秦山核電站320MW機(jī)組有功功率異常波動(dòng)的分析及處理

翟羽耀　賀斌　劉鑫

【摘 要】秦山核電站320MW機(jī)組功率發(fā)生異常波動(dòng)，經(jīng)過對(duì)機(jī)組自身的原因分析和外部周邊220KV電網(wǎng)電廠的原因分析，確認(rèn)異常波動(dòng)的原因來自外部電網(wǎng)，擾動(dòng)源主要是電網(wǎng)榮成自備電廠機(jī)組強(qiáng)迫功率振蕩時(shí)在電網(wǎng)中的傳遞過程所造成。通過現(xiàn)場測試，認(rèn)定320MW機(jī)組阻尼比均明顯高于國家標(biāo)準(zhǔn)，秦山核電站320MW機(jī)組自身不易引發(fā)低頻振蕩。通過試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析表明，榮成自備電廠機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)DDV閥在一定負(fù)荷水平下控制不穩(wěn)定，造成機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)，是系統(tǒng)中1Hz左右的強(qiáng)迫擾動(dòng)源，是引起秦山核電站320MW機(jī)組等浙北部分機(jī)組發(fā)生1Hz左右功率振蕩的源頭。詳細(xì)介紹了采用投運(yùn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置PSS和解決外部電網(wǎng)波動(dòng)，消除機(jī)組有功功率異常波動(dòng)擾動(dòng)源的處理辦法。對(duì)電網(wǎng)低頻振蕩擾動(dòng)源的快速定位和分析提出了建議。

【關(guān)鍵詞】有功功率；異常波動(dòng)；原因分析；消除擾動(dòng)；建議

【Abstract】An abnormal fluctuation was spotted in the Qinshan nuclear Power Plant 320MW unit， after launching the unit internal analysis and external surrounding 220kV power grid analysis， it is confirmed that disturbance is caused by a forced power oscillation in power system transmission process， which is owned by Rongcheng power plant unit.A field test has been found that the 320MW unit damping were significantly higher than the national standard， Qinshan nuclear power Plant of 320MW unit itself is not easy to cause the low frequency oscillation. The test and data analysis shows that Rongcheng power plant steam turbine regulating system of DDV valve control is unstable when under a certain load level， which caused the unit load fluctuation， system around 1 Hz forced disturbance source， is the cause of Qinshan nuclear power Plant units #1， such as northern part of unit 1 Hz oscillation power source.The operation of electric power system stabilizer （PSS） and the ways of solving the external power grid fluctuations， locating and eliminating power abnormal fluctuation disturbance source is thoroughly introduced in this paper. It so proposed a fast localization and analysis of the disturbance source of the low frequency oscillation in the power network.

【Key words】 Active power； Abnormal fluctuation； Cause analysis； Elimination of disturbance； Suggest

1 機(jī)組有功功率異常波動(dòng)概述

2012年10月28日前，秦山核電站320MW機(jī)組功率維持在327MW左右（表1）。2012年10月28日開始，秦山核電站320MW機(jī)組功率主控室頻繁發(fā)生電功率表小幅異常波動(dòng)，接近于等幅振蕩，波動(dòng)范圍在317-340MW之間。其中10月28日2次、10月29日4次、10月30日2次，11月2日1次，11月3日1次，最長振蕩持續(xù)時(shí)間約37分鐘（11月3日10：08-10：45），最短持續(xù)時(shí)間約1分鐘。同時(shí)發(fā)現(xiàn)CB-505發(fā)電機(jī)功率表、CB-507發(fā)電機(jī)有功功率/定子電流、CB-536 2P59線路有功/電流、CB-535 2428線路有功/電流均出現(xiàn)較大晃動(dòng)。DEH實(shí)際功率在320-336MW間波動(dòng)，三個(gè)功率通道均出現(xiàn)波動(dòng)，調(diào)門參數(shù)、調(diào)門開度未見大的變化，核功率穩(wěn)定。秦山核電站320MW機(jī)組DCS系統(tǒng)和PMU裝置捕捉并記錄了明顯的振蕩曲線。功率波動(dòng)期間，經(jīng)與省調(diào)確認(rèn)，電網(wǎng)無明顯異常。類似的現(xiàn)象在后續(xù)的時(shí)間時(shí)有發(fā)生。發(fā)電機(jī)有功功率波動(dòng)，可能導(dǎo)致電廠重要設(shè)備損壞以及停機(jī)停堆等事故。

