PSS頻率采樣故障誘發(fā)機組功率振蕩分析

張 偉，黃怡青

（五凌電力有限公司碗米坡電廠，湖南 湘西 416500）

碗米坡電廠裝機容量3×80 MW，1～3號機均為單元接線，220 kV母線為單母線不分段接線，由兩回220 kV出線接入系統(tǒng),機組勵系統(tǒng)采用自并勵勵磁系統(tǒng),勵磁調(diào)節(jié)器裝置為ABB UN5000型微機勵磁調(diào)節(jié)器，型號為Q5T-0/U2H1-D2000,調(diào)節(jié)器采用PID+PSS控制方式,配備有以△Pe、△ω為輸入信號的PSS。

1 事件過程

1.1 振蕩前運行工況

2015年6月1日22：00，碗米坡電廠運行工況：1～3號機運行，其中1號機有功77.4 MW，無功-5.3 Mvar；2號機有功77.2 MW，無功-5.5 Mvar；3號機有功77.7 MW，無功-5.5 Mvar；碗巖Ⅰ線有功110.6 MW，無功-22.7 Mvar；碗巖Ⅱ線有功110.4 MW，無功-22.7 Mvar；220 kV母線電壓227.7 kV,系統(tǒng)頻率50.0 Hz；全廠AGC功能投入，有功單機成組可調(diào)，一次調(diào)頻功能連片投入。

1.2 事件過程

2015年6月1日22：04：09，2號機突發(fā)有功功率在27～126 MW、無功功率在22～-15 Mvar異常波動,勵磁電壓、勵磁電流、功角同時波動振蕩，勵磁系統(tǒng)P/Q、欠勵限制、定子過流限制、發(fā)電機保護定子過負荷保護頻繁報警動作。為抑制功率振蕩，運行人員采取手動減2號機組有功至20 MW(PSS退出定值30%Pe)，機組振蕩平息，再恢復振蕩前有功負荷后，振蕩再次開始。最終采取將2號機組勵磁調(diào)節(jié)器由Ⅰ通道切至Ⅱ通道運行，逐步增加有功至振蕩前值，機組運行穩(wěn)定未出現(xiàn)振蕩。

圖1 2號機功率振蕩波形

2 事件分析

在2號機功率振蕩事件發(fā)生前，電廠各機組、主變、架空線路未發(fā)生短路等一次故障，勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器未發(fā)生TV斷線、設備異常/故障報警等故障，電廠未投切大功率無功負荷。機組未因進相運行而失去靜態(tài)穩(wěn)定。初步判斷2號機功率振蕩并非由于外部擾動引起，應與其控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常有關，主要關注調(diào)速系統(tǒng)與勵磁系統(tǒng)在振蕩過程中的影響。

2.1 調(diào)速系統(tǒng)分析

以第一次振蕩作為典型情況分析調(diào)速器一次調(diào)頻與振蕩關系。碗米坡電廠1～3號機組導葉開度、有功功率、機組頻率波形見圖2。

圖2 1～3號機組導葉開度、有功功率、機組頻率的波形

圖2 表明：1～3號機組頻率于9.54 s開始起振，機組頻率、有功功率經(jīng)過兩個波峰之后，2號機組導葉開度才出現(xiàn)減小現(xiàn)象，說明頻率振蕩先于一次調(diào)頻動作，因此，排除調(diào)速器一次調(diào)頻功能投入誘發(fā)功率振蕩的可能性。一次調(diào)頻動作所導致的有功功率減小幅度有限，依據(jù)一次調(diào)頻控制策略估算，有功功率理論上減小2.4 MW，但此時有功功率在27～126 MW區(qū)間波動，一次調(diào)頻所帶來的有功功率減小量被大幅度功率波動所淹沒。

綜合上述分析，得出以下結(jié)論：頻率振蕩越過一次調(diào)頻死區(qū)導致一次調(diào)頻頻繁動作；一次調(diào)頻動作滯后于功率振蕩，排除一次調(diào)頻動作誘發(fā)功率振蕩的可能性；一次調(diào)頻動作所帶來的有功功率減小量對減小有功功率振蕩作用有限。

2.2 勵磁系統(tǒng)分析

結(jié)合振蕩能力及轉(zhuǎn)矩分析理論[2]：“控制器力矩及振蕩能量計算結(jié)果可以直觀地反映出控制系統(tǒng)提供的阻尼的性質(zhì)，判斷控制器功能是否正常，確定與擾動源強相關的、引起異常波動的原因。”將發(fā)電機速度偏差Δω與發(fā)電機暫態(tài)電勢ΔEq進行積分，將該積分定義為勵磁控制器力矩的振蕩能力。根據(jù)二者積分結(jié)果的正負，判斷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)提供的阻尼為正或者為負。當積分結(jié)果為正時，勵磁提供的阻尼為正，當積分結(jié)果為負時，勵磁提供的阻尼為負。

根據(jù)以上理論，將碗米坡電廠2號機第一次振蕩過程的相關數(shù)據(jù)進行計算，得到如圖3所示的在振蕩過程中的勵磁系統(tǒng)力矩圖。

由圖3可知，自振蕩開始時刻即22：04：09開始，勵磁系統(tǒng)提供了明顯的負阻尼。因而確定，勵磁系統(tǒng)為此次碗米坡電廠2號機組功率振蕩的故障源。

