瀑布溝電站機組低頻振蕩分析與抑制措施研究

向文平，孫艷景

（國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安625304）

頻率、電壓作為衡量電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要指標之一，其動態(tài)行為特性非常復雜。隨著大型水電站的不斷建成投運及遠距離輸電系統(tǒng)的增加，相關的安全穩(wěn)定問題更加復雜。特別是西南電網(wǎng)與華中電網(wǎng)由同步交流聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)為異步直流聯(lián)網(wǎng)運行后，頻率控制、低頻振蕩問題變得更加突出。大型水輪發(fā)電機組運行中如果發(fā)生單機振蕩，某些條件下甚至可能引發(fā)整個電網(wǎng)的低頻振蕩。水輪機“水錘效應”對機組有功調(diào)節(jié)和運行穩(wěn)定性的影響比較突出，同時，如果調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)參數(shù)設置不當，都易發(fā)生單機強迫振蕩現(xiàn)象，需要引起高度的重視。目前關于大型水輪發(fā)電機組有功調(diào)節(jié)過程中由于水錘效應過大導致低頻振蕩現(xiàn)象的研究文獻還不夠多，本文通過對瀑布溝水電站機組有功調(diào)節(jié)過程中單機低頻振蕩原因分析、有功調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化及試驗研究，初步總結(jié)了機組“水錘效應”偏大現(xiàn)象的抑制思路和措施。

1 異?，F(xiàn)象

瀑布溝水電站位于四川省漢源與甘洛兩縣交界處、大渡河中游，電站裝設6臺水輪發(fā)電機組、單機600 MW，通過4回500 kV線路輸送至東坡變電站。水庫總庫容53.9億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)能力，為四川電網(wǎng)主力調(diào)頻調(diào)峰電站。電站于2009年底首批2臺機組發(fā)電，2010年12月全部機組投產(chǎn)。

2018年6月份，瀑布溝水電站3 F機組運行期間出現(xiàn)了較為明顯的有無功及電壓波動現(xiàn)象，其中機組無功波動最大幅值超過50 Mvar，有功最大反調(diào)量超過30 MW，相電壓最大波動幅度超過0.2 kV，該振蕩現(xiàn)象持續(xù)時間約1 min。波形見圖1。

圖1 單機低頻振蕩現(xiàn)象

2 原因分析

通過PMU波形分析，瀑布溝電站除3F機組外其他機組運行中也存在類似情況。在機組有功大幅度調(diào)節(jié)時（如單次有功調(diào)節(jié)變幅超過200 MW）現(xiàn)象比較明顯，小幅度調(diào)節(jié)時現(xiàn)象有所減弱，有功調(diào)節(jié)結(jié)束后振蕩現(xiàn)象自行消失。

該現(xiàn)象在增、減機組有功過程中均有發(fā)生，且一次負荷調(diào)節(jié)過程有功反調(diào)現(xiàn)象多次出現(xiàn)，機組有功反調(diào)進而引發(fā)無功和電壓隨之大幅波動。根據(jù)以上現(xiàn)象，初步判斷單機低頻振蕩系水輪機“水錘效應”偏大所引發(fā)。

2.1 水錘效應現(xiàn)象

水管內(nèi)壁光滑、水流動自如的理想工況下，當打開的閥門突然關閉，水流對閥門及管壁會產(chǎn)生一個壓力，后續(xù)水流在慣性的作用下，迅速達到最大，并產(chǎn)生破壞作用，這就是正水錘；相反，關閉的閥門在突然打開后，也會產(chǎn)生水錘，叫負水錘，也有一定的破壞力，但沒有前者大，以上為水利學當中的“水錘效應”。

由于水輪機壓力管道中水流的慣性，水輪機中的水流變化滯后于其導水葉開度的變化。當導水葉開度增大時，引起水流量具有增大的趨勢，但是水壓減小，使得水輪機的輸出功率不是瞬時增加，而是先暫時減小后再增加；反之亦然，這種現(xiàn)象即為水輪機組的“水錘效應”。

電力系統(tǒng)動態(tài)過程中，理想水輪機的輸出功率變化量[1]為：

式中ΔPm為水輪機的輸出功率變化量；Tw表示水流時間常數(shù)；Δμ為導水葉開度變化量。

式（1）中右側(cè)分子中的“負號”即從數(shù)學的角度描述了水輪機的水錘效應。

瀑布溝水電站機組投產(chǎn)時中國電力科學研究院及四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗所出具的水輪機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型參數(shù)測試報告如圖2所示，圖中可以清晰的看出水錘效應導致增減負荷時機組產(chǎn)生了較大的有功反調(diào)現(xiàn)象。

