二滩电站机组振荡现象及原因分析概要

1、二滩电站机组振荡现象及原因分析王文新(二滩水力发电厂, 四川省攀枝花市617000摘要:详细统计了二滩电站投产以来发生的较为典型的机组振荡和励磁电压异常波动现象, 并从励磁装置原理、电力系统稳定器(PSS 参数设置、运行操作方式等方面对这些现象予以分析, 阐明其原因。最后总结了二滩电站提高机组运行稳定性的措施和方法。关键词:水电站; 电压波动; 低频振荡; ; V/中图分类号:TV734. 2; TM712收稿日期:2007205218; 修回日期:2007207204。0引言当前, 全国, 西, 网架结构还不合理系统联系也较弱, 全网范围内的低频振荡仍是500kV 电网较大的安全威胁。二滩电

2、站装机330万kW , 目前是川渝地区最大的电厂。由于二滩机组在地理接线上处于华中2川渝电网的最西端, 远距离、大负荷的送电方式不仅使机组容易产生低频振荡, 而且整个电网发生振荡时, 二滩机组也是电气量变化最大、反应最强烈的。因此, 深入了解、分析二滩电站投产以来发生的历次机组振荡和励磁电压波动事件, 对电厂甚至电网的安全运行可以起到一定的借鉴作用。本文统计了二滩电站历年典型励磁波动事件及机组振荡现象, 并进行初步分析, 以供参考。1机组振荡事件统计1. 1四川电网低频振荡2001年8月3日20:55和20:57, 二滩电站系统电压在532kV 539kV 之间波动, 总有功功率在2460MW

3、 2590MW 之间波动, 系统频率在49195Hz 50105Hz 之间波动,2号6号机组有功功率有20MW 30MW 的波动,2号6号机组无功功率有10Mvar 20Mvar 的波动。2号6号机组所带负荷分别为510MW , 500MW , 500MW ,510MW ,510MW 。2002年7月15日10:10, 二滩电站系统电压为536kV , 总有功2703MW , 总无功423Mvar , 系统电压在534kV 539kV 之间波动, 总有功功率在2680MW 2736MW 之间波动; 当日11:44, 系统kV , 总有功2703MW , 总无功426Mvar , 系统电压在53

4、6kV 538kV 之间波动, 总有功功率在2674MW 2726MW 之间波动。1. 2机组功率波动2002年3月1日14:47, 6号机组有功负荷475MW , 无功-115Mvar , 监控系统发“6F 励磁电压上限1450V ”警报, 操作员站上显示6号机组励磁电压值跳变, 最低-113V 、最高450V , 无功在-75Mvar -14215Mvar 之间波动,500kV 母线电压在526kV 530kV 之间波动。2002年4月22日,3号机组有功由330MW 加至370MW 过程中突然最高升至450MW , 然后又降至250MW , 无功波动范围为-220Mvar -140Mva

5、r ,500kV 电压在526kV 537kV 之间缓慢波动。2002年5月9日,3号机组有功360MW , 无功波动范围为-190Mvar -50Mvar ,500kV 母线电压波动范围为525kV 518kV , 有功波动范围为390MW 320MW , 监控系统发“3F 励磁上限1450V 、上限2500V ”警报。1. 3机组励磁电压波动2004年1月11日23:46,2号机组减有功操作至350MW 时, 监控系统发“2F 、3F 励磁电压上限1450V 、上限2500V ”警报, 现地检查发现3号机组励磁电压波动范围为120V 250V , 无功功率在-45Mvar -130Mvar

6、 之间波动。电站总有功功率835MW , 无功功率-510Mvar , 系统电压525kV , 3号机组有功450MW , 无功-85Mvar , 机端电压1716kV 。2004年1月11日23:50, 将3号机组有功由450MW 减到200MW , 励磁电压在150V 左右保持稳定; 次日00:06, 将3号机组负荷加到350MW 左右时, 其励磁电压又发生波动。18第31卷第5期2007年10月20日Vol. 31No. 5Oct. 20, 20071. 4机组有功、无功波动2004年12月20日, 二滩电站总有功功率1755MW , 其中1号、2号、4号、5号机组有功功率分别为531M

7、W ,531MW , 524MW ,170MW 。其间, 运行人员对1号机组进行小幅有功调整。12月20日18:12, 监控系统发“1号机组保护启动”、“1号机励磁电气限制最小值到达”、“1号机过负荷保护启动(49G1 ”、“1号机有功功率上限1580MW ”、“1号机有功功率限制到达”等报警信号,1号机组负荷由530MW 升至602MW 后, 又恢复到530MW ; 当日18:26, 监控系统发“1号机组保护启动”、“1号机过负荷保护启动(49G1 ”、“1号机有功功率限制到达”、“1值到达”等报警信号,1后突降到340MW , 2005年1120号机组, 500kV 系统电压531kV 。

