張 偉，黃怡青

（五凌電力有限公司碗米坡電廠，湖南 湘西 416500）

碗米坡電廠裝機(jī)容量3×80 MW，1～3號(hào)機(jī)均為單元接線，220 kV母線為單母線不分段接線，由兩回220 kV出線接入系統(tǒng),機(jī)組勵(lì)系統(tǒng)采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng),勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝置為ABB UN5000型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，型號(hào)為Q5T-0/U2H1-D2000,調(diào)節(jié)器采用PID+PSS控制方式,配備有以△Pe、△ω為輸入信號(hào)的PSS。

1 事件過程

1.1 振蕩前運(yùn)行工況

2015年6月1日22：00，碗米坡電廠運(yùn)行工況：1～3號(hào)機(jī)運(yùn)行，其中1號(hào)機(jī)有功77.4 MW，無(wú)功-5.3 Mvar；2號(hào)機(jī)有功77.2 MW，無(wú)功-5.5 Mvar；3號(hào)機(jī)有功77.7 MW，無(wú)功-5.5 Mvar；碗巖Ⅰ線有功110.6 MW，無(wú)功-22.7 Mvar；碗巖Ⅱ線有功110.4 MW，無(wú)功-22.7 Mvar；220 kV母線電壓227.7 kV,系統(tǒng)頻率50.0 Hz；全廠AGC功能投入，有功單機(jī)成組可調(diào)，一次調(diào)頻功能連片投入。

1.2 事件過程

2015年6月1日22：04：09，2號(hào)機(jī)突發(fā)有功功率在27～126 MW、無(wú)功功率在22～-15 Mvar異常波動(dòng),勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、功角同時(shí)波動(dòng)振蕩，勵(lì)磁系統(tǒng)P/Q、欠勵(lì)限制、定子過流限制、發(fā)電機(jī)保護(hù)定子過負(fù)荷保護(hù)頻繁報(bào)警動(dòng)作。為抑制功率振蕩，運(yùn)行人員采取手動(dòng)減2號(hào)機(jī)組有功至20 MW(PSS退出定值30%Pe)，機(jī)組振蕩平息，再恢復(fù)振蕩前有功負(fù)荷后，振蕩再次開始。最終采取將2號(hào)機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由Ⅰ通道切至Ⅱ通道運(yùn)行，逐步增加有功至振蕩前值，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定未出現(xiàn)振蕩。

圖1 2號(hào)機(jī)功率振蕩波形

2 事件分析

在2號(hào)機(jī)功率振蕩事件發(fā)生前，電廠各機(jī)組、主變、架空線路未發(fā)生短路等一次故障，勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器未發(fā)生TV斷線、設(shè)備異常/故障報(bào)警等故障，電廠未投切大功率無(wú)功負(fù)荷。機(jī)組未因進(jìn)相運(yùn)行而失去靜態(tài)穩(wěn)定。初步判斷2號(hào)機(jī)功率振蕩并非由于外部擾動(dòng)引起，應(yīng)與其控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常有關(guān)，主要關(guān)注調(diào)速系統(tǒng)與勵(lì)磁系統(tǒng)在振蕩過程中的影響。

2.1 調(diào)速系統(tǒng)分析

以第一次振蕩作為典型情況分析調(diào)速器一次調(diào)頻與振蕩關(guān)系。碗米坡電廠1～3號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開度、有功功率、機(jī)組頻率波形見圖2。

圖2 1～3號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開度、有功功率、機(jī)組頻率的波形

圖2 表明：1～3號(hào)機(jī)組頻率于9.54 s開始起振，機(jī)組頻率、有功功率經(jīng)過兩個(gè)波峰之后，2號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開度才出現(xiàn)減小現(xiàn)象，說明頻率振蕩先于一次調(diào)頻動(dòng)作，因此，排除調(diào)速器一次調(diào)頻功能投入誘發(fā)功率振蕩的可能性。一次調(diào)頻動(dòng)作所導(dǎo)致的有功功率減小幅度有限，依據(jù)一次調(diào)頻控制策略估算，有功功率理論上減小2.4 MW，但此時(shí)有功功率在27～126 MW區(qū)間波動(dòng)，一次調(diào)頻所帶來(lái)的有功功率減小量被大幅度功率波動(dòng)所淹沒。

