水電站水體機電耦合振蕩研究及對策

向 科，張家治

（葛洲壩電廠，湖北省宜昌市 443002）

0 引言

某電站位于長江中上游，屬于低水頭徑流式電站，設計水頭18.6m，大壩全廠2606.5m，有大江和二江兩個電站。該電站于2016年5月16日和2017年4月13日、5月10日發生了上游水庫水位和機組有功功率的耦合振蕩（以下簡稱5.16、4.13、5.10振蕩），如圖1、圖2、圖3所示，雖然電廠運行人員及時地發現了振蕩現象，并采取有效措施很快平抑了振蕩，未給電網和航運的穩定運行造成不良影響，但由于此類振蕩不僅嚴重影響電廠的發電效益，而且對電網穩定運行和航運安全構成了較大威脅，因此，本文著力研究水電站水體機電耦合振蕩的原因，并提出有效預防振蕩的技術措施，以防止類似振蕩再次發生。

1 振蕩現象

2016年5月16日，17F機組A級檢修完成后進行甩完負荷試驗，試驗完成后全部機組AGC投入，但12F AGC中途在21：05退出，21：50手動投入；類似有14F、15F、19F。振蕩發生的第一階段：18：30開始出現小幅震蕩現象，持續至21：00左右；第二階段：21：00之后，功率波動開始發散，大江最大波幅220MW，二江最大波幅為59MW，大二江波動反向，波動周期155s。庫水位震蕩幅度在65.47～66.30m之間波動，期間最大幅度0.91m。

2017年4月13日，大江負荷從6：30～7：30由1100MW增加到1550MW，大江、二江全廠AGC均投入網控方式，12F、14F、15F單機AGC未投入，只投入P調節。振蕩發生的第一階段：7：30～14：30，大江負荷小幅波動，幅度為20MW左右；第二階段：14：30～16：30，功率波動開始發散。大江有功波動最大120MW，二江有功波動最大50MW，大二江波動反向，波動周期150s。某上游水位在63.6～64.3m之間波動，期間最大幅度0.64m。

2017年5月10日，大江、二江全廠AGC均投入網控方式，9F、12F、14F、15F單機AGC未投入，只投入P調節。大江負荷自1600MW到1740MW調整，二江負荷自1010MW到870MW調整，負荷調整自19：22開始，19：24電站出力發生異常波動，大江電廠有功波幅最大100MW，二江電廠有功波幅最大34MW，大二江波動反向，波動周期150s。上游水位在63.32～63.68m之間波動，期間最大幅度0.36m。

2 邊界條件的確定

功率波動可能由多種原因引起，我們對可能引起功率波動的原因進行了逐一分析，得出了引起功率波動的邊界條件。

圖1 5.16水位與出力圖Figure 1 The relation of water level and active power in May 16th

圖2 4.13水位與出力圖Figure 2 The relation of water level and active power in April 13th

圖3 5.10水位與出力圖Figure 3 The relation of water level and active power in May 10th

一次調頻：由于三次功率波動期間，電網系統頻率穩定，一次調頻未動作，因此可以排除一次調頻的原因。

系統振蕩：三次功率波動期間，電網系統穩定，未有振蕩事件發生，且大江、二江電站之間無直接的電氣連接，但大江、二江功率反向波動，說明由于系統振蕩引起的原因可以排除。

AVC、勵磁和PSS系統：三次功率波動期間，系統電壓穩定，機端電壓穩定、無功功率穩定，可以排除勵磁和PSS系統問題。

水位波動：三次波動都有針對水庫的擾動源存在，庫水位波動現象明顯，因此功率波動應和水位波動關系密切。

AGC：三次波動都是AGC退出后才逐漸平息，特別“5·10”期間，先退出AGC后功率波動有收斂趨勢，后投入AGC功率波動又擴散，說明AGC和功率波動關系密切。

LCU及調速器系統：功率執行環節的延時會加大功率波動趨勢，因此LCU及調速器系統和功率波動有一定關系。

通過對功率波動邊界條件的分析，我們認為此次功率波動應該屬于水體機電耦合振蕩。

3 水體振蕩起因

通過對這幾次的波動數據進行分析，發現大江機組的波動相位相同，二江機組的波動相位相同，大二江機組波動相位相反，波動周期都在150s左右。我們試圖從水庫波動理論[1]中找出原因。