8、1号机组有功设定值在474MW 49315MW 之间调整, 机组实际有功在476MW 513MW 之间变化, 机组无功在-37Mvar -45Mvar 之间变化。操作员站上观察到1号机励磁电压最高达到539V , 有功最大值为638MW 、最小值为436MW 的波动现象; 监控系统先后发“1号机励磁电压上限1450V ”和“1号机励磁电压上限2500V ”报警信号各5次, 多次发“1号机励磁电气限制最小值到达”警报。1. 5系统低频振荡2006年7月1日20:46至21:01, 华中电网发生3次低频振荡, 二滩机组振荡明显, 其中以20:59至21:01持续70s 的振荡最为剧烈。二滩6台机组

9、的电压、电流、有功和无功、励磁电压、励磁电流、频率等电气量明显呈发散振荡趋势。华中电网与川渝电网解列后, 二滩机组振荡逐渐平息。由于这次全网范围内的低频振荡原因已很清楚, 故不再赘述。2机组振荡或励磁波动原因分析根据多次励磁波动(振荡 事件统计, 二滩机组振荡问题都出现在还没有进行过改造的励磁系统。本文认为, 二滩旧励磁装置逻辑原理不合理、电力系统稳定器(PSS 补偿参数不太完善以及机组运行操作方法不正确是造成二滩机组振荡或励磁多次波动的主要原因。2. 1旧励磁系统调节框图分析图1为二滩机组旧励磁系统逻辑框图。可以看出, 二滩机组PSS 输出信号PSSOP 与励磁给定信号AV RREF 、低励

10、限制信号M IN ELO P 叠加后, 经伏特/赫兹(V/Hz 限制和机端电压限制环节后, 形成AV R 设定值AV RSP , 因此PSSO P 信号将受V/Hz 限制和P/Q 限制2种励磁限制功能的削弱。当信号动作后,PSSOP 信号大于V/Hz 限制值的部分被屏蔽; 由于MN ELOP 信号与PSSOP 信号经加法器作用于AVRREF , 因此PSSO P 信号小于MN ELO P 的部分也会被屏蔽掉 。图1二滩机组旧励磁系统逻辑框图2. 2运行操作方式分析由于二滩电站离负荷中心较远, 线路较长, 线路损耗大, 充电功率也大, 不得不在丰水季节大负荷时抬高电压运行, 在枯水季节负荷轻时深

11、度运行。如图1所示, 对机组进行增磁操作时, AV RREF 值大于V/Hz 限制动作值后, 将由V/Hz 限制环节起作用, AV RSP 信号值等于V/Hz 动作值。随着系统频率的变化,V/Hz 限制值也将按相应规律变化。机组长时间在此工况下运行, 可能造成机组励磁异常波动。如果增磁操作太多, 造成AV RREF 值远大于V/Hz 限制动作值, 机组励磁长期在V/Hz 控制环作用下运行, 对机组稳定不利。同理, 对机组进行减磁操作时,AVRREF 值小于MN ELO P 限制动作值后, 将由P/Q 环节起作用, AVRSP 信号值等于MN ELOP 动作值与AV RREF 给定值的和。随着机

12、组有功功率的变化, AV RSP 信号值也将按相应规律变化。机组长时间在此工况下运行, 也可能造成机组励磁异常波动。如果减磁操作太多, 使AVRREF 值太小, 也将造成机组励磁长期在P/Q 控制环的作用下运行, 对机组稳定也是不利的。2. 3PSS 补偿分析二滩电站旧励磁系统PSS 简化传递函数W (s 为:W (s =K S1+T w s M (1+T w s 1+T 2s 1+T 4s式中:s 为拉普拉斯算子; 放大倍数K S =15; 隔直时间常数T W =4s ; 机组惯性时间常数M =812; 一级超前时间常数T 1=0114s ; 二级超前时间常数282007, 31(5 T 3

13、=0114s ; 一级滞后时间常数T 2=0105s ; 二级滞后时间常数T 4=0105s 。表1为二滩机组旧励磁系统PSS 相频特性和机组有补偿相频特性。表1二滩机组旧励磁系统PSS 相频特性和机组有补偿相频特性频率/HzPSS 补偿相角p ss 计算值/(° 机组无补偿滞后相角e 实测值/(° 机组补偿后相角(pss +e /(°011-41-10-51012-55-23-78013-56-30-86014-54-33-87015-51-47-98016-47-50-97017-45-52-97018-42-64110-3866111-35-112-34-1

14、36113-33-131-164114-32-108-140116-31-97-128118-31-100-131210-31-108-139215-33-112-145可以看出,012Hz 215Hz 频率范围内, PSS补偿角度基本为-30°-60°, 机组有补偿频率特性是在012Hz 215Hz 范围内从-78°-145°。由于PSS 采用发电机负的电功率-P e 为输入信号,经隔直后, -P e 信号的相位超前约90°, 由PSS 提供的合成电磁力矩与的相位差是39°-55°。特别是在112Hz 215Hz 振荡模式

15、下, 机组有补偿滞后角度为40°-55°, 不满足-45°10°以内的要求1。因此, 当机组发生低频振荡时, 平息振荡效果不仅不理想, 且在P/Q 或V/Hz 限制动作时, 还会对机组稳定产生负作用。2. 4机组励磁波动或系统振荡原因分析四川电网低频振荡的原因是:二滩机组恰逢丰水季节满发, 而四川500kV 电网刚投运, 系统联系比较薄弱, 大负荷、远距离输电, 阻尼较弱, 调整负荷时容易引发机组低频振荡。由于要求维持系统电压在一定水平, 二滩侧机组电压较高, 达到了1819kV , 而二滩机组额定电压为18kV , 刚好等于励磁V/Hz 限制整定值11

