火电机组引发低频振荡原因分析及抑制措施

秦皇岛发电有限责任公司 薛 茜

随着电网规模的日益扩大，电网的安全稳定问题日益突出。电网侧普遍安装了低频振荡检测软件，对发生有功功率低频振荡的电厂进行电量考核。低频振荡问题引起了各电厂的普遍重视。低频振荡是振荡频率在0.2～2.5Hz范围内的持续振荡，其有可能导致发电机轴系损坏、系统电压过高等后果，危及电源侧和电网侧的安全运行。为了预防发电机组发生有功功率低频振荡，有必要全面梳理和分析引发机组产生低频振荡的各种因素，从而采取有效的抑制措施。

1 机组引发电网功率振荡机理

1.1 低频振荡机理[1]

强迫振荡机理与负阻尼机理可解释绝大部分由机组引发的有功功率振荡。负阻尼机理认为电网出现振荡的原因是电力系统中阻尼不足或整体阻尼为负值，系统受扰后引发的功率或频率波动。强迫功率振荡理论则认为电力系统有其固有频率，当系统中存在持续的周期性扰动，且扰动频率接近其固有频率时，容易造成共振和强迫功率振荡。根据负阻尼机理设计的励磁PSS系统已经在各火电机组强制投入运行且效果显著。即便如此，机组控制系统及其本体缺陷可造成机组向系统持续注入周期性的功率波动，仍会引发系统低频振荡现象。导致机组低频振荡的强迫振荡和负阻尼机理其特性对比见表1。

表1 由强迫振荡和负阻尼机理引发的低频振荡特性对比

1.2 机组引发低频振荡的主要因素

机组引发有功功率振荡的主要因素可以分为两类。

1.2.1 系统阻尼变小

机组调节系统逻辑及参数、运行方式发生变化时都有可能造成系统等效阻尼的减小。阻尼变小的过程中，系统中出现的强迫振荡和负阻尼振荡的幅值均会逐渐变大，从而造成系统规模的低频功率振荡。当阻尼变成负值时，负阻尼振荡的幅值将指数方式迅猛增加。

1.2.2 外界扰动引入

发电过程中，汽轮机热力系统向电气系统持续注入功率。在设备发生缺陷或者调节控制不当时，汽轮机注入的功率有可能出现周期性波动。当此波动频率与系统的固有振荡频率接近时，就有可能导致强迫功率振荡。由机组原因造成的功率振荡，可能存在外界周期扰动与系统阻尼减小同时发生、共同作用的情况。

2 机组低频振荡原因分析

2.1 励磁系统原因

当机组励磁系统发生控制不当时，容易造成系统阻尼比由正转负，从而导致低频振荡。励磁调节器主要参数设置错误、励磁系统二次回路异常（比如转速信号故障）、限幅环节异常、励磁系统硬件故障、PSS异常等，都有可能使系统阻尼由正变负，进而引发低频振荡。

2.2 调速系统原因[1-4]

热力系统向电气系统功率的注入由汽轮机调速系统控制，其响应速度为秒级，与低频振荡频率十分接近。若调速系统存在设备故障或参数设置不当时，容易导致热力系统向电气系统注入功率发生频繁波动，这种情况机组作为强迫振荡源很容易引发系统发生强迫振荡。

2.2.1 DEH控制逻辑、控制参数设置不合理

火电机组大多采用DEH系统控制汽机调门的开度从而实现对汽轮机功率的控制。若DEH中的控制模型与实际系统偏差较大时，就可能导致调节汽门来回抖动，从而造成汽机进汽压力、进汽量周期性波动进而引发低频振荡。

DEH中的调门特性函数与实际特性不一致，是常见的由控制参数设置不合理引发的低频振荡的原因，这种情况会造成机组在功率调整的过程中频繁、往复地调节汽门开度，从而导致汽门频繁抖动。调门的磨损、老化会导致调门的流量-开度特性逐渐改变，从而造成DEH中设置的调门特性与实际调门特性出现不匹配。

即使调门特性匹配良好，若DEH各调门的重叠度设置不合理，在顺序阀控制模式中，在一次调频频繁动作等情况下，也会导致某1～2个调门的频繁打开、关闭从而引发强迫功率振荡。

2.2.2 EH油系统设备及调门本体故障

DEH输出的调节信号由电液执行机构转化为调门的实际开度，当执行机构出现故障时可能会造成机组输出有功功率持续振荡。

一是调门本体故障是比较常见的故障。调门长时间工作于高温、高压蒸汽中，容易发生磨损、老化、弯曲等故障，这些故障会造成调门的卡涩和动作滞缓。由此会造成调门开度指令和调门开度的来回调节，从而引发机组有功出力的持续振荡。

