发电机功率振荡原因分析及改进

李志军

(广州中电荔新电力实业有限公司，广东 广州511340)

近年来，国内电网相继发生大范围的低频振荡，功率振荡频率较低，振荡范围广，对电网安全稳定运行造成了巨大威胁。对于多次发生的低频振荡，电力专家学者则从不同方面进行大量的研究，在发生机理、振荡特性等方面取得了许多成果〔1－2〕。研究结果表明，相同幅值和频率情况下，原动机功率扰动比复合扰动所引起的电网功率振荡幅值更大，接近其理论放大备注。原动机功率扰动引起电网强迫功率振荡的可能性更大〔3〕。如南方电网在2005年和2008年先后发生的功率振荡均因汽轮机及其调速系统引发的电力系统强迫振荡〔2〕，由于机组调速系统的不稳定使其在系统有扰动是极易介入，与系统的固有低频振荡共振〔4〕，对电网造成难以预计的后果。本文从一起机组功率振荡的现象入手，分析其产生振荡的原因及处理经过。

1 功率振荡过程

某2×300 MW 级热电联产燃煤机组，通过220 kV 出线接入系统。2013年5月初1 号机组停机消缺，更换了机组4 个高压主汽调节门后重新并网运行。机组并网后运行方式为:1，2 号机组分别带220 MW，230 MW 负荷运行，其中，2 号机组带中压供汽66 t/h，低压供汽128 t/h。根据工作安排，该电厂1 号机组进行单顺阀切换操作，切换操作过程中，发生了功率振荡事件，事件过程如下:

13 时56 分56 秒“投入‘功率回路’”，投入1 号机功率回路;

13 时57 分42 秒“点击‘顺序阀’按钮，进入阀切换过程”，将1 号机控制方式由单阀控制切换至顺序阀控制;

13 时57 分56 秒至59 分15 秒，1 号机主汽调节门和负荷出现摆动，4 个主汽调节门阀位在25%～100%范围内摆动(原阀位为35.41%);有功负荷在186～279 MW 范围内摆动(原负荷为220 MW)。无功负荷在24～195 MW 范围波动，发电机电流在7 497～8 418 A 摆动。

13 时58 分15 秒，操作人员将1 号机重新切回单阀运行方式，振荡现象逐步消失。

试验过程振荡功率变化曲线如图1 所示。

图1 试验中振荡过程功率变化情况

2 功率振荡原因分析

调取机组DEH 及DCS 各项数据查阅，将整个过程分为4 个阶段进行分析。

第1 阶段:开始—13 时57 分08 秒，1 号机组处于CCS 协调控制下，正常带220 MW 负荷运行，一次调频正常投入，单阀方式运行，各项参数稳定;

第2 阶段:13 时57 分08 秒—13 时57 分47秒，1 号机组退出CCS 协调控制，投入功率回路，机组功率及调门小幅振荡，峰峰值为2.2 MW，周期4.7 s，频率0.213 Hz;

第3 阶段:13 时57 分47 秒—13 时59 分15秒，从单阀切换顺序阀开始，机组功率振荡加剧并在2 个振荡周期后即进入较大幅度的等幅振荡阶段，峰峰值在66 MW，周期5.86 s，频率0.171 Hz，振荡持续时间77 s;

第4 阶段:13 时59 分15 秒—14 时00 分00 秒，机组退出功率回路，功率振荡现象消失，机组负荷跌至110.7 MW，之后运行人员恢复至220 MW 运行。

在第2 阶段，当机组退出CCS 协调控制，投入功率控制回路后，DEH 功率控制形成闭环PID控制，其中比例系数kp 为1.0，积分时间Ti 为5 s。在更换机组高压主汽调节门后，由于DEH 逻辑中设置的高压调门流量—开度特性曲线与实际调门的特性曲线存在差异，造成回路调节特性较差的情况。由于DEH 功率回路调节特性较差，在闭环控制情况下，若PID 参数选取不当，增益过大，将会导致系统调节不稳定，如图2。

图2 投入功率回路后机组功率响应

在功率回路闭环控制下，机组功率对一次调频等扰动的响应由随机形态转变为频率为0.213 Hz的等幅振荡。

在第3 阶段，单阀开始切换顺序阀，GV1，GV2 逐渐开启，GV3 开度变化不大，GV4 逐渐关闭。此时调门切换动态过程中负荷的变化比正常运行偏大、在系统已处于振荡的情况下加大负荷的扰动使得调门开度迅速振荡进入严重非线性区，调门系统的响应特性严重恶化，导致调门进入振荡发散，调门振荡幅度从25%～100%，机组功率也相应振荡，如图3。由于调门系统的物理结构处于单阀与顺序阀之间，再加上调门的开度在非线性区运行导致调门振荡频率从原来0.213 Hz 畸变为0.171 Hz。

