大型水輪機組低頻振蕩分析及應對

王 剛，劉金華，虞 濤

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

當電力系統受到擾動時，發電機轉子間會出現相對搖擺（功角變化）、輸電線上的功率會振蕩的現象，其波動頻率一般為0.2~2.5 Hz，因其振蕩頻率較低，故稱為低頻振蕩。低頻振蕩會引起兩個電網系統間失步、機組與系統間失步而造成解列，嚴重威脅電力系統的穩定，若振蕩源不能被及時鎖定并消除，可能發生持續振蕩現象，擴大事故范圍。

1 低頻振蕩產生機理及應對措施

國內外對于低頻振蕩的研究已有較長時間，在產生機理方面主要有負阻尼機理[1]、強迫共振機理[2]和非線性機理[3，4]，負阻尼機理和強迫共振機理在解釋低頻振蕩現象時最為常用。

1.1 負阻尼機理

1969年，Francisco P.Dlmello以單機無窮大系統為對象，利用阻尼轉矩的概念對低頻振蕩產生的機理進行了研究[1]，研究表明：由于勵磁系統存在慣性，快速勵磁系統放大倍數較高，這樣會使系統產生負的阻尼轉矩，進而減弱或抵消系統固有的正阻尼轉矩，系統總的阻尼特性變弱，甚至出現負阻尼，一旦系統出現擾動，其振蕩過程很難衰減或者振蕩逐漸增幅，從而導致系統失穩[1]。

1.2 強迫共振機理

共振機理認為，當電力系統受到外界一周期性干擾信號作用時，如果該干擾信號頻率和系統固有頻率比較接近，線路有功功率等參數將發生大幅共振[2]。

以單機無窮大系統、發電機取二階經典模型進行研究，其固有振蕩頻率f為：

式中：K1為同步功率系數；ω0為工頻角頻率；T為發電機轉子慣性時間常數；δ0為工頻功角；E＇為電源電動勢；U為系統電壓；XΣ為系統等值電抗。

從公式（1）、（2）看出，等值電抗XΣ越大，固有振蕩頻率f越小，對于大機組、長線路系統來說，不僅等值電抗較大，在正常運行時，由于機組多數時間處于進相運行狀態，δ0也較大，其固有振蕩頻率更低，故在擾動出現時多表現為0.2~2.5 Hz的低頻振蕩現象。

1.3 低頻振蕩現象及應對措施

在系統發生瞬時擾動時，如短路、切機、切負荷等，在大機組、長距離、重負荷的輸電線路上及高放大倍數勵磁系統機組上，極易發生因系統阻尼不足引發的低頻振蕩。即使系統阻尼情況良好，由于瞬時擾動的傳播或由于其他周期性小擾動作用（對于發電機組而言，如機組尾水壓力脈動、調速系統試驗注入電壓、電流信號干擾等），均可能發生強迫共振引發的低頻振蕩。

圖1為2005年10月29日華中電網低頻振蕩曲線，起初是因系統阻尼不足引發低頻振蕩，后引發三峽機組的強迫低頻振蕩。從圖1可以看出，系統因阻尼不足產生的振蕩是一個幅值隨時間變化的振蕩波，如果系統阻尼足夠，隨著時間的變化，振蕩波逐漸平息，反之將擴散；系統因共振產生的振蕩波為一個等幅值的震蕩波（當擾動頻率與固有頻率相等時幅值最大），其不隨時間變化，擾動源消失后，振蕩隨即平息。

圖1 典型低頻振蕩曲線

在發生負阻尼機理低頻振蕩時，一般可通過降低發電機出力，提高系統電壓，增加系統阻尼，使得振蕩平息下來，也可通過增強系統網架結構，機組勵磁系統加裝電力系統穩定器（PSS）預防負阻尼機理低頻振蕩的發生。

在發生強迫共振機理低頻振蕩時，必須準確定位外來擾動源并予以消除，或立即進行系統運行方式調整，如解列振蕩線路或機組，避開擾動源的干擾，才能使振蕩現象消失。

2 具體事例分析

2.1 因系統阻尼不足引起的低頻振蕩分析

二灘電站送出系統屬于典型的大機組、長距離、重負荷輸電系統，在投運初期，曾多次發生低頻振蕩現象：如2001年8月3日20:55~20:57，二灘電站系統電壓在532~539 kV之間波動，全廠總有功功率在2 460~2 590 MW之間波動，系統頻率在49.95~50.05 Hz之間波動，單機有功功率有20~30 MW的波動，單機無功功率有10~20 Mvar的波動[5]。

