海外600 MW機(jī)組工程低頻振蕩分析及解決方案

黃曉鵬，丁永允，段海洲，魏 來，趙帥達(dá)

(1.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；3.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

1 故障概述

海外某600 MW機(jī)組在調(diào)試升負(fù)荷過程中發(fā)生低頻振蕩，振蕩時(shí)有功功率380 MW，無功70 Mvar，現(xiàn)場未進(jìn)行PSS試驗(yàn)。振蕩頻率為0.4 Hz左右，振蕩過程持續(xù)7 min，起初有功波動幅值為60 MW左右，由于振蕩一直未平息，最終振幅達(dá)到200 MW，導(dǎo)致系統(tǒng)故障，機(jī)組與系統(tǒng)解列，并造成全廠失電。

此項(xiàng)目為2×600 MW機(jī)組工程，當(dāng)前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)并未完善，機(jī)組處于電網(wǎng)末端，通過400 kV變電站經(jīng)200 km架空線路與2臺350 MVA聯(lián)絡(luò)變壓器相連，再經(jīng)132 kV線路向132 kV系統(tǒng)供電。

勵磁系統(tǒng)采用UNITROL6800勵磁調(diào)節(jié)器，勵磁系統(tǒng)主要參數(shù)見表1，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器采用PSS-2B型，發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見表2。

表1 勵磁系統(tǒng)主要參數(shù)

表2 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

2 低頻振蕩原因及項(xiàng)目特點(diǎn)

低頻振蕩主要有區(qū)域間振蕩和局部振蕩2種類型。前者是系統(tǒng)的一個(gè)區(qū)域機(jī)群對于另一個(gè)區(qū)域機(jī)群的振蕩，振蕩頻率一般較低，在 0.1～0.7 Hz。局部振蕩是電氣距離較近的少數(shù)發(fā)電機(jī)之間的相互振蕩，這類振蕩局限于區(qū)域內(nèi)，頻率為 0.7～2 Hz。

2.1 引起功率低頻振蕩的主要原因

圖1為原動機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的phillips-Heffron模型，由此模型可知,引起ΔP振蕩的原因主要是勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)，文獻(xiàn)[1]介紹了由調(diào)試系統(tǒng)引起的低頻振蕩。根據(jù)現(xiàn)場對調(diào)試系統(tǒng)的檢查，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)，汽輪機(jī)蒸汽調(diào)節(jié)閥變化幅度較小，變化幅度不足以引起有功功率的大幅變化，因此排除此臺機(jī)組由于調(diào)速系統(tǒng)引起的低頻振蕩。

圖1中，K1、K2、K4-K6隨運(yùn)行方式變化而變化。通常K1、K2、K4、K6為正值；當(dāng)負(fù)荷大于某一數(shù)值時(shí)，K5可能由正值變?yōu)樨?fù)值。

(1)

式中：KA為勵磁系統(tǒng)動態(tài)放大倍數(shù)。

負(fù)荷較輕時(shí)，K5>0，附加阻尼轉(zhuǎn)矩ΔTD>0，長距離、重負(fù)荷輸電時(shí)，K5<0。勵磁系統(tǒng)動態(tài)放大倍數(shù)越大，ΔΤD越小，從而引發(fā)電機(jī)的增幅振蕩。一般而言，對于遠(yuǎn)距離、大負(fù)荷送電的快速勵磁系統(tǒng)，如果K5<0，就會影響系統(tǒng)阻尼。一旦受到小擾動后，電力系統(tǒng)有可能發(fā)生自發(fā)振蕩和非同期性的失步，這種振蕩是0.2～2.5 Hz范圍內(nèi)的低頻振蕩。

2.2 項(xiàng)目特點(diǎn)分析

2.2.1 與系統(tǒng)聯(lián)系強(qiáng)弱

a.聯(lián)系阻抗Xe計(jì)算

(2)

式中：U1、U2和Q1、Q2是電壓和無功前后2次的測量值，一般認(rèn)為Xe<0.2時(shí)，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)聯(lián)系緊密，經(jīng)計(jì)算Xe=1.0。

b.電壓+2%階躍試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)有功功率為350 MW，在電壓2%階躍試驗(yàn)中，發(fā)電機(jī)有功功率振蕩次數(shù)超過10次。當(dāng)振蕩過程中阻尼比小于0.1時(shí)，振蕩將超過5次，認(rèn)為阻尼較弱；當(dāng)阻尼比小于0.05時(shí)，振蕩將超過10次，稱為弱阻尼；當(dāng)阻尼比為負(fù)值時(shí)稱為負(fù)阻尼，將產(chǎn)生自發(fā)振蕩。結(jié)合系統(tǒng)阻抗的計(jì)算基本可以判斷此臺機(jī)組系統(tǒng)為弱聯(lián)系。

