秦山核電站320MW機組有功功率異常波動的分析及處理

翟羽耀　賀斌　劉鑫

【摘 要】秦山核電站320MW機組功率發(fā)生異常波動，經(jīng)過對機組自身的原因分析和外部周邊220KV電網(wǎng)電廠的原因分析，確認異常波動的原因來自外部電網(wǎng)，擾動源主要是電網(wǎng)榮成自備電廠機組強迫功率振蕩時在電網(wǎng)中的傳遞過程所造成。通過現(xiàn)場測試，認定320MW機組阻尼比均明顯高于國家標準，秦山核電站320MW機組自身不易引發(fā)低頻振蕩。通過試驗及數(shù)據(jù)分析表明，榮成自備電廠機組汽輪機調節(jié)系統(tǒng)DDV閥在一定負荷水平下控制不穩(wěn)定，造成機組負荷波動，是系統(tǒng)中1Hz左右的強迫擾動源，是引起秦山核電站320MW機組等浙北部分機組發(fā)生1Hz左右功率振蕩的源頭。詳細介紹了采用投運電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置PSS和解決外部電網(wǎng)波動，消除機組有功功率異常波動擾動源的處理辦法。對電網(wǎng)低頻振蕩擾動源的快速定位和分析提出了建議。

【關鍵詞】有功功率；異常波動；原因分析；消除擾動；建議

【Abstract】An abnormal fluctuation was spotted in the Qinshan nuclear Power Plant 320MW unit， after launching the unit internal analysis and external surrounding 220kV power grid analysis， it is confirmed that disturbance is caused by a forced power oscillation in power system transmission process， which is owned by Rongcheng power plant unit.A field test has been found that the 320MW unit damping were significantly higher than the national standard， Qinshan nuclear power Plant of 320MW unit itself is not easy to cause the low frequency oscillation. The test and data analysis shows that Rongcheng power plant steam turbine regulating system of DDV valve control is unstable when under a certain load level， which caused the unit load fluctuation， system around 1 Hz forced disturbance source， is the cause of Qinshan nuclear power Plant units #1， such as northern part of unit 1 Hz oscillation power source.The operation of electric power system stabilizer （PSS） and the ways of solving the external power grid fluctuations， locating and eliminating power abnormal fluctuation disturbance source is thoroughly introduced in this paper. It so proposed a fast localization and analysis of the disturbance source of the low frequency oscillation in the power network.

【Key words】 Active power； Abnormal fluctuation； Cause analysis； Elimination of disturbance； Suggest

1 機組有功功率異常波動概述

2012年10月28日前，秦山核電站320MW機組功率維持在327MW左右（表1）。2012年10月28日開始，秦山核電站320MW機組功率主控室頻繁發(fā)生電功率表小幅異常波動，接近于等幅振蕩，波動范圍在317-340MW之間。其中10月28日2次、10月29日4次、10月30日2次，11月2日1次，11月3日1次，最長振蕩持續(xù)時間約37分鐘（11月3日10：08-10：45），最短持續(xù)時間約1分鐘。同時發(fā)現(xiàn)CB-505發(fā)電機功率表、CB-507發(fā)電機有功功率/定子電流、CB-536 2P59線路有功/電流、CB-535 2428線路有功/電流均出現(xiàn)較大晃動。DEH實際功率在320-336MW間波動，三個功率通道均出現(xiàn)波動，調門參數(shù)、調門開度未見大的變化，核功率穩(wěn)定。秦山核電站320MW機組DCS系統(tǒng)和PMU裝置捕捉并記錄了明顯的振蕩曲線。功率波動期間，經(jīng)與省調確認，電網(wǎng)無明顯異常。類似的現(xiàn)象在后續(xù)的時間時有發(fā)生。發(fā)電機有功功率波動，可能導致電廠重要設備損壞以及停機停堆等事故。

2 機組有功功率異常波動擾動源的排查分析

秦山核電站320MW機組發(fā)生功率振蕩后，根據(jù)WAMS及SCADA數(shù)據(jù)確認了功率振蕩的頻率、幅值等信息。考慮到秦山核電站320MW機組低頻功率振蕩可能是由于自身異常或者外部原因引起的，且國內也曾發(fā)生過由于汽輪機調門油動機設置不恰當引起的功率強迫振蕩事件，核查了秦山核電站320MW機組低頻振蕩期間機組歷史曲線，并對勵磁和調速系統(tǒng)進行了相關測試。