分析發現，機組勵磁系統設計存在缺陷，勵磁V/Hz限制環節不僅限制了勵磁給定信號，而且限制了PSS輸出信號，在系統電壓偏低機組相繼增加勵磁進行調壓時，多臺機組PSS功能同時退出，系統阻尼由強阻尼轉變為弱阻尼，導致低頻振蕩，后對勵磁系統進行改造，運行至今，未再出現此類情況的低頻振蕩。

改造后的勵磁系統采用轉速ω和電功率Pe雙輸入的加速型功率信號PSS，當發電機受到系統擾動或機組低頻振動時，PSS檢測到有加速型功率信號輸入，PSS產生輸出疊加在AVR上進行快速調節。

圖2 二灘電站PSS模型

在系統發生波動或本機電氣量引起電功率變化時，PSS將輸出信號抑制波動，當原動機功率改變時，速度信號變化較小，以加速功率為信號的PSS基本沒有輸出。

2.2 因強迫共振引起的低頻振蕩分析

2016年3月29日二灘3號機進行手動調節負荷過程中，發生了頻率約0.598 Hz的負荷波動現象，約40 s后隨著工況改變，波動平息，該過程未引起其他機組振蕩，也未導致全廠負荷波動擴大。見圖3所示。

圖3 3 F有功、無功變化情況

分析發現，此次低頻振蕩現象是由于機組負荷進入渦帶工況區，因與渦帶頻率共振產生的低頻振蕩現象。二灘機組渦帶工況區的負荷范圍與水頭及機組有關，渦帶工況區的負荷范圍大約為180~380 MW，渦帶頻率約0.6 Hz，且渦帶頻率不是一個常數[6]。對于混流式機組，尾水管渦帶壓力脈動現象不可避免，二灘通過優化大軸補氣方式、泄水錐形式等手段來進行解決，也只能在一定程度上減小影響范圍。目前看來，通過優化機組運行工況，快速進行負荷調整以避開渦帶工況區是避免產生強迫共振低頻振蕩最直接有效的手段。

3 結語

對于低頻振蕩，電站運行值班人員需要注意以下3點：

（1）低頻振蕩現象不易被發現，正是這種隱蔽性，事故極易擴大。

（2）充分認識低頻振蕩產生機理很有必要，力求在實際工作中予以避免：合理安排機組和廠用電運行方式，嚴格按照逆調壓原則進行系統電壓調整，提高系統等值電氣參數，時刻關注勵磁PSS運行情況，為系統提供足夠阻尼；在允許的有功調節幅值內（二灘單次有功最大變幅為80 MW）進行負荷調節，快速使機組跨越不穩定運行區。

（3）出現低頻振蕩時，因現象不同，處置措施將不同：對于因阻尼不足引發的低頻振蕩，應采用退出機組AGC、AVC，減小有功、增加無功提高系統電壓的措施，對于減負荷操作，應對大負荷機組進行減負荷操作，對未投入PSS的低負荷機組反應適當增加出力，讓其PSS立即自動投入；對于因渦帶共振產生的低頻振蕩，應盡量避開該工況運行，在手動跨越機組振動區時，在滿足調節速率的前提下快速調整。

基于上述3點注意事項另提出3點建議，供電站運行維護管理人員參考：

（1）電站現地應配置低頻振蕩判別裝置，信號送CCS，便于電站運行人員第一時間發現低頻振蕩現象并及時正確采取應對措施。

（2）勵磁PSS一般按照機組負荷值進行自動投退，能否增設人工投退功能，在系統發生低頻振蕩時，低負荷機組因不滿足條件可能未自動投入PSS，且按調度處置原則，電站應立即減少出力，如果操作不當可能導致其他機組PSS自動退出。

（3）關于機組調節速率，在滿足機組、調速系統設計要求及電網輔助服務對電站調節速率要求的前提下，適當增加有功負荷單次調節幅度值，進一步縮短機組跨越不穩定運行區時間。