水電站水體機(jī)電耦合振蕩研究及對(duì)策

向 科，張家治

（葛洲壩電廠，湖北省宜昌市 443002）

0 引言

某電站位于長(zhǎng)江中上游，屬于低水頭徑流式電站，設(shè)計(jì)水頭18.6m，大壩全廠2606.5m，有大江和二江兩個(gè)電站。該電站于2016年5月16日和2017年4月13日、5月10日發(fā)生了上游水庫(kù)水位和機(jī)組有功功率的耦合振蕩（以下簡(jiǎn)稱5.16、4.13、5.10振蕩），如圖1、圖2、圖3所示，雖然電廠運(yùn)行人員及時(shí)地發(fā)現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象，并采取有效措施很快平抑了振蕩，未給電網(wǎng)和航運(yùn)的穩(wěn)定運(yùn)行造成不良影響，但由于此類振蕩不僅嚴(yán)重影響電廠的發(fā)電效益，而且對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和航運(yùn)安全構(gòu)成了較大威脅，因此，本文著力研究水電站水體機(jī)電耦合振蕩的原因，并提出有效預(yù)防振蕩的技術(shù)措施，以防止類似振蕩再次發(fā)生。

1 振蕩現(xiàn)象

2016年5月16日，17F機(jī)組A級(jí)檢修完成后進(jìn)行甩完負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后全部機(jī)組AGC投入，但12F AGC中途在21：05退出，21：50手動(dòng)投入；類似有14F、15F、19F。振蕩發(fā)生的第一階段：18：30開始出現(xiàn)小幅震蕩現(xiàn)象，持續(xù)至21：00左右；第二階段：21：00之后，功率波動(dòng)開始發(fā)散，大江最大波幅220MW，二江最大波幅為59MW，大二江波動(dòng)反向，波動(dòng)周期155s。庫(kù)水位震蕩幅度在65.47～66.30m之間波動(dòng)，期間最大幅度0.91m。

2017年4月13日，大江負(fù)荷從6：30～7：30由1100MW增加到1550MW，大江、二江全廠AGC均投入網(wǎng)控方式，12F、14F、15F單機(jī)AGC未投入，只投入P調(diào)節(jié)。振蕩發(fā)生的第一階段：7：30～14：30，大江負(fù)荷小幅波動(dòng)，幅度為20MW左右；第二階段：14：30～16：30，功率波動(dòng)開始發(fā)散。大江有功波動(dòng)最大120MW，二江有功波動(dòng)最大50MW，大二江波動(dòng)反向，波動(dòng)周期150s。某上游水位在63.6～64.3m之間波動(dòng)，期間最大幅度0.64m。

2017年5月10日，大江、二江全廠AGC均投入網(wǎng)控方式，9F、12F、14F、15F單機(jī)AGC未投入，只投入P調(diào)節(jié)。大江負(fù)荷自1600MW到1740MW調(diào)整，二江負(fù)荷自1010MW到870MW調(diào)整，負(fù)荷調(diào)整自19：22開始，19：24電站出力發(fā)生異常波動(dòng)，大江電廠有功波幅最大100MW，二江電廠有功波幅最大34MW，大二江波動(dòng)反向，波動(dòng)周期150s。上游水位在63.32～63.68m之間波動(dòng)，期間最大幅度0.36m。

2 邊界條件的確定

功率波動(dòng)可能由多種原因引起，我們對(duì)可能引起功率波動(dòng)的原因進(jìn)行了逐一分析，得出了引起功率波動(dòng)的邊界條件。

圖1 5.16水位與出力圖Figure 1 The relation of water level and active power in May 16th

圖2 4.13水位與出力圖Figure 2 The relation of water level and active power in April 13th

圖3 5.10水位與出力圖Figure 3 The relation of water level and active power in May 10th

一次調(diào)頻：由于三次功率波動(dòng)期間，電網(wǎng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，一次調(diào)頻未動(dòng)作，因此可以排除一次調(diào)頻的原因。

系統(tǒng)振蕩：三次功率波動(dòng)期間，電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，未有振蕩事件發(fā)生，且大江、二江電站之間無直接的電氣連接，但大江、二江功率反向波動(dòng)，說明由于系統(tǒng)振蕩引起的原因可以排除。

AVC、勵(lì)磁和PSS系統(tǒng)：三次功率波動(dòng)期間，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，機(jī)端電壓穩(wěn)定、無功功率穩(wěn)定，可以排除勵(lì)磁和PSS系統(tǒng)問題。