2.2.2 勵磁系統(tǒng)高增益

勵磁系統(tǒng)為自并勵磁系統(tǒng)，采用PI控制，動態(tài)增益與暫態(tài)增益相等，負(fù)載2%階躍試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算勵磁系統(tǒng)動態(tài)增益為

(3)

通過上述分析此項(xiàng)目符合系統(tǒng)弱聯(lián)系、勵磁系統(tǒng)高增益、發(fā)電機(jī)輸送大功率的特點(diǎn)。因此判斷在當(dāng)前的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)且為高負(fù)荷運(yùn)行情況下極易發(fā)生低頻振蕩。

3 PSS現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工況選取

DL/T 1231—2018《電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則》(簡稱導(dǎo)則)要求：此項(xiàng)目試驗(yàn)工況為有功負(fù)荷大于396 MW，無功功率小于80 Mvar。依據(jù)現(xiàn)場380 MW期間發(fā)生低頻振蕩事故分析，在當(dāng)前的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，機(jī)組有功負(fù)荷達(dá)到380 MW時(shí)，有功功率在0.3 Hz振蕩時(shí)，系統(tǒng)阻尼基本為零。由圖4 可知，350 MW試驗(yàn)工況下，0.5 Hz振蕩時(shí)，系統(tǒng)阻尼僅為0.02。文獻(xiàn)[2]介紹了運(yùn)行工況對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS現(xiàn)場參數(shù)的整定影響，PSS參數(shù)整定試驗(yàn)應(yīng)盡量在接近額定有功功率的工況下進(jìn)行。如果因條件限制試驗(yàn)機(jī)組無法達(dá)到額定有功出力，則在參數(shù)整定時(shí)應(yīng)適當(dāng)縮小補(bǔ)償范圍，以保證PSS在額定有功出力下能滿足補(bǔ)償要求。因此根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，試驗(yàn)工況選取有功負(fù)荷為350 MW，無功功率小于80 Mvar。

3.2 勵磁系統(tǒng)無補(bǔ)償特性

通過COCO-80X動態(tài)信號分析儀產(chǎn)生白噪聲信號，接入調(diào)節(jié)器信號相加點(diǎn)，將機(jī)端電壓信號經(jīng)交直流變換后，接入COCO-80X輸入通道，緩慢增加白噪聲幅值，直至發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓有輕微擺動，進(jìn)行參數(shù)測試。根據(jù)導(dǎo)則，通過調(diào)整PSS相位補(bǔ)償，使附加力矩在0.1～0.3 Hz(不含0.3 Hz)頻段，超前Δω軸不應(yīng)大于30°，在0.3～2.0 Hz頻率的力矩向量在超前Δω軸20°至滯后Δω軸 45°之間，同時(shí)PSS不應(yīng)引起同步力矩顯著削弱而導(dǎo)致振蕩頻率進(jìn)一步降低、阻尼進(jìn)一步減弱。試驗(yàn)及參數(shù)整定結(jié)果如圖2所示。

3.3 PSS臨界增益測試

觀察PSS輸出為零時(shí)投入PSS，觀察勵磁調(diào)節(jié)器的輸出或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓有無持續(xù)振蕩。如無持續(xù)振蕩則增大PSS增益，直至勵磁調(diào)節(jié)器的輸出或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓出現(xiàn)微小、持續(xù)振蕩時(shí)為止，此時(shí)的增益即為臨界增益，通過試驗(yàn)臨界增益測定為15。PSS運(yùn)行增益取臨界增益的20%～30%，即取PS1=3～5作為運(yùn)行增益。

3.4 負(fù)載階躍試驗(yàn)

進(jìn)行有、無PSS的階躍試驗(yàn)，計(jì)算有功功率振蕩頻率和阻尼比，當(dāng)振蕩頻率不符合要求時(shí)應(yīng)調(diào)整 PSS 相位補(bǔ)償參數(shù)，當(dāng)阻尼比不符合要求時(shí)應(yīng)增大增益，再次進(jìn)行有 PSS的階躍試驗(yàn)直至滿足要求。有、無PSS現(xiàn)場2%電壓階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。

