大型机组电气功率扰动的实例分析

机组电气功率扰动的实例分析在机组的运行中，由于各种扰动的存在，电气功率的波动时常发生，如何正确分析处理各类异常，准确判断励磁系统是否存在故障，采取何种措施来解决，是实际中遇到的一大难题。在通常的认识中，机组有功的波动与调速系统有关，无功的波动与励磁调节器有关。但随着PSS（电力系统稳定器）的广泛投运，有功的波动也会导致励磁输出的波动，机组的电气功率扰动往往伴随着有功、无功的同时变化，如何定位异常发生的原因，本文举出一些实例做出分析。励磁调节器本身故障引起的功率扰动一、台山电厂3号机无功波动2008年2月9日，台山电厂3号机在春节停机重新并网后，出现了无功波动的情况，波动的幅度最大达50Mvar，发生的时间无明显规律，间隔约数分钟不等。励磁系统通道Ⅰ运行，通道Ⅱ备用，与以前运行方式相同，本次停机未对励磁系统进行任何检修工作，励磁调节器无任何故障和报警信息。2月10日应台山电厂的要求，广东电科院派人到现场协助进行故障分析处理。2月10日下午，和电厂的技术人员研究分析了有关情况并提出了检查方案。1、根据电厂提供的DCS数据波形来看，尽管其数据记录的采样频率较低，还是可以初步判断3号机励磁电压的波动领先于机端电压、无功的波动，即无功的波动主要是励磁系统而不是500kV系统引起的。且3号机无功波动期间，向电网方面了解系统无异常，综合判断可以排除系统扰动的影响。2、在2月10日上午，3号机运行通道（通道Ⅰ）切换为手动方式（恒励磁电流模式）运行了约30分钟，励磁电压及无功未出现异常波动，由于励磁系统不应长期在手动方式运行，切换回自动方式后，波动依然存在。根据此现象可以判断励磁系统的脉冲触发及整流环节工作正常，否则手动方式也会出现波动。故障集中在励磁调节器的自动电压控制环上。3、台山电厂3号机励磁调节器为ABB生产的UNITROL5000，其自动电压控制环除了以发电机机端电压作为反馈控制量外，还叠加了以有功作为输入的PSS，以无功电流作为输入的调差。检查3号机的参数表，重点是与上述控制环节相关的参数未发现问题。4、排除以上原因后，波动的出现很可能与上述控制量的检测环节或电压叠加点有干扰进入有关，据此制订了进一步的检查方案：首先进行通道切换，如果是机端电压检测的问题，两个调节通道同时故障的概率很小，应能发现问题；如果故障仍不能排除，再依次进行退出PSS，退出调差的检查。由于DCS数据波形采样频率低，为了准确分析，检查时利用励磁调节器调试工具记录内部数据，利用故障录波记录外部数据。2月11日，按照方案在现场对3号机励磁系统进行了检查，情况如下：励磁调节器通道Ⅰ的运行情况：图1所示为通道Ⅰ的内部数据录波图，可见在稳态运行时各有关量的纹波波动幅度均较大。图2、3、4为记录的通道Ⅰ运行期间发生的几次波动情况，从这些数据中可以发现波动刚发生时，调节器内部数据的机端电压均为向上的突变，而控制电压、励磁电压、励磁电流均为向下的突变，趋势相反。根据这种现象可以判断，应首先是励磁调节器的机端电压检测出现了波动，从而导致了励磁输出的波动，正常时，机端电压不会经常出现如此波动，问题应存在于机端电压检测环节。如果是电压叠加点窜入了干扰信号，励磁输出的波动将导致机端电压同方向的波动，从内部录波数据可以排除这一点。切换到调节器通道Ⅱ后的运行情况：图5为切换到通道Ⅱ运行后的通道Ⅰ内部数据录波，可以看到切换后，通道Ⅰ检测到的励磁电压、励磁电流的波动明显减小，但机端电压、控制电压的纹波依然明显。图6显示此时通道Ⅰ仍然出现了机端电压检测的波动。图6为切换到通道Ⅱ运行后的通道Ⅱ内部数据录波，可以看到各有关量均很平稳，进一步判定通道Ⅰ的机端电压检测环节存在问题。检查处理情况：问题出在通道Ⅰ的机端电压检测环节，于是首先对外回路进行了检查。电厂检修人员对通道Ⅰ使用的PT在励磁调节器端子排上进行了测量，发现C相电压偏低1伏多，而且有波动，在就地端子箱上检查也如此，判断为PT一次保险接触不良，需进一步处理。