大型水轮机组低频振荡分析及应对

王 刚，刘金华，虞 涛

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

当电力系统受到扰动时，发电机转子间会出现相对摇摆（功角变化）、输电线上的功率会振荡的现象，其波动频率一般为0.2~2.5 Hz，因其振荡频率较低，故称为低频振荡。低频振荡会引起两个电网系统间失步、机组与系统间失步而造成解列，严重威胁电力系统的稳定，若振荡源不能被及时锁定并消除，可能发生持续振荡现象，扩大事故范围。

1 低频振荡产生机理及应对措施

国内外对于低频振荡的研究已有较长时间，在产生机理方面主要有负阻尼机理[1]、强迫共振机理[2]和非线性机理[3，4]，负阻尼机理和强迫共振机理在解释低频振荡现象时最为常用。

1.1 负阻尼机理

1969年，Francisco P.Dlmello以单机无穷大系统为对象，利用阻尼转矩的概念对低频振荡产生的机理进行了研究[1]，研究表明：由于励磁系统存在惯性，快速励磁系统放大倍数较高，这样会使系统产生负的阻尼转矩，进而减弱或抵消系统固有的正阻尼转矩，系统总的阻尼特性变弱，甚至出现负阻尼，一旦系统出现扰动，其振荡过程很难衰减或者振荡逐渐增幅，从而导致系统失稳[1]。

1.2 强迫共振机理

共振机理认为，当电力系统受到外界一周期性干扰信号作用时，如果该干扰信号频率和系统固有频率比较接近，线路有功功率等参数将发生大幅共振[2]。

以单机无穷大系统、发电机取二阶经典模型进行研究，其固有振荡频率f为：

式中：K1为同步功率系数；ω0为工频角频率；T为发电机转子惯性时间常数；δ0为工频功角；E＇为电源电动势；U为系统电压；XΣ为系统等值电抗。

从公式（1）、（2）看出，等值电抗XΣ越大，固有振荡频率f越小，对于大机组、长线路系统来说，不仅等值电抗较大，在正常运行时，由于机组多数时间处于进相运行状态，δ0也较大，其固有振荡频率更低，故在扰动出现时多表现为0.2~2.5 Hz的低频振荡现象。

1.3 低频振荡现象及应对措施

在系统发生瞬时扰动时，如短路、切机、切负荷等，在大机组、长距离、重负荷的输电线路上及高放大倍数励磁系统机组上，极易发生因系统阻尼不足引发的低频振荡。即使系统阻尼情况良好，由于瞬时扰动的传播或由于其他周期性小扰动作用（对于发电机组而言，如机组尾水压力脉动、调速系统试验注入电压、电流信号干扰等），均可能发生强迫共振引发的低频振荡。

图1为2005年10月29日华中电网低频振荡曲线，起初是因系统阻尼不足引发低频振荡，后引发三峡机组的强迫低频振荡。从图1可以看出，系统因阻尼不足产生的振荡是一个幅值随时间变化的振荡波，如果系统阻尼足够，随着时间的变化，振荡波逐渐平息，反之将扩散；系统因共振产生的振荡波为一个等幅值的震荡波（当扰动频率与固有频率相等时幅值最大），其不随时间变化，扰动源消失后，振荡随即平息。

图1 典型低频振荡曲线

在发生负阻尼机理低频振荡时，一般可通过降低发电机出力，提高系统电压，增加系统阻尼，使得振荡平息下来，也可通过增强系统网架结构，机组励磁系统加装电力系统稳定器（PSS）预防负阻尼机理低频振荡的发生。

在发生强迫共振机理低频振荡时，必须准确定位外来扰动源并予以消除，或立即进行系统运行方式调整，如解列振荡线路或机组，避开扰动源的干扰，才能使振荡现象消失。

2 具体事例分析

2.1 因系统阻尼不足引起的低频振荡分析

二滩电站送出系统属于典型的大机组、长距离、重负荷输电系统，在投运初期，曾多次发生低频振荡现象：如2001年8月3日20:55~20:57，二滩电站系统电压在532~539 kV之间波动，全厂总有功功率在2 460~2 590 MW之间波动，系统频率在49.95~50.05 Hz之间波动，单机有功功率有20~30 MW的波动，单机无功功率有10~20 Mvar的波动[5]。

