一起水電機(jī)組運(yùn)行的振蕩事件分析

● 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司柘溪水力發(fā)電廠 張洪嶸 羅 莽

1 發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性概述

柘溪水電廠#7、#8機(jī)額定出力250MW、額定電壓15750V，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式為自并激靜止可控硅，2臺(tái)機(jī)通過2回220kV輸電線路與湖南電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓器、線路與無(wú)窮大容量系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)輸出電磁功率為：PE=EqUsinδ/Xd∑，其功角特性如圖1所示。

圖1 功角特性圖

對(duì)應(yīng)同一原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率PT，發(fā)電機(jī)的平衡電磁功率為PO，當(dāng)運(yùn)行在穩(wěn)定點(diǎn)a時(shí)，若有小的擾動(dòng)量使功角獲得正增量Δδ，發(fā)電機(jī)輸出電磁功率增大，將破壞發(fā)電機(jī)與原動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩平衡，電磁轉(zhuǎn)矩將大于機(jī)械轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將減速，δ將減??；當(dāng)減小至原平衡點(diǎn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子的慣性作用，δ將繼續(xù)減小，直至原動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩大于發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將加速，使δ增大，由于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程中的阻尼作用，經(jīng)過一系列微小衰減振蕩后可重新穩(wěn)定在原平衡點(diǎn)運(yùn)行，運(yùn)動(dòng)過程見圖1中曲線 1。

若運(yùn)行在不穩(wěn)定點(diǎn)b時(shí)，在小的擾動(dòng)量下使功角獲得正增量Δδ后，發(fā)電機(jī)的輸出電磁功率將減小，小于原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將加速，使功角δ進(jìn)一歩增大，電磁功率進(jìn)一歩減小，發(fā)電機(jī)將繼續(xù)加速，直至與系統(tǒng)失出同步，其發(fā)散運(yùn)動(dòng)過程見圖1中曲線2。相反，若運(yùn)行在不穩(wěn)定點(diǎn)b時(shí)，在小的擾動(dòng)量下使功角獲得負(fù)增量Δδ后，經(jīng)過長(zhǎng)過程的衰減振蕩，則也可能過渡到穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)a，振蕩過程見圖1中曲線3。

總的來(lái)說，發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定與否，取決于其靜穩(wěn)判據(jù)：dPE/dδ＞0。而當(dāng) δ=900 時(shí)，dPE/dδ=0， 此為靜態(tài)穩(wěn)定極限，發(fā)電機(jī)的輸出電磁功率最大。那么，發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定范圍應(yīng)是δ＜900，發(fā)電機(jī)不應(yīng)經(jīng)常運(yùn)行在靜態(tài)穩(wěn)定極限附近，而應(yīng)保證一定的穩(wěn)定儲(chǔ)備，否則，將會(huì)引起靜態(tài)穩(wěn)定破壞，造成發(fā)電機(jī)失步。

2 柘溪水電廠一次典型的低頻振蕩事件分析

2.1 事件經(jīng)過

2008年8月17日19∶55，柘溪水電廠#7、#8機(jī)有功、無(wú)功、定子電流、機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓大幅擺動(dòng)，2條外送線路柘向Ⅰ、Ⅱ線有功、無(wú)功、電流有大幅變化。事故發(fā)生前2條出線有功為260MW，無(wú)功基本為－27MVar，電流為700A，異常發(fā)生后有功峰值400MW，最低70MW，無(wú)功峰值－7MVar，最低－47MVar，電流峰值為 1193A，最低199A；#7、#8機(jī)有功最高達(dá) 327MW，最低 84MW，且 #7、#8機(jī)參數(shù)擺動(dòng)方向相反，頻率在49.7～50.3Hz間跳動(dòng)，#7、#8機(jī)定子電流最大達(dá)16500A，最低2400A，機(jī)端電壓最高16.1kV，最低13.4kV，轉(zhuǎn)子電壓最高750V，轉(zhuǎn)子電流最高1800A,新廠廠房照明燈有節(jié)奏一明一暗，機(jī)組調(diào)速器基本穩(wěn)定，機(jī)柜顯示導(dǎo)葉開度擺動(dòng)較大，值班員立即向湖南省調(diào)申請(qǐng)解列振蕩機(jī)組，經(jīng)省調(diào)同意后將#7機(jī)解列后振蕩現(xiàn)象消失。

