國(guó)華錦界電廠串補(bǔ)輸電次同步諧振解決方案的研究

顧 強(qiáng) 林驚濤

（陜西國(guó)華錦界能源有限責(zé)任公司，陜西 神木 719319）

近幾年來(lái)，隨著遠(yuǎn)距離大容量輸電的需求上升，特別是新開(kāi)發(fā)的大型煤電基地由于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，大量采用遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)網(wǎng)輸電模式，使得固定串補(bǔ)（FSC）的應(yīng)用發(fā)展很快，串補(bǔ)度提高，使得次同步諧振（SSR）問(wèn)題成為我國(guó)電網(wǎng)安全運(yùn)行面臨的一個(gè)新的現(xiàn)實(shí)難題[1]。國(guó)華錦界電廠就是一個(gè)典型，該廠單機(jī)容量大（600MW）、電廠裝機(jī)多（二期規(guī)劃為4臺(tái)），經(jīng)過(guò)400多公里的500kV線路加FSC接入京津唐電網(wǎng)；為保證電力送出和系統(tǒng)穩(wěn)定的需要，規(guī)劃在錦界－忻州輸電線上和忻州—石北輸電線上分別采用35%的固定串補(bǔ)。前期大量的分析與評(píng)估表明，錦界電廠串補(bǔ)輸電系統(tǒng)在一定條件下存在SSR發(fā)散的風(fēng)險(xiǎn)，必須采取抑制和保護(hù)措施來(lái)解決SSR問(wèn)題，以保證電網(wǎng)穩(wěn)定性和機(jī)組安全。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，針對(duì)SSR問(wèn)題提出的解決方法和設(shè)備已有20多種，在實(shí)際系統(tǒng)嘗試過(guò)的也不下10種。這些方法和設(shè)備或改造機(jī)組軸系的機(jī)械參數(shù)，或調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行方式，或增加大型的阻尼電路（如阻塞濾波器），或在既有控制設(shè)備上附加新的控制環(huán)節(jié)（如SEDC），甚至采用新型的電力電子控制裝置（如SVC[1-2]、TCSC），其成本、效果、實(shí)施難度和維護(hù)便利性差別很大。目前，在歐美國(guó)家，由于其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)，SSR問(wèn)題逐漸淡出視野，相應(yīng)的實(shí)用研究開(kāi)展較少；而我國(guó)才開(kāi)始真實(shí)面對(duì)這一難題，可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少。因此，針對(duì)我國(guó)的實(shí)際情況和特點(diǎn)，研究技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上高效的自主解決方案，具有極其重要的意義。

本文針對(duì)國(guó)華錦界電廠串補(bǔ)輸電系統(tǒng)（二期）的次同步諧振問(wèn)題，在深入分析其SSR風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了SVC解決SSR的有效性，研究結(jié)果對(duì)于解決國(guó)內(nèi)其他大型火電基地點(diǎn)對(duì)網(wǎng)串補(bǔ)輸電系統(tǒng)的SSR問(wèn)題具有參考價(jià)值。

1 錦界電廠串補(bǔ)輸電系統(tǒng)

錦界電廠送出工程（二期）的等值單線系統(tǒng)如圖1所示的，對(duì)應(yīng)錦界電廠二期工程和府谷電廠一期工程完成后的情況。錦界電廠二期工程4×600MW機(jī)組。府谷電廠一期工程2×600MW。輸電線路包括錦界-忻州線（簡(jiǎn)稱錦忻線，246km）、忻州-石北線（簡(jiǎn)稱忻石線，192km）和府谷-忻州線（簡(jiǎn)稱府忻線，192km），固定串補(bǔ)安裝在忻州開(kāi)閉站內(nèi)的錦忻線進(jìn)線上和府忻線出線上，串補(bǔ)度規(guī)劃均為35%。

錦界電廠四臺(tái)機(jī)組為參數(shù)相同的國(guó)產(chǎn)亞臨界空冷式汽輪機(jī)組，集中參數(shù)軸系模型包括高中壓缸、低壓缸A、低壓缸B和發(fā)電機(jī)四個(gè)質(zhì)塊。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試了機(jī)組在各種工況下的機(jī)械阻尼參數(shù)。分析表明，軸系與電氣系統(tǒng)存在耦合的三個(gè)次同步扭振模態(tài)分別約為13.02Hz（模態(tài)1）、22.77Hz（模態(tài)2）和28.16Hz（模態(tài)3），其中模態(tài)3的阻尼最弱。

