某電廠有功功率振蕩的原因分析及預(yù)防措施

某電廠有功功率振蕩的原因分析及預(yù)防措施朱志飛;涂育中【摘要】對(duì)某電廠發(fā)生的一起有功功率低頻振蕩事件的發(fā)電機(jī)組響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了分析，認(rèn)為該次低頻振蕩與500kV紫荊變電站進(jìn)行荊鵬甲、乙線復(fù)電操作有關(guān)，環(huán)網(wǎng)操作造成500kV沙荊線有功負(fù)荷出現(xiàn)約1200MW的反向突增，導(dǎo)致局部區(qū)域發(fā)生低頻振蕩同時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)擾動(dòng)過(guò)程中3號(hào)機(jī)組電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置(powersystemstabilizer,PSS)沒(méi)有響應(yīng),原因是3號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)PSS的程序中含有有功功率突變3%Pr(Pr為發(fā)電機(jī)額定功率)時(shí)閉鎖PSS功能2s的邏輯錯(cuò)誤，影響了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性.建議加強(qiáng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器PSS運(yùn)行維護(hù)管理等，以抑制低頻振蕩事件的發(fā)生.【期刊名稱】《廣東電力》【年(卷)，期】2013(026)007【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P52-56)【關(guān)鍵詞】發(fā)電廠;低頻振蕩;穩(wěn)定性;發(fā)電機(jī);功角;波動(dòng)【作者】朱志飛;涂育中【作者單位】沙角C電廠，廣東東莞523936;沙角C電廠，廣東東莞523936【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM621某電廠(C廠)共有3臺(tái)660MW燃煤發(fā)電機(jī)組，采用單元制接線，通過(guò)主變壓器升壓后接入500kV系統(tǒng)，并與A廠、B廠的500kV升壓站相連，A廠、B廠采用500kV母線直接連接方式，B廠、C廠通過(guò)500kV聯(lián)絡(luò)線連接。采用雙回500kV輸電線與中部主網(wǎng)的廣南變電站相連，與東部主網(wǎng)的紫荊變電站相連。2012年10月29日20時(shí)32分29秒，該電廠3臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)出現(xiàn)有功功率突變，并發(fā)生不同程度的功率振蕩，功率振蕩持續(xù)2~3s后平息。現(xiàn)對(duì)其電氣量變化情況進(jìn)行分析，以找出事故原因，加以防范。1.1500kV輸電線路電氣量變化情況從波形圖來(lái)看，異常事件發(fā)生后，A廠、B廠、C廠供500kV廣南變電站的兩回500kV輸電線路的潮流發(fā)生了大幅度急劇變化，其中500kV沙廣乙線有功功率在20時(shí)32分29秒發(fā)生突變，由之前1023MW突變至1418MW，無(wú)功功率同時(shí)由-65Mvar突變至-156Mvar。并列運(yùn)行的500kV沙廣甲線有功功率、無(wú)功功率與500kV沙廣乙線在同一時(shí)刻等幅突變。A廠、B廠、C廠供500kV紫荊變電站的兩回500kV輸電線路的潮流也發(fā)生了大幅度的急劇變化，其中500kV沙荊甲線有功功率在20時(shí)32分29秒發(fā)生突變，由之前-16MW突變至-590MW，無(wú)功功率同時(shí)由-50Mvar突變至670Mvar。并列運(yùn)行的500kV沙荊乙線有功功率、無(wú)功功率與500kV沙荊甲線在同一時(shí)刻等幅突變。C廠與B廠500kV聯(lián)絡(luò)線（以下簡(jiǎn)稱500kVB/C）有功功率也在20時(shí)32分29秒發(fā)生突變，由之前1046MW突變至1451MW，無(wú)功功率同時(shí)由-30Mvar突變至-110Mvar,B/C聯(lián)絡(luò)線功率變化與500kV沙廣甲線功率變化相近。500kV沙廣甲、乙線及B/C聯(lián)絡(luò)線電壓出現(xiàn)小幅下降，電流出現(xiàn)大幅度上升。B廠500kV1號(hào)、2號(hào)聯(lián)變500kV側(cè)有功功率及無(wú)功功率未發(fā)生明顯變化，其與220kV系統(tǒng)的功率輸送未發(fā)生明顯變化。從A廠、B廠、C廠電氣量變化情況來(lái)看，在20時(shí)32分29秒發(fā)生低頻振蕩時(shí)，沙荊甲、乙線輸送功率發(fā)生大幅度變化，向沙角A廠、B廠、C廠的500kV母線瞬間反向增加有功功率約1200MW,導(dǎo)致C廠3臺(tái)發(fā)電機(jī)有功功率突降近300MW，而500kV沙廣甲、乙線有功負(fù)荷突增近900MW。1.2發(fā)電機(jī)電氣量變化情況3臺(tái)發(fā)電機(jī)有功功率于20時(shí)32分29秒發(fā)生突變，1號(hào)發(fā)電機(jī)有功功率從滿負(fù)荷660MW突然降至最低負(fù)荷566MW，之后突升至最高負(fù)荷719MW，再次突降至次低負(fù)荷638MW后回升至660MW穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)功功率從9Mvar上升至35Mvar后回落，呈小幅變化趨勢(shì)。2號(hào)發(fā)電機(jī)從滿負(fù)荷660MW突然降至最低負(fù)荷565MW，之后突升至最高負(fù)荷709MW，最后回落至660MW穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)功功率從60Mvar上升至87Mvar后回落，呈小幅變化趨勢(shì)。3號(hào)發(fā)電機(jī)從滿負(fù)荷660MW突然降至最低負(fù)荷562MW，之后突升至最高負(fù)荷729MW，經(jīng)過(guò)振蕩后回落至660MW穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)功功率從44Mvar上升至71Mvar后回落，呈振蕩變化趨勢(shì)。