起波：假設調整前流量為Q（0），水能包括動能和勢能，調整過程的流量為Q（t），二江出庫流量下降，由于水流慣性力（動能），從機組活動導葉開始到機組進水口再到二江進水流道的水位上升，形成水位波動。

二江“池塘”內波動：機組引水口中心的高程為29m，導流坎高達46.8m，二江水波受黃草壩防淤堤和導流坎的“壓迫”（反射作用），造成“池塘”內水位整體抬升，并向右下方傳播，水波可分解為大江方向和上游方向。假設二江機組在開度模式下運行，水位上升導致機組流量增加，加上重力的作用，從而導致水位下降。

二江與大江之間波動：二江水位波動越過二江導流坎和大江導流坎以淺水波形式向大江傳播。

大江“池塘”內波動：大江導流坎高程達到51.5m，當二江水波進入大江“池塘”后，這個波動在大江防淤堤、大壩和導流坎之間反射，使大江“池塘”水位呈現整體變化態勢，引起大江“池塘”水位整體波動，并疊加了小周期的波動。

通過淺水波理論[2]，可以推導出水體振蕩周期在150s左右，水深越高，周期越短，如圖4所示。和振蕩現象吻合。說明當水體有外部激勵導致周期為150s的振蕩是水庫的固有特性。

圖4 不同水面高程對應的振蕩周期示意圖Figure 4 Schematic diagram of oscillation periods corresponding to different water levels

4 水體振蕩和功率調節的關系

當水庫在外部激勵的條件下產生固有周期的振蕩，必然會引起全廠功率的周期性變化，而全廠機電系統為了保證功率穩定而進行調節，機組功率調節周期被動跟隨水庫的振蕩周期，后機組功率調節和水庫波動相互促進，導致波動加劇。

由于LCU的PID調節是有死區的，當水位波動引起的功率波動在死區范圍內時，LCU是不調節的，這時功率波動被動跟隨水位波動。當水位繼續上升導致功率超出死區后，LCU會反向調節，由于LCU是6s調節一次脈寬，初始脈寬很小，功率繼續上升，第二次、第三次脈寬會較大，導致功率會提前水位見頂，所以表現為P調節投入時功率波動相位超前水位波動相位[3]，如圖5所示。

要分析AGC和P調節在波動中所起的作用，首先要對AGC的調節策略、P調節的控制原理進行分析[4]。機組負荷調節全過程如圖6所示。

圖5 2017年4月13日調節相位圖Figure 5 Regulation phase diagram in 2017 April 13th

圖6 負荷調節全過程Figure 6 Whole process of load regulation

AGC分配策略為：AGC設定值=AGC總給定-未投入AGC機組的實發值。當AGC設定值變化小于25MW時，啟動小負荷分配算法，小負荷分配算法如下：AGC觸發小負荷分配條件后，根據需要調節負荷的大小，選取調節裕度最大的一臺或幾臺，剩下的機組設定值跟蹤實發值。當AGC設定值變化大于25MW時，啟動等比例分配算法，等比例分配算法如下：AGC觸發等比例分配條件后，所有投入AGC的機組按照容量大小等比例分配。此時有機組未投入AGC的情況下，AGC設定值=AGC總給定-未投入AGC機組的實發值。因為AGC為保證全廠負荷恒定，一旦水位波動導致未投入AGC機組的實發值發生波動，AGC必然會反向調節，會對AGC的設定值有較大影響。并且等比例分配算法啟動后，AGC設定值的變化會反應在所有投入單機AGC的機組上，且調節方向一致。