圖3 2號機振蕩過程中勵磁系統(tǒng)提供的力矩

3 現(xiàn)場試驗及排查

對2號機組勵磁系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ通道主要數(shù)字量進行了長時間監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)2號機組Ⅰ通道PSS輸出量與同時刻Ⅱ通道不一致，隨機出現(xiàn)脈沖型突變，Ⅰ通道Δω(PSS輸入量)跳變明顯。同時刻，Ⅱ通道PSS輸出量未出現(xiàn)脈沖型突變，Ⅱ通道Δω未發(fā)生明顯跳變。在現(xiàn)場監(jiān)視期間內(nèi)（Ⅰ通道備用，Ⅱ通道運行），此類現(xiàn)象出現(xiàn)了百余次。經(jīng)分析I通道MUB板可能由于元件老化等原因，造成Δω測量異常。

從圖4、圖5可以看到，Ⅰ通道PSS輸出量有明顯的脈沖型突變，而自動通道總輸出值雖有突變，但幅值較小。這是因為自動通道總輸出值不僅受PSS輸出量影響，還受電壓偏差量ΔU的影響。而電壓偏差量ΔU又由機端電壓采樣值、電壓給定值、電壓跟蹤偏差量等決定。電壓跟蹤偏差量是備用通道總輸出值跟蹤運行通道的修正量，只在備用通道有效。當作為備用通道的Ⅰ通道PSS輸出量發(fā)生脈沖型突變時，為使備用通道總輸出值跟蹤運行通道，電壓跟蹤偏差量對突變進行補充，導致Ⅰ通道自動通道總輸出值雖有突變，但幅值減小。當Ⅰ通道作為運行通道時，由于電壓跟蹤偏差量無效，自動通道總輸出值突變量將更大。

圖4 Ⅰ通道監(jiān)視量

圖5 Ⅱ通道監(jiān)視量

Δω測量原理如圖6：MUB板通過測量機端電壓Ut、機端電流It、并根據(jù)預先存儲在其內(nèi)部RAM的電機橫軸電抗Xq，經(jīng)過其內(nèi)部專用模擬運算電路計算得到發(fā)電機內(nèi)電勢Eq’，其與機端電壓Ut的相位即為功角，而功角的一階微分即得到角速度值。亦可通過直接求取Eq’與Ut角速度的差值得到發(fā)電機功角變化的角速度。該采樣回路中元器件損壞會對其采樣值產(chǎn)生較大影響。

圖6 MUB板Δω測量原理示意圖

UNITROL5000勵磁系統(tǒng)使用的是PSS2A數(shù)學模型，見圖7，PSS的輸入信號為V1和V2。V1表示轉(zhuǎn)子角頻率的變化量fEP，參數(shù)代碼為12014；V2表示機組的電功率P，參數(shù)代碼為10218。PSS的fEP和P輸入信號經(jīng)過隔直，超前滯后，限幅等環(huán)節(jié)后形成PSS輸出信號，疊加至勵磁調(diào)節(jié)器AVR給定環(huán)節(jié)。在PSS2A功能中的fEP信號主要作用是防止PSS的反調(diào)功能，正常運行時是一條直線。當fEP信號采集異常時，會導致PSS輸出信號的跳變，相當于在勵磁調(diào)節(jié)器AVR主控環(huán)上疊加了一個脈沖型階躍，從而導致勵磁調(diào)節(jié)器輸出異常，引發(fā)有功功率、無功功率波動。

圖7 UNITROL5000勵磁系統(tǒng)的PSS模型

綜上所述，可得出以下結(jié)論：由于2號機勵磁調(diào)節(jié)器通道Ⅰ內(nèi)MUB板的頻率采樣模塊故障，PSS函數(shù)模塊的頻率輸入?yún)?shù)△ω異常波動，PSS輸出的加速功率信號，在電壓相加點PSS控制電壓值引起PID模塊輸出控制電壓值異常，導致整流橋輸出異常波動，勵磁電流也發(fā)生異常波動。受220 kV系統(tǒng)制約，發(fā)電機機端電壓基本恒定，勵磁電流突然增加(減小)時，發(fā)電機勵磁電動勢Eq增加(減小)，功角δ也交替增加(減小)，并且PSS電壓信號△Upss產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩△Mpss與勵磁調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩合成后，該電磁轉(zhuǎn)矩形成的制動轉(zhuǎn)矩小于機組的自然阻尼和電樞反應去磁效應產(chǎn)生的正阻尼作用，使得發(fā)電機輸出功率PM突然增加（減小），最終導致機組產(chǎn)生功率振蕩。

4 處理結(jié)果

2號機臨檢期間，完成勵磁調(diào)節(jié)器Ⅰ通道測量單元MUB板的更換，進行了PSS定值參數(shù)檢查、起勵和逆變滅磁錄波、空載通道測量、通道切換試驗、階躍響應等性能試驗。從圖8、圖9可看出投入PSS對增加機組阻尼，抑制有功低頻振蕩的效果很明顯。

圖8 PSS退出時3%電壓階躍響應

圖9 PSS投入時3%電壓階躍響應

5 結(jié)語

（1）經(jīng)數(shù)據(jù)分析和異常處理措施表明：本次碗米坡電廠2號機組功率振蕩與其勵磁系統(tǒng)I通道自動輸出異常有關。2號機組Ⅰ通道PSS輸出量出現(xiàn)隨機脈沖型突變，導致I通道AVR總輸出出現(xiàn)對應脈沖突變，是導致本次碗米坡電廠機組功率振蕩事件的直接原因。

（2）勵磁調(diào)節(jié)器不具備采樣異常自檢功能，建議通過采取雙通道對比等方式完善相關自檢及異常處理功能。如增加勵磁調(diào)節(jié)器PSS輸出信號監(jiān)測比較控制功能，兩個勵磁調(diào)節(jié)器分別對PSS輸出信號交叉采樣比較，當兩個調(diào)節(jié)器通道的PSS輸出信號差值的絕對值超過預定值時報“PSS異常”信號。