-30°-60°, 機(jī)組有補(bǔ)償頻率特性是在012Hz 215Hz 范圍內(nèi)從-78°-145°。由于PSS 采用發(fā)電機(jī)負(fù)的電功率-P e 為輸入信號,經(jīng)隔直后, -P e 信號的相位超前約90°, 由PSS 提供的合成電磁力矩與的相位差是39°-55°。特別是在112Hz 215Hz 振蕩模式

15、下, 機(jī)組有補(bǔ)償滯后角度為40°-55°, 不滿足-45°10°以內(nèi)的要求1。因此, 當(dāng)機(jī)組發(fā)生低頻振蕩時, 平息振蕩效果不僅不理想, 且在P/Q 或V/Hz 限制動作時, 還會對機(jī)組穩(wěn)定產(chǎn)生負(fù)作用。2. 4機(jī)組勵磁波動或系統(tǒng)振蕩原因分析四川電網(wǎng)低頻振蕩的原因是:二灘機(jī)組恰逢豐水季節(jié)滿發(fā), 而四川500kV 電網(wǎng)剛投運(yùn), 系統(tǒng)聯(lián)系比較薄弱, 大負(fù)荷、遠(yuǎn)距離輸電, 阻尼較弱, 調(diào)整負(fù)荷時容易引發(fā)機(jī)組低頻振蕩。由于要求維持系統(tǒng)電壓在一定水平, 二灘側(cè)機(jī)組電壓較高, 達(dá)到了1819kV , 而二灘機(jī)組額定電壓為18kV , 剛好等于勵磁V/Hz 限制整定值11

16、05。根據(jù)211節(jié)、212節(jié)分析可知, 操作人員在進(jìn)行增電壓操作時, 使AV RREF 值太大, 機(jī)組勵磁長期在V/Hz 控制環(huán)的作用下運(yùn)行, 是造成機(jī)組低頻振蕩的重要原因。同時,V/Hz 動作將限制PSS 輸出波形的上半周, 故削弱了PSS 的補(bǔ)償作用, 使得機(jī)組長時間低頻振蕩而沒有得到有效平息。據(jù)2. 2節(jié)分析,6號機(jī)組勵磁波動是由于減磁操作太多致使AVRREF 值太小、機(jī)組勵磁長時間運(yùn)行在P/Q 控制環(huán)作用下因而穩(wěn)定性能不好而造成的。2002年二灘機(jī)組低勵限制整定值為:P =550MW , Q =-100Mvar ; P =0, Q =-200var 。根據(jù)計(jì)算, 發(fā)生波動前, P =4

17、75MW , Q =-115Mvar , 恰好使低勵限制動作。由211節(jié)分析可知,P/Q 限制動作也將削弱PSS 的作用效果。3號機(jī)組功率波動和2號號機(jī)組勵磁電壓波, 且都有一個附近波動。原380MW 時, 水輪機(jī)存, 016Hz 。由原動機(jī)產(chǎn)生的負(fù)荷波動與機(jī)組振蕩模式相近時,PSS 隔直環(huán)節(jié)是無法濾除的, 因此, PSS 將參與平息機(jī)組振蕩, 對勵磁進(jìn)行大幅調(diào)節(jié)2。由于機(jī)組無功分配不合理, 機(jī)組在大功率下進(jìn)相太深, 勵磁欠勵限制功能動作, 同V/Hz 功能一樣, P/Q 限制動作也將削弱PSS 的作用效果。因此, 機(jī)組勵磁和有功、無功發(fā)生波動。1號機(jī)組2004年12月20日發(fā)生的有功、無功波

18、動原因類似6號機(jī)組功率波動, 不同的是2004年二灘機(jī)組低勵限制整定值為:P =550MW , Q =-50Mvar ; P =0, Q =-250Mvar 。根據(jù)計(jì)算, 發(fā)生波動前, P =530MW , Q =-57Mvar , 恰好是低勵限制動作值。此外, 機(jī)組正進(jìn)行小幅減有功操作, 根據(jù)數(shù)據(jù)記錄發(fā)現(xiàn), 機(jī)組有功減小時, 無功功率進(jìn)相自動加深, 說明減磁操作太多, 使AV RREF 值太小, 機(jī)組在較大有功區(qū)間一直在P/Q 控制環(huán)的作用下運(yùn)行, 引發(fā)了波動。1號機(jī)組2005年11月29日發(fā)生的有功、無功波動與前幾次波動的原因不同。前幾次波動或因V/Hz 限制動作引發(fā), 或因P/Q 限制動