從表3和圖3可知，有PSS比無PSS的負(fù)載階躍響應(yīng)的阻尼比應(yīng)該明顯提高，在350 MW試驗(yàn)工況下，當(dāng)KS1=5時(shí)負(fù)載階躍響應(yīng)的阻尼比大于0.1。PSS整定參數(shù)見表4。

負(fù)載階躍響應(yīng)激發(fā)振蕩頻率為0.53 Hz，屬于區(qū)域間振蕩，其原因?yàn)楫?dāng)前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和機(jī)組占比較高所致。

表3 振蕩品質(zhì)參數(shù)

表4 PSS整定參數(shù)

3.5 投入PSS前后的機(jī)組運(yùn)行期間有功振蕩及反調(diào)情況

表5為機(jī)組運(yùn)行若干天有無PSS最大振幅的記錄，并結(jié)合表3的試驗(yàn)結(jié)果初步得到結(jié)論：有無PSS，結(jié)果相異，這說明本機(jī)組的振蕩參與度很高，屬于振蕩重點(diǎn)控制機(jī)組，在本機(jī)組增加投入PSS絕對有效果。

a.當(dāng)前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，未投入PSS，有功功率在380 MW以上時(shí)，系統(tǒng)阻尼基本為零，極易發(fā)生低頻振蕩，振蕩過程無法平息，最終導(dǎo)致跳閘。

b.PSS中的增益KS1=5投入過程中比KS1=3對有功低頻振蕩的抑制效果更好，而且勵磁調(diào)節(jié)器輸出的波動幅值適當(dāng)。

c.PSS中的增益KS1=5投入，在負(fù)荷達(dá)到530 MW，發(fā)生系統(tǒng)擾動后，機(jī)組有功振蕩明顯加劇。因此基本可以判斷目前勵磁系統(tǒng)及PSS參數(shù)很難在當(dāng)前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下、530 MW以上負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，極易發(fā)生低頻振蕩。

d.進(jìn)行無 PSS下的改變原動機(jī)出力試驗(yàn)，觀察有功功率和無功功率波動。PSS-2B模型有轉(zhuǎn)速信號參與調(diào)節(jié)，能夠有效抑制反調(diào)現(xiàn)象。在運(yùn)行期間，增減有功過程中，無功反調(diào)幅度很小，小于20%額定無功功率[2]。

表5 投入PSS前后機(jī)組運(yùn)行過程中有功振蕩對比

4 提高系統(tǒng)阻尼的方案

由于發(fā)電機(jī)連接的系統(tǒng)為臨時(shí)過渡系統(tǒng)，振蕩頻率基本集中在低頻段0.3～0.6 Hz，目前主要目標(biāo)為完成機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行24 h要求。因此優(yōu)化方案主要包括繼續(xù)提高現(xiàn)有PSS的增益；進(jìn)行PSS超前滯后環(huán)節(jié)第三階整定[3]，有效增加低頻段的增益；降低勵磁系統(tǒng)動態(tài)增益，增加PSS增益。

4.1 提高PSS增益

PSS是個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，增加PSS增益可以增加機(jī)電振蕩模式阻尼，減小電氣振蕩模式的阻尼。增益過大會引起電氣振蕩模式振蕩的負(fù)阻尼，使系統(tǒng)失穩(wěn)，電氣振蕩的頻率一般為3～7 Hz，因此PSS中的KS1受限于勵磁系統(tǒng)的電氣振蕩特性[4-5]。臨界增益試驗(yàn)過程中，導(dǎo)則要求發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓出現(xiàn)等幅或接近等幅值振蕩為止。文獻(xiàn)[3,6]在臨界增益現(xiàn)場試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)子電壓均波動超過當(dāng)前值的15%，而本項(xiàng)目試驗(yàn)過程中，KS1=15時(shí)僅僅為輕微的轉(zhuǎn)子電壓波動。因此臨界增益的提升還有一定余量，增加增益的同時(shí)，可以重點(diǎn)觀察電氣振蕩的情況。

4.2 降低勵磁系統(tǒng)動態(tài)增益

由式(2)可知，機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，阻尼轉(zhuǎn)矩ΔΤD為負(fù)，降低勵磁系統(tǒng)動態(tài)放大倍數(shù)，可減小附加阻尼轉(zhuǎn)矩ΔΤD，從而增加阻尼。由于PSS是個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，降低動態(tài)放大倍數(shù)的同時(shí)，可以相應(yīng)提高PSS的臨界增益，最終達(dá)到提高系統(tǒng)阻尼的目的。根據(jù)DLT 843—2010 《大型汽輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件》，勵磁系統(tǒng)的動態(tài)增益不小于30。

