超超临界机组低频振荡原因分析及抑制措施

2021-03-25韩宝军祝建飞

电力与能源 2021年1期

郑恒，韩宝军，王煦，祝建飞

(1. 神华福能发电有限责任公司，福建石狮 362712；2. 上海明华电力科技有限公司，上海 200090)

随着我国特高压电网大规模跨区输送建设的推进和清洁能源比重的不断提升，电力系统中以低频振荡为代表的稳定性问题愈加显著，威胁安全生产。低频振荡是频率在0.1～2.5 Hz区间，发电机转子角、母线电压、转速等一些相关电气量出现增幅或准等幅的振荡现象。原因主要是发电机并列运行时，因缺乏足够阻尼，当扰动引发发电机转子间的相对摇摆时带来的持续振荡[1]。

抑制低频振荡通例是采用电力系统稳定器(Power System Stabilizer，简称PSS),加强阻尼水平，补偿因电机励磁绕组与励磁系统引发的滞后。但实际工程中，存在PSS投运正常，仍出现低频振荡的实例[2]。关于分析和抑制低频振荡，文献[3]分析了宽频带振荡问题,研究建模与控制方法。文献[4]分析了风力发电机组次同步谐振(SSR/SSO)实际案例的形态特征。抑制光伏低频振荡，可以选用光伏广域附加阻尼控制器[5]。通过优化控制，改善水电机组AGC及一次调频性能，同时能预防低频振荡[6]。建立含阀门配汽函数的火电机组调速系统仿真模型[7]，可以分析机组主汽压或再热汽压脉动引起的低频振荡情况[8]。此外，通过储能装置亦可防止发生低频振荡。综上，相关研究成果深化了该领域研究，对保障电力系统安全稳定具有积极意义。

基于这些背景，本文分析一起火电机组实际产生振荡的原因及机理，立足工程应用，探索提升网源协调的安全性和稳定性的方法，为同类型机组提供借鉴。

1 功率振荡过程及原因分析

某电厂安装有2台百万千瓦超超临界燃煤机组，配套东汽引进日立技术生产的超超临界、冲动、中间再热、三缸四排汽、抽凝式汽轮机，初始设计为复合阀配汽方式。其中，1台机组投产后曾遭遇功率振荡事件，经过如下：08∶46机组在协调控制(Coordinated Control System，简称CCS)方式下，从1 000 MW升负荷至1 050 MW进行进相试验。08∶56功率从1 020 MW升至1 026 MW阶段，网调发来“机组功率振荡”，停止升负荷，调度侧显示负荷最高达1 060 MW。

为精准确定振荡引发点：一是调取电厂对侧线路数据，没有发现振荡情况，包括同步相量测量(Phasor Measurement Unit，简称PMU)数据、临近电源对侧PMU数据；二是调取电厂汽机转速、有功功率、采集机端电气量计算所得机组频率，在同时间区间均有振荡；三是确定事故发生前无相关设备故障，判断振荡扰动源始自发电机组。

复合配汽方式下高调阀配汽函数曲线如图1所示。低频触发加负荷,当频差超过一次调频死区机组一次调频动作，开始增加总流量指令，参照图1汽机复合配汽函数，当流量指令大于97%，高调阀CV1，CV2，CV3准全开，机组调节任务主要由高调阀CV4承担，而此段CV4阀门特性曲线斜率较大，1%流量指令变化对应约22%高调阀变化。因此，实际运行时，CV4阀门指令输出变化幅度较大带来功率超调。又因事件发生前进相试验期间PSS出系，机组丧失有效对抗一定幅度扰动的措施。因此，短时间内引发出力不平衡，最终导致低频振荡。

图1 复合配汽方式下高调阀配汽函数曲线

2 一次调频控制功能分析

由事件分析得出，因电网频率持续下降直到频差超一次调频死区，触发机组一次调频动作，后出现低频振荡。因此，有必要先分析现有一次调频控制策略。

机组一次调频控制逻辑在DEH侧与CCS侧各有设计：① DEH侧通过一次调频前馈快速调节汽机调门开度，瞬间响应频差要求，响应快、延时小；② CCS侧一次调频闭环调节，可弥补DEH侧纯比例有差调节的不足，维持一次调频负荷响应，消除调门变化带来汽压偏差。图2和图3分别表示DCS侧、DEH侧一次调频投入判据；图4是DCS侧频差修正控制功能示意图；图5为DEH侧调频转速流量特性曲线控制功能示意图。

