某大型水電站機組低頻振蕩現象分析

李博，鄭德芳，王秀梅，汪志華

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051）

低頻振蕩是電力系統的一種復雜動態行為，關系到電網設備的安全穩定運行，而電力系統的弱阻尼往往會導致低頻振蕩現象的發生。本文深入分析了電站各機組跨振動區時觸發低頻振蕩的歷次數據，根據建立的仿真模型，對低頻振蕩的產生機理進行了分析研究，并根據分析結果提出了相應的措施建議。

1 故障現象

1.1 低頻振蕩現象匯總

為梳理歸納電站機組低頻振蕩現象的規律，提取匯總了2016～2018年的歷次低頻振蕩事件數據，縱向對比如表1所示。

表1 低頻振蕩現象匯總

根據表1統計結果，各機組的低頻振蕩現象基本一致，均為在機組跨振動區調整負荷時發生，功率振蕩的頻率為0.5～0.6Hz，振蕩幅值和持續時間存在一定差異，但是機組跨過振動區后低頻振蕩現象自動消失。

1.2 調速器和勵磁動作情況

以3#機低頻振蕩事件為例，振蕩期間調速器側接收的外部功給信號正常，導葉調整穩定且無周期性波動的情況，因此調速器系統本身對電站低頻振蕩影響可能性很小；振蕩期間勵磁電壓與有功方向相反，說明勵磁系統工作正常，起到了抑制功率振蕩的作用。

綜上所述，歷次低頻振蕩現象的共有特點為機組跨振動區才會觸發，期間調速器和勵磁系統動作正確無異常，且隨機組運行至振動區以外時低頻振蕩現象均能夠自動消失。

圖1 調速器和勵磁動作情況

2 故障分析

2.1 振源分析

同電站關聯的共有5條線路，其中二普1線的線路最長，二欖1與二欖2線路其次，二石1與二石2線路最短。以3#機某次低頻振蕩現象為例，提取相關數據分析發現，起振順序為機組→二欖1線/二欖2線→二普1線，符合強迫振蕩特性，由于電力系統是個慣性系統，不同位置起振會存在超前-滯后關系，因此振動源方向指向了電站內部。

2.2 調速器仿真分析

水電機組中存在水錘效應，若調速器控制參數設置不合理，系統的阻尼和穩定性會得到惡化，水電機組占比過高會使得系統中出現超低頻振蕩。

圖2 調速器仿真

根據仿真結果，調速器導葉開度的控制輸出、導葉開度反饋的仿真與實測基本一致，并且在加入振動源后，仿真功率開始發生振蕩且與實測數據相仿，說明調速器控制系統邏輯正確無異常。模型加入擾動后，功率快速發生等幅振蕩，一旦擾動振蕩源消失，功率振蕩將大幅度衰減，此現象符合強迫振蕩的機理。根據試驗結果，判斷調速器系統控制正常不會導致低頻振蕩。

2.3 振擺、壓力脈動分析

混流式水輪機轉輪出水邊角度固定，在某些工況下水輪機出口水流必定具有一定圓周分速度，從而形成尾水渦帶，機組在進入渦帶工況區特別是典型渦帶區（振動區）長時間運行時，尾水管內會產生較強的渦帶頻率的壓力脈動，導致機組發生渦帶頻率的低頻振蕩，且尾水渦帶的頻率較低，一般為機組旋轉頻率的0.15～0.3倍。

圖3 振擺、壓力脈動情況

根據上圖可知，機組在振動區運行時，機組頂蓋振動、主軸擺度、蝸殼和尾水壓力脈動、有功功率存在低頻波動，波動主頻都約為0.6Hz，約為機組轉頻的0.24倍，與尾水渦帶的頻率相近，判斷以上低頻波動由機組運行在渦帶工況區時的尾水渦帶引發。

綜上所述，根據電力系統內各線路和機組的起振時間可以判定振動源指向電站內部；機組在跨振動區時，調速器系統調節穩定無異常，但是振擺、壓力脈動、有功功率均存在低頻振蕩的現象，其波動主頻與尾水渦帶的頻率相近，符合混流式水輪機水力振源中低頻尾水渦帶誘發機組低頻振蕩的機理。

根據以上分析，判斷機組跨振動區觸發低頻振蕩的主要誘因為其混流式水輪機的固有特性導致。

3 措施建議

電站低頻振蕩現象主要是由水輪機固有特性導致，因此需在有條件的情況下對原動機及引水系統進行整改，以根本性解決此問題，抑制低頻振蕩的措施建議如下：

（1）開展PSS參數優化工作，增強機組阻尼以提高其抑制低頻振蕩現象的效果。

（2）機組調整負荷跨振動區時，盡量提高調節速度，減少機組在振動區內運行的時間。

（3）做好應急處置事故預想，當發生尾水渦帶頻率的低頻振蕩時，應采取有效調整機組運行工況的處置措施。

4 結語

電站在機組跨振動區時觸發低頻振蕩，其現象符合強迫振蕩機理，但具備偶然性。該低頻振蕩現象是由各種水力因素疊加導致的，其主要原因為混流式機組跨振區時產生的尾水渦帶導致，需盡量減少機組在渦帶工況區的運行時間，以減少低頻振蕩持續的時間避免影響擴大。此電站的低頻振蕩現象具備一定的典型性，希望對行業內其他電站類似情況的分析起到一定的參考作用。