1號(hào)發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)2次振蕩后恢復(fù)至原來(lái)負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，2號(hào)發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)1次振蕩后恢復(fù)至原來(lái)負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，3號(hào)發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)5次振蕩后恢復(fù)至原來(lái)負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。圖1為3臺(tái)機(jī)組發(fā)電機(jī)有功功率振蕩變化情況。3臺(tái)發(fā)電機(jī)功角與有功功率同步變化。1號(hào)發(fā)電機(jī)功角在48。~57。之間變化，波動(dòng)2次后趨于穩(wěn)定；2號(hào)發(fā)電機(jī)功角在46°~55°之間變化，波動(dòng)1次后趨于穩(wěn)定;3號(hào)發(fā)電機(jī)功角在46°~55°之間變化，波動(dòng)5次后趨于穩(wěn)定。圖2為3號(hào)發(fā)電機(jī)有功功率、功角的變化情況。3臺(tái)發(fā)電機(jī)定子電壓出現(xiàn)小幅變化，呈下降趨勢(shì)。發(fā)電機(jī)定子電流出現(xiàn)大幅度突降并與有功功率同步波動(dòng)，電流最大降幅為4000A。1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓出現(xiàn)與發(fā)電機(jī)有功功率反向變化的特征，在發(fā)電機(jī)有功功率突降時(shí)，勵(lì)磁電壓出現(xiàn)突然增大，之后下降至最低值后回升至高于初始值運(yùn)行。其中2號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓與有功功率的對(duì)比情況如圖3所示。3號(hào)發(fā)電機(jī)有功率波動(dòng)167MW,比1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)都要大，但3號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓無(wú)太大波動(dòng)，3號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓與有功功率的對(duì)比情況如圖4所示。引起系統(tǒng)局部低頻振蕩的原因復(fù)雜。這次激發(fā)低頻振蕩的原因與500kV紫荊變電站進(jìn)行荊鵬甲、乙線復(fù)電操作有關(guān)。500kV荊鵬甲、乙線復(fù)電使A廠、B廠、C廠通過(guò)500kV沙荊甲、乙線與東部500kV主網(wǎng)形成環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)操作造成500kV沙荊線有功負(fù)荷出現(xiàn)約1200MW的反向突增，導(dǎo)致局部區(qū)域發(fā)生低頻振蕩。沙角C廠滿負(fù)荷660MW穩(wěn)定運(yùn)行的3臺(tái)發(fā)電機(jī)有功功率、定子電流、功角等特征電氣量于20時(shí)32分29秒發(fā)生突變，之后呈現(xiàn)振蕩態(tài)勢(shì)，振蕩均呈收斂形態(tài)，振蕩周期約700ms，振蕩頻率1.43Hz。激發(fā)至平息振蕩的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為3s，3臺(tái)發(fā)電機(jī)的特征電氣量變化響應(yīng)了系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)荷擾動(dòng)［1-2］。系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，3臺(tái)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置(powersystemstabilizer，PSS)的功能環(huán)節(jié)均在投入狀態(tài)，從圖1及圖4可以看出，1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的PSS功能環(huán)節(jié)有效抑制了振蕩，3號(hào)機(jī)組勵(lì)磁電壓變化不大且與有功曲線同向，沒(méi)有起到有效的正阻尼作用。根據(jù)3臺(tái)機(jī)組PSS整定值及有功功率變化量計(jì)算出的勵(lì)磁電壓變化量AUe見(jiàn)表1［3-4］。從上述分析初步判斷在系統(tǒng)擾動(dòng)過(guò)程中3號(hào)機(jī)組PSS沒(méi)有響應(yīng)，聯(lián)系勵(lì)磁廠家對(duì)PSS程序進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)3號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)PSS的程序中含有當(dāng)有功功率突變3%Pr(Pr為發(fā)電機(jī)額定功率)時(shí)閉鎖PSS功能2s的邏輯。在此次振蕩過(guò)程中，3號(hào)機(jī)組有功功率瞬間變化達(dá)到25%Pr，因此PSS被閉鎖，沒(méi)有發(fā)揮作用。有功功率變化時(shí)閉鎖PSS的目的是減少PSS的反調(diào)節(jié)作用。采用IEEEPSS1A模型的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，PSS僅以電功率作為輸入信號(hào)，無(wú)法區(qū)分系統(tǒng)有功功率波動(dòng)和原動(dòng)機(jī)功率波動(dòng)。當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率波動(dòng)時(shí)，若不閉鎖PSS功能，PSS會(huì)產(chǎn)生信號(hào)作用于勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使發(fā)電機(jī)無(wú)功功率發(fā)生大幅波動(dòng)。當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率快速增大時(shí)，發(fā)電機(jī)無(wú)功功率會(huì)出現(xiàn)比較大的、不能允許的減小；而當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率快速減小時(shí)，發(fā)電機(jī)的無(wú)功率會(huì)出現(xiàn)比較大的、不能允許的增大［5］。