萬(wàn)安國(guó)

川南發(fā)電公司，四川瀘州，646007

0 引言

電力系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)由電源、電網(wǎng)和負(fù)荷中心組成。隨著我國(guó)電力經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模也不斷在拓展與提高，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)形成了東北、華北、華中、華東、西北和南方電網(wǎng)六個(gè)跨省的大型區(qū)域電網(wǎng)，及配套的長(zhǎng)距離輸電電網(wǎng)網(wǎng)架。省內(nèi)級(jí)電網(wǎng)則由地市級(jí)電網(wǎng)組成，地市級(jí)電網(wǎng)負(fù)責(zé)將電能再分配到各區(qū)縣或大中型工廠。因電能不能大規(guī)模儲(chǔ)存，故發(fā)電、輸電、配電和用電需同時(shí)完成。發(fā)電和供電之間必須實(shí)時(shí)保持供需平衡。如果供需平衡被破壞，將對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，甚至在瞬間引發(fā)重大事故[1]。

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)模不斷增加，火電廠發(fā)電機(jī)組功率振蕩現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此電力系統(tǒng)需要依靠在電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一指揮下實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，以及相應(yīng)的在線(xiàn)安全控制、預(yù)防和事故處理等。本文將首先分析火電廠發(fā)電機(jī)組功率振蕩過(guò)程與應(yīng)對(duì)策略，然后進(jìn)一步分析汽輪機(jī)誘發(fā)機(jī)組振蕩的原因，最后提出火電廠機(jī)組安全可靠運(yùn)行的防范措施。

1 某火電廠發(fā)電機(jī)組振蕩事件分析

1.1 #1機(jī)組振蕩前運(yùn)行狀態(tài)

2022年7月，某火電廠發(fā)生了一次發(fā)電機(jī)組振蕩事件。該電廠裝機(jī)容量為2×600MW汽輪發(fā)電機(jī)組，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)負(fù)荷輸出分別經(jīng)主變升壓后接入220kV電網(wǎng)系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)額定功率為600MW，額定視在功率為667MVar。額定定子電壓22kV，額定定子電流17495A。額定轉(zhuǎn)子電壓400V，額定轉(zhuǎn)子電流4387A。額定功率因數(shù)為0.9滯后。勵(lì)磁方式為靜止可控硅機(jī)端自并勵(lì)。

#1 機(jī)組功率振蕩前，發(fā)電機(jī)有功負(fù)荷426MW，無(wú)功負(fù)荷228MVar，功角δ約28.1°，發(fā)電機(jī)AVC（自動(dòng)電壓控制）功能投入，勵(lì)磁系統(tǒng)工作模式為恒機(jī)端電壓模式。#1機(jī)組汽輪機(jī)為負(fù)荷控制模式。汽輪機(jī)#1高調(diào)門(mén)伺服閥故障，已將#1高調(diào)門(mén)手動(dòng)全關(guān)，使其不參與機(jī)組功率調(diào)節(jié)。#2、#3、#4高調(diào)門(mén)為自動(dòng)控制模式，#2、#3高調(diào)門(mén)已全開(kāi)，#4高調(diào)門(mén)開(kāi)度為36%。此時(shí)汽輪機(jī)的負(fù)荷指令為426MW，DEH（汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)）基準(zhǔn)指令為96.9%。汽輪機(jī)主蒸汽進(jìn)汽壓力在緩慢下降。

