火電機(jī)組引發(fā)低頻振蕩原因分析及抑制措施

秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司 薛 茜

隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問題日益突出。電網(wǎng)側(cè)普遍安裝了低頻振蕩檢測(cè)軟件，對(duì)發(fā)生有功功率低頻振蕩的電廠進(jìn)行電量考核。低頻振蕩問題引起了各電廠的普遍重視。低頻振蕩是振蕩頻率在0.2～2.5Hz范圍內(nèi)的持續(xù)振蕩，其有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸系損壞、系統(tǒng)電壓過高等后果，危及電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的安全運(yùn)行。為了預(yù)防發(fā)電機(jī)組發(fā)生有功功率低頻振蕩，有必要全面梳理和分析引發(fā)機(jī)組產(chǎn)生低頻振蕩的各種因素，從而采取有效的抑制措施。

1 機(jī)組引發(fā)電網(wǎng)功率振蕩機(jī)理

1.1 低頻振蕩機(jī)理[1]

強(qiáng)迫振蕩機(jī)理與負(fù)阻尼機(jī)理可解釋絕大部分由機(jī)組引發(fā)的有功功率振蕩。負(fù)阻尼機(jī)理認(rèn)為電網(wǎng)出現(xiàn)振蕩的原因是電力系統(tǒng)中阻尼不足或整體阻尼為負(fù)值，系統(tǒng)受擾后引發(fā)的功率或頻率波動(dòng)。強(qiáng)迫功率振蕩理論則認(rèn)為電力系統(tǒng)有其固有頻率，當(dāng)系統(tǒng)中存在持續(xù)的周期性擾動(dòng)，且擾動(dòng)頻率接近其固有頻率時(shí)，容易造成共振和強(qiáng)迫功率振蕩。根據(jù)負(fù)阻尼機(jī)理設(shè)計(jì)的勵(lì)磁PSS系統(tǒng)已經(jīng)在各火電機(jī)組強(qiáng)制投入運(yùn)行且效果顯著。即便如此，機(jī)組控制系統(tǒng)及其本體缺陷可造成機(jī)組向系統(tǒng)持續(xù)注入周期性的功率波動(dòng)，仍會(huì)引發(fā)系統(tǒng)低頻振蕩現(xiàn)象。導(dǎo)致機(jī)組低頻振蕩的強(qiáng)迫振蕩和負(fù)阻尼機(jī)理其特性對(duì)比見表1。

表1 由強(qiáng)迫振蕩和負(fù)阻尼機(jī)理引發(fā)的低頻振蕩特性對(duì)比

1.2 機(jī)組引發(fā)低頻振蕩的主要因素

機(jī)組引發(fā)有功功率振蕩的主要因素可以分為兩類。

1.2.1 系統(tǒng)阻尼變小

機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)邏輯及參數(shù)、運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)都有可能造成系統(tǒng)等效阻尼的減小。阻尼變小的過程中，系統(tǒng)中出現(xiàn)的強(qiáng)迫振蕩和負(fù)阻尼振蕩的幅值均會(huì)逐漸變大，從而造成系統(tǒng)規(guī)模的低頻功率振蕩。當(dāng)阻尼變成負(fù)值時(shí)，負(fù)阻尼振蕩的幅值將指數(shù)方式迅猛增加。

1.2.2 外界擾動(dòng)引入

發(fā)電過程中，汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)向電氣系統(tǒng)持續(xù)注入功率。在設(shè)備發(fā)生缺陷或者調(diào)節(jié)控制不當(dāng)時(shí)，汽輪機(jī)注入的功率有可能出現(xiàn)周期性波動(dòng)。當(dāng)此波動(dòng)頻率與系統(tǒng)的固有振蕩頻率接近時(shí)，就有可能導(dǎo)致強(qiáng)迫功率振蕩。由機(jī)組原因造成的功率振蕩，可能存在外界周期擾動(dòng)與系統(tǒng)阻尼減小同時(shí)發(fā)生、共同作用的情況。