此外，实际工程应用为追求良好一次调频性能，在设计调速器参数时不会考虑抑制低频振荡，甚至会因一次调频调节作用过强，易出现频率振荡。

图2 DCS侧一次调频投入控制功能示意图

图3 DEH侧一次调频投入控制功能示意图

图4 DCS侧频差修正回路控制功能示意图

图5 DEH侧调频转速流量曲线控制功能示意图

3 抑制低频振荡的优化工作

汇总并分析国内曾发生的多起频率振荡事件，包括水轮机的负阻尼效应[9]、汽机阀序切换[10]、机组压力脉动[11]、线路检修等一系列异常工况皆能产生功率振荡[12]，甚至招致电力系统低频振荡[13]。回顾本文分析对象的低频振荡事件中，失去PSS作用是其中一个重要因素，在完善现场试验预案设计、事故反措的同时，通过优化汽轮机组配汽方式、改进控制策略等工作，可进一步克制低频振荡。

3.1 调门流量特性试验

汽轮发电机组中调阀组流量特性曲线的设定，绝大多数是一直延用主机出厂时的设定曲线，机组在历经大修阀门解体、油路工况变化及长期运行磨损后，阀门行程已偏离出厂设定。运行机组若实际阀门特性和机组设定特性曲线偏差大，易引起汽机失稳事故[14]。因此，有必要进行汽机高调阀流量特性试验，检验调阀工作特性，修正配汽函数。

对汽机高压调阀进行流量特性试验，结合重叠度设计符合实际情况的阀门特性曲线，为改善机组控制品质打基础。如图6所示。从图6中可知，高压调门存在一定初始开度死区，约17%，高于出厂时给出的设计值8%，以图6 CV2情况举例，其他调阀类似。

图6 CV2天度-流量特性曲线优化前后对比

3.2 配汽方式优化

机组原设计的复合阀配汽方式适用于带基本负荷，在中、低负荷阶段类似于节流调节，在高负荷阶段转为类似喷嘴配汽。实际运行中，机组参与电网调峰，较长时间运行在中、低负荷阶段，在复合配汽方式下，4个高调阀均存在节流。若某个阀门配汽特性线性度差，重叠度设置不合理、调阀初始开度死区设置不当、配汽函数与实际流量特性偏差显著等问题，会使综合阀位指令变化对应流量变化偏差过大，易引发功率、转速大幅波动。因此，开展配汽优化，设计顺序阀控制方式，在满足条件时，运行人员可根据情况，在原复合阀方式和新顺序阀方式间自由切换，提高经济性的同时也有助于抑制低频振荡。

通过一系列工作，包括建模仿真计算、强度校核，结合摸底性试验，通过冷/热态试验完成了配汽方式优化，并且持续优化，设计出新顺序阀方式下配汽曲线，见图7。

图7 顺序阀流量-开度特性曲线比对

3.3 控制策略优化

针对抑制功率振荡开展优化工作重点：一是优化协调控制回路，采用变参数自适应控制结合变负荷智能超调，改善机组调节能力；二是优化一次调频性能，包括设计一次调频变参数控制，设计“快动缓回”控制回路等。

配汽优化后，在原复合配汽方式下4个高调阀可能均参与负荷响应，但顺序阀方式可能只是单个调门响应，若一次调频动作幅度较大，还可能经过调门开启重叠区，使得某调门开度快速变化。针对不同特性，通过机组变负荷试验与一次调频试验，优化控制参数来满足AGC及一次调频性能要求。优化后一次调频动作曲线见图8。由图8可得，一次调频动作方向正确，控制逻辑、参数正常，机组运行在CCS方式，滑压运行主汽压稳定。一次调频电量贡献系数大于0.6，满足电网要求。