2.1 機組自身異常原因分析

機組歷史曲線表明數(shù)次負荷信號發(fā)生波動時，汽機調門位置反饋、調節(jié)級壓力、蒸汽流量、蒸發(fā)器水位等信號均穩(wěn)定、無異常，未發(fā)生與負荷類似頻率波動。汽機調門實際位置或閥前蒸汽參數(shù)未發(fā)生明顯變化，未導致進入汽輪機蒸汽流量改變，汽機抽汽量或背壓未發(fā)生明顯變化，在故障發(fā)生時汽機真空穩(wěn)定無異常，也可以排除真空導致的負荷波動，排除由于汽機側原因導致的功率波動。

對秦山核電站320MW機組的勵磁和調速系統(tǒng)進行排查。完成秦山核電站320MW機組PSS、勵磁等相關試驗。驗證PSS投入前后對抑制秦山30萬千瓦機組功率波動的影響（投入前后阻尼比分別約為8.3%、21.8%）。秦山核電站320MW機組PSS投入前后均能快速阻尼1Hz左右的功率波動，系統(tǒng)阻尼較強，且PSS投入后能夠增加系統(tǒng)的阻尼，功率波動能夠更快衰減。仿真計算和現(xiàn)場測試機組阻尼比均明顯高于國家標準，秦山核電站320MW機組自身不易引發(fā)低頻振蕩。

2.2 外部周邊220KV電網(wǎng)電廠異常原因分析

秦山核電站320MW機組功率異常波動事件發(fā)生后，調控中心高度重視，省調控中心通過周邊220kV變電站主變負荷SCADA數(shù)據(jù)排查，發(fā)現(xiàn)秦山核電站320MW機組歷次功率振蕩期間，220kV新華變主變及其110kV出線榮成1443線功率均發(fā)生較大波動，發(fā)生時刻與發(fā)電機功率波動時間段一致，二者有很強的相關性，而其他周邊變電站負荷波動較小。榮成1443線是榮成紙業(yè)自備電廠接入新華變的110kV聯(lián)絡線，初步懷疑是榮成紙業(yè)自備電廠運行異常導致榮成1443線和新華變負荷的大幅度波動。

省調組織省電科院和嘉興局赴榮成紙業(yè)自備電廠檢查。現(xiàn)場檢查榮成紙業(yè)自備機組的運行情況和DCS、故障錄波數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，秦山核電站320MW機組歷次功率波動期間，榮成紙業(yè)自備電廠機端功率均同時發(fā)生大幅度的1Hz功率波動，調速系統(tǒng)異常，轉速偏差在-50～50轉間大幅度波動。秦山核電站320MW機組功率振蕩期間，榮成自備電廠DCS記錄的機端電磁功率及蒸汽壓力典型曲線如圖1所示，機端電磁功率在0-60MW間大幅度波動。秦山核電站320MW機組功率振蕩期間，榮成自備電廠均在相同起止時間發(fā)生了1Hz的大幅度的功率振蕩，初步判斷是由于榮成自備電廠機組調速系統(tǒng)異常所致，并將其一次調頻的死區(qū)調整為±50轉。

試驗及數(shù)據(jù)分析表明，榮成自備電廠機組汽輪機調節(jié)系統(tǒng)DDV閥在一定負荷水平下控制不穩(wěn)定，造成機組負荷波動，是系統(tǒng)中1Hz左右的強迫擾動源，是引起秦山核電站320MW機組等浙北部分機組發(fā)生1Hz左右功率振蕩的源頭（圖2—圖4）。

3 機組有功功率異常波動擾動源的處理

3.1 投運電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置PSS

經(jīng)請示浙江省電力調控中心，由維修一處繼保班進行電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）試驗，PSS相關試驗完成，結果良好，并投運電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置PSS，機組保持無功功率在110MVar左右，功率因數(shù)0.95運行。

3.2 解決外部電網(wǎng)波動，消除擾動源

省調再次組織省電科院、嘉興地調相關專家赴榮成電廠對機組勵磁系統(tǒng)和調速系統(tǒng)進行測試檢查，經(jīng)分析并依照分析結果對汽輪機調節(jié)系統(tǒng)DDV閥進行了更換，并對DDV閥及相關輔助設備進行了徹底清洗。停機檢修結束后，榮成自備電廠機組滿出力運行，并在不同負荷點做頻繁升降負荷試驗，機組未再次出現(xiàn)負荷波動及轉速波動大幅度波動異常情況。

4 理論分析及仿真計算

強迫功率振蕩是近年來發(fā)展起來的一種低頻振蕩理論成果，它的理論是共振理論。在電力系統(tǒng)中，當原動機功率由于某種原因受到持續(xù)周期性強迫擾動時，發(fā)電機轉子運動方程會產(chǎn)生一個等幅不衰減的特解，當擾動頻率與系統(tǒng)固有頻率重合或者接近時，會引起較大幅度的穩(wěn)態(tài)功率波動。強迫功率振蕩與負阻尼機理有明顯的不同，其顯著特點是：