2.2 引起振蕩原因分析

（1）#7、#8機(jī)PSS裝置未投入運(yùn)行，不能形成合適的正電氣阻尼，導(dǎo)致振蕩的不斷加劇。

（2）電網(wǎng)運(yùn)行電壓及發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓偏低，2條送出線路向柘溪電廠倒送無(wú)功50MVar，致使母線電壓低，靜態(tài)穩(wěn)定水平很低。

（3）機(jī)組均滿負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)電機(jī)輸出電磁功率接近靜態(tài)穩(wěn)定極限儲(chǔ)備較少，此時(shí)只要發(fā)生稍大的功率擾動(dòng)，發(fā)電機(jī)就可能進(jìn)入增幅振蕩，導(dǎo)致異步振蕩，甚至與電網(wǎng)失出同步。

（4）有功功率調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)品質(zhì)。功率調(diào)節(jié)裝置的穩(wěn)定性與靈敏度直接決定原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性，是發(fā)電機(jī)、電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。包括水流慣性時(shí)間常數(shù)、機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)（飛輪力矩）、調(diào)速器本身調(diào)節(jié)參數(shù)等，諸多參數(shù)設(shè)置不合理，就會(huì)造成調(diào)節(jié)過程的振幅增大、振蕩次數(shù)增多、調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，以致最后超出穩(wěn)定范圍。

（5）發(fā)電機(jī)的阻尼作用。發(fā)電機(jī)組除了轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中有機(jī)械阻尼作用外，還具有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子閉合回路所產(chǎn)生的電氣阻尼作用。當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間發(fā)生振蕩，或失出同步時(shí)，在轉(zhuǎn)子回路中和阻尼繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生阻尼轉(zhuǎn)矩PD=D×Δω(D為阻尼功率系數(shù)，一般為正數(shù))。為保證系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定，阻尼功率系數(shù)D必須大于0，此時(shí)阻尼的作用是使Δδ及Δω作衰減振蕩，從而抑止系統(tǒng)振蕩；若阻尼功率系數(shù)D小于0，則阻尼的作用將使系統(tǒng)的振蕩越來(lái)越大，就會(huì)失出靜態(tài)穩(wěn)定。

（6）系統(tǒng)間的電氣距離。電氣距離也就是發(fā)電機(jī)、變壓器及輸電線路各元件的聯(lián)結(jié)阻抗值∑Xd。其數(shù)值越小，系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定極限越高；其數(shù)值越大，系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定極限就越低。系統(tǒng)中的大型聯(lián)絡(luò)變壓器、主干聯(lián)絡(luò)線及雙回線路的一回線路異常退出運(yùn)行，都將引起系統(tǒng)聯(lián)結(jié)阻抗增大，降低系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定極限。

（7）電網(wǎng)及并網(wǎng)機(jī)組的運(yùn)行電壓水平。電壓越低，靜態(tài)穩(wěn)定極限越低，電網(wǎng)輸送電磁功率的能力越差。并網(wǎng)機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置及強(qiáng)勵(lì)功能失靈、大型發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行、大型調(diào)相機(jī)組及無(wú)功補(bǔ)償裝置異常退出運(yùn)行、大型電網(wǎng)事故解列成幾個(gè)孤立電網(wǎng)運(yùn)行或系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定破壞，都將導(dǎo)致系統(tǒng)電壓水平下降，甚至發(fā)生電壓崩潰、電網(wǎng)振蕩及失出同步。

2.3 避免振蕩發(fā)生預(yù)防措施

（1）修改發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制參數(shù)。如當(dāng)時(shí)將#7、#8機(jī)組低勵(lì)限制的定值修改為：P＝0MW，Q＝－40MVar；P＝250MW，Q＝0MVar，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，不允許進(jìn)相運(yùn)行。