圖1 錦界電廠串補(bǔ)輸電系統(tǒng)（二期）

2 SSR評(píng)估

固定串補(bǔ)引起的SSR問(wèn)題通常包括異步發(fā)電機(jī)效應(yīng)、機(jī)電扭振互作用和暫態(tài)扭矩放大作用等三種主要形式；其中機(jī)電扭振互作用是錦界電廠輸電系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題[1-2]，也是研究的重點(diǎn)。

固定串補(bǔ)導(dǎo)致機(jī)電扭振互作用型SSR的基本機(jī)理是：當(dāng)串聯(lián)電容與系統(tǒng)等值電感產(chǎn)生的電諧振頻率與軸系自然扭振模態(tài)的補(bǔ)頻率接近時(shí)，會(huì)大大其軸系扭振模態(tài)的阻尼，從而在電網(wǎng)受到擾動(dòng)時(shí)導(dǎo)致電機(jī)軸系與電網(wǎng)絡(luò)間的相互作用而引起軸系扭振的不穩(wěn)定，造成軸系損傷甚至破壞。

對(duì)軸系扭振模態(tài)的阻尼分析是評(píng)估SSR風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵，分別采用特征值分析法和時(shí)域仿真法研究了錦界電廠串補(bǔ)輸電系統(tǒng)（二期）在各種運(yùn)行方式下的SSR模態(tài)阻尼特性，全面評(píng)估了SSR的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。特征值分析結(jié)果表明：

1）模態(tài)1在所有運(yùn)行方式下是穩(wěn)定的。

2）模態(tài)2在正常運(yùn)行方式下基本上是穩(wěn)定的，但在一些機(jī)組出力較小且部分線路停運(yùn)的方式下不穩(wěn)定。

3）模態(tài)3是在大多數(shù)運(yùn)行方式下不穩(wěn)定，是最危險(xiǎn)的次同步模態(tài)。

4）當(dāng)機(jī)組出力較小且部分線路停運(yùn)的情況下，模態(tài)2和模態(tài)3都不穩(wěn)定，存在多模態(tài)SSR風(fēng)險(xiǎn)。

5）基于PSCAD/EMTDC電磁仿真軟件的故障仿真分析顯示：在錦忻線和忻石線上發(fā)生單相短路故障及更嚴(yán)重的擾動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)SSR發(fā)散的可能性。

3 SVC SSDC解決方案分析

針對(duì)錦界電廠的SSR風(fēng)險(xiǎn)，電廠和主管部門考慮到設(shè)備安裝場(chǎng)地等實(shí)際因素限制，建議研究SVC次同步阻尼控制（SSDC）解決SSR問(wèn)題的可行性，本文工作對(duì)該方案進(jìn)行較全面的分析計(jì)算，驗(yàn)證其技術(shù)效果，為工程實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

3.1 SVC次同步阻尼控制的技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外從上世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)采用SVC緩解SSR的問(wèn)題進(jìn)行過(guò)一些研究[1-2]，對(duì)以往關(guān)于SVC抑制SSR問(wèn)題的研究總結(jié)如下：

1）統(tǒng)模型大部分是單機(jī)-無(wú)窮大模型[1-2]，即使采用多機(jī)系統(tǒng)研究也是簡(jiǎn)化為單機(jī)系統(tǒng)模型[8]，然而如今的大型電廠，通常包含多臺(tái)機(jī)組，若仍采用單機(jī)系統(tǒng)，則模型過(guò)于簡(jiǎn)單，難以滿足工程分析需要，特別是多機(jī)SSR現(xiàn)象無(wú)法研究。

2）SVC控制器結(jié)構(gòu)多為PI控制[1-2]或PID控制[5,6,7,10]，若僅采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)作為控制信號(hào)，則可抑制一種模態(tài)，多模態(tài)SSR問(wèn)題解決不好[3]。

3）國(guó)外的大部分研究都是針對(duì)IEEE第一標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)模型[1-2]，并沒(méi)有考慮實(shí)際工程問(wèn)題，與工程實(shí)際有一定應(yīng)用距離。

