火電機組引發(fā)低頻振蕩原因分析及抑制措施

秦皇島發(fā)電有限責任公司 薛 茜

隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問題日益突出。電網(wǎng)側普遍安裝了低頻振蕩檢測軟件，對發(fā)生有功功率低頻振蕩的電廠進行電量考核。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，其有可能導致發(fā)電機軸系損壞、系統(tǒng)電壓過高等后果，危及電源側和電網(wǎng)側的安全運行。為了預防發(fā)電機組發(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 機組引發(fā)電網(wǎng)功率振蕩機理

1.1 低頻振蕩機理[1]

強迫振蕩機理與負阻尼機理可解釋絕大部分由機組引發(fā)的有功功率振蕩。負阻尼機理認為電網(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值，系統(tǒng)受擾后引發(fā)的功率或頻率波動。強迫功率振蕩理論則認為電力系統(tǒng)有其固有頻率，當系統(tǒng)中存在持續(xù)的周期性擾動，且擾動頻率接近其固有頻率時，容易造成共振和強迫功率振蕩。根據(jù)負阻尼機理設計的勵磁PSS系統(tǒng)已經(jīng)在各火電機組強制投入運行且效果顯著。即便如此，機組控制系統(tǒng)及其本體缺陷可造成機組向系統(tǒng)持續(xù)注入周期性的功率波動，仍會引發(fā)系統(tǒng)低頻振蕩現(xiàn)象。導致機組低頻振蕩的強迫振蕩和負阻尼機理其特性對比見表1。

表1 由強迫振蕩和負阻尼機理引發(fā)的低頻振蕩特性對比

1.2 機組引發(fā)低頻振蕩的主要因素

機組引發(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

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

1.2.2 外界擾動引入

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

2 機組低頻振蕩原因分析

2.1 勵磁系統(tǒng)原因

當機組勵磁系統(tǒng)發(fā)生控制不當時，容易造成系統(tǒng)阻尼比由正轉負，從而導致低頻振蕩。勵磁調(diào)節(jié)器主要參數(shù)設置錯誤、勵磁系統(tǒng)二次回路異常（比如轉速信號故障）、限幅環(huán)節(jié)異常、勵磁系統(tǒng)硬件故障、PSS異常等，都有可能使系統(tǒng)阻尼由正變負，進而引發(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調(diào)速系統(tǒng)控制，其響應速度為秒級，與低頻振蕩頻率十分接近。若調(diào)速系統(tǒng)存在設備故障或參數(shù)設置不當時，容易導致熱力系統(tǒng)向電氣系統(tǒng)注入功率發(fā)生頻繁波動，這種情況機組作為強迫振蕩源很容易引發(fā)系統(tǒng)發(fā)生強迫振蕩。

2.2.1 DEH控制邏輯、控制參數(shù)設置不合理

火電機組大多采用DEH系統(tǒng)控制汽機調(diào)門的開度從而實現(xiàn)對汽輪機功率的控制。若DEH中的控制模型與實際系統(tǒng)偏差較大時，就可能導致調(diào)節(jié)汽門來回抖動，從而造成汽機進汽壓力、進汽量周期性波動進而引發(fā)低頻振蕩。

DEH中的調(diào)門特性函數(shù)與實際特性不一致，是常見的由控制參數(shù)設置不合理引發(fā)的低頻振蕩的原因，這種情況會造成機組在功率調(diào)整的過程中頻繁、往復地調(diào)節(jié)汽門開度，從而導致汽門頻繁抖動。調(diào)門的磨損、老化會導致調(diào)門的流量-開度特性逐漸改變，從而造成DEH中設置的調(diào)門特性與實際調(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)門的重疊度設置不合理，在順序閥控制模式中，在一次調(diào)頻頻繁動作等情況下，也會導致某1～2個調(diào)門的頻繁打開、關閉從而引發(fā)強迫功率振蕩。

2.2.2 EH油系統(tǒng)設備及調(diào)門本體故障

DEH輸出的調(diào)節(jié)信號由電液執(zhí)行機構轉化為調(diào)門的實際開度，當執(zhí)行機構出現(xiàn)故障時可能會造成機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，這些故障會造成調(diào)門的卡澀和動作滯緩。由此會造成調(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導致調(diào)門進汽量變化頻繁，這會引發(fā)機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