圖2 水錘效應有功反調(diào)波形圖

2.2 水錘效應大小

剛性引水管道水錘效應的數(shù)學表達式[1]為：

其中q為流量增量，h為水頭增量，Tw為水流時間常數(shù)。

從（2）表達式可以看出，由于Tw為固定值，流量變化率即導葉動作速度是影響水錘效應大小的關鍵因素。

2.3 振蕩原因分析

瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司H9000-V4系統(tǒng)，調(diào)速器系統(tǒng)采用長江三峽事達電氣有限責任公司PFWT-200-6.3-STARS型微機調(diào)速器。

機組有功調(diào)節(jié)通過監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器相互配合實現(xiàn)，監(jiān)控系統(tǒng)脈沖比例調(diào)節(jié)、調(diào)速器開度調(diào)節(jié)，即監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)目標有功與當前實發(fā)有功差值計算并發(fā)出調(diào)節(jié)脈沖到調(diào)速器，調(diào)速器動作于導葉開度。機組單次有功調(diào)節(jié)不是發(fā)出一個脈沖、一次將導葉動作到位，而是由監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)機組有功反饋發(fā)出多個脈沖進行多次調(diào)節(jié)，中間存在脈沖等待間斷時間，相應的導葉也是非連續(xù)的多次動作（波形圖中顯示導葉開度為階梯狀而不是一條直線），故水錘效應會多次影響，有功會出現(xiàn)多次反調(diào)，無功和電壓隨之反復波動。瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)脈沖寬度和等待時間見計算公式（3）和（4）。

監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)脈沖寬度：

其中Diff-ABS為目標有功與實發(fā)負荷差值，K為有功調(diào)節(jié)系數(shù)，TGAP為脈沖補償時間（實際設置為0），TPMIN為最小脈沖寬度（實際設置為0）。

監(jiān)控系統(tǒng)脈沖等待時間：

其中TPAC為脈沖等待時間比例系數(shù)，TPAMIN為脈沖等待補償時間。

3F機組參數(shù)優(yōu)化前有功調(diào)節(jié)波形見圖3。

圖3 3 F機組參數(shù)優(yōu)化前有功調(diào)節(jié)波形圖

3 抑制措施

根據(jù)圖1和圖3，水輪機“水錘效應”偏大對機組有功調(diào)節(jié)平順性產(chǎn)生了明顯的影響，但目前無法通過技術(shù)手段從根本上徹底消除，只能嘗試采取技術(shù)措施抑制其不利影響。

根據(jù)公式（2），影響水頭增量h的關鍵因素是流量變化率，理論上通過降低導葉動作速度可有效抑制水錘效應偏大的問題。經(jīng)以上分析，可嘗試通過修改監(jiān)控系統(tǒng)或調(diào)速器有功調(diào)節(jié)參數(shù)，減慢導葉開關速度對低頻振蕩現(xiàn)象進行處理。瀑布溝水電站采取優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)的方式進行試驗處理。

根據(jù)公式（3），通過減小監(jiān)控系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)系數(shù)K，可以縮短單次監(jiān)控發(fā)出的調(diào)節(jié)脈沖寬度，進而降低導葉動作速度。嘗試將調(diào)節(jié)系數(shù)K值由原來的2逐漸減小進行錄波測試，最后發(fā)現(xiàn)K值設為0.2時，振蕩現(xiàn)象基本消失，有功調(diào)節(jié)曲線變得平滑，無功及電壓穩(wěn)定無變化。但將有功調(diào)節(jié)系數(shù)K值減小后，有功調(diào)節(jié)速度隨之大幅減慢。為彌補K值減小的影響，將脈沖等待時間TPMIN相應的縮短，由1.5 s修改為1 s，實現(xiàn)了有功調(diào)節(jié)平滑性和速度的平衡。參數(shù)修改后，3 F機組有功調(diào)節(jié)波形見圖4。隨后對其他機組相關參數(shù)同步進行了優(yōu)化。

圖4 3 F機組參數(shù)優(yōu)化后有功調(diào)節(jié)波形

4 結(jié)束語

大型水輪發(fā)電機組有功調(diào)節(jié)方式基本相同，大部分都采用監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器脈沖調(diào)節(jié)實現(xiàn)，在有功調(diào)節(jié)過程中“水錘效應”影響所導致的類似現(xiàn)象某種程度上普遍存在。對機組有功調(diào)節(jié)過程中“水錘效應”影響的分析和處理，為解決該問題積累了寶貴的經(jīng)驗，對避免電網(wǎng)低頻振蕩、保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行也有積極的意義。