LCU采用定頻調脈寬的方式對機組負荷進行PID調節。

調速器調節原理：在并網狀態下，調速器在沒有進入一次調頻模式之前，均是在開度模式，接受LCU的開度調節指令，導葉動作，輪葉根據協聯曲線進行隨動，實現開度閉環。

結合AGC、LCU、調速器的調節原理，通過對三次功率波動過程分析，可以得出以下結論（見圖7）：

（1）全廠AGC投入，功率波動幅度小于等比例負荷分配門檻時，波動會維持或逐漸平息。

（2）在全廠AGC投入、有機組AGC退出或P調節退出的情況下一旦波動幅度超過等比例負荷分配門檻，波動會快速發散，退出AGC機組數量與波動發散速度強相關。

當壩前水位降低/升高→未投AGC或P調節的機組負荷降低/升高→AGC會安排其他機組進行補償，開/關導葉→壩前水位進一步降低/升高→加劇未投AGC或P調節的機組負荷降低/升高，形成強正反饋。

（3）AGC退出、P調節投入的情況下功率波動可能會緩慢收斂。

（4）AGC退出、P調節退出的情況下波動會快速收斂。

“5·10”時9F、12F、14F、15F的AGC在退出、P調節在投入，由于大二江之間快速轉移負荷，水位發生波動，4臺未投入AGC的機組負荷一開始波動就超過等比例負荷分配門檻，此時AGC在所有投入AGC的機組之間進行等比例分配，從而形成全廠的調節同步，與水位波動形成正反饋，快速發散。

通過對AGC算法的模擬，可以看出一旦波動超出等比例負荷分配門檻后，大負荷偏差會頻繁觸發等比例分配，使全廠機組步調一致，加大了水位的波動。并且，執行環節的延時容易引起系統的震蕩。AGC需要用50s后的功率值來彌補當前未投入AGC機組的功率波動，本身就會造成波動的疊加。

圖7 水體機電耦合振蕩關系Figure 7 The relationship of water body and electromechanical coupling oscillation

5 水頭波動對機組負荷的影響

通過對各種因素的分析，水頭波動對機組的影響主要有：

（1）由于該電站是低水頭雙調機組，水頭運行范圍是9.1～27m，對水頭變化的反應明顯。

（2）水頭升高、降低，勢能增加、降低，必然會導致機組負荷升高、降低。

（3）在水位一個波動周期內，水頭的變化必然引起機組效率的變化，調速器輪葉會調整開度以滿足協聯要求，放大了機組負荷的波動反應。

通過查看8F運轉特性曲線發現，當導葉開度在72%恒定，水頭20±0.5m的情況下，負荷波幅可達到±5MW。

通過查閱21F的振擺數據，可以看出隨著水位、功率波動，振擺也在周期性的波動，說明機組的效率也在發生變化，反過來也會對功率產生一定的影響。

6 波動原因總結

綜上所述，我們可以得出水體機電耦合振蕩的原因如下：當水體存在擾動源時，如甩負荷，快速調整負荷等，造成壩前水位波動，周期性升高或降低，此時機組的功率必然隨著水位的波動而周期性地升高或降低，未投入AGC的機組負荷周期性地升高或降低，AGC為了保證全廠功率很定，其分配值必然反向波動，周期性地減少或增加，投入AGC機組的導葉關閉或打開，又加劇了壩前水位的波動，形成正反饋。波動快速發展的三要素為：擾動源，引起水位周期性波動；有多臺機組未投入AGC或P調節；等比例分配頻繁啟動。

7 解決方案

由于該電站機組的低水頭、雙調機組的特性，壩前水位波動難以避免，為防止水體機電耦合振蕩的形成，我們著力于以下幾點：

（1）將（全廠AGC分配值=全廠總有功給定值-未投入AGC機組的實發值）的策略修改為（全廠有功分配值=全廠有功設定值-未投入AGC機組的PLC返送有功設定值）。

（2）盡量避免多臺機組AGC或P調節未投入的運行方式。

（3）一旦發生水體機電耦合振蕩，立即退全廠AGC和P調節，置調速器于開度模式，切斷正反饋路徑。

8 結束語

對于新策略的安全性和可靠性，通過MATLAB仿真模擬多種工況，新策略能夠有效防止水體機電耦合振蕩，保證機組的安全穩定運行。將新策略應用后，全廠負荷明顯穩定，在2018年的歲修甩負荷試驗中，水體仍有振蕩，但全廠出力穩定，水體振蕩很快消除，從而證明了水體機電耦合振蕩解決策略的有效性。