3号机最终用通道Ⅱ运行（通道Ⅱ使用的是励磁专用PT，也应作为主调节器运行），通道Ⅰ备用。图1通道Ⅰ运行录波图（自上而下各线意义：机端电压-黑色，内部控制电压-绿色，励磁电流-红色，通道运行状况-青色，励磁电压-粉红，无功-蓝色）图2通道Ⅰ运行中波动情况录波图之一图3通道Ⅰ运行中波动情况录波图之二图4通道Ⅰ运行中波动情况录波图之三图5切换到通道Ⅱ运行后通道Ⅰ的内部数据录波图6切换到通道Ⅱ运行后通道Ⅰ的内部数据波动图7切换到通道Ⅱ运行后通道Ⅱ的内部数据录波二、金湾发电厂＃4机组无功波动无独有偶，2008年11月18日，金湾电厂#4机组无功波动频繁，大概几分钟就有10MVar以上的变化。基于同样的分析，我们建议电厂进行了同样的检验，确认异常通道对应的PT二次回路电压三相不平衡，在端子排紧固后，故障消失。三、连州电厂2号机功率波动连州电厂2号机2008年10月8日正常运行时，在PSS投运的情况下发生大幅功率波动；10月25日准备停机减负荷过程中已退出PSS的情况下，同样发生大幅功率波动。根据电厂方面提供的两次功率波动时的故障录波图分析，可以发现两次故障时，励磁变高压侧A、C两相的电流波形与正常整流状态的波形发生了很大变化，而且两次故障记录的波形变化情况一致：故障开始于对应励磁变高压侧+A、-C相时刻（由于励磁变的连接方式及CT极性的关系，并不一定对应励磁变低压侧所接整流桥的+A、-C）导通向下一步换相时，A、C两相的电流波形显示换相不成功，第一阶段故障维持了200毫秒，然后似乎是触发信号重新启动，但波形仍然不正常；第二阶段故障维持了500毫秒，当直流分量衰减接近0时，波形才逐步恢复正常。整流桥正常工作时，上、下桥各有一支可控硅导通，仅在换相期间有短暂的相间短路；根据波形看换相不成功导致上桥或下桥同时有两支可控硅导通，且此相间短路持续了较长的时间（总共700毫秒），A、C两相的电流中出现的直流分量也证明了这一点。由于整流桥发生了相间短路，因此励磁电压、励磁电流在此期间是下降的，机组出现进相；当700毫秒触发换相恢复正常后，由于正常的调节作用，励磁电压又增大直至机端电压恢复正常。调节的过程引起有功、无功的波动。从以上的分析可知，连州电厂2号机的功率波动与PSS无关，故障的查找应集中在励磁调节器本身。11月初，会同厂家对励磁调节器进行了全面检查，分析判断无功波动原因为瞬间干扰导致励磁输出中断而引起有功、无功的波动，并非PSS功能本身问题，但干扰源尚未查清来源，经专题会决定在双套CPU板增加抗干扰电容，并适当调高工作电源电压，抑制来自电源干扰可能引起的调节器复位；处理后投入＃2发电机励磁PSS功能，至今运行正常。（附录波图：自上而下依次为励磁变高压侧A、C相电流、励磁电压、励磁电流）系统扰动引起的功率波动一、系统低频振荡动态稳定性较差的机组，容易出现系统有功低频振荡，机组的调速系统此时是稳定的。2005年9月20日台山电厂1号发电机的PSS试验过程中，在PSS退出，运行和试验人员均无任何操作或试验，机组处于正常运行状况（有功功率为595MW，无功功率接近0MVar），突然发生了有功功率低频自发振荡，波形如上所示。整个过程持续了约37秒，其中前4周发散，到第5周开始收敛，一共持续了十几周才渐渐平息。振荡的有功功率峰峰值达41MW，为额定有功功率的6.8%，振荡频率约为0.9Hz。该振荡频率与我们之前在计算报告中得到的0.94Hz强相关区间低频振荡频率十分接近。解决的措施就是投入PSS，提高机组动态稳定性。