目前國(guó)內(nèi)提出的抑制SSR的具體研究方法并不多[12-16]，而用SVC抑制SSR問(wèn)題國(guó)內(nèi)尚無(wú)工程實(shí)例。因此，針對(duì)錦界電廠的實(shí)際情況，采用多機(jī)系統(tǒng)模型研究用可靠有效的SVC方案治理錦界電廠二期工程多模態(tài)SSR問(wèn)題具有重要的意義。

3.2 SVC SSDC的工作原理和特點(diǎn)

SVC次同步阻尼控制器（SSDC）結(jié)構(gòu)如圖2所示。在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，僅考慮SVC的SSDC功能，它是SVC的主控制回路，控制反饋信號(hào)采用電廠在線機(jī)組汽輪機(jī)高壓缸轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)的平均值，通過(guò)精細(xì)的帶通濾波得到各SSR模態(tài)的振蕩分量，再經(jīng)過(guò)比例和移相環(huán)節(jié)得到各個(gè)模態(tài)的控制信號(hào)，相加后形成總的SVC控制輸出，經(jīng)限幅后得到所需的SVC裝置目標(biāo)電納值，再計(jì)算出TCR電納值，并進(jìn)而利用TCR電納與延遲觸發(fā)角的非線性關(guān)系得到晶閘管的控制角。

調(diào)制TCR/SVC的電納，使其按次同步頻率波動(dòng)，在機(jī)組內(nèi)部形成次同步頻率的電磁轉(zhuǎn)矩，只要SVC SSDC的比例和移相環(huán)節(jié)參數(shù)適當(dāng)，該轉(zhuǎn)矩就能對(duì)次同步扭振起到阻尼作用，達(dá)到抑制多模態(tài)SSR的目標(biāo)。

圖2 SVC SSDC工作原理

3.3 SVC容量選擇

SVC的容量對(duì)控制效果和模態(tài)增益的選擇有較大的影響。分析表明，SVC容量越大，模態(tài)增益就可相應(yīng)增大，在正常運(yùn)行和大擾動(dòng)情況下就能得到更好的阻尼效果，也有利于降低擾動(dòng)引起的軸系疲勞損耗；但增大SVC容量，相應(yīng)地會(huì)提高設(shè)備投資。本研究中，根據(jù)大量的分析計(jì)算，并考慮到SVC運(yùn)行時(shí)N-1的需要，工程中采用了4組SVC裝置，每組SVC包括80Mvar的TCR和匹配容量的3/5次濾波器。

另外，為了保護(hù)機(jī)組，在每臺(tái)機(jī)組上還配備了2套互為備用的扭應(yīng)力繼電器（TSR）。TSR是一種SSR保護(hù)裝置，在檢測(cè)到危險(xiǎn)SSR時(shí)，啟動(dòng)切機(jī)操作，保護(hù)機(jī)組安全。它的基本原理是：對(duì)軸速信號(hào)進(jìn)行高速采樣和帶通濾波處理，得到與SSR模態(tài)的振動(dòng)值成比例的電信號(hào)（即“SSR模態(tài)速度”），然后應(yīng)用反時(shí)限疲勞、靜態(tài)不穩(wěn)定等保護(hù)邏輯對(duì)機(jī)組進(jìn)行跳閘操作。

進(jìn)一步采用小擾動(dòng)模型的特征值分析和故障情況下的詳細(xì)時(shí)域仿真對(duì)這一方案的效果進(jìn)行了分析計(jì)算。

3.4 特征值分析

對(duì)錦界電廠各種運(yùn)行方式進(jìn)行小范圍線性化，得到對(duì)應(yīng)的狀態(tài)空間模型，做特征值分析，得到SSR模態(tài)阻尼隨運(yùn)行參數(shù)和SVC投/退的變化特性，進(jìn)而評(píng)估各種運(yùn)行方式下發(fā)生SSR的風(fēng)險(xiǎn)及SVC的控制效果。

1）SVC抑制多模態(tài)SSR效果

表1列出了錦界電廠二期工程四機(jī)運(yùn)行方式下有/無(wú)SVC的模態(tài)阻尼分析結(jié)果。其中模態(tài)阻尼采用模態(tài)特征值實(shí)部來(lái)表示。從分析結(jié)果可以看出，SVC SSDC能提高3個(gè)次同步扭振模態(tài)的阻尼，特別對(duì)于不穩(wěn)定的模態(tài)2和模態(tài)3，都能有效抑制，使得錦界電廠二期串補(bǔ)輸電系統(tǒng)在所有運(yùn)行方式下具備小擾動(dòng)SSR穩(wěn)定性。

