汽轮机调速系统中影响电力系统低频振荡的关键因素 原创 2017-02-08 张宝 汽机监督 汽机监督 zhejiang_turbine 分享汽（燃气）轮机安全经济运行信息，关注能源电力政策，面对中高端人群，提升自我价值！  张宝/文 浙江电科院 汽轮机调速系统系统由多个环节组成，每个环节的功能与参数对电力系统的低频振荡影响是有差异的，影响电网低频振荡的关键因素归纳起来有以下几个方面。 1 汽轮机配汽函数 汽轮机进汽量的控制由多个调节阀共同完成，调节阀的升程与通过汽轮机流量的关系看作是汽轮机的流量特性，准确把握汽轮机流量特性是实现精确控制的前提。现代大型汽轮机流量特性是非线性的，为了实现精确控制，DEH中采用配汽函数对汽轮机流量特性进行修正，使汽轮机控制指令与功率输出线性化，从而提高汽轮机调节作用的线性度。配汽函数正确时，汽轮机会表现出良好的控制性能，否则就会出现诸如调节阀晃动、配汽方式切换时负荷波动大等情况，多数汽轮机组参与的电力系统低频振荡事故，其问题根源就在于此。 汽轮机配汽函数与其流量特性不匹配的情况时有发生，尤其是在新建机组、改造机组或者运行多年发生老化的机组，这种问题更为常见，最直接的影响就是导致汽轮机局部转速不等率过小或过大。局部转速不等率反映了汽轮机调节阀某一开度范围内阀门行程改变导致的进汽量变化与汽轮机转速变化的比例关系；汽轮机转速不等率δ过小，会引起系统低频振荡，仿真表明，局部转速不等率达到1%时，这种振荡基本已不可避免。 汽轮机局部转速不等率会对汽轮机的控制性能产生较大影响，汽轮机调节阀重叠度、配汽方式切换、汽门活动性试验、一次调频功能、机组负荷调整等方面引起的低频振荡问题，大都是由汽轮机局部转速不等率偏离正常值所导致。汽轮机配汽函数中调节阀重叠度设置不合理，在局部容易造成同样的流量指令变化引起的实际蒸汽流量变化严重超出设计值，使得局部转速不等率突减，在DEH调节作用下，造成调节阀晃动；一次调频功能中也常会发生类似的问题，一般规定要求大型汽轮机组一次调频转速不等率为4～5%，如果汽轮机配汽函数与其流量特性不匹配，可能会导致汽轮机局部转速不等率偏小，从而容易诱发电力系统低频振荡。 2 功率控制PID参数 大型汽轮发电机组正常运行时一般使用DEH侧功率开环、DCS侧功率闭环的控制方式。这种控制方式下，功率控制PID参数中的比例环节会影响系统的振荡频率，比例系数过大时，会使电力系统进入负阻尼区，容易诱发系统低频振荡。 某300MW循环流化床机组在协调控制投入降负荷过程中，在汽轮机配汽函数正常的情况下，系统仍发生低频振荡，后将功率控制PID参数中的比例系数Kp由3修改为0.3，并增加PID偏差输入限幅后，该机组再未发生过低频振荡。类似的情景并不鲜见，特别是在电网故障、汽轮机调节线性度差的情况下，机组功率易发生较大突变，此时如果功率控制PID调节过大，就容易引起调节系统反复波动，从而引发系统低频振荡。 多数机组设有主蒸汽压力调整回路，当主蒸汽压力与设定值的偏差超出死区时，该回路通过限制机组功率来“拉回”主蒸汽压力，部分机组的主蒸汽压力调整回路通过设定主蒸汽压力偏差调整系数、并通过功率控制PID起调节作用，如果该调节作用过强，同样也会诱发低频振荡。 实际上，由于功率控制PID参数中的比例系数与调速系统放大倍数对系统低频振荡的作用原理类似，现实中多数由此而引起的低频振荡是两者共同作用的结果，特别是在汽轮机调节线性差、汽轮机转速局部不等率过小、功率控制PID调节作用偏强的情况下，机组功率晃动几乎不可避免，持续作用时，就会引起电力系统的低频振荡。 3 DEH侧功率控制闭环 因机械功率无法准确测量，大型汽轮机控制系统中均采用电气功率代替机械功率来实现各项控制功能，分析认为，在外界电网扰动的情况下，这种做法使汽轮机机械功率反馈控制变成了电气功率前馈控制，会降低系统阻尼，易引起机械功率反调和转子快速起振。目前主流机组一般使用DEH侧功率开环、DCS侧功率闭环的控制方式，至于DEH侧功率控制闭环回路，多数机组虽然设计有，但一般很少投入运行，该回路也很少受到重视，多数机组甚至从没有对其进行过控制参数的整定。 某额定容量为362.5MW的汽轮机组，在DEH改造后启动过程中，在投入DEH侧功率控制闭环回路后，本机出现频率0.34Hz、振幅20MW的低频振荡，线路也随之振荡。事后检查确认，DEH侧功率控制回路未经过参数检查整定就被投入运行，系统抗干扰能力差，极容易引起机组功率晃动。 仿真分析表明，DEH侧的功率控制回路投入闭环运行后，系统阻尼会降低，容易诱发低频振荡。不少机组在特殊情况下，比如配汽方式切换时，为了减少切换过程中的负荷波动，DEH侧的功率闭环会人工或自动投入，由此而诱发的电力系统低频振荡已发生多次。因此，为了降低电力系统低频振荡发生的可能，即使经过参数整定，DEH侧功率控制回路也尽量不要投入闭环方式。 4 一次调频回路 一次调频是并网运行的发电机组在电网频率偏离额定值时自发的通过快速开关调节阀来改变自身出力、稳定电网频率的过程。