二、系统变压器充电引起的功率波动2006年11月28日，珠江电厂4台机组励磁调节器在11月28日展能电厂空载投入#1主变时的录波第一次合闸时冲击较小第二次合闸时数据如下：定子电压（单位：%）最小值/最大值电压给定（单位：%）最小值/最大值转子电流（单位：%）最小值/最大值触发角度（单位：度）最小值/最大值有功功率（单位：MW）最小值/最大值无功功率（单位：MVar）最小值/最大值定子电流（单位：%）最小值/最大值同步频率（单位：HZ）最小值/最大值#197.9/98.998.8/98.871.4/76.578.3/82.3316.6/337.392.5/126.997.1/10149.6/49.7#297.4/98.598.3/98.368.7/72.180.3/82.6309/322.163/103.592.9/95.749.7/49.7#397.8/98.898.9/98.976.4/8280.5/84.9283.4/296.868.9/10185.4/8949.9/50#497.8/98.898.6/98.675.6/79.179.8/82.1268.4/280.679.5/104.782.1/85.349.9/50珠江#1机珠江#2机珠江#3机珠江#4机与PSS有关的功率波动一、PSS反调引起的机组功率波动对于单纯采用电功率信号的PSS1A模型，在原动机功率变化时PSS输出会出现反方向的变化，即反调。反调的大小主要与原动机的功率变化速率有关。按有关试验导则：反调引起的“无功功率变化量小于30%额定无功功率，机端电压变化量小于3%～5%额定电压。”为合格。如不合格，可采取的措施：1）采用加速功率型的PSS；2）采用转速型PSS；3）增减原动机出力操作时短时闭锁PSS输出；4）减少隔直环节时间常数；5）减少PSS增益；6）减少原动机出力调整幅度和速度（临时措施）。连州电厂#2机反调现象分析2008年4月4日12:00左右，连州电厂#2机无功出现波动，录波图如下。根据DCS录波图分析2号机无功功率波动的激励因素来自于发电机调门变化引起的有功功率调整（，正是由于PSS-1A模型把原动机的波动当作是负荷波动处理，并参与附加控制，才出现了“反调”现象。“反调”的大小与调门的动作速率、有功功率的变化速率有关，为此在当初进行PSS整定试验时，曾经要求通过快关调门来使得有功功率达到运行中可能出现的最大变化速率，以检验“反调”大小和确定PSS参数，当20秒减小有功4MW时，无功增加约23Mvar，这与无功在-10到+40Mvar间变化的幅度基本吻合，后者的有功功率变化应该超过了试验时的最大变化率。在增减负荷的过程中，由于调门的调整，“反调”现象仍然存在，当有功稳定后，无功也会随之恢复稳定。为了减小较低频率下的“反调”，建议将PSS的隔直时间常数Tw=6调整为Tw=2，其它参数不变。为了根本上解决“反调”现象，建议采用加速功率作为输入的PSS-2A模型。修改参数后，反调现象有了很大的改善，在连州#1、茂名#6上也对隔之时间常数进行了优化以减小反调的影响。二、调速系统故障引起的机组功率波动当调速系统故障引起原动机功率波动，由于PSS的反调也会相应引起无功的波动，而运行人员往往主观认为无功既然有波动一定是励磁调节器有问题，尤其是PSS有问题，让电气人员蒙受不白之冤。从PSS的原理可以看出，即使PSS有反调，其起因也是由于有功的波动造成的，首先应该检查的就是调速系统的调节是否平滑顺畅。台山电厂#4机功率波动分析2008年8月7日以来，台山4号机组自，在有功功率470MW～530MW的范围内，多次出现有功、无功的瞬间波动现象。运行部门归因于电气故障，电气二次主要采取如下措施：1）8月14日对4号发电机机端PT电压进行检查、测量，PT二次电压稳定无大幅波动；2）8月15日上午，将励磁调节器从当前的通道一切换至通道二，有功、无功的变化与先前相同；3）8月15日晚上，经中调同意，退出4号机组PSS功能，截至8月20日，机组有功波动仍然存在，无功波动现象消失。我们与电厂在8月20日召开专题分析会，电科院有电气与热工专业的专家参加，通过电气专业的分析，经与会人员的广泛讨论，确认机组调速系统存在问题。随后在电科院热工专家的主持下，通过检查4号机GV2动作曲线，机组负荷突变与GV2开度突变一致，引起该种现象原因有两点：伺服阀故障可以导致调门突变；位移传感器输出信号波动同样可以引起调门突变。利用负荷允许的条件时，4号机组切为单