2 機(jī)組低頻振蕩原因分析

2.1 勵(lì)磁系統(tǒng)原因

當(dāng)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生控制不當(dāng)時(shí)，容易造成系統(tǒng)阻尼比由正轉(zhuǎn)負(fù)，從而導(dǎo)致低頻振蕩。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、勵(lì)磁系統(tǒng)二次回路異常（比如轉(zhuǎn)速信號(hào)故障）、限幅環(huán)節(jié)異常、勵(lì)磁系統(tǒng)硬件故障、PSS異常等，都有可能使系統(tǒng)阻尼由正變負(fù)，進(jìn)而引發(fā)低頻振蕩。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)原因[1-4]

熱力系統(tǒng)向電氣系統(tǒng)功率的注入由汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制，其響應(yīng)速度為秒級(jí)，與低頻振蕩頻率十分接近。若調(diào)速系統(tǒng)存在設(shè)備故障或參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時(shí)，容易導(dǎo)致熱力系統(tǒng)向電氣系統(tǒng)注入功率發(fā)生頻繁波動(dòng)，這種情況機(jī)組作為強(qiáng)迫振蕩源很容易引發(fā)系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)迫振蕩。

2.2.1 DEH控制邏輯、控制參數(shù)設(shè)置不合理

火電機(jī)組大多采用DEH系統(tǒng)控制汽機(jī)調(diào)門的開度從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)功率的控制。若DEH中的控制模型與實(shí)際系統(tǒng)偏差較大時(shí)，就可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)汽門來回抖動(dòng)，從而造成汽機(jī)進(jìn)汽壓力、進(jìn)汽量周期性波動(dòng)進(jìn)而引發(fā)低頻振蕩。

DEH中的調(diào)門特性函數(shù)與實(shí)際特性不一致，是常見的由控制參數(shù)設(shè)置不合理引發(fā)的低頻振蕩的原因，這種情況會(huì)造成機(jī)組在功率調(diào)整的過程中頻繁、往復(fù)地調(diào)節(jié)汽門開度，從而導(dǎo)致汽門頻繁抖動(dòng)。調(diào)門的磨損、老化會(huì)導(dǎo)致調(diào)門的流量-開度特性逐漸改變，從而造成DEH中設(shè)置的調(diào)門特性與實(shí)際調(diào)門特性出現(xiàn)不匹配。

即使調(diào)門特性匹配良好，若DEH各調(diào)門的重疊度設(shè)置不合理，在順序閥控制模式中，在一次調(diào)頻頻繁動(dòng)作等情況下，也會(huì)導(dǎo)致某1～2個(gè)調(diào)門的頻繁打開、關(guān)閉從而引發(fā)強(qiáng)迫功率振蕩。

2.2.2 EH油系統(tǒng)設(shè)備及調(diào)門本體故障

DEH輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)由電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為調(diào)門的實(shí)際開度，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)可能會(huì)造成機(jī)組輸出有功功率持續(xù)振蕩。

一是調(diào)門本體故障是比較常見的故障。調(diào)門長時(shí)間工作于高溫、高壓蒸汽中，容易發(fā)生磨損、老化、彎曲等故障，這些故障會(huì)造成調(diào)門的卡澀和動(dòng)作滯緩。由此會(huì)造成調(diào)門開度指令和調(diào)門開度的來回調(diào)節(jié)，從而引發(fā)機(jī)組有功出力的持續(xù)振蕩。

二是EH油系統(tǒng)故障例如出現(xiàn)電液伺服閥、蓄能器故障、濾網(wǎng)或管道堵塞，位移傳感器故障等都可能會(huì)導(dǎo)致調(diào)門進(jìn)汽量變化頻繁，這會(huì)引發(fā)機(jī)組輸出有功功率的持續(xù)振蕩。

2.2.3 蒸汽壓力的持續(xù)波動(dòng)