水位波動(dòng)：三次波動(dòng)都有針對(duì)水庫(kù)的擾動(dòng)源存在，庫(kù)水位波動(dòng)現(xiàn)象明顯，因此功率波動(dòng)應(yīng)和水位波動(dòng)關(guān)系密切。

AGC：三次波動(dòng)都是AGC退出后才逐漸平息，特別“5·10”期間，先退出AGC后功率波動(dòng)有收斂趨勢(shì)，后投入AGC功率波動(dòng)又?jǐn)U散，說明AGC和功率波動(dòng)關(guān)系密切。

LCU及調(diào)速器系統(tǒng)：功率執(zhí)行環(huán)節(jié)的延時(shí)會(huì)加大功率波動(dòng)趨勢(shì)，因此LCU及調(diào)速器系統(tǒng)和功率波動(dòng)有一定關(guān)系。

通過對(duì)功率波動(dòng)邊界條件的分析，我們認(rèn)為此次功率波動(dòng)應(yīng)該屬于水體機(jī)電耦合振蕩。

3 水體振蕩起因

通過對(duì)這幾次的波動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大江機(jī)組的波動(dòng)相位相同，二江機(jī)組的波動(dòng)相位相同，大二江機(jī)組波動(dòng)相位相反，波動(dòng)周期都在150s左右。我們?cè)噲D從水庫(kù)波動(dòng)理論[1]中找出原因。

起波：假設(shè)調(diào)整前流量為Q（0），水能包括動(dòng)能和勢(shì)能，調(diào)整過程的流量為Q（t），二江出庫(kù)流量下降，由于水流慣性力（動(dòng)能），從機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉開始到機(jī)組進(jìn)水口再到二江進(jìn)水流道的水位上升，形成水位波動(dòng)。

二江“池塘”內(nèi)波動(dòng)：機(jī)組引水口中心的高程為29m，導(dǎo)流坎高達(dá)46.8m，二江水波受黃草壩防淤堤和導(dǎo)流坎的“壓迫”（反射作用），造成“池塘”內(nèi)水位整體抬升，并向右下方傳播，水波可分解為大江方向和上游方向。假設(shè)二江機(jī)組在開度模式下運(yùn)行，水位上升導(dǎo)致機(jī)組流量增加，加上重力的作用，從而導(dǎo)致水位下降。

二江與大江之間波動(dòng)：二江水位波動(dòng)越過二江導(dǎo)流坎和大江導(dǎo)流坎以淺水波形式向大江傳播。

大江“池塘”內(nèi)波動(dòng)：大江導(dǎo)流坎高程達(dá)到51.5m，當(dāng)二江水波進(jìn)入大江“池塘”后，這個(gè)波動(dòng)在大江防淤堤、大壩和導(dǎo)流坎之間反射，使大江“池塘”水位呈現(xiàn)整體變化態(tài)勢(shì)，引起大江“池塘”水位整體波動(dòng)，并疊加了小周期的波動(dòng)。

通過淺水波理論[2]，可以推導(dǎo)出水體振蕩周期在150s左右，水深越高，周期越短，如圖4所示。和振蕩現(xiàn)象吻合。說明當(dāng)水體有外部激勵(lì)導(dǎo)致周期為150s的振蕩是水庫(kù)的固有特性。

圖4 不同水面高程對(duì)應(yīng)的振蕩周期示意圖Figure 4 Schematic diagram of oscillation periods corresponding to different water levels

4 水體振蕩和功率調(diào)節(jié)的關(guān)系

當(dāng)水庫(kù)在外部激勵(lì)的條件下產(chǎn)生固有周期的振蕩，必然會(huì)引起全廠功率的周期性變化，而全廠機(jī)電系統(tǒng)為了保證功率穩(wěn)定而進(jìn)行調(diào)節(jié)，機(jī)組功率調(diào)節(jié)周期被動(dòng)跟隨水庫(kù)的振蕩周期，后機(jī)組功率調(diào)節(jié)和水庫(kù)波動(dòng)相互促進(jìn)，導(dǎo)致波動(dòng)加劇。

由于LCU的PID調(diào)節(jié)是有死區(qū)的，當(dāng)水位波動(dòng)引起的功率波動(dòng)在死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，LCU是不調(diào)節(jié)的，這時(shí)功率波動(dòng)被動(dòng)跟隨水位波動(dòng)。當(dāng)水位繼續(xù)上升導(dǎo)致功率超出死區(qū)后，LCU會(huì)反向調(diào)節(jié)，由于LCU是6s調(diào)節(jié)一次脈寬，初始脈寬很小，功率繼續(xù)上升，第二次、第三次脈寬會(huì)較大，導(dǎo)致功率會(huì)提前水位見頂，所以表現(xiàn)為P調(diào)節(jié)投入時(shí)功率波動(dòng)相位超前水位波動(dòng)相位[3]，如圖5所示。

