瀑布溝電站機組低頻振蕩分析與抑制措施研究

向文平，孫艷景

（國電大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 雅安625304）

頻率、電壓作為衡量電力系統安全穩定運行的重要指標之一，其動態行為特性非常復雜。隨著大型水電站的不斷建成投運及遠距離輸電系統的增加，相關的安全穩定問題更加復雜。特別是西南電網與華中電網由同步交流聯網轉為異步直流聯網運行后，頻率控制、低頻振蕩問題變得更加突出。大型水輪發電機組運行中如果發生單機振蕩，某些條件下甚至可能引發整個電網的低頻振蕩。水輪機“水錘效應”對機組有功調節和運行穩定性的影響比較突出，同時，如果調速器和監控系統有功調節參數設置不當，都易發生單機強迫振蕩現象，需要引起高度的重視。目前關于大型水輪發電機組有功調節過程中由于水錘效應過大導致低頻振蕩現象的研究文獻還不夠多，本文通過對瀑布溝水電站機組有功調節過程中單機低頻振蕩原因分析、有功調節參數優化及試驗研究，初步總結了機組“水錘效應”偏大現象的抑制思路和措施。

1 異常現象

瀑布溝水電站位于四川省漢源與甘洛兩縣交界處、大渡河中游，電站裝設6臺水輪發電機組、單機600 MW，通過4回500 kV線路輸送至東坡變電站。水庫總庫容53.9億m3，具有不完全年調節能力，為四川電網主力調頻調峰電站。電站于2009年底首批2臺機組發電，2010年12月全部機組投產。

2018年6月份，瀑布溝水電站3 F機組運行期間出現了較為明顯的有無功及電壓波動現象，其中機組無功波動最大幅值超過50 Mvar，有功最大反調量超過30 MW，相電壓最大波動幅度超過0.2 kV，該振蕩現象持續時間約1 min。波形見圖1。

圖1 單機低頻振蕩現象

2 原因分析

通過PMU波形分析，瀑布溝電站除3F機組外其他機組運行中也存在類似情況。在機組有功大幅度調節時（如單次有功調節變幅超過200 MW）現象比較明顯，小幅度調節時現象有所減弱，有功調節結束后振蕩現象自行消失。

該現象在增、減機組有功過程中均有發生，且一次負荷調節過程有功反調現象多次出現，機組有功反調進而引發無功和電壓隨之大幅波動。根據以上現象，初步判斷單機低頻振蕩系水輪機“水錘效應”偏大所引發。

2.1 水錘效應現象

水管內壁光滑、水流動自如的理想工況下，當打開的閥門突然關閉，水流對閥門及管壁會產生一個壓力，后續水流在慣性的作用下，迅速達到最大，并產生破壞作用，這就是正水錘；相反，關閉的閥門在突然打開后，也會產生水錘，叫負水錘，也有一定的破壞力，但沒有前者大，以上為水利學當中的“水錘效應”。

由于水輪機壓力管道中水流的慣性，水輪機中的水流變化滯后于其導水葉開度的變化。當導水葉開度增大時，引起水流量具有增大的趨勢，但是水壓減小，使得水輪機的輸出功率不是瞬時增加，而是先暫時減小后再增加；反之亦然，這種現象即為水輪機組的“水錘效應”。

電力系統動態過程中，理想水輪機的輸出功率變化量[1]為：

式中ΔPm為水輪機的輸出功率變化量；Tw表示水流時間常數；Δμ為導水葉開度變化量。

式（1）中右側分子中的“負號”即從數學的角度描述了水輪機的水錘效應。

瀑布溝水電站機組投產時中國電力科學研究院及四川省電力工業調整試驗所出具的水輪機及其調節系統模型參數測試報告如圖2所示，圖中可以清晰的看出水錘效應導致增減負荷時機組產生了較大的有功反調現象。

圖2 水錘效應有功反調波形圖

2.2 水錘效應大小

剛性引水管道水錘效應的數學表達式[1]為：

其中q為流量增量，h為水頭增量，Tw為水流時間常數。

從（2）表達式可以看出，由于Tw為固定值，流量變化率即導葉動作速度是影響水錘效應大小的關鍵因素。

2.3 振蕩原因分析

瀑布溝水電站監控系統采用北京中水科水電科技開發有限公司H9000-V4系統，調速器系統采用長江三峽事達電氣有限責任公司PFWT-200-6.3-STARS型微機調速器。

機組有功調節通過監控系統與調速器相互配合實現，監控系統脈沖比例調節、調速器開度調節，即監控系統根據目標有功與當前實發有功差值計算并發出調節脈沖到調速器，調速器動作于導葉開度。機組單次有功調節不是發出一個脈沖、一次將導葉動作到位，而是由監控系統根據機組有功反饋發出多個脈沖進行多次調節，中間存在脈沖等待間斷時間，相應的導葉也是非連續的多次動作（波形圖中顯示導葉開度為階梯狀而不是一條直線），故水錘效應會多次影響，有功會出現多次反調，無功和電壓隨之反復波動。瀑布溝水電站監控系統調節脈沖寬度和等待時間見計算公式（3）和（4）。

監控系統調節脈沖寬度：

其中Diff-ABS為目標有功與實發負荷差值，K為有功調節系數，TGAP為脈沖補償時間（實際設置為0），TPMIN為最小脈沖寬度（實際設置為0）。

監控系統脈沖等待時間：

其中TPAC為脈沖等待時間比例系數，TPAMIN為脈沖等待補償時間。

3F機組參數優化前有功調節波形見圖3。

圖3 3 F機組參數優化前有功調節波形圖

3 抑制措施

根據圖1和圖3，水輪機“水錘效應”偏大對機組有功調節平順性產生了明顯的影響，但目前無法通過技術手段從根本上徹底消除，只能嘗試采取技術措施抑制其不利影響。

根據公式（2），影響水頭增量h的關鍵因素是流量變化率，理論上通過降低導葉動作速度可有效抑制水錘效應偏大的問題。經以上分析，可嘗試通過修改監控系統或調速器有功調節參數，減慢導葉開關速度對低頻振蕩現象進行處理。瀑布溝水電站采取優化監控系統參數的方式進行試驗處理。

根據公式（3），通過減小監控系統有功調節系數K，可以縮短單次監控發出的調節脈沖寬度，進而降低導葉動作速度。嘗試將調節系數K值由原來的2逐漸減小進行錄波測試，最后發現K值設為0.2時，振蕩現象基本消失，有功調節曲線變得平滑，無功及電壓穩定無變化。但將有功調節系數K值減小后，有功調節速度隨之大幅減慢。為彌補K值減小的影響，將脈沖等待時間TPMIN相應的縮短，由1.5 s修改為1 s，實現了有功調節平滑性和速度的平衡。參數修改后，3 F機組有功調節波形見圖4。隨后對其他機組相關參數同步進行了優化。

圖4 3 F機組參數優化后有功調節波形

4 結束語

大型水輪發電機組有功調節方式基本相同，大部分都采用監控系統與調速器脈沖調節實現，在有功調節過程中“水錘效應”影響所導致的類似現象某種程度上普遍存在。對機組有功調節過程中“水錘效應”影響的分析和處理，為解決該問題積累了寶貴的經驗，對避免電網低頻振蕩、保證電網安全穩定運行也有積極的意義。