發電機功率振蕩原因分析及改進

李志軍

(廣州中電荔新電力實業有限公司，廣東 廣州511340)

近年來，國內電網相繼發生大范圍的低頻振蕩，功率振蕩頻率較低，振蕩范圍廣，對電網安全穩定運行造成了巨大威脅。對于多次發生的低頻振蕩，電力專家學者則從不同方面進行大量的研究，在發生機理、振蕩特性等方面取得了許多成果〔1－2〕。研究結果表明，相同幅值和頻率情況下，原動機功率擾動比復合擾動所引起的電網功率振蕩幅值更大，接近其理論放大備注。原動機功率擾動引起電網強迫功率振蕩的可能性更大〔3〕。如南方電網在2005年和2008年先后發生的功率振蕩均因汽輪機及其調速系統引發的電力系統強迫振蕩〔2〕，由于機組調速系統的不穩定使其在系統有擾動是極易介入，與系統的固有低頻振蕩共振〔4〕，對電網造成難以預計的后果。本文從一起機組功率振蕩的現象入手，分析其產生振蕩的原因及處理經過。

1 功率振蕩過程

某2×300 MW 級熱電聯產燃煤機組，通過220 kV 出線接入系統。2013年5月初1 號機組停機消缺，更換了機組4 個高壓主汽調節門后重新并網運行。機組并網后運行方式為:1，2 號機組分別帶220 MW，230 MW 負荷運行，其中，2 號機組帶中壓供汽66 t/h，低壓供汽128 t/h。根據工作安排，該電廠1 號機組進行單順閥切換操作，切換操作過程中，發生了功率振蕩事件，事件過程如下:

13 時56 分56 秒“投入‘功率回路’”，投入1 號機功率回路;

13 時57 分42 秒“點擊‘順序閥’按鈕，進入閥切換過程”，將1 號機控制方式由單閥控制切換至順序閥控制;

13 時57 分56 秒至59 分15 秒，1 號機主汽調節門和負荷出現擺動，4 個主汽調節門閥位在25%～100%范圍內擺動(原閥位為35.41%);有功負荷在186～279 MW 范圍內擺動(原負荷為220 MW)。無功負荷在24～195 MW 范圍波動，發電機電流在7 497～8 418 A 擺動。

13 時58 分15 秒，操作人員將1 號機重新切回單閥運行方式，振蕩現象逐步消失。

試驗過程振蕩功率變化曲線如圖1 所示。

圖1 試驗中振蕩過程功率變化情況

2 功率振蕩原因分析

調取機組DEH 及DCS 各項數據查閱，將整個過程分為4 個階段進行分析。

第1 階段:開始—13 時57 分08 秒，1 號機組處于CCS 協調控制下，正常帶220 MW 負荷運行，一次調頻正常投入，單閥方式運行，各項參數穩定;

第2 階段:13 時57 分08 秒—13 時57 分47秒，1 號機組退出CCS 協調控制，投入功率回路，機組功率及調門小幅振蕩，峰峰值為2.2 MW，周期4.7 s，頻率0.213 Hz;

第3 階段:13 時57 分47 秒—13 時59 分15秒，從單閥切換順序閥開始，機組功率振蕩加劇并在2 個振蕩周期后即進入較大幅度的等幅振蕩階段，峰峰值在66 MW，周期5.86 s，頻率0.171 Hz，振蕩持續時間77 s;

第4 階段:13 時59 分15 秒—14 時00 分00 秒，機組退出功率回路，功率振蕩現象消失，機組負荷跌至110.7 MW，之后運行人員恢復至220 MW 運行。

在第2 階段，當機組退出CCS 協調控制，投入功率控制回路后，DEH 功率控制形成閉環PID控制，其中比例系數kp 為1.0，積分時間Ti 為5 s。在更換機組高壓主汽調節門后，由于DEH 邏輯中設置的高壓調門流量—開度特性曲線與實際調門的特性曲線存在差異，造成回路調節特性較差的情況。由于DEH 功率回路調節特性較差，在閉環控制情況下，若PID 參數選取不當，增益過大，將會導致系統調節不穩定，如圖2。

圖2 投入功率回路后機組功率響應

在功率回路閉環控制下，機組功率對一次調頻等擾動的響應由隨機形態轉變為頻率為0.213 Hz的等幅振蕩。

在第3 階段，單閥開始切換順序閥，GV1，GV2 逐漸開啟，GV3 開度變化不大，GV4 逐漸關閉。此時調門切換動態過程中負荷的變化比正常運行偏大、在系統已處于振蕩的情況下加大負荷的擾動使得調門開度迅速振蕩進入嚴重非線性區，調門系統的響應特性嚴重惡化，導致調門進入振蕩發散，調門振蕩幅度從25%～100%，機組功率也相應振蕩，如圖3。由于調門系統的物理結構處于單閥與順序閥之間，再加上調門的開度在非線性區運行導致調門振蕩頻率從原來0.213 Hz 畸變為0.171 Hz。

