水电机组并网功率振荡分析和暂态过程验证_熊鸿韬.pdf

电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.35 No.4Apr.2023水电机组并网功率振荡分析和暂态过程验证熊鸿韬1，林进钿1，楼伯良1，项俊猛2（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江浙能北海水力发电有限公司，杭州 310020）摘要：针对浙江省内某水电机组准同期并网后的大幅度有功功率振荡事件，进行了振荡特性的理论分析和验证。结合机组同期并网暂态过程及并网功率振荡的理论，分析了并网电压差、相角差、频差的影响，并在实际电网中进行了试验验证。试验表明机组准同期并网后功率振荡主要是由频差造成，有功功率振荡的峰峰值和并网频差存在较为显著的比例特征。最后，在 PSCAD 中验证了频差并网后功率振荡的暂态过程机理。关键词：准同期并网；有功功率振荡；事件分析；暂态过程；试验验证中图分类号：TM712文献标志码：A文章编号：1003-8930（2023）04-0026-06DOI：10.19635/ki.csu-epsa.001064Power Oscillation Analysis and Transient Process Verification of Hydropower UnitParallelingXIONG Hongtao1，LIN Jintian1，LOU Boliang1，XIANG Junmeng2（1.Electric Power Research Institute，State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd，Hangzhou 310014，China；2.Zhejiang Zheneng Beihai Hydropower Co.，Ltd，Hangzhou 310020，China）Abstract:Aimed at the event of large-scale active power oscillation of a hydropower unit in Zhejiang Province after quasi-synchronization paralleling，the theoretical analysis and verification of oscillation characteristics are carried out.Specifically，with the combination of the transient process of unit synchronization paralleling and the theory of parallel power oscillation，the parallel influences of voltage deviation，phase angle deviation and frequency deviation are analyzed，which were also verified by tests in an actual power grid.It is found that the active power oscillation after quasi-synchronization paralleling is mainly caused by parallel frequency deviation，and the peak-to-peak value of active power oscillation and parallel frequency deviation have obvious proportional characteristics.Finally，the transient process mechanism of power oscillation after parallel frequency deviation is verified in PSCAD.Keywords:quasi-synchronizationparalleling；activepoweroscillation；eventanalysis；transientprocess；testverification含水电机组的系统在实际运行中多次出现了超低频频率振荡事故1-3和并网瞬间大功率扰动现象4-5，威胁着电网的安全稳定运行。近日，浙江电网某水电机组在数次并网瞬间出现了大幅度功率振荡，最大振荡峰峰值达到130 MW，功率波动同时还激发了电网及周边机组长时间的低频振荡。此次事故中，电力系统采用自动准同期装置进行并网。其通过检测并网两侧的电压差值，并预测相角差过零点，经过设定的导前时间进行自动同期合闸操作。在机端与系统侧电压幅值、频率及相角偏差最小的时候并网，能够减少并网瞬间的功率冲击6-7。然而，同期装置参数整定不合理8，以及调速器、励磁调节器和断路器的不良性能9都可能导致合闸瞬间存在一定的压差和频差，并造成较大的功率冲击10。在单机容量不断增大的情况下，合闸瞬间的大幅度功率振荡可能导致发电机同期合闸失败，发电机损坏11，甚至对电力系统的安全稳定性造成影响12。明晰此次发电机准同期并网中功率振荡事件的主要影响因素和暂态过程机理，对防范振荡事件的再发生，保障电力系统的安全稳定运行意义重大。有鉴于此，本文结合实际案例，对并网功率振荡的特性和原因、以及振荡的暂态过程机理进行了理论分析，并分别在实际电网和PSCAD中进行了验证。收稿日期：2021-12-31；修回日期：2022-05-26网络出版时间：2022-08-17 09：47：02基金项目：国网浙江省电力公司科技项目（5211DS200086）熊鸿韬等：水电机组并网功率振荡分析和暂态过程验证熊鸿韬等：水电机组并网功率振荡分析和暂态过程验证27第 35 卷1某水电机组的并网功率振荡事故1.1机组概况浙江电网某水电厂总装机容量为3200 MW，电站保证出力87.8 MW，年利用小时1 705 h，年发电量10.23亿kWh，担任电网调峰和调频任务。