燃?xì)鈾C(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量突變引起的低頻功率振蕩分析及改進(jìn)

陳亞軍

(廣東粵華發(fā)電有限責(zé)任公司，廣州 510731)

某電廠兩臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組為上海電氣生產(chǎn)的THDF-108/53型單軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，采用SIEMENS公司技術(shù)。其中#1機(jī)組在PSS投入后，第一次停機(jī)過程中發(fā)生低頻功率振蕩。經(jīng)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，此次振蕩與機(jī)組特性和PSS定值設(shè)定相關(guān)。探究此次振蕩的原因?qū)鉀Q同類型機(jī)組的單機(jī)功率振蕩隱患具有普遍參考意義。

1 發(fā)電機(jī)及PSS參數(shù)介紹

1.1 機(jī)組型式

本機(jī)組為單軸聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鈾C(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)同軸。其中燃?xì)廨啓C(jī)與發(fā)電機(jī)剛性連接，汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)通過同步離合器連接。停機(jī)時(shí)同步離合器輸入端(汽輪機(jī))轉(zhuǎn)速小于離合器輸出端(發(fā)電機(jī))轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器自動(dòng)脫開。機(jī)組型式原理如圖1所示。

圖1 單軸聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鈾C(jī)組原理圖

1.2 發(fā)電機(jī)規(guī)范

機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁變電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端，經(jīng)勵(lì)磁變、可控硅整流裝置、滑環(huán)給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流。采用SIEMENS公司THYRIPOL勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)，設(shè)備為6RV8040- 4ED89- 6DD1-Z型號(hào)的全靜態(tài)勵(lì)磁裝置。

1.3 PSS介紹

PSS是自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(automatic voltage regulator,AVR)的附加環(huán)節(jié)，以低頻0.2～2.5 Hz的有功功率擺動(dòng)作為輸入，經(jīng)過放大和調(diào)整相位后疊加在AVR輸出上，產(chǎn)生同發(fā)電機(jī)阻尼繞組一樣效果的正阻尼，抵消單純電壓偏差調(diào)節(jié)的AVR所產(chǎn)生的負(fù)阻尼。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS能夠有效地抑制低頻振蕩[1-3]，有利于提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[4]。本機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)PSS模型如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)PSS模型

圖中：VsT1為轉(zhuǎn)速信號(hào)；VsT2為功率信號(hào)；Tw1～Tw4為隔直環(huán)節(jié)是時(shí)間常數(shù)；T1～T6為超前滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；T7為慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；T8、T9為斜坡環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；M、N為斜坡函數(shù)階數(shù)；Ks1～Ks3為比例放大倍數(shù)。

PSS是個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，從控制理論來講，過大的放大倍數(shù)必然引起振蕩，而過小的放大倍數(shù)不能提供足夠的阻尼來抑制低頻振蕩[4-5]。PSS的定值通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定，PSS試驗(yàn)現(xiàn)場參數(shù)整定依據(jù)是：將所測得的無補(bǔ)償頻率特性與PSS單元頻率特性相結(jié)合，檢查其在0.2～2.5 Hz頻帶內(nèi)的相位滯后情況，使PSS輸出的力矩向量對(duì)應(yīng)Δω軸在超前10°至滯后30°間，即滿足DL/T 650—1998《大型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》的要求。

本機(jī)組故障前PSS定值是在額定有功功率、無功功率為0狀態(tài)下進(jìn)行整定的，并在滿功率和60%兩個(gè)工況下進(jìn)行了驗(yàn)證。PSS完成了現(xiàn)場參數(shù)整定試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明PSS能較好地提高阻尼比，抑制振蕩效果好。PSS退出的功率門檻值整定為125 MW，投入的功率門檻值是150 MW。但試驗(yàn)均是在“燃?xì)廨啓C(jī)+發(fā)電機(jī)+汽輪機(jī)”三軸串聯(lián)的情況下進(jìn)行的，未考慮軸系變化引起的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化問題。這種傳統(tǒng)的PSS配置通常基于單一的系統(tǒng)運(yùn)行方式，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)或運(yùn)行條件改變時(shí)，低頻振蕩的頻率多少會(huì)發(fā)生改變，但PSS的參數(shù)仍然是原來運(yùn)行方式下的參數(shù)，這樣的控制結(jié)果必然會(huì)偏離最佳控制點(diǎn)[6]。

1.4 振蕩過程參數(shù)

機(jī)組振蕩發(fā)生在停運(yùn)過程中，為投入PSS后第一次停機(jī)。機(jī)組按計(jì)劃減負(fù)荷至154 MW左右，再啟動(dòng)汽輪機(jī)順停至調(diào)門和主汽門全關(guān)，隨即同步離合器脫扣。此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)還在運(yùn)行，此時(shí)機(jī)組發(fā)生低頻振蕩，振蕩時(shí)機(jī)組參數(shù)如圖3、圖4所示。

