某大型水电站机组低频振荡现象分析

李博，郑德芳，王秀梅，汪志华

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051）

低频振荡是电力系统的一种复杂动态行为，关系到电网设备的安全稳定运行，而电力系统的弱阻尼往往会导致低频振荡现象的发生。本文深入分析了电站各机组跨振动区时触发低频振荡的历次数据，根据建立的仿真模型，对低频振荡的产生机理进行了分析研究，并根据分析结果提出了相应的措施建议。

1 故障现象

1.1 低频振荡现象汇总

为梳理归纳电站机组低频振荡现象的规律，提取汇总了2016～2018年的历次低频振荡事件数据，纵向对比如表1所示。

表1 低频振荡现象汇总

根据表1统计结果，各机组的低频振荡现象基本一致，均为在机组跨振动区调整负荷时发生，功率振荡的频率为0.5～0.6Hz，振荡幅值和持续时间存在一定差异，但是机组跨过振动区后低频振荡现象自动消失。

1.2 调速器和励磁动作情况

以3#机低频振荡事件为例，振荡期间调速器侧接收的外部功给信号正常，导叶调整稳定且无周期性波动的情况，因此调速器系统本身对电站低频振荡影响可能性很小；振荡期间励磁电压与有功方向相反，说明励磁系统工作正常，起到了抑制功率振荡的作用。

综上所述，历次低频振荡现象的共有特点为机组跨振动区才会触发，期间调速器和励磁系统动作正确无异常，且随机组运行至振动区以外时低频振荡现象均能够自动消失。

图1 调速器和励磁动作情况

2 故障分析

2.1 振源分析

同电站关联的共有5条线路，其中二普1线的线路最长，二榄1与二榄2线路其次，二石1与二石2线路最短。以3#机某次低频振荡现象为例，提取相关数据分析发现，起振顺序为机组→二榄1线/二榄2线→二普1线，符合强迫振荡特性，由于电力系统是个惯性系统，不同位置起振会存在超前-滞后关系，因此振动源方向指向了电站内部。

2.2 调速器仿真分析

水电机组中存在水锤效应，若调速器控制参数设置不合理，系统的阻尼和稳定性会得到恶化，水电机组占比过高会使得系统中出现超低频振荡。

图2 调速器仿真

根据仿真结果，调速器导叶开度的控制输出、导叶开度反馈的仿真与实测基本一致，并且在加入振动源后，仿真功率开始发生振荡且与实测数据相仿，说明调速器控制系统逻辑正确无异常。模型加入扰动后，功率快速发生等幅振荡，一旦扰动振荡源消失，功率振荡将大幅度衰减，此现象符合强迫振荡的机理。根据试验结果，判断调速器系统控制正常不会导致低频振荡。

2.3 振摆、压力脉动分析

混流式水轮机转轮出水边角度固定，在某些工况下水轮机出口水流必定具有一定圆周分速度，从而形成尾水涡带，机组在进入涡带工况区特别是典型涡带区（振动区）长时间运行时，尾水管内会产生较强的涡带频率的压力脉动，导致机组发生涡带频率的低频振荡，且尾水涡带的频率较低，一般为机组旋转频率的0.15～0.3倍。

图3 振摆、压力脉动情况

根据上图可知，机组在振动区运行时，机组顶盖振动、主轴摆度、蜗壳和尾水压力脉动、有功功率存在低频波动，波动主频都约为0.6Hz，约为机组转频的0.24倍，与尾水涡带的频率相近，判断以上低频波动由机组运行在涡带工况区时的尾水涡带引发。

综上所述，根据电力系统内各线路和机组的起振时间可以判定振动源指向电站内部；机组在跨振动区时，调速器系统调节稳定无异常，但是振摆、压力脉动、有功功率均存在低频振荡的现象，其波动主频与尾水涡带的频率相近，符合混流式水轮机水力振源中低频尾水涡带诱发机组低频振荡的机理。

根据以上分析，判断机组跨振动区触发低频振荡的主要诱因为其混流式水轮机的固有特性导致。

3 措施建议

电站低频振荡现象主要是由水轮机固有特性导致，因此需在有条件的情况下对原动机及引水系统进行整改，以根本性解决此问题，抑制低频振荡的措施建议如下：

（1）开展PSS参数优化工作，增强机组阻尼以提高其抑制低频振荡现象的效果。

（2）机组调整负荷跨振动区时，尽量提高调节速度，减少机组在振动区内运行的时间。

（3）做好应急处置事故预想，当发生尾水涡带频率的低频振荡时，应采取有效调整机组运行工况的处置措施。

4 结语

电站在机组跨振动区时触发低频振荡，其现象符合强迫振荡机理，但具备偶然性。该低频振荡现象是由各种水力因素叠加导致的，其主要原因为混流式机组跨振区时产生的尾水涡带导致，需尽量减少机组在涡带工况区的运行时间，以减少低频振荡持续的时间避免影响扩大。此电站的低频振荡现象具备一定的典型性，希望对行业内其他电站类似情况的分析起到一定的参考作用。