有效解決反調(diào)節(jié)的辦法是將PSS1A模型升級(jí)為PSS2A模型［6］，以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（或頻率）和有功功率做為PSS輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算產(chǎn)生機(jī)械功率變化量信號(hào)，該信號(hào)減去有功功率變化量信號(hào)，即為加速功率變化量信號(hào)，以此作為PSS校正信號(hào)輸入到超前滯后環(huán)節(jié)、增益調(diào)整環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)。PSS2A模型在理論上不存在反調(diào)節(jié)現(xiàn)象［7］，C廠3號(hào)發(fā)電機(jī)目前采用的PSS2A模型，在機(jī)組PSS現(xiàn)場(chǎng)整定試驗(yàn)時(shí)已驗(yàn)證無(wú)反調(diào)節(jié)現(xiàn)象，因此3號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器有功功率突變閉鎖PSS這一功能是程序中存在的一個(gè)缺陷。此次區(qū)域內(nèi)并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)電振蕩，3號(hào)發(fā)電機(jī)PSS雖未發(fā)揮作用，但是1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的PSS功能環(huán)節(jié)有效抑制了振蕩，并使低頻振蕩快速平息。經(jīng)計(jì)算3號(hào)機(jī)組的阻尼比約為11%，滿足南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算導(dǎo)則的要求。此次功率振蕩時(shí)間為2~3s,當(dāng)輸出功率發(fā)生振蕩時(shí)，由于持續(xù)時(shí)間短，汽輪發(fā)電機(jī)組的輸入機(jī)械功率來(lái)不及反應(yīng)，在振蕩過(guò)程中汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門開(kāi)度保持不變，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)未響應(yīng)發(fā)電機(jī)有功功率振蕩也是可理解的。系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)有功功率發(fā)生突變，并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生機(jī)電振蕩?，F(xiàn)以2號(hào)發(fā)電機(jī)為例（如圖5所示），簡(jiǎn)要分析低頻振蕩時(shí)發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定性。低頻振蕩發(fā)生前，發(fā)電機(jī)輸出功率為660MW，此時(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在A點(diǎn)，與之相對(duì)應(yīng)的功角60=51.6°,發(fā)電機(jī)輸出功率與汽輪機(jī)的機(jī)械功率相等，發(fā)電機(jī)維持同步穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)?shù)皖l振蕩發(fā)生時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率在20ms內(nèi)突降至565MW,該瞬間，汽輪機(jī)機(jī)械功率和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓尚未變化，運(yùn)行點(diǎn)從穩(wěn)定狀態(tài)的A點(diǎn)過(guò)渡到B點(diǎn)，與之相對(duì)應(yīng)的功角61=45.8°,發(fā)電機(jī)輸出功率為565MW，而汽輪機(jī)機(jī)械功率仍為660MW，因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子必然加速，發(fā)電機(jī)功角隨之增大，輸出功率也增大，當(dāng)加速至A點(diǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率又重新與機(jī)械功率相等，但發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由于慣性作用繼續(xù)加速，功角進(jìn)一步增大，輸出功率大于機(jī)械功率后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子隨即進(jìn)入減速狀態(tài)，同時(shí)由于勵(lì)磁系統(tǒng)的PSS功能模塊檢測(cè)到低頻振蕩后勵(lì)磁電流增加，發(fā)電機(jī)功角特性向上移動(dòng)至曲線3，最終發(fā)電機(jī)運(yùn)行于功角特性曲線3的C點(diǎn)，與之相對(duì)應(yīng)的功角82=54.6°,發(fā)電機(jī)輸出功率為709MW。發(fā)電機(jī)輸出功率大于汽輪機(jī)機(jī)械功率，轉(zhuǎn)子進(jìn)入減速狀態(tài)，同時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器也降低勵(lì)磁，綜合兩方面的因素，發(fā)電機(jī)最終由C點(diǎn)減速進(jìn)入至曲線2的D點(diǎn)，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率重新與汽輪機(jī)的機(jī)械功率相同，發(fā)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)行功角83=51°，發(fā)電機(jī)輸出功率為651MW,2號(hào)發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期振蕩后重新進(jìn)入另一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)D繼續(xù)運(yùn)行。2號(hào)發(fā)電機(jī)有功功率振蕩在1~2s內(nèi)平息。1號(hào)發(fā)電機(jī)振蕩形態(tài)與2號(hào)發(fā)電機(jī)相似。