瀑布沟电站机组低频振荡分析与抑制措施研究

向文平，孙艳景

（国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 雅安625304）

频率、电压作为衡量电力系统安全稳定运行的重要指标之一，其动态行为特性非常复杂。随着大型水电站的不断建成投运及远距离输电系统的增加，相关的安全稳定问题更加复杂。特别是西南电网与华中电网由同步交流联网转为异步直流联网运行后，频率控制、低频振荡问题变得更加突出。大型水轮发电机组运行中如果发生单机振荡，某些条件下甚至可能引发整个电网的低频振荡。水轮机“水锤效应”对机组有功调节和运行稳定性的影响比较突出，同时，如果调速器和监控系统有功调节参数设置不当，都易发生单机强迫振荡现象，需要引起高度的重视。目前关于大型水轮发电机组有功调节过程中由于水锤效应过大导致低频振荡现象的研究文献还不够多，本文通过对瀑布沟水电站机组有功调节过程中单机低频振荡原因分析、有功调节参数优化及试验研究，初步总结了机组“水锤效应”偏大现象的抑制思路和措施。

1 异常现象

瀑布沟水电站位于四川省汉源与甘洛两县交界处、大渡河中游，电站装设6台水轮发电机组、单机600 MW，通过4回500 kV线路输送至东坡变电站。水库总库容53.9亿m3，具有不完全年调节能力，为四川电网主力调频调峰电站。电站于2009年底首批2台机组发电，2010年12月全部机组投产。

2018年6月份，瀑布沟水电站3 F机组运行期间出现了较为明显的有无功及电压波动现象，其中机组无功波动最大幅值超过50 Mvar，有功最大反调量超过30 MW，相电压最大波动幅度超过0.2 kV，该振荡现象持续时间约1 min。波形见图1。

图1 单机低频振荡现象

2 原因分析

通过PMU波形分析，瀑布沟电站除3F机组外其他机组运行中也存在类似情况。在机组有功大幅度调节时（如单次有功调节变幅超过200 MW）现象比较明显，小幅度调节时现象有所减弱，有功调节结束后振荡现象自行消失。

该现象在增、减机组有功过程中均有发生，且一次负荷调节过程有功反调现象多次出现，机组有功反调进而引发无功和电压随之大幅波动。根据以上现象，初步判断单机低频振荡系水轮机“水锤效应”偏大所引发。

2.1 水锤效应现象

水管内壁光滑、水流动自如的理想工况下，当打开的阀门突然关闭，水流对阀门及管壁会产生一个压力，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是正水锤；相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，也有一定的破坏力，但没有前者大，以上为水利学当中的“水锤效应”。

由于水轮机压力管道中水流的惯性，水轮机中的水流变化滞后于其导水叶开度的变化。当导水叶开度增大时，引起水流量具有增大的趋势，但是水压减小，使得水轮机的输出功率不是瞬时增加，而是先暂时减小后再增加；反之亦然，这种现象即为水轮机组的“水锤效应”。

电力系统动态过程中，理想水轮机的输出功率变化量[1]为：

式中ΔPm为水轮机的输出功率变化量；Tw表示水流时间常数；Δμ为导水叶开度变化量。

式（1）中右侧分子中的“负号”即从数学的角度描述了水轮机的水锤效应。

瀑布沟水电站机组投产时中国电力科学研究院及四川省电力工业调整试验所出具的水轮机及其调节系统模型参数测试报告如图2所示，图中可以清晰的看出水锤效应导致增减负荷时机组产生了较大的有功反调现象。

图2 水锤效应有功反调波形图

2.2 水锤效应大小

刚性引水管道水锤效应的数学表达式[1]为：

其中q为流量增量，h为水头增量，Tw为水流时间常数。

从（2）表达式可以看出，由于Tw为固定值，流量变化率即导叶动作速度是影响水锤效应大小的关键因素。

2.3 振荡原因分析

瀑布沟水电站监控系统采用北京中水科水电科技开发有限公司H9000-V4系统，调速器系统采用长江三峡事达电气有限责任公司PFWT-200-6.3-STARS型微机调速器。

机组有功调节通过监控系统与调速器相互配合实现，监控系统脉冲比例调节、调速器开度调节，即监控系统根据目标有功与当前实发有功差值计算并发出调节脉冲到调速器，调速器动作于导叶开度。机组单次有功调节不是发出一个脉冲、一次将导叶动作到位，而是由监控系统根据机组有功反馈发出多个脉冲进行多次调节，中间存在脉冲等待间断时间，相应的导叶也是非连续的多次动作（波形图中显示导叶开度为阶梯状而不是一条直线），故水锤效应会多次影响，有功会出现多次反调，无功和电压随之反复波动。瀑布沟水电站监控系统调节脉冲宽度和等待时间见计算公式（3）和（4）。

监控系统调节脉冲宽度：

其中Diff-ABS为目标有功与实发负荷差值，K为有功调节系数，TGAP为脉冲补偿时间（实际设置为0），TPMIN为最小脉冲宽度（实际设置为0）。

监控系统脉冲等待时间：

其中TPAC为脉冲等待时间比例系数，TPAMIN为脉冲等待补偿时间。

3F机组参数优化前有功调节波形见图3。

图3 3 F机组参数优化前有功调节波形图

3 抑制措施

根据图1和图3，水轮机“水锤效应”偏大对机组有功调节平顺性产生了明显的影响，但目前无法通过技术手段从根本上彻底消除，只能尝试采取技术措施抑制其不利影响。

根据公式（2），影响水头增量h的关键因素是流量变化率，理论上通过降低导叶动作速度可有效抑制水锤效应偏大的问题。经以上分析，可尝试通过修改监控系统或调速器有功调节参数，减慢导叶开关速度对低频振荡现象进行处理。瀑布沟水电站采取优化监控系统参数的方式进行试验处理。

根据公式（3），通过减小监控系统有功调节系数K，可以缩短单次监控发出的调节脉冲宽度，进而降低导叶动作速度。尝试将调节系数K值由原来的2逐渐减小进行录波测试，最后发现K值设为0.2时，振荡现象基本消失，有功调节曲线变得平滑，无功及电压稳定无变化。但将有功调节系数K值减小后，有功调节速度随之大幅减慢。为弥补K值减小的影响，将脉冲等待时间TPMIN相应的缩短，由1.5 s修改为1 s，实现了有功调节平滑性和速度的平衡。参数修改后，3 F机组有功调节波形见图4。随后对其他机组相关参数同步进行了优化。

图4 3 F机组参数优化后有功调节波形

4 结束语

大型水轮发电机组有功调节方式基本相同，大部分都采用监控系统与调速器脉冲调节实现，在有功调节过程中“水锤效应”影响所导致的类似现象某种程度上普遍存在。对机组有功调节过程中“水锤效应”影响的分析和处理，为解决该问题积累了宝贵的经验，对避免电网低频振荡、保证电网安全稳定运行也有积极的意义。