贯流式机组并网负荷振荡幅度过大原因分析及处理对策

贯流式机组并网负荷振荡幅度过大原因分析及处理对策

计小宁王伟杨俭

（石虎塘航电分公司江西吉安343000）

摘要：灯泡贯流式机组水流惯性时间常数大，机组惯性时间常数小。在有功功率闭环状态下，由于贯流式机组固有的反调特性，每次负荷调整时会检测到负荷向相反方向变化的趋势，若负荷调整时正处于水压波动的瞬间会加剧超调的幅度，造成负荷上下振荡。负荷大范围的波动，会使机组振动超标，严重时会触发定子过负荷造成非计划停运，给水轮发电机组的安全稳定运行带来了巨大的隐患。本文介绍了一次典型的有一台机组负荷振荡最终扩展到三台机组先后振荡的实例，通过分析其事故发生的原因并介绍相对应的处理办法。

关键词：灯泡贯流式水轮发电机组；反调；振荡；功率闭环

一、事故现象

2018年12月24日新干电厂3台额定功率16MW的灯泡贯流式机组均处在有功功率闭环调节投入状态下在并网发电运行。10时57分至11时20分我厂运行值班人员在中控室明显感觉机组振动比平时增大很多，首先发现3#机组的有功功率发生大范围波动从15.86MW到18.27MW波动，4分钟后2#机组的有功功率也开始波动从14.88MW至16.67MW，又经过10分钟左右1#机组的有功功率也开始波动从15.86MW至18.27MW，并且在每次负荷波动时导叶开度也发生变化。面对这种异常情况，运行值班人员迅速降低有功功率给定值，经过一段时间的振荡后最终3台机组稳定在单机13MW左右的负荷下运行。

二、事故原因分析

通过对整个事件过程的梳理发现，本次事件有以下几个疑点：

1、造成本次有功功率波动是执行机构不稳定引起的，还是控制系统信号采集处理控制模式或者参数设置不当引起。2、这么大的负荷波动，发电机保护、故障录波等设备为什么没有异常信号。3、为什么三台机组在有功功率闭环状态下，会陆续出现有功功率大幅度超调。4、有功功率闭环一直处于投入状态与处于退出状态的差别。

图一

若是由于调速系统中位偏离，造成接力器一直处于偏开或偏关时，由于调速系统开度闭环控制方式，当偏差过大时必然会有电气控制信号动作将导叶拉回至原有开度。但查看图一的曲线1发现导叶开度并不是在某一定值附件上下动作，而是随着调节信号的改变而变化。进一步查看调速系统的事件记录发现，每次有功功率变化调速系统都收到了增、减有功的命令。发电机组在并网工况下，调速系统一次调频投入，若检测到偏离人工失灵区较大的频率值时，调速系统会自动调整导叶开度。查看调速系统一次调频的参数为，Bp=4，E=0.1。当一次调频投入时，机组频率的变化值超过0.05HZ时，调速系统会按一次调频参数自动调整机组的负荷。当频率增大0.2HZ时，导叶开度会减小10个开度，但是从图一曲线5观察，在整个功率波动过程中机组的频率的变化范围为49.95—50.03。通过以上分析，可以的得出本次有功功率振荡较大不是因为调速系统中位偏离或者测频模块检测到较高频率引，而是由于调速系统处于开度调节模式时接收到了上位机增、减有功的命令后才调整导叶桨叶的。在实际问题的分析过程中需要注意当时是那个有功功率参与控制。监控系统有功功率的显示有交流采样装置通讯、有功功率变送器采集两种方式，若两种功率都显示正常采用有功变送器采集值参与控制，若有功功率变送器采集值出现故障，则交流采样装置通讯值参与控制。通过对有功变送器的校验，其测量线性度和输出信号都比较稳定。

图二

机组在非协联工况下运行，由于不是机组的最优工况，也有可能出现在调节过程中，机组负荷变动较大的情况。一般情况下，调速系统桨叶的开关动作时间相较于导叶一般比较慢，在大范围调整过程中可能出现桨叶和导叶偏离协联曲线较远的情况。但从上图可以看出，桨叶滞后导叶的动作时间在1S以内，当导叶调整到位后桨叶也随即调节到位。因此，也可排除动作过程中协联关系不好，造成负荷变化滞后而影响功率闭环控制而造成负荷振荡。因此，造成本次有功功

率波动不是执行机构不稳定造成的，而是控制系统控制模式或者参数设置不当引起。

从图一曲线4可以看出发电机定子电流的最大值为1050A，发电机保护整定的定子对称反时限过负荷保护启动值为0.76（1140A），定子对称定时限过负荷报警值为0.72（1080A）。因此，在这次3台机组负荷大范围波动的过程中，虽然有功功率的最大值达到18.2MW（113.75%），但采集到的电流值未达到保护报警或动作值，因此整个过程发电机保护、故障录波装置未有异常事件记录。