圖3 相量測量裝置PMU上振蕩全過程有功功率趨勢

圖4 透平控制系統(tǒng)(turbine control system，TCS)振蕩全過程時(shí)參數(shù)趨勢

由圖4可以看出有功功率在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降時(shí)就開始振蕩，振蕩時(shí)相關(guān)參數(shù)波動(dòng)范圍為：有功功率為118～191 MW；無功功率為-60～-45 Mvar；定子電壓為20.92～20.64 kV；定子電流為4 497～4 564 A；轉(zhuǎn)子電壓為-97～413 V；轉(zhuǎn)子電流為 1 255～1 617 A；振蕩頻率1.7 Hz，持續(xù)時(shí)間100 s。

2 振蕩原因分析

2.1 汽輪機(jī)停運(yùn)造成功率擾動(dòng)是起因

由圖4可以看出，振蕩與汽輪機(jī)停機(jī)在一個(gè)時(shí)間段，在這段時(shí)間燃?xì)廨啓C(jī)維持運(yùn)行。振蕩開始的時(shí)間與汽輪機(jī)調(diào)門全關(guān)后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降的時(shí)間同步。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降至同步離合器完全脫開約有10 s的時(shí)間，因?yàn)榇藭r(shí)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速小于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，汽輪機(jī)由原先的提供驅(qū)動(dòng)力變?yōu)楸煌蟿?dòng)，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行造成一定程度的擾動(dòng)。這就解釋了這次有功振蕩頻率與機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)本機(jī)振蕩頻率有偏差的原因。

2.2 PSS是加劇振蕩主因

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)的功率是154 MW, PSS退出的功率門檻值是125 MW，所以振蕩開始時(shí)PSS仍在投入狀態(tài)。由圖4可以看出，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)下降(大于2 r/min)，PSS就發(fā)出輸出信號(hào)。PSS發(fā)出輸出信號(hào)的同時(shí)，有功功率、無功功率、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流就開始出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。振蕩時(shí)有功功率波動(dòng)范圍為118 ～191 MW，包含了PSS投入和退出的門檻值范圍，振蕩過程中PSS存在閉鎖和激活反復(fù)的情況。PSS輸出信號(hào)消失后，波動(dòng)就同時(shí)消失。由此可見，低頻振蕩的大幅度波動(dòng)與PSS輸出信號(hào)有關(guān)。振蕩時(shí)勵(lì)磁AVR柜中的數(shù)據(jù)波形如圖5、圖6所示。

圖5 勵(lì)磁AVR柜振蕩發(fā)生初期階段主要參數(shù)趨勢

圖6 勵(lì)磁AVR柜最終閉鎖前的若干次振蕩主要參數(shù)趨勢

由圖5可以看出，在振蕩期間，PSS被閉鎖時(shí)機(jī)端電壓相對(duì)穩(wěn)定，表明AVR控制調(diào)節(jié)正常。而在PSS被激活時(shí)機(jī)端電壓趨向波動(dòng)，表明振蕩與PSS輸出相關(guān)。

由圖6可以看出，在PSS最終閉鎖后(此時(shí)勵(lì)磁輸出僅由AVR控制作用)，勵(lì)磁電壓、機(jī)端電壓及有功功率開始穩(wěn)定，表明AVR控制調(diào)節(jié)正常。

由圖5、圖6的數(shù)據(jù)記錄顯示，振蕩開始階段呈發(fā)散趨勢，振蕩幅度增加，在出現(xiàn)PSS短時(shí)閉鎖時(shí)振蕩幅度減緩，在最終PSS閉鎖后，振蕩收斂并穩(wěn)定。

由此表明，PSS閉鎖后的AVR控制功能是正常的，振蕩過程中PSS是不穩(wěn)定因素。

2.3 造成PSS功能異常的原因

PSS的配置和參數(shù)整定是PSS設(shè)置的兩大關(guān)鍵問題[7]。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量M和轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)TJ是研究發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)[8]。本機(jī)組汽輪機(jī)脫開時(shí)，軸系由燃?xì)廨啓C(jī)+發(fā)電機(jī)+汽輪機(jī)變?yōu)槿細(xì)廨啓C(jī)+發(fā)電機(jī)，軸系的慣性時(shí)間常數(shù)降低，而PSS模型中的Ks2由T7/TJ計(jì)算。其中TJ即為機(jī)組軸系慣性時(shí)間常數(shù)，軸系為燃?xì)廨啓C(jī)+發(fā)電機(jī)+汽輪機(jī)時(shí), 軸系慣性時(shí)間常數(shù)為11.4 s。T7定值為4 s，所以Ks2=0.35。因此值只能設(shè)一個(gè)，無法考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量改變工況。