4.3 進(jìn)行PSS超前滯后環(huán)節(jié)第三階整定

現(xiàn)有參數(shù)整定方法在高頻段增益的上翹造成了整體增益裕度偏小，導(dǎo)致了低頻段模式下運(yùn)行增益不足的問題。如能夠在低頻段時(shí)保持增益不變，同時(shí)降低高頻段最高增益，就可以提高整體的增益穩(wěn)定裕度。利用現(xiàn)有PSS-2B的第3個(gè)超前滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可以在不改變中低頻段的增益同時(shí)，降低最高增益值，提高整體增益裕度。對于超前滯后環(huán)節(jié)(1+T10s)/(1+T11)，當(dāng)設(shè)置成T11>T10時(shí)，其相頻特性滯后，幅頻特性是衰減的。設(shè)計(jì)目標(biāo)為減小0.1～2 Hz滯后角度同時(shí)，盡量減小3 Hz以上增益。因此超前滯后環(huán)節(jié)選為(1+0.06s)/(1+T0.09s)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

5 仿真分析

采用PSASP程序，利用機(jī)組參數(shù)和模型建立單機(jī)無窮大系統(tǒng)，進(jìn)行此項(xiàng)目定性仿真分析。仿真工況：有功功率為400 MW，無功功率為80 Mvar，機(jī)端電壓為額定電壓。勵磁系統(tǒng)采用表1參數(shù)，PSS參數(shù)采用表4參數(shù)。

5.1 降低勵磁系統(tǒng)動態(tài)增益仿真分析

仿真試驗(yàn)中，逐步增大參數(shù)組1和2中的參數(shù)Ks1值，當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓發(fā)散時(shí)，為負(fù)阻尼模式，此時(shí)Ks1為臨界增益。參數(shù)組1中臨界增益為35，整定增益為7；參數(shù)組2中臨界增益為47，整定增益為9.4。

從圖4及表6可知，參數(shù)組3和參數(shù)組4為未投PSS情況下，隨動態(tài)放大倍數(shù)的降低，阻尼比隨之降低，振蕩頻率也隨之降低。參數(shù)組1和參數(shù)組2為PSS投入時(shí)，隨著動態(tài)放大倍數(shù)的降低，PSS臨界增益增加，PSS增益會增加，阻尼比基本不變，振蕩頻率隨之降低。通過仿真結(jié)果表明，無法通過降低動態(tài)放大倍數(shù)的方法提高系統(tǒng)阻尼。

表6 不同動態(tài)增益的仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果

5.2 PSS超前滯后環(huán)節(jié)二階和三階參數(shù)及仿真結(jié)果

PSS-2B 2組參數(shù)有補(bǔ)償相頻特性具體數(shù)據(jù)如圖5所示?？梢娖溆醒a(bǔ)償相頻特性較接近，在0.1～2 Hz范圍內(nèi)，三階參數(shù)比二階參數(shù)多滯后約10°，相位補(bǔ)償均可以滿足要求。在 0.1～2 Hz頻段內(nèi)，三階的增益較優(yōu)化前有較大提高，而高頻段的最高增益反而更低。二階和三階參數(shù)仿真結(jié)果見表7。

通過對三階參數(shù)和二階參數(shù)對比仿真試驗(yàn)，PSS的臨界增益由35變?yōu)?5，阻尼比由0.26提高至0.3。通過上述仿真結(jié)果表明，可以通過適當(dāng)調(diào)整PSS三階參數(shù)，提高系統(tǒng)阻尼。二階和三階參數(shù)2%電壓階躍響應(yīng)曲線如圖6所示。

表7 二階和三階參數(shù)仿真結(jié)果

6 結(jié)束語

對于此600 MW機(jī)組接入當(dāng)前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，首先分析機(jī)組低頻振蕩的原因。為完成機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行24 h要求，提出解決方案：繼續(xù)提高現(xiàn)有PSS的增益，并觀察PSS提高增益的情況下機(jī)組振蕩模式和振蕩頻率；進(jìn)行PSS超前滯后環(huán)節(jié)第三階整定，能夠在一定程度上提高PSS的臨界增益，增加系統(tǒng)阻尼，提高輸電負(fù)荷；暫不采用改變勵磁系統(tǒng)動態(tài)增益提高PSS增益的方法。負(fù)荷、機(jī)組區(qū)域均衡發(fā)展，加強(qiáng)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)才是此項(xiàng)目解決低頻振蕩的最終方案。