李博，鄭德芳，王秀梅，汪志華

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

低頻振蕩是電力系統(tǒng)的一種復雜動態(tài)行為，關系到電網(wǎng)設備的安全穩(wěn)定運行，而電力系統(tǒng)的弱阻尼往往會導致低頻振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。本文深入分析了電站各機組跨振動區(qū)時觸發(fā)低頻振蕩的歷次數(shù)據(jù)，根據(jù)建立的仿真模型，對低頻振蕩的產(chǎn)生機理進行了分析研究，并根據(jù)分析結果提出了相應的措施建議。

1 故障現(xiàn)象

1.1 低頻振蕩現(xiàn)象匯總

為梳理歸納電站機組低頻振蕩現(xiàn)象的規(guī)律，提取匯總了2016～2018年的歷次低頻振蕩事件數(shù)據(jù)，縱向對比如表1所示。

表1 低頻振蕩現(xiàn)象匯總

根據(jù)表1統(tǒng)計結果，各機組的低頻振蕩現(xiàn)象基本一致，均為在機組跨振動區(qū)調整負荷時發(fā)生，功率振蕩的頻率為0.5～0.6Hz，振蕩幅值和持續(xù)時間存在一定差異，但是機組跨過振動區(qū)后低頻振蕩現(xiàn)象自動消失。

1.2 調速器和勵磁動作情況

以3#機低頻振蕩事件為例，振蕩期間調速器側接收的外部功給信號正常，導葉調整穩(wěn)定且無周期性波動的情況，因此調速器系統(tǒng)本身對電站低頻振蕩影響可能性很??；振蕩期間勵磁電壓與有功方向相反，說明勵磁系統(tǒng)工作正常，起到了抑制功率振蕩的作用。

綜上所述，歷次低頻振蕩現(xiàn)象的共有特點為機組跨振動區(qū)才會觸發(fā)，期間調速器和勵磁系統(tǒng)動作正確無異常，且隨機組運行至振動區(qū)以外時低頻振蕩現(xiàn)象均能夠自動消失。

圖1 調速器和勵磁動作情況

2 故障分析

2.1 振源分析

同電站關聯(lián)的共有5條線路，其中二普1線的線路最長，二欖1與二欖2線路其次，二石1與二石2線路最短。以3#機某次低頻振蕩現(xiàn)象為例，提取相關數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，起振順序為機組→二欖1線/二欖2線→二普1線，符合強迫振蕩特性，由于電力系統(tǒng)是個慣性系統(tǒng)，不同位置起振會存在超前-滯后關系，因此振動源方向指向了電站內(nèi)部。

2.2 調速器仿真分析

水電機組中存在水錘效應，若調速器控制參數(shù)設置不合理，系統(tǒng)的阻尼和穩(wěn)定性會得到惡化，水電機組占比過高會使得系統(tǒng)中出現(xiàn)超低頻振蕩。

圖2 調速器仿真

根據(jù)仿真結果，調速器導葉開度的控制輸出、導葉開度反饋的仿真與實測基本一致，并且在加入振動源后，仿真功率開始發(fā)生振蕩且與實測數(shù)據(jù)相仿，說明調速器控制系統(tǒng)邏輯正確無異常。模型加入擾動后，功率快速發(fā)生等幅振蕩，一旦擾動振蕩源消失，功率振蕩將大幅度衰減，此現(xiàn)象符合強迫振蕩的機理。根據(jù)試驗結果，判斷調速器系統(tǒng)控制正常不會導致低頻振蕩。

2.3 振擺、壓力脈動分析

混流式水輪機轉輪出水邊角度固定，在某些工況下水輪機出口水流必定具有一定圓周分速度，從而形成尾水渦帶，機組在進入渦帶工況區(qū)特別是典型渦帶區(qū)（振動區(qū)）長時間運行時，尾水管內(nèi)會產(chǎn)生較強的渦帶頻率的壓力脈動，導致機組發(fā)生渦帶頻率的低頻振蕩，且尾水渦帶的頻率較低，一般為機組旋轉頻率的0.15～0.3倍。

圖3 振擺、壓力脈動情況

根據(jù)上圖可知，機組在振動區(qū)運行時，機組頂蓋振動、主軸擺度、蝸殼和尾水壓力脈動、有功功率存在低頻波動，波動主頻都約為0.6Hz，約為機組轉頻的0.24倍，與尾水渦帶的頻率相近，判斷以上低頻波動由機組運行在渦帶工況區(qū)時的尾水渦帶引發(fā)。

綜上所述，根據(jù)電力系統(tǒng)內(nèi)各線路和機組的起振時間可以判定振動源指向電站內(nèi)部；機組在跨振動區(qū)時，調速器系統(tǒng)調節(jié)穩(wěn)定無異常，但是振擺、壓力脈動、有功功率均存在低頻振蕩的現(xiàn)象，其波動主頻與尾水渦帶的頻率相近，符合混流式水輪機水力振源中低頻尾水渦帶誘發(fā)機組低頻振蕩的機理。

根據(jù)以上分析，判斷機組跨振動區(qū)觸發(fā)低頻振蕩的主要誘因為其混流式水輪機的固有特性導致。

3 措施建議

電站低頻振蕩現(xiàn)象主要是由水輪機固有特性導致，因此需在有條件的情況下對原動機及引水系統(tǒng)進行整改，以根本性解決此問題，抑制低頻振蕩的措施建議如下：

（1）開展PSS參數(shù)優(yōu)化工作，增強機組阻尼以提高其抑制低頻振蕩現(xiàn)象的效果。

（2）機組調整負荷跨振動區(qū)時，盡量提高調節(jié)速度，減少機組在振動區(qū)內(nèi)運行的時間。

（3）做好應急處置事故預想，當發(fā)生尾水渦帶頻率的低頻振蕩時，應采取有效調整機組運行工況的處置措施。

4 結語

電站在機組跨振動區(qū)時觸發(fā)低頻振蕩，其現(xiàn)象符合強迫振蕩機理，但具備偶然性。該低頻振蕩現(xiàn)象是由各種水力因素疊加導致的，其主要原因為混流式機組跨振區(qū)時產(chǎn)生的尾水渦帶導致，需盡量減少機組在渦帶工況區(qū)的運行時間，以減少低頻振蕩持續(xù)的時間避免影響擴大。此電站的低頻振蕩現(xiàn)象具備一定的典型性，希望對行業(yè)內(nèi)其他電站類似情況的分析起到一定的參考作用。