快速与开环是一次调频作用的两个主要特点，绝大多数汽轮发电机组一次调频作用是通过CCS+DEH的方式实现的，它是将一次调频指令直接加在DEH侧汽轮机调节阀指令上的同时，在CCS侧也叠加相应的一次调频作用，以增加机组一次调频的效果。只要汽轮机转速测量值与额定值之间的偏差超出设定的死区，一次调频回路就会按设计的方式起到调节作用。电力系统低频振荡发生时，一旦探测到转速变化，汽轮机组就会通过一次调频的作用参与到电力系统低频振荡中来，并为振荡提供持续的能量，增大低频振荡的破坏作用。 某600MW机组一次调频试验过程中，因一次调频曲线参数设置错误，导致一次调频指令增加6.4倍，系统发生了频率为1Hz的低频振荡，机组功率波动范围为188MW～580 MW，汽轮机转速波动范围为2994r/min～3010r/min，在此期间，区域电网也出现振荡，并导致部分区域电网保护脱开，该机组退出一次调频后低频振荡平息。一次调频作用一旦参与到低频振荡中来，迅速撤出一次调频回路是平息电力系统低频振荡的最直接、最有效的方法。 除一次调频回路参数设置错误外，为了片面的追求一次调频效果，人为的降低汽轮机转速不等率的做法也很常见，即在一次调频转速范围内总的转速不等率按规定值设置，但小转速差时的转速不等率却设置为较小的值，这样会降低系统阻尼，易造成低频振荡。其实，目前CCS+DEH的一次调频方式，已经在事实上造成了转速不等率的降低，再人为的去减少转速不等率，如果汽轮机组配汽函数设置再不合理，诸多不利因素叠加起来，系统的抗干扰能力就会变弱，外界扰动很容易诱发电力系统低频振荡。 5 汽轮机调节阀开度晃动 调节阀开度晃动是汽轮机运行时常见的故障现象，除配汽函数与控制参数设置不当外，调节阀的伺服阀、LVDT、控制电磁阀以及汽轮机控制油压力波动或者调节阀卡涩等故障也会引起调节阀开度晃动，当调节阀开度晃动造成的规律性扰动的频率与电力系统固有频率接近时，将会产生共振，从而引起低频振荡。前述典型低频振荡案例3便是汽轮机调节阀开度晃动导致电力系统低频振荡的一个实例。 汽轮机调节阀晃动给电力系统提供了一个强迫扰动源，如果调节阀开度晃动是由其自身故障引起，所造成的低频振荡一般可由共振理论进行解释，但由于共振原因，振荡能量可能会大大增强，仅仅通过振荡幅值很难判断哪台机组为振荡源，因此，该问题的关键是如何迅速定位扰动源，至于调节阀开度晃动这一缺陷则相对容易消除。 6 信号波动 就汽轮机组而言，机组AGC信号、汽轮机遥控负荷指令信号、有功测量信号以及汽轮机转速或电网频率信号等均与电力系统低频振荡密切相关，这些信号的规律性频繁波动或使用不当均有可能造成机组功率振荡。从实际情况看，因信号解制解调与传送过程中受干扰而引起信号AGC信号波动、因使用通信方式传送汽轮机遥控负荷指令信号而造成的调节振荡、因将功率信号滤波后使用而导致控制频繁反复调整[4]或分散控制系统故障引起信号跳动等原因均会诱发的电力系统低频振荡。 目前，多数大型汽轮机组一次调频功能均使用本机转速信号作为判断与计算的依据，这样做的基础是汽轮发电机组处于稳态过程、汽轮机转速信号能够准确反映电网频率。当汽轮发电机组处于暂态过程时，这一基础并不存在，比如外界电网故障时，汽轮发电机组转速测量信号可能会瞬间大幅度变化，而电网的频率还维持原状，此时虽然电网不需要，但该机组的一次调频功能仍然会启动，转速信号反复变化时，汽轮机调节阀也会频繁开关，当动作频率与系统固有频率一致时，就会诱发电力系统低频振荡。如果一次调频功能使用电网频率信号作为判断与计算的依据，则可避免上述情况的出现。 7 控制系统的延时 汽轮机控制系统中不可避免的存在着大量的延时环节，除人为设置外，数字式控制系统的扫描周期是造成延时的最主要的原因。研究表明，转速闭环控制时，汽轮机调速系统的相位滞后超过90o时，达到分界频率，其开始提供负阻尼；纯延时环节会增加汽轮机调速系统滞后角度，增加的数值与延时时间以及振荡频率之积成正比，这一结论说明，延时环节会通过影响分界频率而改变调节系统的阻尼特性，具体是改善还是恶化，要看延时的大小，当延时过大时，系统可能会出现多个分界频率。按此分析，振荡频率为1Hz时，0.1s的控制系统扫描周期至少会给调速系统相位增加36o的滞后角度，会显著影响其阻尼特性。 结论 汽轮机调速系统与电网低频振荡关系密切，并相互影响。汽轮机配汽函数、功率控制PID参数、DEH侧功率控制闭环、一次调频回路、控制系统的延时等是影响电网低频振荡的最关键因素，汽轮机调节阀开度晃动、信号波动等缺陷也会导致低频振荡的发生。因此，上述系列功能应在严格测试、确认正常后再投入运行，相应缺陷也应及时消除，否则极可能会导致低频振荡的发生，威胁电网与机组的运行安全。 与君共勉：学者要收拾精神，并归一路。如修德而留意于事功名誉，必无实诣；读书而寄兴于吟咏风雅，定不深心。
人赞赏 阅读 |
|
|