3號(hào)發(fā)電機(jī)振蕩時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)5次振蕩后才重新恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。3臺(tái)發(fā)電機(jī)有功功率振蕩幅度較小并快速平息，振蕩過(guò)程中發(fā)電機(jī)功角介于45°~57°之間，發(fā)電機(jī)仍有較大的靜態(tài)穩(wěn)定裕量，但在一定程度上對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子造成了沖擊，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行不利。4.1低頻振蕩的危害低頻振蕩方式呈現(xiàn)兩種形態(tài)，一種形態(tài)是衰減型振蕩［8］，另一種是增強(qiáng)型振蕩，前一種形態(tài)在經(jīng)過(guò)振蕩后一般能恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，但第二種形態(tài)往往會(huì)使振蕩加劇，最終發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載或失步。低頻振蕩造成電力系統(tǒng)輸送功率受限，嚴(yán)重時(shí)造成輸電線路過(guò)載或繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。低頻振蕩對(duì)電力系統(tǒng)內(nèi)并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)造成危害，發(fā)電機(jī)電磁功率瞬間突變，造成機(jī)械輸入功率與電磁功率不平衡而產(chǎn)生機(jī)電振蕩，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子造成沖擊，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失步解列，也可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭振，損壞轉(zhuǎn)子。4.2預(yù)防或抑制低頻振蕩的措施激發(fā)低頻振蕩的因素復(fù)雜多樣，為預(yù)防或抑制系統(tǒng)低頻振蕩對(duì)發(fā)電機(jī)組的危害，采取如下措施：a） 加強(qiáng)與調(diào)度部門的溝通，機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)，特別是涉及主網(wǎng)解環(huán)或并環(huán)的線路操作時(shí)需避免聯(lián)絡(luò)線路操作前后引起功率大幅度突變，同時(shí)做好事故預(yù)想。尤其是將來(lái)500kV升壓站分母運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的聯(lián)系減弱，發(fā)生低頻振蕩的可能性加大。b） 發(fā)生低頻振蕩時(shí)需及時(shí)報(bào)告調(diào)度部門，加強(qiáng)溝通，嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度規(guī)程及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程。c） 加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器PSS的運(yùn)行維護(hù)管理，保持PSS功能正常投入，PSS功能雖不能在源頭上避免產(chǎn)生低頻振蕩，但能很好地在低頻振蕩發(fā)生時(shí)抑制或平息振蕩，對(duì)發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行有益。d） 消除發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器PSS功能中的缺陷，改善PSS功能，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化PSS功能各環(huán)節(jié)的參數(shù)。電力系統(tǒng)發(fā)生有功功率低頻振蕩時(shí)，對(duì)電力系統(tǒng)及并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組造成影響，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰或發(fā)電機(jī)機(jī)組損壞，需引起重視。電力調(diào)度部門進(jìn)行主網(wǎng)解環(huán)或并環(huán)時(shí)需控制并網(wǎng)線路不發(fā)生大幅度功率波動(dòng)；另一方面，電廠側(cè)并網(wǎng)機(jī)組操作應(yīng)嚴(yán)格按相關(guān)要求并網(wǎng)，避免對(duì)電力系統(tǒng)造成沖擊；并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器需配置PSS，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化其各功能環(huán)節(jié)的參數(shù)?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】王錫凡，方萬(wàn)良，杜正春.現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析[M].北京：科學(xué)出版社，2003.倪以信，陳壽孫，張寶霖.動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.GB/T7409.2—2008，同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究用模型[S].DL/T843—2010，大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件[S].張仰飛，袁越，陳小虎，等.有功型PSS抑制低頻振蕩機(jī)理及反調(diào)特性[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010,38(3):77-80，109.ZHANGYangfei，YUANYue，CHENXiaohu，etal.MechanismofActive-powerPSSLow-frequencyOscillationSuppressionandCharacteristicofAnti-regulation[J].PowerSys