汽機蒸汽壓力的動態(tài)變化也可能造成機組輸出功率的波動。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。在汽機快關調(diào)門的過程中，如果蒸汽壓力出樣脈動，并且此脈動壓力造成汽機功率振蕩頻率接近系統(tǒng)固有振蕩頻率，就有可能會引發(fā)低頻振蕩。

2.2.4 一次調(diào)頻參數(shù)設置不合理

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)設置不合理，轉速不等率設置過小，比例調(diào)節(jié)作用太強，調(diào)頻量太大，都會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，在電網(wǎng)出現(xiàn)較大頻率擾動時可能會引起調(diào)門頻繁擺動，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號機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號機組發(fā)生低頻振蕩，4號機組低頻振蕩原因未分析清楚前不允許漲負荷。該廠專業(yè)工程師聯(lián)系電網(wǎng)PMU主站維護人員得知PMU主站加裝了低頻振蕩檢測功能，當檢測到低頻振蕩時會發(fā)出報警。按國網(wǎng)統(tǒng)一要求，報警條件設置為：機組有功功率出現(xiàn)0.1～2.5Hz振蕩，且振蕩幅值超過10MW、持續(xù)時間超過10個周波，則判斷為發(fā)生低頻振蕩。PMU主站維護人員當日未在主站現(xiàn)場，不能獲得當日的機組功率振蕩曲線，但維護人員早在4月25日做一次調(diào)頻遠程測試靜態(tài)試驗時，觀察到了該廠4號機組的功率振蕩情況并用手機拍照留存影像。以下是維護人員提供的4號機組4月25日發(fā)生功率低頻振蕩時的相關數(shù)據(jù)曲線（如圖1所示）。

圖1 2021年4月25日電網(wǎng)檢測到的功率振蕩情況

3.2 功率振蕩原因分析

經(jīng)該廠專業(yè)人員調(diào)取4號機組在相同時間段DCS系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)趨勢圖發(fā)現(xiàn)，4號機組汽輪機GV5調(diào)門動作趨勢與該負荷段內(nèi)機組有功波動一致，判斷GV5閥門快速、頻繁調(diào)節(jié)是引起機組有功波動的主要原因。

該廠4號機組在負荷215～245MW，汽輪機GV5調(diào)門在33%～44%開度范圍內(nèi)進行進汽主調(diào)，當超過此開度范圍時GV5將全開，GV6開啟參與調(diào)節(jié)。因GV5長時間運行后閥門流量特性發(fā)生劣化，在該負荷區(qū)間調(diào)節(jié)線性較差，由于此時系統(tǒng)頻率波動頻繁導致一次調(diào)頻功能頻繁動作，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)波動頻繁，導致功率發(fā)生振蕩，振蕩幅值、頻率及持續(xù)時間達到了電網(wǎng)檢測的報警標準。DCS檢測到的低頻振蕩相關數(shù)據(jù)趨勢圖如圖2所示。

圖2 2021年4月25日DCS檢測到的4號機組功率振蕩情況

3.3 4號機組功率振蕩消除措施

4號機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 機組引發(fā)低頻振蕩抑制措施

一是嚴格執(zhí)行定值管理制度，修改勵磁系統(tǒng)、一次調(diào)頻系統(tǒng)、DEH系統(tǒng)參數(shù)時嚴格履行審批手續(xù)，參數(shù)的修改要以試驗結果為依據(jù)，不得隨意更改。

二是加強涉網(wǎng)試驗管理，當機組大修后或據(jù)上一次試驗時間達到5年時，要及時進行勵磁系統(tǒng)PSS試驗、一次調(diào)頻試驗、調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)試驗，并根據(jù)試驗結果修改相關參數(shù)。

三是在電廠側PMU子站增加機組有功功率低頻振蕩檢測及報警功能，當發(fā)生低頻振蕩時運行、維護人員能夠及時知曉并迅速做出響應。

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

五是合理設置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)兩個調(diào)門反復交替開啟、關閉現(xiàn)象。

六是增加調(diào)門開度抖動檢測報警，當發(fā)生調(diào)門抖動時及時采取干預措施。

七是加強對電液執(zhí)行機構、EH油系統(tǒng)設備的檢修和維護，避免調(diào)門出現(xiàn)卡澀、動作滯緩等問題。

5 結語

本文針對由機組引發(fā)的低頻振蕩現(xiàn)象，給出了基于強迫振蕩和負阻尼兩種機理的理論解釋。梳理了導致低頻振蕩的主要因素，給出了預防機組發(fā)生低頻振蕩的針對性措施，對其他電廠有參考作用。