2 機(jī)組有功功率異常波動(dòng)擾動(dòng)源的排查分析

秦山核電站320MW機(jī)組發(fā)生功率振蕩后，根據(jù)WAMS及SCADA數(shù)據(jù)確認(rèn)了功率振蕩的頻率、幅值等信息?？紤]到秦山核電站320MW機(jī)組低頻功率振蕩可能是由于自身異常或者外部原因引起的，且國內(nèi)也曾發(fā)生過由于汽輪機(jī)調(diào)門油動(dòng)機(jī)設(shè)置不恰當(dāng)引起的功率強(qiáng)迫振蕩事件，核查了秦山核電站320MW機(jī)組低頻振蕩期間機(jī)組歷史曲線，并對(duì)勵(lì)磁和調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)測試。

2.1 機(jī)組自身異常原因分析

機(jī)組歷史曲線表明數(shù)次負(fù)荷信號(hào)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，汽機(jī)調(diào)門位置反饋、調(diào)節(jié)級(jí)壓力、蒸汽流量、蒸發(fā)器水位等信號(hào)均穩(wěn)定、無異常，未發(fā)生與負(fù)荷類似頻率波動(dòng)。汽機(jī)調(diào)門實(shí)際位置或閥前蒸汽參數(shù)未發(fā)生明顯變化，未導(dǎo)致進(jìn)入汽輪機(jī)蒸汽流量改變，汽機(jī)抽汽量或背壓未發(fā)生明顯變化，在故障發(fā)生時(shí)汽機(jī)真空穩(wěn)定無異常，也可以排除真空導(dǎo)致的負(fù)荷波動(dòng)，排除由于汽機(jī)側(cè)原因?qū)е碌墓β什▌?dòng)。

對(duì)秦山核電站320MW機(jī)組的勵(lì)磁和調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行排查。完成秦山核電站320MW機(jī)組PSS、勵(lì)磁等相關(guān)試驗(yàn)。驗(yàn)證PSS投入前后對(duì)抑制秦山30萬千瓦機(jī)組功率波動(dòng)的影響（投入前后阻尼比分別約為8.3%、21.8%）。秦山核電站320MW機(jī)組PSS投入前后均能快速阻尼1Hz左右的功率波動(dòng)，系統(tǒng)阻尼較強(qiáng)，且PSS投入后能夠增加系統(tǒng)的阻尼，功率波動(dòng)能夠更快衰減。仿真計(jì)算和現(xiàn)場測試機(jī)組阻尼比均明顯高于國家標(biāo)準(zhǔn)，秦山核電站320MW機(jī)組自身不易引發(fā)低頻振蕩。

2.2 外部周邊220KV電網(wǎng)電廠異常原因分析

秦山核電站320MW機(jī)組功率異常波動(dòng)事件發(fā)生后，調(diào)控中心高度重視，省調(diào)控中心通過周邊220kV變電站主變負(fù)荷SCADA數(shù)據(jù)排查，發(fā)現(xiàn)秦山核電站320MW機(jī)組歷次功率振蕩期間，220kV新華變主變及其110kV出線榮成1443線功率均發(fā)生較大波動(dòng)，發(fā)生時(shí)刻與發(fā)電機(jī)功率波動(dòng)時(shí)間段一致，二者有很強(qiáng)的相關(guān)性，而其他周邊變電站負(fù)荷波動(dòng)較小。榮成1443線是榮成紙業(yè)自備電廠接入新華變的110kV聯(lián)絡(luò)線，初步懷疑是榮成紙業(yè)自備電廠運(yùn)行異常導(dǎo)致榮成1443線和新華變負(fù)荷的大幅度波動(dòng)。

