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?sU?tXBQFXdXsEtU?sEtEs图 6发电机并网后暂态过程示意Fig.6Schematic of transient process of generator aftergrid-parallelingPe000abc熊鸿韬等：水电机组并网功率振荡分析和暂态过程验证29第 35 卷数；K1为同步功率系数。进一步，由于频率变化很小，通常不大于0.2 Hz。故当频率偏差由t-s减少为0时，发电机与系统的角差近似为：=12()t-st=12()t-s TJ2 0K1（8）将式（8）代入式（2），得到发电机第一个振荡峰值的功率PEqmax为PEqmax=EqUsxsin|12()t-s TJ2 0K1（9）实际电力系统发电机同期并网时频率偏差很小，根据正弦函数的简化原则，式（9）可进一步简化为PEqmax12EqUsx TJ2 0K1()t-s=K()t-s（10）式中，K为频率偏差-振荡功率峰值的线性系数。式（10）表明，发电机并网冲击产生的功率振荡峰值与并网频率偏差近似呈现正比例关系。3并网功率振荡特性的试验验证本节通过现场试验，以验证第2节机组并网功率振荡特性的理论分析，以此明晰导致并网功率振荡的主要原因。在该电厂进行了若干次准同期并网试验，4次试验波形如图7所示，并网时两侧电气量差值和后续振荡中有功、无功波动幅值如表1所示。1）相角差对有功波动的影响分析在并网瞬间，若机端电压滞后于系统电压，并网时会出现由负相位角度引起的逆功率8。4次并网试验后发电机的逆功率波形如图8所示。图8表明，并网瞬间发电机的电压相角滞后电网程度越大，逆功率的现象将越明显。但是，该逆功率值相较于后面暂态过程中有功波动的峰峰值很小，不是引起并网功率振荡的主要原因。2）电压差对有功波动的影响分析在4次试验中，并网时刻机端与系统侧的电压幅值差分别为 6.4 V、22.5 V、42 V 和 78 V，小于0.6%的额定电压，对有功振荡影响很小，故可以不予考虑。并且，上述并网电压幅值差也未对无功功率产生显著影响（如表1无功波动数据所示）。3）频率偏差对有功波动的影响分析根据2.2.2节的分析结论，频差-功率振荡峰值系数K为与机组特性相关的定值，根据某一次历史扰动计算得到K等于500.48。将表1中4次试验的频率偏差代入式（10），得到有功波动峰峰值的计算值（近似为功率振荡峰值的2倍），其与实测数据的对比如图9。图9表明：（1）随着并网瞬间频率偏差的增加，有功功率振荡程度在不断增加，整体呈现正相关关系；图 74 次并网后有功功率振荡波形Fig.7Active power oscillation waveforms after fourtimes of grid-paralleling100806040200-20-40-60-80-100发电机有功功率/MW05时间/s1234第1次并网第2次并网第3次并网第4次并网表 1并网试验关键录波数据Tab.1Key recording data of grid-paralleling test试验次数1234相角差/deg-1.6-1.1-2.4-8.3压差/V6.422.542.078.0频差/Hz0.0830.0650.0910.256有功波动峰峰值MW46.542.647.4146.2无功波动峰峰值/Mvar6.76.18.121.3图 8并网后发电机的逆功率波形Fig.8Reverse active power waveforms of generator aftergrid-paralleling403020100-10-20-30-40发电机有功功率/MW0.951.10时间/s1.001.02角差-1.6角差-1.1角差-2.4角差-8.3图 9有功波动峰峰值的实测与理论计算对比Fig.9Comparison between measured and calculatedactive power fluctuation peak-to-peak values16014012010080604020机组有功振荡峰峰值/MW00.30并网频差/Hz0.100.20试验实测数据计算数据0.150.250.05电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报30第 4 期（2）根据式（10）计算的并网频差导致的功率振荡峰峰值，与试验实测数据非常接近（约占实测结果的90%），表明并网电压差和相角差导致的功率振荡总和占比较小。综合上述分析，并网瞬间的频差是导致历次并网后机组有功功率波动的主要原因。在实际应用中，可以通过机组的小频差并网试验获取频差-功率振荡系数K，用于评估大偏差并网的功率振荡情况。4频差并网后暂态过程的 PSCAD 验证在PSCAD中建立仿真模型，模拟实际中该电厂机组并网的情况，如图10所示。发电机的额定容量为200 MW，机端电压为13.8 kV，经过升压变和断路器之后接入等值系统。发电机使用并联PID自并励励磁系统，电液型调速器，以及考虑单引水管刚性水击的水轮机模型。发电机及其调节器的模型和参数与现场水电机组一致。等值系统的电压幅值为220 kV，相角为0，频率为50 Hz，经短路计算后确定等值系统的正序阻抗幅值为0.155，正序阻抗相角为87.62。具体PSCAD中的发电机及同期装置的仿真模型如图10所示。设置发电机并网前的电压幅值与系统相同，电压相角为-8.3，频率为50.2 Hz。仿真开始时，发电机空载运行，在10 s时，断路器合闸并网，并网后发电机的有功功率与频率分别如图11和图12所示。图11表明，断路器合闸瞬间，由于发电机电压滞后于系统电压，即0，并网瞬间发电机从系统中吸收有功功率。随后由于发电机的频率大于电网频率（图12），机端电压角度逐渐超前系统电压，角差过渡到大于0，发电机变为发出有功功率的状态，发电机转子开始减速，直到滑差降为0。此时，角差最大，同时有功振幅达到最大值。随后在阻尼作用下，有功振荡逐渐衰减，发电机频率到达50 Hz，与系统频率同步。仿真中，发电机有功振荡的最大值为88.7 MW，最小值为-43.2 MW，与现场实测的-61.085.2 MW较为接近，仿真模型能够较为准确的复现该水电机组实际并网的功率振荡情况，振荡的暂态过程符合理论分析。5结论针对浙江省内某水电机组并网后的有功功率振荡事件，本文对振荡的特性和原因、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。主要结论如下：（1）并网后有功波动的峰峰值和并网频差存在较为显著的比例特征，而并网瞬间的逆功率大小与发电机电压相角滞后电网的程度呈正相关。（2）并网后的有功功率振荡大小主要取决于并网瞬间发电机与电网的频差，而相角差和压差的影响较微弱。（3）存在频差并网后，发电机将经过一个剧烈的暂态过程，最终在机组阻尼的作用下逐渐进入同步状态。参考文献：1薛安成，王嘉伟，刘晓博，等（Xue Ancheng，Wang Jiawei，Liu Xiaobo，et al）.