发电机采用发-变-线路组单元接线方式，如图 1 所示。发电机与主变之间设有出口断路器。事件当日，电网因节假日期间负荷较小，运行在最小开机方式。1.2事件经过当日11时38分，该厂#3号机组开机并网，在并网瞬间，发电机出现了大幅度有功功率振荡，有功最大/最小值分别为59.5 MW/-45.6 MW。当日11时39分，该厂#2号机组开机并网，并网瞬间同样出现大幅度有功功率振荡，有功最大/最小值为76.0 MW/-54.0 MW。3号、2号机组并网过程中的有功功率振荡波形分别如图2和图3所示。图2、图3表明，在并网瞬间，两机组都先出现一定逆功率，随后功率开始大幅振荡，约10 s之后衰减。两次并网后功率振荡的幅值都超过了机组额定容量的50%。事件发生期间，区域电网正处于节日特殊运行方式，本地机组开机小，部分机组PSS未投入，导致局部电网系统惯量与阻尼较弱。并网瞬间，机组有功功率振荡容易引起机组调速系统的负阻尼参与，从而激发周边机组长时间的低频振荡，如图4所示。2并网功率振荡的理论分析发电机理想的并网条件是发电机机端与系统侧母线电压两个矢量完全重合且同步旋转。并网之前的机端和系统侧电压差为u=Ut-Us=Umtsin()tt+t-Umssin()st+s（1）式中：u为机端电压与系统电压之差；Ut、Us分别为机端电压和系统电压向量；Umt、Ums分别为机端电压与系统电压向量的幅值；t、s分别为发电机频率与系统频率；t、s分别为机端电压与系统电压的相位。当实际的并网情况偏离理想同期条件时，将不可避免地出现冲击电流，引起发电机功率振荡。并网时的相量图和等效电路图如图5所示13。图5中：为机端电压与系统电压相角差；Et为发电机电势；Xd为次暂态电抗；QF为并网断路器；XB为升压变阻抗；Xs为系统等效阻抗。图 1某水电厂机组接线Fig.1Wiring diagram of generators in one hydropowerplant242（122.5%）/13.8 kV#1#2#3系统图 2#3 号机组准同期并网后有功功率振荡波形Fig.2Active power oscillation curve of No.3 generatorafter quasi-synchronization paralleling100500-50-100有功功率/MW98108时间/s100102104106图 3#2 号机组准同期并网后有功功率振荡波形Fig.3Active power oscillation curve of No.2 generatorafter quasi-synchronization paralleling100500-50-100有功功率/MW160170时间/s162164166168图 4周边机组低频振荡与调速系统开度波形Fig.4Low-frequency oscillation curve of nearby unitand valve opening curve of speed governingsystem1050-5-10转速偏差/r/min0800时间/s200400600调门开度655035205调门开度/%转速偏差电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报28第 4 期2.1电压幅值、角差的影响根据发电机功角特性曲线，并网瞬间发电机电磁功率近似为PEq=EqUsxsin（2）式中：PEq为电磁功率；Eq为发电机空载电势；Us为系统电压；x为发电机至系统的总电抗；近似为发电机外功角。根据式（2），发电机并网瞬间的电磁功率波动由角差主导。若发电机电压相角滞后于系统，则并网瞬间的发电机有功功率为负，且随着滞后角度增加，并网瞬间的逆功率情况越明显；若发电机电压相角超前于系统，则并网瞬间的有功功率为正。通常情况下，发电机并网瞬间的电压幅值差很小，通常为几十伏，因此电压幅值偏差对功率波动的影响可忽略。2.2频率偏差的影响根据式（1），若并网时刻存在频率偏差，则发电机与系统存在滑差角频率为=t-s（3）若合闸信号发出不恰当，合闸信号与实际断路器合闸存在较长延迟，滑差角频率导致的并网瞬间电压相角差和有功情况，分别为=()t-st（4）PEq=EqUsxsin()t-st（5）以下分别分析频差并网对发电机暂态过程的影响、频率偏差与有功振荡峰值的关系。2.2.1频差并网后的发电机暂态过程经同期装置并网时，由于频率偏差的存在，发电机将在发电-电动状态中往复切换，经过一个剧烈振荡过程进入同步。如并网时刻s时，发电机将经历如下的振荡过程：（1）并网瞬间，发电机电压滞后于系统电压即0，发电机发出有功功率，并受制动转矩作用开始减速。当减为0时，角差达到最大值，对应发电机有功功率振荡峰值，即图中c点。（4）达到最大值后，发电机继续发出有功功率，并在制动转矩的作用下减速，重复若干次以上的过程，最终由于阻尼等因素进入同步运行。2.2.2频率偏差与有功振荡峰值的关系根据2.2.1小节的分析，并网功率振荡的峰峰值出现在第一个振荡周期，由于功率振荡的幅值对系统稳定影响较明显，因此本节进一步利静态分析和线性化方法推导频率偏差和有功功率振荡峰值的关系与近似计算方法。不考虑并网瞬间的电压幅值偏差和相角偏差，并网后有功振荡达到第一个峰值时，滑差角频率由初始值t-s减少为0，对应的时间t为发电机一个完整自由振荡周期T的1/4。发电机的一个振荡周期T15和对应的时间t分别为T=20K1TJ（6）t=14T=TJ2 0K1（7）式中：0为同步角速度；TJ为发电机惯性时间常图 5准同期并网相量与等效电路Fig.5Vector and equivalent circuit in quasi-synchronization parallelingU?sU?ttU?