在同步轉(zhuǎn)速附近，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程用標(biāo)幺值表示如下[9-10]：

(1)

式中：M為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;w0為發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;Pm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩;Pe為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩;w為角速度；t為時(shí)間。

移項(xiàng)后得：

(2)

寫出偏差形式，拉普拉斯變換后，得：

(3)

式中：ΔPm為變動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩；ΔPe為發(fā)電機(jī)加速轉(zhuǎn)矩；Δw為變動(dòng)角速度；s為變動(dòng)時(shí)間。

因?yàn)棣可能含有噪音，上式兩端函數(shù)乘以濾波函數(shù)G(s)，得：

(4)

則加速功率ΔPa為：

(5)

從上述等效的機(jī)械功率表達(dá)式中可以看出，若機(jī)組慣量發(fā)生較大變化而PSS參數(shù)中的Ks2未變或等效理論計(jì)算出的w不準(zhǔn)確的話，則計(jì)算得到的機(jī)械功率也會(huì)不準(zhǔn)確，得到的加速功率ΔPa并不是理論上的發(fā)電機(jī)加速功率偏差信號(hào)，進(jìn)而可能導(dǎo)致PSS的力矩矢量不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，不能提供有效的正阻尼。通過仿真驗(yàn)證單純改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量PSS抑制低頻振蕩的作用減弱，但不會(huì)產(chǎn)生負(fù)阻尼。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中與角速度w計(jì)算有關(guān)的q軸同步電抗,勵(lì)磁廠家按同類型機(jī)組普遍采用的取值為2.2，但該電抗不是我們通常所說的同步交軸電抗，有人稱為搖擺電抗，ABB公司給出了搖擺電抗Xw近似計(jì)算公式如式(6)所示：

(6)

代入數(shù)值后為：

(7)

求得：

Xw≈0.578 5

因此勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中搖擺電抗如果按同步交軸電抗取值，會(huì)過大。

綜上分析，此次PSS功能異常的主要原因?yàn)椋?)停機(jī)過程中軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化，此時(shí)PSS設(shè)定參數(shù)已不適用；2)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中搖擺電抗取值過大，導(dǎo)致機(jī)組動(dòng)態(tài)過程中計(jì)算角速度不準(zhǔn)確。兩種因素迭加使得PSS產(chǎn)生負(fù)阻尼，從而使機(jī)組發(fā)生功率振蕩。

2.4 國內(nèi)同類型機(jī)組未發(fā)生同樣問題的原因

國內(nèi)共有同類型機(jī)組十幾臺(tái)，主要分布在華東地區(qū)，經(jīng)了解其它機(jī)組未發(fā)生同樣問題的原因有以下兩點(diǎn)：1)部分機(jī)組PSS功能未投入；2)大部分機(jī)組汽輪機(jī)脫扣功率在100 MW以下，此時(shí)PSS已經(jīng)低于閉鎖門檻值。

3 改進(jìn)措施

綜合以上分析，為了避免再次發(fā)生振蕩，通過仿真驗(yàn)證和實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，決定最終采取的措施有：

1) 針對(duì)機(jī)組不同運(yùn)行工況轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不同的情況，設(shè)置兩組不同的PSS參數(shù)，并能夠自動(dòng)切換或手動(dòng)切換；

2) 修改勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部搖擺電抗值；

3) 提高PSS的退出門檻值。

對(duì)于第1種措施，理論分析設(shè)置兩組不同的PSS參數(shù)雖然比較理想，但實(shí)際實(shí)施中較為繁瑣復(fù)雜。定值區(qū)自動(dòng)切換條件和時(shí)間難選擇，存在切換錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。正常機(jī)組停運(yùn)過程中，汽輪機(jī)停運(yùn)瞬間對(duì)應(yīng)的負(fù)荷PSS本身也接近退出閉鎖門檻值。汽輪機(jī)事故停運(yùn)，單燃?xì)廨啓C(jī)長期運(yùn)行的概率又較低。所以此措施實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。

對(duì)于第2種措施，如果通過修改勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部搖擺電抗值，可以抑制振蕩，實(shí)現(xiàn)較為簡單。

對(duì)于第3種措施，提高PSS的退出門檻值可以避免正常停運(yùn)時(shí)慣量改變造成的PSS異常，實(shí)現(xiàn)較為簡單。

4 改進(jìn)后試驗(yàn)及驗(yàn)證結(jié)果

4.1 通過PSS優(yōu)化試驗(yàn)做整改

1) 根據(jù)優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)PSS輸出信號(hào)及試驗(yàn)前進(jìn)行的搖擺電抗計(jì)算，修改勵(lì)磁裝置內(nèi)部搖擺電抗值Xw，由2.2改為0.2。