省調(diào)組織省電科院和嘉興局赴榮成紙業(yè)自備電廠檢查?，F(xiàn)場檢查榮成紙業(yè)自備機(jī)組的運(yùn)行情況和DCS、故障錄波數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，秦山核電站320MW機(jī)組歷次功率波動(dòng)期間，榮成紙業(yè)自備電廠機(jī)端功率均同時(shí)發(fā)生大幅度的1Hz功率波動(dòng)，調(diào)速系統(tǒng)異常，轉(zhuǎn)速偏差在-50～50轉(zhuǎn)間大幅度波動(dòng)。秦山核電站320MW機(jī)組功率振蕩期間，榮成自備電廠DCS記錄的機(jī)端電磁功率及蒸汽壓力典型曲線如圖1所示，機(jī)端電磁功率在0-60MW間大幅度波動(dòng)。秦山核電站320MW機(jī)組功率振蕩期間，榮成自備電廠均在相同起止時(shí)間發(fā)生了1Hz的大幅度的功率振蕩，初步判斷是由于榮成自備電廠機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)異常所致，并將其一次調(diào)頻的死區(qū)調(diào)整為±50轉(zhuǎn)。

試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析表明，榮成自備電廠機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)DDV閥在一定負(fù)荷水平下控制不穩(wěn)定，造成機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)，是系統(tǒng)中1Hz左右的強(qiáng)迫擾動(dòng)源，是引起秦山核電站320MW機(jī)組等浙北部分機(jī)組發(fā)生1Hz左右功率振蕩的源頭（圖2—圖4）。

3 機(jī)組有功功率異常波動(dòng)擾動(dòng)源的處理

3.1 投運(yùn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置PSS

經(jīng)請示浙江省電力調(diào)控中心，由維修一處繼保班進(jìn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）試驗(yàn)，PSS相關(guān)試驗(yàn)完成，結(jié)果良好，并投運(yùn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置PSS，機(jī)組保持無功功率在110MVar左右，功率因數(shù)0.95運(yùn)行。

3.2 解決外部電網(wǎng)波動(dòng)，消除擾動(dòng)源

省調(diào)再次組織省電科院、嘉興地調(diào)相關(guān)專家赴榮成電廠對(duì)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行測試檢查，經(jīng)分析并依照分析結(jié)果對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)DDV閥進(jìn)行了更換，并對(duì)DDV閥及相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行了徹底清洗。停機(jī)檢修結(jié)束后，榮成自備電廠機(jī)組滿出力運(yùn)行，并在不同負(fù)荷點(diǎn)做頻繁升降負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組未再次出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)及轉(zhuǎn)速波動(dòng)大幅度波動(dòng)異常情況。

4 理論分析及仿真計(jì)算

強(qiáng)迫功率振蕩是近年來發(fā)展起來的一種低頻振蕩理論成果，它的理論是共振理論。在電力系統(tǒng)中，當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率由于某種原因受到持續(xù)周期性強(qiáng)迫擾動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)等幅不衰減的特解，當(dāng)擾動(dòng)頻率與系統(tǒng)固有頻率重合或者接近時(shí)，會(huì)引起較大幅度的穩(wěn)態(tài)功率波動(dòng)。強(qiáng)迫功率振蕩與負(fù)阻尼機(jī)理有明顯的不同，其顯著特點(diǎn)是：

（1）起振快，從受到擾動(dòng)到達(dá)到最大振幅一般只需幾個(gè)振蕩周期；

（2）振蕩過程中，基本保持等幅功率振蕩；

（3）振蕩的頻率與擾動(dòng)信號(hào)的頻率一致，擾動(dòng)頻率越接近系統(tǒng)固有共振頻率時(shí)，振蕩幅值越大，當(dāng)與共振頻率相差值超過一定的范圍時(shí)，將很難激發(fā)振蕩；

（4）消失快，一旦擾動(dòng)消失后，功率振蕩幅值大幅度減小。

發(fā)電機(jī)側(cè)的原動(dòng)機(jī)擾動(dòng)、勵(lì)磁系統(tǒng)擾動(dòng)、調(diào)速系統(tǒng)擾動(dòng)，以及電網(wǎng)側(cè)的負(fù)荷周期性沖擊、機(jī)組非同期并網(wǎng)等均可能激發(fā)強(qiáng)迫功率振蕩。

當(dāng)榮成自備電廠機(jī)組輸入機(jī)械功率發(fā)生周期性強(qiáng)制變化時(shí)，相應(yīng)頻率的功率成分將在電網(wǎng)中傳播。為了分析、驗(yàn)證榮成自備電廠機(jī)組強(qiáng)迫功率振蕩時(shí)在電網(wǎng)中的傳遞過程，在BPA時(shí)域仿真計(jì)算過程中，在榮成自備電廠原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率上疊加一個(gè)1Hz左右的強(qiáng)迫功率擾動(dòng)。秦山核電站320MW機(jī)組和榮成自備電廠機(jī)組不同出力水平下，榮成自備電廠機(jī)械功率變化量△Pm與電磁功率變化量△P間的關(guān)系如圖5所示。