（1）起振快，從受到擾動到達到最大振幅一般只需幾個振蕩周期；

（2）振蕩過程中，基本保持等幅功率振蕩；

（3）振蕩的頻率與擾動信號的頻率一致，擾動頻率越接近系統(tǒng)固有共振頻率時，振蕩幅值越大，當與共振頻率相差值超過一定的范圍時，將很難激發(fā)振蕩；

（4）消失快，一旦擾動消失后，功率振蕩幅值大幅度減小。

發(fā)電機側的原動機擾動、勵磁系統(tǒng)擾動、調速系統(tǒng)擾動，以及電網(wǎng)側的負荷周期性沖擊、機組非同期并網(wǎng)等均可能激發(fā)強迫功率振蕩。

當榮成自備電廠機組輸入機械功率發(fā)生周期性強制變化時，相應頻率的功率成分將在電網(wǎng)中傳播。為了分析、驗證榮成自備電廠機組強迫功率振蕩時在電網(wǎng)中的傳遞過程，在BPA時域仿真計算過程中，在榮成自備電廠原動機機械功率上疊加一個1Hz左右的強迫功率擾動。秦山核電站320MW機組和榮成自備電廠機組不同出力水平下，榮成自備電廠機械功率變化量△Pm與電磁功率變化量△P間的關系如圖5所示。

可以發(fā)現(xiàn)，榮成自備電廠1Hz機械功率波動幅度與電磁功率波動幅度比值相對固定，而受秦山核電站320MW機組、榮成電廠機組起始功率水平影響較小。數(shù)值仿真計算表明榮成汽輪機電功率和機械功率放大倍數(shù)約為3。從功率振蕩期間DEH歷史曲線來看，均發(fā)生了汽輪機轉速大幅度波動的情況，根據(jù)汽輪機轉速算出來的閥位變動值（一次調頻信號）疊加到閥位目標值，導致汽輪機閥位的波動。在擾動的開始，轉速與功率幾乎同時發(fā)生變化，而汽輪機閥門的波動頻率與功率的波動頻率一致，汽輪機電功率和機械功率波動的幅度比約3～4，與上述的數(shù)值仿真計算結果比較接近。

此外，仿真計算也表明，榮成機組功率波動幅度與秦山機組波動幅度比值相對固定，而受秦山核電站320MW機組、榮成電廠機組起始功率水平影響較小。上述特征也與強迫擾動低頻振蕩特征吻合。

為了分析擾動源頻率變化時，榮成自備電廠機械功率變化量△Pm 與電磁功率變化量△P間的關系，在榮成自備電廠原動機機械功率上依次疊加0.6-2.5Hz強迫功率擾動（秦山核電站320MW機組及榮成自備電廠起始功率分別為320MW和15MW），榮成自備電廠△P/△P與擾動源頻率間的關系，△P/△P在f=1Hz時約為3，在f=1.2Hz時達到最大9.1（榮成自備電廠對主網(wǎng)的振蕩頻率）。

5 結論與建議

1）按照電力系統(tǒng)低頻振蕩理論進行了計算分析，秦山核電阻尼較高，達到了國家相關標準，經(jīng)省電科院現(xiàn)場試驗，自身不易引起1Hz 的低頻振蕩。

2） 試驗及數(shù)據(jù)分析表明，榮成自備電廠機組汽輪機調節(jié)系統(tǒng)DDV閥在一定負荷水平下控制不穩(wěn)定，造成機組負荷波動，是系統(tǒng)中1Hz左右的強迫擾動源，是引起秦山核電站320MW機組等浙北部分機組發(fā)生1Hz左右功率振蕩的源頭。

3）成自備電廠機組停機檢修并更換汽輪機調節(jié)系統(tǒng)DDV閥后，機組運行正常，未再次出現(xiàn)大幅功率振蕩現(xiàn)象。秦山核電站320MW機組現(xiàn)滿出力運行，運行正常。

4）220kV變電站PMU裝設數(shù)量極少，全省僅安裝了杭州變和金華變，遠遠不能滿足電網(wǎng)對低頻振蕩和強迫振蕩的監(jiān)測要求。由于SCADA數(shù)據(jù)采樣頻率的限制，這在一定程度上限制了低頻振蕩擾動源的快速定位和分析。建議各地區(qū)局根據(jù)地區(qū)電廠和自備電廠的情況，盡快在接入容量較大的220kV變電站裝設PMU裝置。

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[責任編輯：王偉平]