汽機(jī)蒸汽壓力的動(dòng)態(tài)變化也可能造成機(jī)組輸出功率的波動(dòng)。蒸汽管道腐蝕及堵塞、鍋爐燃燒不穩(wěn)定等都可能造成蒸汽壓力波動(dòng)。在汽機(jī)快關(guān)調(diào)門的過程中，如果蒸汽壓力出樣脈動(dòng)，并且此脈動(dòng)壓力造成汽機(jī)功率振蕩頻率接近系統(tǒng)固有振蕩頻率，就有可能會(huì)引發(fā)低頻振蕩。

2.2.4 一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置不合理

一是過度追求一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能，一次調(diào)頻量參數(shù)設(shè)置不合理，轉(zhuǎn)速不等率設(shè)置過小，比例調(diào)節(jié)作用太強(qiáng)，調(diào)頻量太大，都會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，在電網(wǎng)出現(xiàn)較大頻率擾動(dòng)時(shí)可能會(huì)引起調(diào)門頻繁擺動(dòng)，從而引發(fā)有功功率振蕩。

二是CCS、DEH系統(tǒng)中都有一次調(diào)頻回路，若二者配合失調(diào)就可能會(huì)引起調(diào)門的振蕩。DEH的一次調(diào)頻回路是將調(diào)頻量直接疊加于調(diào)門開度指令上，若CCS中的一次調(diào)頻回路調(diào)節(jié)效果比較弱，CCS中的主控功率控制回路就會(huì)發(fā)出和DEH的一次調(diào)頻作用相反的調(diào)門開度指令，這種反調(diào)現(xiàn)象不僅會(huì)抵消一次調(diào)頻的效果，還容易引發(fā)功率振蕩。

3 某廠4號(hào)機(jī)組功率低頻振蕩原因分析

3.1 低頻振蕩事件過程

2021年6月4 日，某廠得到所在電網(wǎng)調(diào)度通知4號(hào)機(jī)組發(fā)生低頻振蕩，4號(hào)機(jī)組低頻振蕩原因未分析清楚前不允許漲負(fù)荷。該廠專業(yè)工程師聯(lián)系電網(wǎng)PMU主站維護(hù)人員得知PMU主站加裝了低頻振蕩檢測(cè)功能，當(dāng)檢測(cè)到低頻振蕩時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警。按國網(wǎng)統(tǒng)一要求，報(bào)警條件設(shè)置為：機(jī)組有功功率出現(xiàn)0.1～2.5Hz振蕩，且振蕩幅值超過10MW、持續(xù)時(shí)間超過10個(gè)周波，則判斷為發(fā)生低頻振蕩。PMU主站維護(hù)人員當(dāng)日未在主站現(xiàn)場，不能獲得當(dāng)日的機(jī)組功率振蕩曲線，但維護(hù)人員早在4月25日做一次調(diào)頻遠(yuǎn)程測(cè)試靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)，觀察到了該廠4號(hào)機(jī)組的功率振蕩情況并用手機(jī)拍照留存影像。以下是維護(hù)人員提供的4號(hào)機(jī)組4月25日發(fā)生功率低頻振蕩時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)曲線（如圖1所示）。

圖1 2021年4月25日電網(wǎng)檢測(cè)到的功率振蕩情況

3.2 功率振蕩原因分析

經(jīng)該廠專業(yè)人員調(diào)取4號(hào)機(jī)組在相同時(shí)間段DCS系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖發(fā)現(xiàn)，4號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)GV5調(diào)門動(dòng)作趨勢(shì)與該負(fù)荷段內(nèi)機(jī)組有功波動(dòng)一致，判斷GV5閥門快速、頻繁調(diào)節(jié)是引起機(jī)組有功波動(dòng)的主要原因。