綜合上述分析，得出以下結(jié)論：頻率振蕩越過一次調(diào)頻死區(qū)導(dǎo)致一次調(diào)頻頻繁動(dòng)作；一次調(diào)頻動(dòng)作滯后于功率振蕩，排除一次調(diào)頻動(dòng)作誘發(fā)功率振蕩的可能性；一次調(diào)頻動(dòng)作所帶來(lái)的有功功率減小量對(duì)減小有功功率振蕩作用有限。

2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)分析

結(jié)合振蕩能力及轉(zhuǎn)矩分析理論[2]：“控制器力矩及振蕩能量計(jì)算結(jié)果可以直觀地反映出控制系統(tǒng)提供的阻尼的性質(zhì)，判斷控制器功能是否正常，確定與擾動(dòng)源強(qiáng)相關(guān)的、引起異常波動(dòng)的原因?！睂l(fā)電機(jī)速度偏差Δω與發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢(shì)ΔEq進(jìn)行積分，將該積分定義為勵(lì)磁控制器力矩的振蕩能力。根據(jù)二者積分結(jié)果的正負(fù)，判斷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)提供的阻尼為正或者為負(fù)。當(dāng)積分結(jié)果為正時(shí)，勵(lì)磁提供的阻尼為正，當(dāng)積分結(jié)果為負(fù)時(shí)，勵(lì)磁提供的阻尼為負(fù)。

根據(jù)以上理論，將碗米坡電廠2號(hào)機(jī)第一次振蕩過程的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到如圖3所示的在振蕩過程中的勵(lì)磁系統(tǒng)力矩圖。

由圖3可知，自振蕩開始時(shí)刻即22：04：09開始，勵(lì)磁系統(tǒng)提供了明顯的負(fù)阻尼。因而確定，勵(lì)磁系統(tǒng)為此次碗米坡電廠2號(hào)機(jī)組功率振蕩的故障源。

圖3 2號(hào)機(jī)振蕩過程中勵(lì)磁系統(tǒng)提供的力矩

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及排查

對(duì)2號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ通道主要數(shù)字量進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組Ⅰ通道PSS輸出量與同時(shí)刻Ⅱ通道不一致，隨機(jī)出現(xiàn)脈沖型突變，Ⅰ通道Δω(PSS輸入量)跳變明顯。同時(shí)刻，Ⅱ通道PSS輸出量未出現(xiàn)脈沖型突變，Ⅱ通道Δω未發(fā)生明顯跳變。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視期間內(nèi)（Ⅰ通道備用，Ⅱ通道運(yùn)行），此類現(xiàn)象出現(xiàn)了百余次。經(jīng)分析I通道MUB板可能由于元件老化等原因，造成Δω測(cè)量異常。

從圖4、圖5可以看到，Ⅰ通道PSS輸出量有明顯的脈沖型突變，而自動(dòng)通道總輸出值雖有突變，但幅值較小。這是因?yàn)樽詣?dòng)通道總輸出值不僅受PSS輸出量影響，還受電壓偏差量ΔU的影響。而電壓偏差量ΔU又由機(jī)端電壓采樣值、電壓給定值、電壓跟蹤偏差量等決定。電壓跟蹤偏差量是備用通道總輸出值跟蹤運(yùn)行通道的修正量，只在備用通道有效。當(dāng)作為備用通道的Ⅰ通道PSS輸出量發(fā)生脈沖型突變時(shí)，為使備用通道總輸出值跟蹤運(yùn)行通道，電壓跟蹤偏差量對(duì)突變進(jìn)行補(bǔ)充，導(dǎo)致Ⅰ通道自動(dòng)通道總輸出值雖有突變，但幅值減小。當(dāng)Ⅰ通道作為運(yùn)行通道時(shí)，由于電壓跟蹤偏差量無(wú)效，自動(dòng)通道總輸出值突變量將更大。

圖4 Ⅰ通道監(jiān)視量

圖5 Ⅱ通道監(jiān)視量

Δω測(cè)量原理如圖6：MUB板通過測(cè)量機(jī)端電壓Ut、機(jī)端電流It、并根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)在其內(nèi)部RAM的電機(jī)橫軸電抗Xq，經(jīng)過其內(nèi)部專用模擬運(yùn)算電路計(jì)算得到發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)Eq’，其與機(jī)端電壓Ut的相位即為功角，而功角的一階微分即得到角速度值。亦可通過直接求取Eq’與Ut角速度的差值得到發(fā)電機(jī)功角變化的角速度。該采樣回路中元器件損壞會(huì)對(duì)其采樣值產(chǎn)生較大影響。