要分析AGC和P調(diào)節(jié)在波動(dòng)中所起的作用，首先要對(duì)AGC的調(diào)節(jié)策略、P調(diào)節(jié)的控制原理進(jìn)行分析[4]。機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)全過程如圖6所示。

圖5 2017年4月13日調(diào)節(jié)相位圖Figure 5 Regulation phase diagram in 2017 April 13th

圖6 負(fù)荷調(diào)節(jié)全過程Figure 6 Whole process of load regulation

AGC分配策略為：AGC設(shè)定值=AGC總給定-未投入AGC機(jī)組的實(shí)發(fā)值。當(dāng)AGC設(shè)定值變化小于25MW時(shí)，啟動(dòng)小負(fù)荷分配算法，小負(fù)荷分配算法如下：AGC觸發(fā)小負(fù)荷分配條件后，根據(jù)需要調(diào)節(jié)負(fù)荷的大小，選取調(diào)節(jié)裕度最大的一臺(tái)或幾臺(tái)，剩下的機(jī)組設(shè)定值跟蹤實(shí)發(fā)值。當(dāng)AGC設(shè)定值變化大于25MW時(shí)，啟動(dòng)等比例分配算法，等比例分配算法如下：AGC觸發(fā)等比例分配條件后，所有投入AGC的機(jī)組按照容量大小等比例分配。此時(shí)有機(jī)組未投入AGC的情況下，AGC設(shè)定值=AGC總給定-未投入AGC機(jī)組的實(shí)發(fā)值。因?yàn)锳GC為保證全廠負(fù)荷恒定，一旦水位波動(dòng)導(dǎo)致未投入AGC機(jī)組的實(shí)發(fā)值發(fā)生波動(dòng)，AGC必然會(huì)反向調(diào)節(jié)，會(huì)對(duì)AGC的設(shè)定值有較大影響。并且等比例分配算法啟動(dòng)后，AGC設(shè)定值的變化會(huì)反應(yīng)在所有投入單機(jī)AGC的機(jī)組上，且調(diào)節(jié)方向一致。

LCU采用定頻調(diào)脈寬的方式對(duì)機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

調(diào)速器調(diào)節(jié)原理：在并網(wǎng)狀態(tài)下，調(diào)速器在沒有進(jìn)入一次調(diào)頻模式之前，均是在開度模式，接受LCU的開度調(diào)節(jié)指令，導(dǎo)葉動(dòng)作，輪葉根據(jù)協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行隨動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開度閉環(huán)。

結(jié)合AGC、LCU、調(diào)速器的調(diào)節(jié)原理，通過對(duì)三次功率波動(dòng)過程分析，可以得出以下結(jié)論（見圖7）：

（1）全廠AGC投入，功率波動(dòng)幅度小于等比例負(fù)荷分配門檻時(shí)，波動(dòng)會(huì)維持或逐漸平息。

（2）在全廠AGC投入、有機(jī)組AGC退出或P調(diào)節(jié)退出的情況下一旦波動(dòng)幅度超過等比例負(fù)荷分配門檻，波動(dòng)會(huì)快速發(fā)散，退出AGC機(jī)組數(shù)量與波動(dòng)發(fā)散速度強(qiáng)相關(guān)。

當(dāng)壩前水位降低/升高→未投AGC或P調(diào)節(jié)的機(jī)組負(fù)荷降低/升高→AGC會(huì)安排其他機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)償，開/關(guān)導(dǎo)葉→壩前水位進(jìn)一步降低/升高→加劇未投AGC或P調(diào)節(jié)的機(jī)組負(fù)荷降低/升高，形成強(qiáng)正反饋。

（3）AGC退出、P調(diào)節(jié)投入的情況下功率波動(dòng)可能會(huì)緩慢收斂。

（4）AGC退出、P調(diào)節(jié)退出的情況下波動(dòng)會(huì)快速收斂。

“5·10”時(shí)9F、12F、14F、15F的AGC在退出、P調(diào)節(jié)在投入，由于大二江之間快速轉(zhuǎn)移負(fù)荷，水位發(fā)生波動(dòng)，4臺(tái)未投入AGC的機(jī)組負(fù)荷一開始波動(dòng)就超過等比例負(fù)荷分配門檻，此時(shí)AGC在所有投入AGC的機(jī)組之間進(jìn)行等比例分配，從而形成全廠的調(diào)節(jié)同步，與水位波動(dòng)形成正反饋，快速發(fā)散。