1.2 #1發(fā)電機(jī)組振蕩過(guò)程

#1發(fā)電機(jī)組振蕩事件全過(guò)程如圖1所示。在20:59:54（A點(diǎn)）時(shí)，#1汽輪機(jī)機(jī)前主蒸汽壓力降至14.4MPa，DEH基準(zhǔn)指令增大至97.2%。#4高調(diào)門(mén)指令37.7%，實(shí)際開(kāi)度為36.9%（偏差0.8%），#4高調(diào)門(mén)正逐漸開(kāi)啟以補(bǔ)償汽輪機(jī)負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷的偏差。#4高調(diào)門(mén)指令與實(shí)際開(kāi)度的偏差值開(kāi)始增大且發(fā)散。7秒后，#1汽輪機(jī)DEH基準(zhǔn)指令增大至97.8%時(shí)指令值開(kāi)始出現(xiàn)明顯波動(dòng)。#4高調(diào)門(mén)指令與實(shí)際開(kāi)度的偏差值增大至3%，且繼續(xù)發(fā)散。同時(shí)#4高調(diào)門(mén)指令變化方向與實(shí)際開(kāi)度變化方向出現(xiàn)了反向現(xiàn)象（見(jiàn)圖1）。21:00:25（B點(diǎn)）#4高調(diào)門(mén)指令38.1%，實(shí)際開(kāi)度為65.9%（偏差27.8%）后振蕩減弱趨于正常。同時(shí)段（A～B點(diǎn)區(qū)間）#1發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、機(jī)端電壓、220kV側(cè)系統(tǒng)周波均出現(xiàn)3.3～5Hz的同步振蕩，發(fā)電機(jī)功角δ在29.1°～23.5°區(qū)間振蕩。有功最大振蕩幅值38MW、無(wú)功最大振蕩幅值39MVar、勵(lì)磁電壓最大振蕩幅值48V、勵(lì)磁電流最大振蕩幅值115A、機(jī)端電壓最大振蕩幅值0.25kV、系統(tǒng)周波最大振蕩幅值0.007Hz。期間22kV母線(xiàn)電壓恒定于234.9kV不變。

圖1 #1 發(fā)電機(jī)組振蕩事件中主要汽輪機(jī)變量局部放大圖

1.3 #1發(fā)電機(jī)組功率振蕩處理措施

發(fā)現(xiàn)機(jī)組功率振蕩后，電廠電氣運(yùn)行人員采取了及時(shí)有效措施抑制振蕩。

21:00:59（C點(diǎn)）#1汽輪機(jī)機(jī)前主蒸汽壓力降至14.3Mpa，DEH基準(zhǔn)指令增大至97.3%。#4高調(diào)門(mén)指令與實(shí)際開(kāi)度的偏差值在減小后又再次擴(kuò)大。同時(shí)段（C～F點(diǎn)）#1發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、機(jī)端電壓、220KV側(cè)系統(tǒng)周波振蕩幅值也同步增大，振蕩周期仍為3.3～5HZ，發(fā)電機(jī)功角δ在29.1°～21.3°區(qū)間振蕩。21:02:51（D點(diǎn)）運(yùn)行人員人為將輪機(jī)的負(fù)荷指令由426MW減至422MW，#1汽輪發(fā)電機(jī)組各參數(shù)的振蕩幅值未有發(fā)生變化。21:03:52（E點(diǎn)）再次人為將輪機(jī)的負(fù)荷指令由422MW減至418MW后，各參數(shù)的振蕩幅度出現(xiàn)短時(shí)減弱后又再次加劇。21:04:33（F點(diǎn)）人為將#1汽輪機(jī)的DEH運(yùn)行方式由負(fù)荷控制模式切為閥位控制模式，此時(shí)汽輪機(jī)負(fù)荷與發(fā)電機(jī)負(fù)荷的聯(lián)系即由閉環(huán)控制變?yōu)殚_(kāi)環(huán)控制，汽輪機(jī)的負(fù)荷只由人為設(shè)定的DEH基準(zhǔn)指令（對(duì)應(yīng)調(diào)門(mén)組一個(gè)固定開(kāi)度值）決定。當(dāng)汽輪機(jī)控制模式切為閥位控制后，#1發(fā)電機(jī)的功率振蕩現(xiàn)象被消除（見(jiàn)圖2、圖3）。

圖2 #1 發(fā)電機(jī)組振蕩事件中主要電氣變量錄波圖

圖3 #1 發(fā)電機(jī)組振蕩事件中主要汽輪機(jī)變量錄波圖

2 發(fā)電機(jī)功率振蕩的原因分析

汽輪機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)是由DEH系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷要求將相應(yīng)的控制偏差送入PID控制器轉(zhuǎn)換為汽輪機(jī)的DEH基準(zhǔn)指令，DEH基準(zhǔn)指令在0%～100%區(qū)間內(nèi)由閥門(mén)管理程序換算成#1、#2、#3、#4高調(diào)門(mén)對(duì)應(yīng)的不同開(kāi)度。實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量與DEH的基準(zhǔn)指令呈線(xiàn)性關(guān)系。

