李博,鄭德芳,王秀梅,汪志華
(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610051)
低頻振蕩是電力系統(tǒng)的一種復(fù)雜動態(tài)行為,關(guān)系到電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行,而電力系統(tǒng)的弱阻尼往往會導(dǎo)致低頻振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。本文深入分析了電站各機(jī)組跨振動區(qū)時(shí)觸發(fā)低頻振蕩的歷次數(shù)據(jù),根據(jù)建立的仿真模型,對低頻振蕩的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析研究,并根據(jù)分析結(jié)果提出了相應(yīng)的措施建議。
為梳理歸納電站機(jī)組低頻振蕩現(xiàn)象的規(guī)律,提取匯總了2016~2018年的歷次低頻振蕩事件數(shù)據(jù),縱向?qū)Ρ热绫?所示。
表1 低頻振蕩現(xiàn)象匯總
根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果,各機(jī)組的低頻振蕩現(xiàn)象基本一致,均為在機(jī)組跨振動區(qū)調(diào)整負(fù)荷時(shí)發(fā)生,功率振蕩的頻率為0.5~0.6Hz,振蕩幅值和持續(xù)時(shí)間存在一定差異,但是機(jī)組跨過振動區(qū)后低頻振蕩現(xiàn)象自動消失。
以3#機(jī)低頻振蕩事件為例,振蕩期間調(diào)速器側(cè)接收的外部功給信號正常,導(dǎo)葉調(diào)整穩(wěn)定且無周期性波動的情況,因此調(diào)速器系統(tǒng)本身對電站低頻振蕩影響可能性很??;振蕩期間勵(lì)磁電壓與有功方向相反,說明勵(lì)磁系統(tǒng)工作正常,起到了抑制功率振蕩的作用。
綜上所述,歷次低頻振蕩現(xiàn)象的共有特點(diǎn)為機(jī)組跨振動區(qū)才會觸發(fā),期間調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)動作正確無異常,且隨機(jī)組運(yùn)行至振動區(qū)以外時(shí)低頻振蕩現(xiàn)象均能夠自動消失。
圖1 調(diào)速器和勵(lì)磁動作情況
同電站關(guān)聯(lián)的共有5條線路,其中二普1線的線路最長,二欖1與二欖2線路其次,二石1與二石2線路最短。以3#機(jī)某次低頻振蕩現(xiàn)象為例,提取相關(guān)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),起振順序?yàn)闄C(jī)組→二欖1線/二欖2線→二普1線,符合強(qiáng)迫振蕩特性,由于電力系統(tǒng)是個(gè)慣性系統(tǒng),不同位置起振會存在超前-滯后關(guān)系,因此振動源方向指向了電站內(nèi)部。
水電機(jī)組中存在水錘效應(yīng),若調(diào)速器控制參數(shù)設(shè)置不合理,系統(tǒng)的阻尼和穩(wěn)定性會得到惡化,水電機(jī)組占比過高會使得系統(tǒng)中出現(xiàn)超低頻振蕩。
圖2 調(diào)速器仿真
根據(jù)仿真結(jié)果,調(diào)速器導(dǎo)葉開度的控制輸出、導(dǎo)葉開度反饋的仿真與實(shí)測基本一致,并且在加入振動源后,仿真功率開始發(fā)生振蕩且與實(shí)測數(shù)據(jù)相仿,說明調(diào)速器控制系統(tǒng)邏輯正確無異常。模型加入擾動后,功率快速發(fā)生等幅振蕩,一旦擾動振蕩源消失,功率振蕩將大幅度衰減,此現(xiàn)象符合強(qiáng)迫振蕩的機(jī)理。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,判斷調(diào)速器系統(tǒng)控制正常不會導(dǎo)致低頻振蕩。
混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出水邊角度固定,在某些工況下水輪機(jī)出口水流必定具有一定圓周分速度,從而形成尾水渦帶,機(jī)組在進(jìn)入渦帶工況區(qū)特別是典型渦帶區(qū)(振動區(qū))長時(shí)間運(yùn)行時(shí),尾水管內(nèi)會產(chǎn)生較強(qiáng)的渦帶頻率的壓力脈動,導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生渦帶頻率的低頻振蕩,且尾水渦帶的頻率較低,一般為機(jī)組旋轉(zhuǎn)頻率的0.15~0.3倍。
圖3 振擺、壓力脈動情況
根據(jù)上圖可知,機(jī)組在振動區(qū)運(yùn)行時(shí),機(jī)組頂蓋振動、主軸擺度、蝸殼和尾水壓力脈動、有功功率存在低頻波動,波動主頻都約為0.6Hz,約為機(jī)組轉(zhuǎn)頻的0.24倍,與尾水渦帶的頻率相近,判斷以上低頻波動由機(jī)組運(yùn)行在渦帶工況區(qū)時(shí)的尾水渦帶引發(fā)。
綜上所述,根據(jù)電力系統(tǒng)內(nèi)各線路和機(jī)組的起振時(shí)間可以判定振動源指向電站內(nèi)部;機(jī)組在跨振動區(qū)時(shí),調(diào)速器系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定無異常,但是振擺、壓力脈動、有功功率均存在低頻振蕩的現(xiàn)象,其波動主頻與尾水渦帶的頻率相近,符合混流式水輪機(jī)水力振源中低頻尾水渦帶誘發(fā)機(jī)組低頻振蕩的機(jī)理。
根據(jù)以上分析,判斷機(jī)組跨振動區(qū)觸發(fā)低頻振蕩的主要誘因?yàn)槠浠炝魇剿啓C(jī)的固有特性導(dǎo)致。
電站低頻振蕩現(xiàn)象主要是由水輪機(jī)固有特性導(dǎo)致,因此需在有條件的情況下對原動機(jī)及引水系統(tǒng)進(jìn)行整改,以根本性解決此問題,抑制低頻振蕩的措施建議如下:
(1)開展PSS參數(shù)優(yōu)化工作,增強(qiáng)機(jī)組阻尼以提高其抑制低頻振蕩現(xiàn)象的效果。
(2)機(jī)組調(diào)整負(fù)荷跨振動區(qū)時(shí),盡量提高調(diào)節(jié)速度,減少機(jī)組在振動區(qū)內(nèi)運(yùn)行的時(shí)間。
(3)做好應(yīng)急處置事故預(yù)想,當(dāng)發(fā)生尾水渦帶頻率的低頻振蕩時(shí),應(yīng)采取有效調(diào)整機(jī)組運(yùn)行工況的處置措施。
電站在機(jī)組跨振動區(qū)時(shí)觸發(fā)低頻振蕩,其現(xiàn)象符合強(qiáng)迫振蕩機(jī)理,但具備偶然性。該低頻振蕩現(xiàn)象是由各種水力因素疊加導(dǎo)致的,其主要原因?yàn)榛炝魇綑C(jī)組跨振區(qū)時(shí)產(chǎn)生的尾水渦帶導(dǎo)致,需盡量減少機(jī)組在渦帶工況區(qū)的運(yùn)行時(shí)間,以減少低頻振蕩持續(xù)的時(shí)間避免影響擴(kuò)大。此電站的低頻振蕩現(xiàn)象具備一定的典型性,希望對行業(yè)內(nèi)其他電站類似情況的分析起到一定的參考作用。