（2）優(yōu)化PSS參數(shù)并將其投運(yùn)。PSS裝置是將Δω作為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，產(chǎn)生與Δω同相位的附加電磁功率即正阻尼，增加發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)的阻尼能力，大大提高勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的電壓放大倍數(shù)，以致保持發(fā)電機(jī)恒定的機(jī)端電壓，使發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定極限達(dá)到最大。此次振蕩事件發(fā)生后，即進(jìn)行了專項(xiàng)PSS試驗(yàn)，設(shè)置了合理的參數(shù)，有效避免了振蕩的再次發(fā)持。

（3）減少負(fù)荷調(diào)整的變化速度和變化幅度。此次振蕩事件發(fā)生后，生技部規(guī)定#7、#8機(jī)組每次調(diào)整負(fù)荷的幅度不超過100MW,有效減小了功率擾動(dòng)量。

（4）保證220kVⅣ母的電壓水平，在柘溪水電廠一臺(tái)及以上250MW機(jī)組運(yùn)行的情況下，保證220kVⅣ母電壓范圍運(yùn)行在228～233kV之間，提高電壓運(yùn)行水平。采取以上措施后，取得了明顯效果，#7、#8機(jī)組至今沒有發(fā)生低頻功率振蕩事故。

（5）合理設(shè)置發(fā)電機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)參數(shù)，確保調(diào)速器的快速性與靈敏性等動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，盡量減小超調(diào)量與超調(diào)節(jié)次數(shù)，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，以獲得最佳調(diào)節(jié)過程。

（6）改善發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的工作性能，確?？焖?、靈敏、可靠、穩(wěn)定的無(wú)功與電壓調(diào)節(jié)水平以及足夠的電壓調(diào)節(jié)范圍。尤其是要具有足夠大的強(qiáng)勵(lì)頂值電壓及電壓上升速度，在系統(tǒng)發(fā)生短路事故時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置能迅速增加足夠的勵(lì)磁電流輸出，以維持系統(tǒng)電壓水平，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

（7）發(fā)電廠值班員應(yīng)嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程，確保發(fā)電機(jī)的運(yùn)行電壓水平；保證水輪機(jī)在最優(yōu)工況附近運(yùn)行，避免轉(zhuǎn)輪、尾水管內(nèi)強(qiáng)烈空蝕引起機(jī)組轉(zhuǎn)速大幅度變動(dòng)及頻繁調(diào)節(jié)而激發(fā)功率振蕩；防止電磁功率過載以及較大的功率擾動(dòng)，一旦發(fā)生小幅度的同步振蕩，應(yīng)立即采取提高電壓等措施消除振蕩。

2.4 運(yùn)行中發(fā)生振蕩的處理措施

（1）發(fā)電廠值班人員，應(yīng)不待調(diào)度命令，立即增加發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)無(wú)功功率，并充分發(fā)揮其事故過載能力，盡量提高系統(tǒng)電壓至最大允許值，強(qiáng)勵(lì)裝置動(dòng)作后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不得手動(dòng)解除。

（2）頻率升高的發(fā)電廠，必須立即自行降低有功出力；頻率降低的發(fā)電廠，應(yīng)立即自行增加有功出力，必要時(shí)，水電廠迅速啟動(dòng)備用機(jī)組，擔(dān)任系統(tǒng)的頻率、電壓調(diào)節(jié)任務(wù)，調(diào)節(jié)過程中盡量使頻率保持在50±0.1Hz。

（3）系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，除事先規(guī)定需要解列的個(gè)別機(jī)組供廠用電和重要用戶外，未得到值班調(diào)度員的允許，值班人員不得任意解列發(fā)電機(jī)組。

（4）機(jī)組失磁引起電網(wǎng)振蕩，應(yīng)在允許失磁運(yùn)行的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)勵(lì)磁，否則，可不待調(diào)度指令，立即將失磁機(jī)組解列。

（5）裝有振蕩解列裝置的發(fā)電廠，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異步振蕩時(shí)，應(yīng)立即檢查振蕩解列裝置的動(dòng)作情況，若振蕩解列裝置動(dòng)作而未解列相應(yīng)斷路器，且系統(tǒng)仍有振蕩時(shí)，則應(yīng)立即斷開應(yīng)解列的斷路器。

（6）采取上述措施，若系統(tǒng)振蕩不能消除，應(yīng)按照值班調(diào)度員命令，迅速在規(guī)定的解列點(diǎn)將電網(wǎng)解列。