通過對(duì)AGC算法的模擬，可以看出一旦波動(dòng)超出等比例負(fù)荷分配門檻后，大負(fù)荷偏差會(huì)頻繁觸發(fā)等比例分配，使全廠機(jī)組步調(diào)一致，加大了水位的波動(dòng)。并且，執(zhí)行環(huán)節(jié)的延時(shí)容易引起系統(tǒng)的震蕩。AGC需要用50s后的功率值來彌補(bǔ)當(dāng)前未投入AGC機(jī)組的功率波動(dòng)，本身就會(huì)造成波動(dòng)的疊加。

圖7 水體機(jī)電耦合振蕩關(guān)系Figure 7 The relationship of water body and electromechanical coupling oscillation

5 水頭波動(dòng)對(duì)機(jī)組負(fù)荷的影響

通過對(duì)各種因素的分析，水頭波動(dòng)對(duì)機(jī)組的影響主要有：

（1）由于該電站是低水頭雙調(diào)機(jī)組，水頭運(yùn)行范圍是9.1～27m，對(duì)水頭變化的反應(yīng)明顯。

（2）水頭升高、降低，勢(shì)能增加、降低，必然會(huì)導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷升高、降低。

（3）在水位一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)，水頭的變化必然引起機(jī)組效率的變化，調(diào)速器輪葉會(huì)調(diào)整開度以滿足協(xié)聯(lián)要求，放大了機(jī)組負(fù)荷的波動(dòng)反應(yīng)。

通過查看8F運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)葉開度在72%恒定，水頭20±0.5m的情況下，負(fù)荷波幅可達(dá)到±5MW。

通過查閱21F的振擺數(shù)據(jù)，可以看出隨著水位、功率波動(dòng)，振擺也在周期性的波動(dòng)，說明機(jī)組的效率也在發(fā)生變化，反過來也會(huì)對(duì)功率產(chǎn)生一定的影響。

6 波動(dòng)原因總結(jié)

綜上所述，我們可以得出水體機(jī)電耦合振蕩的原因如下：當(dāng)水體存在擾動(dòng)源時(shí)，如甩負(fù)荷，快速調(diào)整負(fù)荷等，造成壩前水位波動(dòng)，周期性升高或降低，此時(shí)機(jī)組的功率必然隨著水位的波動(dòng)而周期性地升高或降低，未投入AGC的機(jī)組負(fù)荷周期性地升高或降低，AGC為了保證全廠功率很定，其分配值必然反向波動(dòng)，周期性地減少或增加，投入AGC機(jī)組的導(dǎo)葉關(guān)閉或打開，又加劇了壩前水位的波動(dòng)，形成正反饋。波動(dòng)快速發(fā)展的三要素為：擾動(dòng)源，引起水位周期性波動(dòng)；有多臺(tái)機(jī)組未投入AGC或P調(diào)節(jié)；等比例分配頻繁啟動(dòng)。

7 解決方案

由于該電站機(jī)組的低水頭、雙調(diào)機(jī)組的特性，壩前水位波動(dòng)難以避免，為防止水體機(jī)電耦合振蕩的形成，我們著力于以下幾點(diǎn)：

（1）將（全廠AGC分配值=全廠總有功給定值-未投入AGC機(jī)組的實(shí)發(fā)值）的策略修改為（全廠有功分配值=全廠有功設(shè)定值-未投入AGC機(jī)組的PLC返送有功設(shè)定值）。

（2）盡量避免多臺(tái)機(jī)組AGC或P調(diào)節(jié)未投入的運(yùn)行方式。

（3）一旦發(fā)生水體機(jī)電耦合振蕩，立即退全廠AGC和P調(diào)節(jié)，置調(diào)速器于開度模式，切斷正反饋路徑。

8 結(jié)束語

對(duì)于新策略的安全性和可靠性，通過MATLAB仿真模擬多種工況，新策略能夠有效防止水體機(jī)電耦合振蕩，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。將新策略應(yīng)用后，全廠負(fù)荷明顯穩(wěn)定，在2018年的歲修甩負(fù)荷試驗(yàn)中，水體仍有振蕩，但全廠出力穩(wěn)定，水體振蕩很快消除，從而證明了水體機(jī)電耦合振蕩解決策略的有效性。