圖3 單閥切換順序閥時機組功率振蕩發散

在第4 階段，DEH 控制退出功率回路，調門控制從閉環控制轉為開環控制，由于不存在反饋控制，機組調門的振蕩立刻消失，功率振蕩也同時消失，如圖4。

圖4 DEH 退出功率回路，機組功率振蕩消失

通過對1 號機組檢修歷史記錄和單閥切換順序閥試驗全過程的分析可以認為:試驗前退出CCS協調控制并投入DEH 功率回路后，由于DEH 功率回路PID 參數增益過大，加上DEH 邏輯中設置的高壓調門設計流量—開度曲線與實際調門流量—開度曲線有較大偏差2 個方面因素共同作用導致調門控制系統閉環控制穩定性較差，在擾動作用下容易產生等幅振蕩，并在單閥切換順序閥過程中振蕩發散。

3 優化與改進

3.1 優化PID 控制參數及仿真試驗

根據漸進式的方針，應用以下4 組不同PID 參數進行了仿真，并對結果進行比較，設置不同參數振蕩效果如圖5 所示。其中圖a)中，KP=0.5，TI=10。有20 MW 的振蕩。圖b)中，KP=0.1，TI=15。已消除振蕩，曲線更加平滑。

圖5 不同參數下振蕩效果圖

根據仿真結果，PID 參數選取KP=0.1，TI=15 可以消除功率振蕩，負荷波動小，運行更加平穩。

3.2 高壓主汽調門流量特性試驗及優化

針對1 號機組DEH 調門流量特性與實際相差較大，重新進行了DEH 調門流量特性試驗，并修正DEH 邏輯內調門流量特性修正函數，使調門流量特性修正函數與實際相符。

3.2.1 單閥方式下閥門流量特性

根據原參數和試驗后參數，計算流量需求及實際流量的關系，繪制曲線圖，得到單閥方式下閥門流量特性曲線，如圖6。

圖6 單閥方式下流量要求指令與實際流量的關系曲線圖

3.2.2 順序閥方式下閥門流量特性

根據原參數和試驗后參數，計算流量需求及實際流量的關系，繪制GV12，GV3，GV44 個閥門的曲線圖，得到順序閥方式下閥門流量特性曲線，如圖7。

3.2.3 控制回路參數優化及邏輯修改

根據仿真結果和高壓調門流量特性結果，對控制回路參數及邏輯做以下優化及修改:

1)DEH 功率控制回路PID 參數比例系數由1.0 修改為0.1，積分時間由10 s 修改為15 s;

2)DEH 邏輯中閥門流量函數按照試驗實測結果修改。

圖7 順序閥方式下流量需求與實際流量的關系曲線

4 驗證試驗

在對控制回路參數優化及邏輯修改后進行驗證試驗，試驗分2 個部分進行。

4.1 功率回路開環狀態順序閥切換單閥試驗

試驗前機組負荷210 MW，在不投入功率回路的情況下將順序閥切換至單閥，負荷最低到187 MW，最高223.4 MW，穩定在212 MW，負荷波動范圍－23～+13.4 MW。

4.2 功率回路閉環狀態單閥與順序閥互切試驗

試驗前機組負荷212.3 MW，投入DEH 功率控制回路，試驗數據見表1。

表1 功率回路閉環狀態單閥與順序閥互切試驗MW

從試驗曲線和數據看，經過DEH 功率控制回路參數優化和閥門流量特性曲線修改后的DEH 功率控制回路閉環下的單閥切換順序閥和順序閥切換單閥試驗已消除了功率振蕩現象，而且高壓調門動作曲線平滑，負荷波動很小。試驗結果也同時驗證了1 號機組功率振蕩的原因分析及采取措施的正確性。

5 結論

通過對1 號機組功率振蕩調查，對功率振蕩的原因進行深入的分析及仿真，確認功率振蕩的原因是:DEH 功率回路PID 參數增益過大，加上DEH邏輯中設置的高壓調門設計流量—開度曲線與實際調門流量—開度曲線有較大偏差兩方面因素共同作用導致調門控制系統閉環控制穩定性較差，在擾動作用下容易產生等幅振蕩，并在單閥切換順序閥過程中振蕩發散。經過DEH 功率控制回路參數優化和閥門流量特性曲線修改后已消除汽輪機單/順序閥切換過程中的功率振蕩現象。

〔1〕李丹，蘇為民，張晶，等． 內蒙古西部電網振蕩的仿真研究〔J〕． 電網技術，2006，30(6):41-47．

〔2〕湯涌． 電力系統強迫功率振蕩的基礎理論〔J〕． 電網技術，2006，30(10):29-33．

〔3〕韓志勇，賀仁睦，馬進，等． 電力系統強迫功率振蕩擾動源的對比分析〔J〕． 電力系統自動化，2009，33(3):16-19．

〔4〕董超，云雷，劉滌塵，等． 原動機周期性擾動引發強迫功率振蕩特性研究〔J〕． 電網與清潔能源，2012，38(4):35-46．