图3 单阀切换顺序阀时机组功率振荡发散

在第4 阶段，DEH 控制退出功率回路，调门控制从闭环控制转为开环控制，由于不存在反馈控制，机组调门的振荡立刻消失，功率振荡也同时消失，如图4。

图4 DEH 退出功率回路，机组功率振荡消失

通过对1 号机组检修历史记录和单阀切换顺序阀试验全过程的分析可以认为:试验前退出CCS协调控制并投入DEH 功率回路后，由于DEH 功率回路PID 参数增益过大，加上DEH 逻辑中设置的高压调门设计流量—开度曲线与实际调门流量—开度曲线有较大偏差2 个方面因素共同作用导致调门控制系统闭环控制稳定性较差，在扰动作用下容易产生等幅振荡，并在单阀切换顺序阀过程中振荡发散。

3 优化与改进

3.1 优化PID 控制参数及仿真试验

根据渐进式的方针，应用以下4 组不同PID 参数进行了仿真，并对结果进行比较，设置不同参数振荡效果如图5 所示。其中图a)中，KP=0.5，TI=10。有20 MW 的振荡。图b)中，KP=0.1，TI=15。已消除振荡，曲线更加平滑。

图5 不同参数下振荡效果图

根据仿真结果，PID 参数选取KP=0.1，TI=15 可以消除功率振荡，负荷波动小，运行更加平稳。

3.2 高压主汽调门流量特性试验及优化

针对1 号机组DEH 调门流量特性与实际相差较大，重新进行了DEH 调门流量特性试验，并修正DEH 逻辑内调门流量特性修正函数，使调门流量特性修正函数与实际相符。

3.2.1 单阀方式下阀门流量特性

根据原参数和试验后参数，计算流量需求及实际流量的关系，绘制曲线图，得到单阀方式下阀门流量特性曲线，如图6。

图6 单阀方式下流量要求指令与实际流量的关系曲线图

3.2.2 顺序阀方式下阀门流量特性

根据原参数和试验后参数，计算流量需求及实际流量的关系，绘制GV12，GV3，GV44 个阀门的曲线图，得到顺序阀方式下阀门流量特性曲线，如图7。

3.2.3 控制回路参数优化及逻辑修改

根据仿真结果和高压调门流量特性结果，对控制回路参数及逻辑做以下优化及修改:

1)DEH 功率控制回路PID 参数比例系数由1.0 修改为0.1，积分时间由10 s 修改为15 s;

2)DEH 逻辑中阀门流量函数按照试验实测结果修改。

图7 顺序阀方式下流量需求与实际流量的关系曲线

4 验证试验

在对控制回路参数优化及逻辑修改后进行验证试验，试验分2 个部分进行。

4.1 功率回路开环状态顺序阀切换单阀试验

试验前机组负荷210 MW，在不投入功率回路的情况下将顺序阀切换至单阀，负荷最低到187 MW，最高223.4 MW，稳定在212 MW，负荷波动范围－23～+13.4 MW。

4.2 功率回路闭环状态单阀与顺序阀互切试验

试验前机组负荷212.3 MW，投入DEH 功率控制回路，试验数据见表1。

表1 功率回路闭环状态单阀与顺序阀互切试验MW

从试验曲线和数据看，经过DEH 功率控制回路参数优化和阀门流量特性曲线修改后的DEH 功率控制回路闭环下的单阀切换顺序阀和顺序阀切换单阀试验已消除了功率振荡现象，而且高压调门动作曲线平滑，负荷波动很小。试验结果也同时验证了1 号机组功率振荡的原因分析及采取措施的正确性。

5 结论

通过对1 号机组功率振荡调查，对功率振荡的原因进行深入的分析及仿真，确认功率振荡的原因是:DEH 功率回路PID 参数增益过大，加上DEH逻辑中设置的高压调门设计流量—开度曲线与实际调门流量—开度曲线有较大偏差两方面因素共同作用导致调门控制系统闭环控制稳定性较差，在扰动作用下容易产生等幅振荡，并在单阀切换顺序阀过程中振荡发散。经过DEH 功率控制回路参数优化和阀门流量特性曲线修改后已消除汽轮机单/顺序阀切换过程中的功率振荡现象。

〔1〕李丹，苏为民，张晶，等． 内蒙古西部电网振荡的仿真研究〔J〕． 电网技术，2006，30(6):41-47．

〔2〕汤涌． 电力系统强迫功率振荡的基础理论〔J〕． 电网技术，2006，30(10):29-33．

〔3〕韩志勇，贺仁睦，马进，等． 电力系统强迫功率振荡扰动源的对比分析〔J〕． 电力系统自动化，2009，33(3):16-19．

〔4〕董超，云雷，刘涤尘，等． 原动机周期性扰动引发强迫功率振荡特性研究〔J〕． 电网与清洁能源，2012，38(4):35-46．