16、05。根据211节、212节分析可知, 操作人员在进行增电压操作时, 使AV RREF 值太大, 机组励磁长期在V/Hz 控制环的作用下运行, 是造成机组低频振荡的重要原因。同时,V/Hz 动作将限制PSS 输出波形的上半周, 故削弱了PSS 的补偿作用, 使得机组长时间低频振荡而没有得到有效平息。据2. 2节分析,6号机组励磁波动是由于减磁操作太多致使AVRREF 值太小、机组励磁长时间运行在P/Q 控制环作用下因而稳定性能不好而造成的。2002年二滩机组低励限制整定值为:P =550MW , Q =-100Mvar ; P =0, Q =-200var 。根据计算, 发生波动前, P =4

17、75MW , Q =-115Mvar , 恰好使低励限制动作。由211节分析可知,P/Q 限制动作也将削弱PSS 的作用效果。3号机组功率波动和2号号机组励磁电压波, 且都有一个附近波动。原380MW 时, 水轮机存, 016Hz 。由原动机产生的负荷波动与机组振荡模式相近时,PSS 隔直环节是无法滤除的, 因此, PSS 将参与平息机组振荡, 对励磁进行大幅调节2。由于机组无功分配不合理, 机组在大功率下进相太深, 励磁欠励限制功能动作, 同V/Hz 功能一样, P/Q 限制动作也将削弱PSS 的作用效果。因此, 机组励磁和有功、无功发生波动。1号机组2004年12月20日发生的有功、无功波

18、动原因类似6号机组功率波动, 不同的是2004年二滩机组低励限制整定值为:P =550MW , Q =-50Mvar ; P =0, Q =-250Mvar 。根据计算, 发生波动前, P =530MW , Q =-57Mvar , 恰好是低励限制动作值。此外, 机组正进行小幅减有功操作, 根据数据记录发现, 机组有功减小时, 无功功率进相自动加深, 说明减磁操作太多, 使AV RREF 值太小, 机组在较大有功区间一直在P/Q 控制环的作用下运行, 引发了波动。1号机组2005年11月29日发生的有功、无功波动与前几次波动的原因不同。前几次波动或因V/Hz 限制动作引发, 或因P/Q 限制动

19、作引发。而该次波动, 机组有功、无功分配合理, 机端电压在合理范围内, 不同的是操作人员频繁手动调整负荷。波动是否与负荷调整过于频繁有关? 2002年4月, 根据川渝与华中联网的要求, 将隔直时间常数T W 由原来的115s 改为4s , 以满足013Hz 的联络线振荡模式的阻尼需要。由于1号机是旧励磁系统, 当频繁手动对机组有功给定进行增减操作时, 如果机组有功发生与机组振荡模式相近的波动, PSS 就会进行调节, 且功率达到稳定的时间较长3。如果PSS 参数整定不合理, 机组励磁就可能会产生大幅波动。如213节分析, 由于二滩电站旧励磁系统PSS 补偿参数不完善, 引发了励磁电压大幅波动。

20、38现场经验王文新二滩电站机组振荡现象及原因分析3改进措施3. 1改造励磁系统选用控制逻辑合理的励磁系统, 特别是PSS 输出一定不能受励磁本身限制功能的削弱。到目前为止, 二滩电站已改造完成4台机组的励磁系统, 测试和运行情况表明, 励磁装置状况良好, 性能优越。3. 2调整机组运行参数二滩电站经过2次进相试验, 证明机组进相能力较深, 完全可以满足在不同工况下系统稳定的需要。经过四川省电力调度中心核算, 二滩机组低励限制参数修改为:P =550MW , Q =-50Mvar ; P =0, Q =-300Mvar 。经过修改, 不仅使二滩机组枯水季节耗水率降低, , 励磁P/Q , , 暂

21、时提高了V/Hz 限制定值, 由1105改为1107。经实际运行验证效果良好, 电站大负荷运行期间再没有发生类似2001年、2002年的低频振荡现象。3. 3优化励磁PSS 参数对改造后的励磁系统重新核算了PSS 参数, 新励磁系统PSS 主要参数为:T W =6s , T 1=0115s , T 2=0104s , T 3=015s , T 4=0104s 。012Hz 215Hz 频率范围内, PSS 补偿相角为-38°-3°, 机组有补偿频率特性在012Hz 215Hz 范围内基本为-90°左右。因此, 由PSS 提供的合成电磁力矩与的相位差在4°-17°范围内, 明显优于旧励磁系统参数。3. 4规范运行操作方式要求运行人员在对机组进行有功、无功调整时, 不得人为造成励磁系统各种限制、保护功能动作。确实由于系统的需要而无法避免的, 应尽量短时间运行, 并密切监视机组运行情况, 及时调整机组离开励磁非正常运行状态。机组尽可能投入自动发电控制, 若因需要