19、作引發(fā)。而該次波動, 機(jī)組有功、無功分配合理, 機(jī)端電壓在合理范圍內(nèi), 不同的是操作人員頻繁手動調(diào)整負(fù)荷。波動是否與負(fù)荷調(diào)整過于頻繁有關(guān)? 2002年4月, 根據(jù)川渝與華中聯(lián)網(wǎng)的要求, 將隔直時間常數(shù)T W 由原來的115s 改為4s , 以滿足013Hz 的聯(lián)絡(luò)線振蕩模式的阻尼需要。由于1號機(jī)是舊勵磁系統(tǒng), 當(dāng)頻繁手動對機(jī)組有功給定進(jìn)行增減操作時, 如果機(jī)組有功發(fā)生與機(jī)組振蕩模式相近的波動, PSS 就會進(jìn)行調(diào)節(jié), 且功率達(dá)到穩(wěn)定的時間較長3。如果PSS 參數(shù)整定不合理, 機(jī)組勵磁就可能會產(chǎn)生大幅波動。如213節(jié)分析, 由于二灘電站舊勵磁系統(tǒng)PSS 補(bǔ)償參數(shù)不完善, 引發(fā)了勵磁電壓大幅波動。

20、38現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)王文新二灘電站機(jī)組振蕩現(xiàn)象及原因分析3改進(jìn)措施3. 1改造勵磁系統(tǒng)選用控制邏輯合理的勵磁系統(tǒng), 特別是PSS 輸出一定不能受勵磁本身限制功能的削弱。到目前為止, 二灘電站已改造完成4臺機(jī)組的勵磁系統(tǒng), 測試和運(yùn)行情況表明, 勵磁裝置狀況良好, 性能優(yōu)越。3. 2調(diào)整機(jī)組運(yùn)行參數(shù)二灘電站經(jīng)過2次進(jìn)相試驗(yàn), 證明機(jī)組進(jìn)相能力較深, 完全可以滿足在不同工況下系統(tǒng)穩(wěn)定的需要。經(jīng)過四川省電力調(diào)度中心核算, 二灘機(jī)組低勵限制參數(shù)修改為:P =550MW , Q =-50Mvar ; P =0, Q =-300Mvar 。經(jīng)過修改, 不僅使二灘機(jī)組枯水季節(jié)耗水率降低, , 勵磁P/Q , , 暫

21、時提高了V/Hz 限制定值, 由1105改為1107。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證效果良好, 電站大負(fù)荷運(yùn)行期間再沒有發(fā)生類似2001年、2002年的低頻振蕩現(xiàn)象。3. 3優(yōu)化勵磁PSS 參數(shù)對改造后的勵磁系統(tǒng)重新核算了PSS 參數(shù), 新勵磁系統(tǒng)PSS 主要參數(shù)為:T W =6s , T 1=0115s , T 2=0104s , T 3=015s , T 4=0104s 。012Hz 215Hz 頻率范圍內(nèi), PSS 補(bǔ)償相角為-38°-3°, 機(jī)組有補(bǔ)償頻率特性在012Hz 215Hz 范圍內(nèi)基本為-90°左右。因此, 由PSS 提供的合成電磁力矩與的相位差在4°-17°范圍內(nèi), 明顯優(yōu)于舊勵磁系統(tǒng)參數(shù)。3. 4規(guī)范運(yùn)行操作方式要求運(yùn)行人員在對機(jī)組進(jìn)行有功、無功調(diào)整時, 不得人為造成勵磁系統(tǒng)各種限制、保護(hù)功能動作。確實(shí)由于系統(tǒng)的需要而無法避免的, 應(yīng)盡量短時間運(yùn)行, 并密切監(jiān)視機(jī)組運(yùn)行情況, 及時調(diào)整機(jī)組離開勵磁非正常運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)組盡可能投入自動發(fā)電控制, 若因需要