該廠4號(hào)機(jī)組在負(fù)荷215～245MW，汽輪機(jī)GV5調(diào)門在33%～44%開度范圍內(nèi)進(jìn)行進(jìn)汽主調(diào)，當(dāng)超過此開度范圍時(shí)GV5將全開，GV6開啟參與調(diào)節(jié)。因GV5長時(shí)間運(yùn)行后閥門流量特性發(fā)生劣化，在該負(fù)荷區(qū)間調(diào)節(jié)線性較差，由于此時(shí)系統(tǒng)頻率波動(dòng)頻繁導(dǎo)致一次調(diào)頻功能頻繁動(dòng)作，造成GV5、GV6調(diào)門的頻繁開閉調(diào)節(jié)，從而造成有功功率調(diào)節(jié)波動(dòng)頻繁，導(dǎo)致功率發(fā)生振蕩，振蕩幅值、頻率及持續(xù)時(shí)間達(dá)到了電網(wǎng)檢測(cè)的報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)。DCS檢測(cè)到的低頻振蕩相關(guān)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖如圖2所示。

圖2 2021年4月25日DCS檢測(cè)到的4號(hào)機(jī)組功率振蕩情況

3.3 4號(hào)機(jī)組功率振蕩消除措施

4號(hào)機(jī)組的功率振蕩是由于GV5調(diào)門的閥門流量特性線性差，以及在特定負(fù)荷區(qū)間，GV5、GV6頻繁順序開閉造成的，因此消除措施一是考慮修改DEH中的GV5調(diào)門開度-流量曲線與實(shí)際一致；二是修改GV5、GV6調(diào)門的重疊度函數(shù)，避開GV5調(diào)門的非線性開度區(qū)間；三是改變高壓調(diào)門順閥調(diào)節(jié)方式下閥門開啟順序，從而避開GV5調(diào)門的非線性開度區(qū)間。

4 機(jī)組引發(fā)低頻振蕩抑制措施

一是嚴(yán)格執(zhí)行定值管理制度，修改勵(lì)磁系統(tǒng)、一次調(diào)頻系統(tǒng)、DEH系統(tǒng)參數(shù)時(shí)嚴(yán)格履行審批手續(xù)，參數(shù)的修改要以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，不得隨意更改。

二是加強(qiáng)涉網(wǎng)試驗(yàn)管理，當(dāng)機(jī)組大修后或據(jù)上一次試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到5年時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行勵(lì)磁系統(tǒng)PSS試驗(yàn)、一次調(diào)頻試驗(yàn)、調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修改相關(guān)參數(shù)。

三是在電廠側(cè)PMU子站增加機(jī)組有功功率低頻振蕩檢測(cè)及報(bào)警功能，當(dāng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)運(yùn)行、維護(hù)人員能夠及時(shí)知曉并迅速做出響應(yīng)。

四是編制低頻振蕩處置預(yù)案，以便在發(fā)生低頻振蕩時(shí)，能夠迅速地作出正確反應(yīng)，及時(shí)平息因本廠機(jī)組引發(fā)的低頻振蕩。

五是合理設(shè)置DEH系統(tǒng)控制邏輯中調(diào)門特性函數(shù)及重疊度，確保順閥模式下調(diào)門總指令與蒸汽總流量的線性度，防止頻繁出現(xiàn)兩個(gè)調(diào)門反復(fù)交替開啟、關(guān)閉現(xiàn)象。

六是增加調(diào)門開度抖動(dòng)檢測(cè)報(bào)警，當(dāng)發(fā)生調(diào)門抖動(dòng)時(shí)及時(shí)采取干預(yù)措施。

七是加強(qiáng)對(duì)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)、EH油系統(tǒng)設(shè)備的檢修和維護(hù)，避免調(diào)門出現(xiàn)卡澀、動(dòng)作滯緩等問題。

5 結(jié)語

本文針對(duì)由機(jī)組引發(fā)的低頻振蕩現(xiàn)象，給出了基于強(qiáng)迫振蕩和負(fù)阻尼兩種機(jī)理的理論解釋。梳理了導(dǎo)致低頻振蕩的主要因素，給出了預(yù)防機(jī)組發(fā)生低頻振蕩的針對(duì)性措施，對(duì)其他電廠有參考作用。