#1發(fā)電機(jī)功率振蕩前，#1高調(diào)門(mén)因伺服閥故障退出運(yùn)行，汽輪機(jī)的負(fù)荷只能由余下的#2、#3、#4高調(diào)門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)主蒸汽壓力緩慢下降時(shí)，汽輪機(jī)DEH基準(zhǔn)指令值自動(dòng)增加以開(kāi)大各高調(diào)門(mén)來(lái)增加汽輪機(jī)進(jìn)汽量來(lái)補(bǔ)償汽輪機(jī)的負(fù)荷損失。當(dāng)DEH基準(zhǔn)指令達(dá)97.2%時(shí)，#1汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)的調(diào)節(jié)特性進(jìn)入嚴(yán)重的非線(xiàn)性區(qū)域。此時(shí)在電網(wǎng)頻率變化、一次調(diào)頻動(dòng)作等因素的擾動(dòng)下，高調(diào)門(mén)閥組存在顯著的高頻率動(dòng)作，調(diào)節(jié)性能明顯惡化[2]。

原動(dòng)機(jī)輸入功率的波動(dòng)將引起發(fā)電機(jī)功角δ振蕩，從而誘發(fā)發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功波動(dòng)[3]。當(dāng)原動(dòng)機(jī)輸入功率增加，機(jī)組加速，與原動(dòng)機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)功角將相應(yīng)增加。根據(jù)同步發(fā)電機(jī)功角特性，發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功將隨功角增大而增加并引起頻率與電壓變化。為跟蹤有功與電壓指令，機(jī)組汽輪機(jī)與勵(lì)磁控制器將進(jìn)行閉環(huán)控制，試圖將變化的有功與電壓控制到指令值。然后由于汽輪機(jī)調(diào)門(mén)已接近開(kāi)度極限且調(diào)節(jié)特性從線(xiàn)性變?yōu)榉蔷€(xiàn)性（如圖4所示），機(jī)組進(jìn)入振蕩失控運(yùn)行狀態(tài)。此外，勵(lì)磁控制器與汽輪機(jī)控制器還存在有功無(wú)功耦合效應(yīng)，可能進(jìn)一步加劇機(jī)組振蕩[4-5]。

圖4 汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥流量與開(kāi)度曲線(xiàn)

3 火電廠汽輪機(jī)誘發(fā)發(fā)電機(jī)功率振蕩的防范措施

通過(guò)分析火電廠發(fā)電機(jī)組振蕩事件過(guò)程及其原因，可進(jìn)一步總結(jié)出以下防范措施。

（1）采取提高主蒸汽初參數(shù)、凝汽器真空等措施，必要時(shí)限制汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷上限。以減小汽輪機(jī)DEH基準(zhǔn)指令，避免汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)的開(kāi)度過(guò)大，調(diào)節(jié)特性進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)域。

（2）在汽輪機(jī)DEH基準(zhǔn)指令接近上限時(shí)，適當(dāng)提高發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率以減小發(fā)電機(jī)功角δ，增大發(fā)電機(jī)的阻尼。避免發(fā)電機(jī)功率振蕩時(shí)振蕩現(xiàn)象持續(xù)發(fā)散，進(jìn)而發(fā)展為失步。

（3）當(dāng)判斷為發(fā)電機(jī)功率振蕩是原動(dòng)機(jī)的進(jìn)汽調(diào)門(mén)基準(zhǔn)指令接近上限，致使調(diào)節(jié)特性惡化引起時(shí)，可將汽輪機(jī)的DEH運(yùn)行方式切為閥位控制模式。閥位控制模式下汽輪機(jī)負(fù)荷控制由閉環(huán)變?yōu)殚_(kāi)環(huán)，汽輪機(jī)進(jìn)汽量保持恒定，進(jìn)而消除振蕩源。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)汽輪機(jī)誘發(fā)火電廠發(fā)電機(jī)組功率振蕩事件的原因、過(guò)程及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的防范措施，為提高火電廠的運(yùn)行安全性與可靠性提供一定參考。