分析发现，机组励磁系统设计存在缺陷，励磁V/Hz限制环节不仅限制了励磁给定信号，而且限制了PSS输出信号，在系统电压偏低机组相继增加励磁进行调压时，多台机组PSS功能同时退出，系统阻尼由强阻尼转变为弱阻尼，导致低频振荡，后对励磁系统进行改造，运行至今，未再出现此类情况的低频振荡。

改造后的励磁系统采用转速ω和电功率Pe双输入的加速型功率信号PSS，当发电机受到系统扰动或机组低频振动时，PSS检测到有加速型功率信号输入，PSS产生输出叠加在AVR上进行快速调节。

图2 二滩电站PSS模型

在系统发生波动或本机电气量引起电功率变化时，PSS将输出信号抑制波动，当原动机功率改变时，速度信号变化较小，以加速功率为信号的PSS基本没有输出。

2.2 因强迫共振引起的低频振荡分析

2016年3月29日二滩3号机进行手动调节负荷过程中，发生了频率约0.598 Hz的负荷波动现象，约40 s后随着工况改变，波动平息，该过程未引起其他机组振荡，也未导致全厂负荷波动扩大。见图3所示。

图3 3 F有功、无功变化情况

分析发现，此次低频振荡现象是由于机组负荷进入涡带工况区，因与涡带频率共振产生的低频振荡现象。二滩机组涡带工况区的负荷范围与水头及机组有关，涡带工况区的负荷范围大约为180~380 MW，涡带频率约0.6 Hz，且涡带频率不是一个常数[6]。对于混流式机组，尾水管涡带压力脉动现象不可避免，二滩通过优化大轴补气方式、泄水锥形式等手段来进行解决，也只能在一定程度上减小影响范围。目前看来，通过优化机组运行工况，快速进行负荷调整以避开涡带工况区是避免产生强迫共振低频振荡最直接有效的手段。

3 结语

对于低频振荡，电站运行值班人员需要注意以下3点：

（1）低频振荡现象不易被发现，正是这种隐蔽性，事故极易扩大。

（2）充分认识低频振荡产生机理很有必要，力求在实际工作中予以避免：合理安排机组和厂用电运行方式，严格按照逆调压原则进行系统电压调整，提高系统等值电气参数，时刻关注励磁PSS运行情况，为系统提供足够阻尼；在允许的有功调节幅值内（二滩单次有功最大变幅为80 MW）进行负荷调节，快速使机组跨越不稳定运行区。

（3）出现低频振荡时，因现象不同，处置措施将不同：对于因阻尼不足引发的低频振荡，应采用退出机组AGC、AVC，减小有功、增加无功提高系统电压的措施，对于减负荷操作，应对大负荷机组进行减负荷操作，对未投入PSS的低负荷机组反应适当增加出力，让其PSS立即自动投入；对于因涡带共振产生的低频振荡，应尽量避开该工况运行，在手动跨越机组振动区时，在满足调节速率的前提下快速调整。

基于上述3点注意事项另提出3点建议，供电站运行维护管理人员参考：

（1）电站现地应配置低频振荡判别装置，信号送CCS，便于电站运行人员第一时间发现低频振荡现象并及时正确采取应对措施。

（2）励磁PSS一般按照机组负荷值进行自动投退，能否增设人工投退功能，在系统发生低频振荡时，低负荷机组因不满足条件可能未自动投入PSS，且按调度处置原则，电站应立即减少出力，如果操作不当可能导致其他机组PSS自动退出。

（3）关于机组调节速率，在满足机组、调速系统设计要求及电网辅助服务对电站调节速率要求的前提下，适当增加有功负荷单次调节幅度值，进一步缩短机组跨越不稳定运行区时间。