圖3所示為二期工程四機(jī)二線方式下三個(gè)SSR模態(tài)在有/無(wú)SVC情況下隨錦界電廠機(jī)組負(fù)載率變化的曲線。從該曲線可以看出，SVC SSDC的控制效果受發(fā)電機(jī)的負(fù)載變化影響不大，在不同負(fù)載率下均有較高的阻尼。

圖3 SSR模態(tài)阻尼特性

2）SVC抑制多機(jī)多模態(tài)SSR分析

為了深入分析SVC SSDC控制對(duì)多機(jī)系統(tǒng)扭振模態(tài)阻尼的作用，表3和表4分別給出了在錦界二期4機(jī)2+3線機(jī)組40%平衡出力和不平衡出力（100%+70%+40%+10%）兩種運(yùn)行方式下,在無(wú)抑制措施和采用SVC SSDC情況下，次同步扭振對(duì)應(yīng)的特征值變化情況。

表3 4機(jī)2+3線機(jī)組相同出力情況下特征值計(jì)算結(jié)果

表4 4機(jī)2+3線機(jī)組不同出力情況下特征值計(jì)算結(jié)果

在機(jī)組平衡處理情況下，相同頻率的扭振模態(tài)共有4組特征值，其中3組為幾乎相同的機(jī)組間振蕩模態(tài)，另外一個(gè)為機(jī)網(wǎng)間的振蕩模態(tài)。在沒(méi)有任何抑制措施時(shí)，機(jī)網(wǎng)模態(tài)的阻尼最弱（其中模態(tài)3是不穩(wěn)定的），受電氣諧振影響最明顯；而機(jī)組間的振蕩模態(tài)是穩(wěn)定的，具有較高的阻尼。

在機(jī)組出力不平衡情況下，同頻率的機(jī)組間模態(tài)的阻尼不完全相同，有一些差異，但仍然是穩(wěn)定的，具有較高的阻尼。

由于SVC安裝在高壓公共母線上，SVC SSDC控制的反饋信號(hào)只采用了并網(wǎng)機(jī)組的高壓缸的平均值，該反饋信號(hào)（轉(zhuǎn)速平均值）主要包括機(jī)網(wǎng)間扭振，而較少包括機(jī)組間扭振信息，從而SVC SSDC能很好地抑制機(jī)網(wǎng)間扭振，而對(duì)機(jī)組間扭振調(diào)節(jié)作用很小，但考慮到機(jī)組間振蕩模態(tài)總是穩(wěn)定的，這種SVC配置和控制方法是有效的。

3.5 時(shí)域仿真

采用PSCAD/EMTDC電磁仿真軟件詳細(xì)分析了各種運(yùn)行方式下發(fā)生短路故障時(shí)的SSR風(fēng)險(xiǎn)及解決方案的效果。圖4所示為二期工程四機(jī)二線、機(jī)組出力均為40%額定功率工況下發(fā)生單相永久故障（1s短路，1.1s故障相切除，2.1s重合失敗，2.15s跳三相）時(shí)，有/無(wú)SVC情況下機(jī)組高壓缸平均轉(zhuǎn)速差曲線。

圖4 故障情況下的高壓缸平均轉(zhuǎn)速差曲線

圖5 故障情況下的曲線

圖5所示為在發(fā)生圖4的故障情況下，采用SVC SSDC抑制SSR時(shí)的錦界電廠單臺(tái)機(jī)組有功輸出曲線和SVC的無(wú)功輸出曲線。

通過(guò)各種故障下的仿真分析表明：SVC SSDC能解決各種工況下故障導(dǎo)致的SSR問(wèn)題，并有良好的控制效果和適應(yīng)性。

4 結(jié)論

對(duì)于國(guó)華錦界電廠二期串補(bǔ)輸電工程，采用特征值分析和時(shí)域仿真法研究了采用SVC方案抑制SSR的有效性，重點(diǎn)介紹了控制方案的基本原理、SVC容量配置、方案效果的仿真分析；研究結(jié)果表明，該方案能大幅提高各個(gè)SSR模態(tài)的阻尼，有效抑制各種擾動(dòng)引起的SSR問(wèn)題，特別對(duì)阻尼較弱的機(jī)網(wǎng)模態(tài)3有很好的效果，保證機(jī)組的安全運(yùn)行，是一種抑制多模態(tài)SSR的有效方案。

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