可以發(fā)現(xiàn)，榮成自備電廠1Hz機(jī)械功率波動(dòng)幅度與電磁功率波動(dòng)幅度比值相對(duì)固定，而受秦山核電站320MW機(jī)組、榮成電廠機(jī)組起始功率水平影響較小。數(shù)值仿真計(jì)算表明榮成汽輪機(jī)電功率和機(jī)械功率放大倍數(shù)約為3。從功率振蕩期間DEH歷史曲線來看，均發(fā)生了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大幅度波動(dòng)的情況，根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速算出來的閥位變動(dòng)值（一次調(diào)頻信號(hào)）疊加到閥位目標(biāo)值，導(dǎo)致汽輪機(jī)閥位的波動(dòng)。在擾動(dòng)的開始，轉(zhuǎn)速與功率幾乎同時(shí)發(fā)生變化，而汽輪機(jī)閥門的波動(dòng)頻率與功率的波動(dòng)頻率一致，汽輪機(jī)電功率和機(jī)械功率波動(dòng)的幅度比約3～4，與上述的數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果比較接近。

此外，仿真計(jì)算也表明，榮成機(jī)組功率波動(dòng)幅度與秦山機(jī)組波動(dòng)幅度比值相對(duì)固定，而受秦山核電站320MW機(jī)組、榮成電廠機(jī)組起始功率水平影響較小。上述特征也與強(qiáng)迫擾動(dòng)低頻振蕩特征吻合。

為了分析擾動(dòng)源頻率變化時(shí)，榮成自備電廠機(jī)械功率變化量△Pm 與電磁功率變化量△P間的關(guān)系，在榮成自備電廠原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率上依次疊加0.6-2.5Hz強(qiáng)迫功率擾動(dòng)（秦山核電站320MW機(jī)組及榮成自備電廠起始功率分別為320MW和15MW），榮成自備電廠△P/△P與擾動(dòng)源頻率間的關(guān)系，△P/△P在f=1Hz時(shí)約為3，在f=1.2Hz時(shí)達(dá)到最大9.1（榮成自備電廠對(duì)主網(wǎng)的振蕩頻率）。

5 結(jié)論與建議

1）按照電力系統(tǒng)低頻振蕩理論進(jìn)行了計(jì)算分析，秦山核電阻尼較高，達(dá)到了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)省電科院現(xiàn)場試驗(yàn)，自身不易引起1Hz 的低頻振蕩。

2） 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析表明，榮成自備電廠機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)DDV閥在一定負(fù)荷水平下控制不穩(wěn)定，造成機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)，是系統(tǒng)中1Hz左右的強(qiáng)迫擾動(dòng)源，是引起秦山核電站320MW機(jī)組等浙北部分機(jī)組發(fā)生1Hz左右功率振蕩的源頭。

3）成自備電廠機(jī)組停機(jī)檢修并更換汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)DDV閥后，機(jī)組運(yùn)行正常，未再次出現(xiàn)大幅功率振蕩現(xiàn)象。秦山核電站320MW機(jī)組現(xiàn)滿出力運(yùn)行，運(yùn)行正常。

4）220kV變電站PMU裝設(shè)數(shù)量極少，全省僅安裝了杭州變和金華變，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)對(duì)低頻振蕩和強(qiáng)迫振蕩的監(jiān)測要求。由于SCADA數(shù)據(jù)采樣頻率的限制，這在一定程度上限制了低頻振蕩擾動(dòng)源的快速定位和分析。建議各地區(qū)局根據(jù)地區(qū)電廠和自備電廠的情況，盡快在接入容量較大的220kV變電站裝設(shè)PMU裝置。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬明澤，等.300MW壓水堆核電站培訓(xùn)系列教材（供電系統(tǒng)）[M].北京：原子能出版社，2010.

[2]湯蘊(yùn)繆，等.電機(jī)學(xué)（國家重點(diǎn)教材）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3] 楊嗣彭，等.同步電機(jī)運(yùn)行方式分析[M].成都：成都科技大學(xué)出版社，1998.

[責(zé)任編輯：王偉平]