2) 提高PSS投入門檻值，投入值改為199.2 MW，退出值改為174.3 MW。

3) 通過PSS控制信號(hào)幅值，修改搖擺電抗的參數(shù)，得到高功率值的PSS1參數(shù)和低功率值的PSS2參數(shù)，如表1所示。針對(duì)汽輪機(jī)脫開工況，設(shè)計(jì)PSS第二套定值作為搖擺電抗優(yōu)化后若第一套定值驗(yàn)證效果欠佳時(shí)的后備參數(shù)。

表1 優(yōu)化后的兩套PSS參數(shù)表

4.2 優(yōu)化定值后的試驗(yàn)驗(yàn)證

1) 試驗(yàn)時(shí)，在汽輪機(jī)脫開狀態(tài)下將原PSS參數(shù)(搖擺電抗電抗值2.2)投入，PSS輸出信號(hào)和勵(lì)磁電壓隨即發(fā)生同向波動(dòng)并發(fā)散，導(dǎo)致機(jī)組功率產(chǎn)生振蕩。隨即退出PSS后勵(lì)磁電壓和PSS輸出信號(hào)的波動(dòng)亦迅速收斂，測得功率波動(dòng)的振蕩頻率約為1.740 9 Hz，與之前的技術(shù)分析一致，可見搖擺電抗值設(shè)置過大是造成低頻振蕩的主要原因。

2) 在汽輪機(jī)接合、脫開兩種工況不投入PSS情況下，±2.0%機(jī)端電壓階躍時(shí)有功振蕩次數(shù)均為5周以上。在投入低功率值的PSS參數(shù)后，對(duì)本機(jī)振蕩有抑制效果，振蕩次數(shù)減少至3周后收斂，阻尼比得到了提高，證明了預(yù)先的計(jì)算分析的正確性。在汽輪機(jī)接合、脫開兩種工況下的階躍響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果說明低功率PSS定值可以適應(yīng)機(jī)組不同工況的要求。

3) 搖擺電抗優(yōu)化后PSS閉環(huán)試驗(yàn)，在汽輪機(jī)接合、脫開兩種工況投入高功率值的PSS參數(shù)，±2.0%機(jī)端電壓階躍時(shí)有功振蕩次數(shù)減少至1周收斂，對(duì)本機(jī)振蕩抑制效果更為明顯，阻尼比數(shù)值比優(yōu)化前提高，證明了搖擺電抗優(yōu)化的正確性。投入低功率值的PSS參數(shù)的階躍響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，也驗(yàn)證了PSS提高了機(jī)組穩(wěn)定性，說明搖擺電抗優(yōu)化后的兩組PSS參數(shù)均可以適應(yīng)機(jī)組不同工況的要求。

4) 分別投入兩組PSS參數(shù)，按正常流程進(jìn)行汽輪機(jī)結(jié)合及脫開過程，兩組PSS參數(shù)均能正常作用，在升降負(fù)荷的過程中有功功率均未發(fā)生大幅波動(dòng)。由此可見，高、低功率兩組PSS參數(shù)均能抑制振蕩并產(chǎn)生正阻尼。

4.3 最終運(yùn)行方式選擇

汽輪機(jī)脫開狀態(tài)為機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)過程中短暫維持的狀態(tài)，低功率值PSS參數(shù)適應(yīng)機(jī)組運(yùn)行工況較少。汽輪機(jī)接合狀態(tài)是機(jī)組的主要運(yùn)行工況，高功率值PSS參數(shù)更為適應(yīng)機(jī)組運(yùn)行需求，使用單組高功率值的PSS參數(shù)可降低機(jī)組運(yùn)行的操作風(fēng)險(xiǎn)，且低功率值PSS參數(shù)尚未經(jīng)過進(jìn)相試驗(yàn)驗(yàn)證。所以，最終本機(jī)組采用優(yōu)化搖擺電抗定值、采用高功率值PSS參數(shù)定值及提高PSS投入門檻值的措施整改。PSS參數(shù)優(yōu)化后，機(jī)組一直運(yùn)行正常。

5 結(jié)論

對(duì)于單軸帶同步離合器的燃?xì)鈾C(jī)組，因汽輪機(jī)停運(yùn)后燃?xì)廨啓C(jī)仍會(huì)運(yùn)行，機(jī)組軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化。若PSS定值和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部搖擺電抗值選擇不當(dāng)可能造成機(jī)組振蕩。通過修改搖擺電抗值的方法可以在保證PSS作用的前提下，有效避免這種情況。