二是EH油系统故障例如出现电液伺服阀、蓄能器故障、滤网或管道堵塞，位移传感器故障等都可能会导致调门进汽量变化频繁，这会引发机组输出有功功率的持续振荡。

2.2.3 蒸汽压力的持续波动

汽机蒸汽压力的动态变化也可能造成机组输出功率的波动。蒸汽管道腐蚀及堵塞、锅炉燃烧不稳定等都可能造成蒸汽压力波动。在汽机快关调门的过程中，如果蒸汽压力出样脉动，并且此脉动压力造成汽机功率振荡频率接近系统固有振荡频率，就有可能会引发低频振荡。

2.2.4 一次调频参数设置不合理

一是过度追求一次调频调节性能，一次调频量参数设置不合理，转速不等率设置过小，比例调节作用太强，调频量太大，都会降低系统稳定性，在电网出现较大频率扰动时可能会引起调门频繁摆动，从而引发有功功率振荡。

二是CCS、DEH系统中都有一次调频回路，若二者配合失调就可能会引起调门的振荡。DEH的一次调频回路是将调频量直接叠加于调门开度指令上，若CCS中的一次调频回路调节效果比较弱，CCS中的主控功率控制回路就会发出和DEH的一次调频作用相反的调门开度指令，这种反调现象不仅会抵消一次调频的效果，还容易引发功率振荡。

3 某厂4号机组功率低频振荡原因分析

3.1 低频振荡事件过程

2021年6月4 日，某厂得到所在电网调度通知4号机组发生低频振荡，4号机组低频振荡原因未分析清楚前不允许涨负荷。该厂专业工程师联系电网PMU主站维护人员得知PMU主站加装了低频振荡检测功能，当检测到低频振荡时会发出报警。按国网统一要求，报警条件设置为：机组有功功率出现0.1～2.5Hz振荡，且振荡幅值超过10MW、持续时间超过10个周波，则判断为发生低频振荡。PMU主站维护人员当日未在主站现场，不能获得当日的机组功率振荡曲线，但维护人员早在4月25日做一次调频远程测试静态试验时，观察到了该厂4号机组的功率振荡情况并用手机拍照留存影像。以下是维护人员提供的4号机组4月25日发生功率低频振荡时的相关数据曲线（如图1所示）。

图1 2021年4月25日电网检测到的功率振荡情况

3.2 功率振荡原因分析

经该厂专业人员调取4号机组在相同时间段DCS系统相关数据趋势图发现，4号机组汽轮机GV5调门动作趋势与该负荷段内机组有功波动一致，判断GV5阀门快速、频繁调节是引起机组有功波动的主要原因。

该厂4号机组在负荷215～245MW，汽轮机GV5调门在33%～44%开度范围内进行进汽主调，当超过此开度范围时GV5将全开，GV6开启参与调节。因GV5长时间运行后阀门流量特性发生劣化，在该负荷区间调节线性较差，由于此时系统频率波动频繁导致一次调频功能频繁动作，造成GV5、GV6调门的频繁开闭调节，从而造成有功功率调节波动频繁，导致功率发生振荡，振荡幅值、频率及持续时间达到了电网检测的报警标准。DCS检测到的低频振荡相关数据趋势图如图2所示。

图2 2021年4月25日DCS检测到的4号机组功率振荡情况

3.3 4号机组功率振荡消除措施

4号机组的功率振荡是由于GV5调门的阀门流量特性线性差，以及在特定负荷区间，GV5、GV6频繁顺序开闭造成的，因此消除措施一是考虑修改DEH中的GV5调门开度-流量曲线与实际一致；二是修改GV5、GV6调门的重叠度函数，避开GV5调门的非线性开度区间；三是改变高压调门顺阀调节方式下阀门开启顺序，从而避开GV5调门的非线性开度区间。

4 机组引发低频振荡抑制措施

一是严格执行定值管理制度，修改励磁系统、一次调频系统、DEH系统参数时严格履行审批手续，参数的修改要以试验结果为依据，不得随意更改。

二是加强涉网试验管理，当机组大修后或据上一次试验时间达到5年时，要及时进行励磁系统PSS试验、一次调频试验、调速系统参数试验，并根据试验结果修改相关参数。

三是在电厂侧PMU子站增加机组有功功率低频振荡检测及报警功能，当发生低频振荡时运行、维护人员能够及时知晓并迅速做出响应。

四是编制低频振荡处置预案，以便在发生低频振荡时，能够迅速地作出正确反应，及时平息因本厂机组引发的低频振荡。

五是合理设置DEH系统控制逻辑中调门特性函数及重叠度，确保顺阀模式下调门总指令与蒸汽总流量的线性度，防止频繁出现两个调门反复交替开启、关闭现象。

六是增加调门开度抖动检测报警，当发生调门抖动时及时采取干预措施。

七是加强对电液执行机构、EH油系统设备的检修和维护，避免调门出现卡涩、动作滞缓等问题。

5 结语

本文针对由机组引发的低频振荡现象，给出了基于强迫振荡和负阻尼两种机理的理论解释。梳理了导致低频振荡的主要因素，给出了预防机组发生低频振荡的针对性措施，对其他电厂有参考作用。