电力系统超低频频率振荡机理分析与抑制研究现状与展望（Survey and prospect of ul图 10发电机及同期系统的仿真模型Fig.10Simulation model of generator andsynchronization system发电机模型发电机模型变压器同期检测合闸信号系统等值机U?tU?sU?t图 11发电机并网后有功功率仿真波形Fig.11Simulation curve of active power of generatorafter grid-paralleling100806040200-20-40-60发电机有功功率/MW05时间/s1234图 12发电机并网后频率仿真波形Fig.12Simulation curve of frequency of generator aftergrid-paralleling50.350.250.150.049.949.8发电机有功功率/Hz05时间/s1234熊鸿韬等：水电机组并网功率振荡分析和暂态过程验证31第 35 卷tra-low frequency oscillation mechanism analysis and suppression in power system）J.中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2021，41（2）：553-567.2薛安成，王嘉伟（Xue Ancheng，Wang Jiawei）.基于非光滑分岔的单机水电系统超低频频率振荡机理分析（Mechanism analysis of ultra-low frequency oscillation ofsingle hydropower system based on non-smooth bifurcation）J.电工技术学报（Transactions of China Electrotechnical Society），2020，35（7）：1489-1497.3张虹，勇天泽，王迎丽，等（Zhang Hong，Yong Tianze，Wang Yingli，et al）.含高渗透率水电机组的电力系统振荡参数辨识（Oscillation parameter identification forpower system with high penetration hydropower units）J.电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2020，32（7）：18-24.4杨沫（Yang Mo）.1000MW水轮发电机准同期并网研究（Study on Quasi-Synchronization Parallel in 1000MW Hydro-Generator）D.哈尔滨：哈尔滨理工大学（Harbin：Harbin University of Science and Technology），2011.5陈敏.水轮发电机组同期并网冲击电流分析 C/.江西省电机工程学会年会.南昌，中国，2018：206-209.6杨冠城，解大.电力系统自动装置原理 M.北京：中国电力出版社，2007.7Yasuyuki Shirai，Akihiro Mochida，Masahiro Shiotsu，etal.Current limiting characteristics of superconductingfault current limite with parallel and series connection inexperimental power systemJ.IEEE Trans on Applied Superconductivity，2004，14（2）：871-874.8赵博，张飞，刘仁（Zhao Bo，Zhang Fei，Liu Ren）.导前时间对抽水蓄能机组同期并网的影响（Impact analysis ofleading time on the synchronizing parallel of pumped-storage unit）J.电测与仪表（Electrical Measurement&Instrumentation），2019，56（14）：83-88.9唐军（Tang Jun）.600 MW汽轮发电机并网时冲击电流大的分析及处理（Analysis and treatment of shock current during network paralleling of 600 MW turbo generator）J.湖 南 电 力（Hunan Electric Power），2017，37（S2）：25-29.10 赵金石（Zhao Jinshi）.高压发电机并网问题的研究（Study on Parallel in Operator of High Voltage Generator）D.哈尔滨：哈尔滨理工大学（Harbin：Harbin University of Science and Technology），2009.11 袁和明（Yuan Heming）.一起非同期并列造成发电机损坏事故的原因分析（Cause analysis of a generator damage accident due to generator asynchronous juxtaposition）J.冶金设备（Metallurgical Equipment），2010（S）：86-90.12 杨东俊，丁坚勇，李继升，等（Yang Dongjun，Ding Jianyong，Li Jisheng，et al）.同步发电机非同期并网引起强迫功率振荡分析（Analysis of power system forced oscillation caused by asynchronous parallelizing of synchronous generators）J.电力系统自动化（Automation ofElectric Power Systems），2011，35（10）：99-103.13 GB T 70642017，隐极同步发电机技术要求S.14 刘广健，卢继平（Liu Guangjian，Lu Jiping）.基于功角特性曲线的发电机运行状况实时分析（Real-time analysisof generator operation state based on power-angle curve）J.电网技术（Power System Technology），2006，30（S1）：41-45.15 常鲜戎，赵书强.电力系统暂态过程 M.北京：机械工业出版社，2010.作者简介：熊鸿韬（1984），男，硕士，高级工程师，研究方向为发电机励磁控制和电力系统网源协调工作。Email：林进钿（1994），男，通信作者，硕士，助理工程师，研究方向为发电机励磁控制和电力系统网源协调工作。Email：lin_楼伯良（1965），男，本科，高级工程师，研究方向为电力系统稳定分析。Email：