圖6 MUB板Δω測(cè)量原理示意圖

UNITROL5000勵(lì)磁系統(tǒng)使用的是PSS2A數(shù)學(xué)模型，見圖7，PSS的輸入信號(hào)為V1和V2。V1表示轉(zhuǎn)子角頻率的變化量fEP，參數(shù)代碼為12014；V2表示機(jī)組的電功率P，參數(shù)代碼為10218。PSS的fEP和P輸入信號(hào)經(jīng)過隔直，超前滯后，限幅等環(huán)節(jié)后形成PSS輸出信號(hào)，疊加至勵(lì)磁調(diào)節(jié)器AVR給定環(huán)節(jié)。在PSS2A功能中的fEP信號(hào)主要作用是防止PSS的反調(diào)功能，正常運(yùn)行時(shí)是一條直線。當(dāng)fEP信號(hào)采集異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致PSS輸出信號(hào)的跳變，相當(dāng)于在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器AVR主控環(huán)上疊加了一個(gè)脈沖型階躍，從而導(dǎo)致勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出異常，引發(fā)有功功率、無(wú)功功率波動(dòng)。

圖7 UNITROL5000勵(lì)磁系統(tǒng)的PSS模型

綜上所述，可得出以下結(jié)論：由于2號(hào)機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通道Ⅰ內(nèi)MUB板的頻率采樣模塊故障，PSS函數(shù)模塊的頻率輸入?yún)?shù)△ω異常波動(dòng)，PSS輸出的加速功率信號(hào)，在電壓相加點(diǎn)PSS控制電壓值引起PID模塊輸出控制電壓值異常，導(dǎo)致整流橋輸出異常波動(dòng)，勵(lì)磁電流也發(fā)生異常波動(dòng)。受220 kV系統(tǒng)制約，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓基本恒定，勵(lì)磁電流突然增加(減小)時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)Eq增加(減小)，功角δ也交替增加(減小)，并且PSS電壓信號(hào)△Upss產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩△Mpss與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩合成后，該電磁轉(zhuǎn)矩形成的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于機(jī)組的自然阻尼和電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)產(chǎn)生的正阻尼作用，使得發(fā)電機(jī)輸出功率PM突然增加（減?。?，最終導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生功率振蕩。

4 處理結(jié)果

2號(hào)機(jī)臨檢期間，完成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器Ⅰ通道測(cè)量單元MUB板的更換，進(jìn)行了PSS定值參數(shù)檢查、起勵(lì)和逆變滅磁錄波、空載通道測(cè)量、通道切換試驗(yàn)、階躍響應(yīng)等性能試驗(yàn)。從圖8、圖9可看出投入PSS對(duì)增加機(jī)組阻尼，抑制有功低頻振蕩的效果很明顯。

圖8 PSS退出時(shí)3%電壓階躍響應(yīng)

圖9 PSS投入時(shí)3%電壓階躍響應(yīng)

5 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)數(shù)據(jù)分析和異常處理措施表明：本次碗米坡電廠2號(hào)機(jī)組功率振蕩與其勵(lì)磁系統(tǒng)I通道自動(dòng)輸出異常有關(guān)。2號(hào)機(jī)組Ⅰ通道PSS輸出量出現(xiàn)隨機(jī)脈沖型突變，導(dǎo)致I通道AVR總輸出出現(xiàn)對(duì)應(yīng)脈沖突變，是導(dǎo)致本次碗米坡電廠機(jī)組功率振蕩事件的直接原因。

（2）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不具備采樣異常自檢功能，建議通過采取雙通道對(duì)比等方式完善相關(guān)自檢及異常處理功能。如增加勵(lì)磁調(diào)節(jié)器PSS輸出信號(hào)監(jiān)測(cè)比較控制功能，兩個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器分別對(duì)PSS輸出信號(hào)交叉采樣比較，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器通道的PSS輸出信號(hào)差值的絕對(duì)值超過預(yù)定值時(shí)報(bào)“PSS異常”信號(hào)。