与常规机组相比，贯流式机组水流惯性时间常数大，机组惯性时间常数小。当导叶快速变化时，由于贯流式机组固有的反调特性，负荷短暂的向相反方向变化的趋势，但是总体的变化趋势和导叶开度变化呈线性关系。当导叶向开方向快速动作时，由于导叶打开的瞬间，由于水流惯性较大，有短暂的真空时间作用在转轮上的水压下降，随着水流逐渐充满转轮室水压逐渐平稳，且贯流式机组桨叶开关机时间相对于导叶较慢，在负荷调节的初期导叶桨叶处于非协联工况，所以发电机组的输出功率也呈现先下降再上升最终平稳的曲线。当导叶向关方向快速动作时，由于水锤效应的影响，作用在转轮上的水压突然增大，然后水流逐渐平稳水压恢复正常，发电机组的负荷呈现先上升再下降最终平稳的曲线。

图三

监控系统在有功闭环调节投入的状态下，当有功设定值和机组实发有功之间的差值达到0.4MW后会启动有功闭环调节。当有功功率减小，监控系统给调速系统一个增脉冲时，由于贯流机组固有反调特性，监控系统会采集到一个反方向的更低的功率值，从而导致监控系统认为当前负荷离目标值偏差更大，从而给调速器更长的增脉冲。若大脉冲调节的过程时，正值转轮室压力波动较大，压力波动越大反调现象越明显，有功功率超调就越严重。3台机组有功功率波动的顺序依次为3#、2#、1#，当3#机组发生有功大幅波动时，与之相近的2#机组最先受到影响，当2#机组的有功功率的偏差超过功率闭环再次启动值后，2#机组也开始出现有功功率振荡。随着振荡幅度的越来越大，1#机组也出现了有功功率大范围振荡。

图四

为了验证本次有功功率大范围振荡的主要原因是因为有功闭环一直处于投入状态，当有功功率振荡超过有功闭环调节死区后，当时水压也处于波动状态，调节信号反复大范围动作造成。在02：00时退出有功功率闭环调节，7：00时再次投入有功功率闭环调节。从图四曲线可以看出，在退出有功功率闭环调节的这段时间内，调速器的导叶开度没有出现大幅度上下波动，微小的锯齿波主要是因为调节装置采样精度较高，每次的计算值有微小差，别造成的是正常现象。发电机组的有功功率波形，除去采样影响的正常变化也近似于一条直线。当有功功率闭环调节在7：00投入后，20分钟左右后，又出现了导叶单方向调整，而有功功率上下波动的情况。经过多次调整后，导叶开度和机组有功功率最终趋于稳定。

三、处理措施

1、由于以前只有功率闭环调节功能，每次调整负荷只能通过改变给定值来实现。即使调节完成后，退出功率闭环，但当想重新调整负荷时必须投入功率闭环，而此时实发功率和目标值之间的差值就有可能超过功率调节死区，可能会造成功率振荡。本次增加有功功率、无功功率单步开环操作按钮。在功率闭环调节退出时，功率给定值跟踪实时功率值，避免再次投入功率闭环时造成功率大范围波动。大范围调整负荷是用功率闭环调节，当快调节到位后，通过单步增减按钮也可实现微调负荷，避免调节过程出现负荷波动较大。

2、增加有功功率闭环调节自动退出功能。当投入有功功率闭环时，当实时值和目标值接近时自动退出有功功率闭环调节，或者本次调节时间过程也自动退出有功功率闭环调节。通过正常运行时退出功率闭环调节功能，只是治标不治本的临时措施。随着电力系统自动化程度的越来越高，系统对发电站提出了越来越高的要求，若需要电厂投入AGC功能显然这样处理就不能满足要求。要从根本上解决问题，还需从对所测量的信号进行冗错处理，躲过由于贯流式机组固有的反调特性带来的短时间负荷反方向变化过程。

3、鉴于有功调节出现过有功功率大范围波动的情况，本次也增加了无功功率单步开环增减按钮。由于贯流式机组的无功功率不像有功功率存在反调现象，因此暂未增加无功功率闭环调节自动退出功能，但可手动退出。

4、由于本次有功功率波动最大值达到额定负荷的113.75%，给发电机组的安全稳定运行带来了巨大的隐患。为了避免再出现有功功率超出额定值较多的情况，通过设置调速系统的并网上限来限制机组的最大出力。但是由于我厂机组为灯泡贯流式机型，水头的正常变动范围为2.28—8.8。不同水头下，机组额定负荷对应的导叶开度值也不一样。若每次水头变化时，都通过人工来修改并网上限也是一项较大的工作，也有可能出现疏忽不能确保机组安全稳定运行。通过和调速器厂家沟通后，决定在调速器上增加并网上限随水头改变而改变的功能，实现并网上限在不同水头下都能既保证机组的出力也保证机组出现异常开至最大开度时不至于有功功率超出太多。

5、监控系统相同的脉宽对应的导叶开度相同，所以功率变化也时相同。水头变化时，相同的脉宽虽然导叶开度变化相同，但有功功率的变化则差别较大。以至于在某个水头调整好的参数，不一定适应于其他水头。若有功功率闭环调节经常出现超调现象，建议增加随水头变化改变监控系统脉宽值的功能。

四、小结

经过调整有功功率闭环调节的控制方式，经过这一段时间的运行再未出现负荷振荡的情况。相较于其类型的发电机组，贯流式发电机组由于其本身的特点，辅助设备众多，状态不稳定难于控制，对与控制系统提出了更多更高的要求。只要在实际应用过程中，善于发现导致问题的根本原因，总能找到相对应的解决办法。