500 k V 交流串補(bǔ)送出系統(tǒng)次同步諧振風(fēng)險(xiǎn)分析

王建軍

(陜西德源府谷能源有限公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

交流串補(bǔ)輸電系統(tǒng)可能導(dǎo)致次同步諧振問題,會(huì)危及火電機(jī)組的安全運(yùn)行;嚴(yán)重時(shí),可導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備損壞,影響著送端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,一旦送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定出現(xiàn)問題,必然影響到負(fù)荷中心的安全生產(chǎn)。要從根本上解決火電機(jī)組經(jīng)交流串補(bǔ)送出系統(tǒng)的次同步諧振問題,需要對(duì)次同步諧振問題的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的評(píng)估。

陜北能源基地在擴(kuò)建后有10臺(tái)機(jī)組9條串補(bǔ)線路,是國內(nèi)迄今為止最為復(fù)雜的交流串補(bǔ)送出系統(tǒng),送端火電廠的次同步諧振問題,受電網(wǎng)的運(yùn)行方式以及機(jī)組的并網(wǎng)、出力等條件影響,運(yùn)行條件組合方式很多,問題比較復(fù)雜。如何準(zhǔn)確評(píng)估該系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度從而為進(jìn)一步支撐府谷電廠機(jī)組安全穩(wěn)定送出提供策略支撐,是迫切需要解決的問題。

對(duì)于次同步諧振評(píng)估問題,需要從兩方面進(jìn)行考慮評(píng)估。

(1)小擾動(dòng)情況下機(jī)組并網(wǎng)的次同步穩(wěn)定性,即機(jī)組在各種運(yùn)行方式下是否存在因次同步諧振問題造成失穩(wěn)現(xiàn)象。機(jī)組在次同步諧振失穩(wěn)情況下,軸系扭振逐步放大,如果沒有控制措施,會(huì)導(dǎo)致軸系損壞[1-2]。

(2)機(jī)組在大擾動(dòng)情況下的軸系疲勞損耗問題,在一些運(yùn)行方式下,機(jī)組軸系扭振是收斂穩(wěn)定的,但是有可能在系統(tǒng)大擾動(dòng)情況下軸系的疲勞損失過大,導(dǎo)致機(jī)組軸系設(shè)計(jì)壽命大大減少,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

以下從上述兩方面研究府谷電廠送出系統(tǒng)的次同步諧振嚴(yán)重程度,首先以頻率掃描和時(shí)域仿真方法分析存在次同步諧振問題的方式(故障以單瞬故障為主);其次在線路的首末端以及串補(bǔ)的兩側(cè)通過大擾動(dòng)時(shí)域仿真校核機(jī)組在這些方式下的疲勞損耗情況(故障以三相接地故障為主);最后結(jié)合上述仿真結(jié)果提出一些建議。

1 次同步穩(wěn)定性分析

1.1 頻率掃描方法

頻率掃描的方法即通過計(jì)算系統(tǒng)阻抗頻率特性來初步判斷機(jī)組是否存在次同步諧振的可能性。系統(tǒng)阻抗頻率特性:即從1臺(tái)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)向系統(tǒng)看入的等值阻抗隨頻率變化特性。

計(jì)算方法如圖1所示,圖中Ra為定子電阻,Xg為發(fā)電機(jī)的等值電抗,發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接入單位電流源,系統(tǒng)等值電阻即為電流源兩端電壓的實(shí)部,系統(tǒng)等值電抗即為電流源兩端電壓的虛部。

圖1 系統(tǒng)阻抗頻率特性計(jì)算模型

掃描法系統(tǒng)建模詳細(xì)程度的要求低于時(shí)域仿真法,一般采用電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)便可進(jìn)行仿真計(jì)算,是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法,適用于較大規(guī)模系統(tǒng)的仿真分析。由于該方法僅能判斷系統(tǒng)發(fā)生次同步諧振的可能性,而不能分析諧振的嚴(yán)重程度,因此常用掃頻法對(duì)系統(tǒng)的各種運(yùn)行方式進(jìn)行初步分析。

基于以往的研究經(jīng)驗(yàn),當(dāng)電抗跌落幅度較大時(shí),系統(tǒng)中可能存在次同步諧振問題。關(guān)于電抗跌折率的定義:

若跌落點(diǎn)頻率與機(jī)組軸系固有模態(tài)互補(bǔ)偏差在±3 Hz以內(nèi)且電抗跌折率達(dá)到5%,則存在SSR 風(fēng)險(xiǎn),若電抗跌折率超過15%,則次同步諧振風(fēng)險(xiǎn)可能較大。

1.2 時(shí)域仿真方法

時(shí)域仿真通過數(shù)值積分求解整個(gè)系統(tǒng)的微分方程組,其中各系統(tǒng)元件的數(shù)學(xué)模型可以是線性的,也可以是非線性的。時(shí)域仿真是目前最精準(zhǔn)、全面的一種電力系統(tǒng)分析方法,既能夠詳細(xì)考慮發(fā)電機(jī)及其軸系、電力電子電路及其控制系統(tǒng)以及其他各種電力系統(tǒng)元件的電磁模型,又能夠精確模擬各種類型的故障和斷路器的動(dòng)作,并可考慮各種非線性設(shè)備的暫態(tài)過程。由于時(shí)域仿真能夠計(jì)及各種非線性因素的影響,因此既可用于小擾動(dòng)下次同步諧振/振蕩的研究,也可用于故障等大擾動(dòng)引發(fā)的扭矩和疲勞累積問題研究。但是,該方法無法直接提供SSR/SSO 的機(jī)理和特性分析結(jié)果,需要其他軟件來輔助分析;此外,他是一種case-by-case的模擬方法,考慮到系統(tǒng)復(fù)雜多變的運(yùn)行方式和影響因素,計(jì)算量將非常大。本文對(duì)頻率掃描篩選出來的風(fēng)險(xiǎn)比較高的工況采用時(shí)域仿真的分析方法進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估[3]。

2 府谷電廠次同步穩(wěn)定性分析

府谷電廠一期2臺(tái)600 MW 機(jī)組通過一回500 k V線路送至忻都開關(guān)站,并通過三回500 k V 串補(bǔ)線路送至石北變電站。府谷電廠的送出系統(tǒng)如圖2所示,包含10臺(tái)機(jī)組9條串補(bǔ)線路,進(jìn)行次同步諧振的穩(wěn)定性分析一般需要對(duì)典型的運(yùn)行方式下的系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,主要包括不同機(jī)組出力方式下線路全接線、線路N-1以及檢修情況下的N-1進(jìn)行重點(diǎn)分析,所有的方式組合有幾十萬種。為了提高分析計(jì)算的效率,在分析的時(shí)候主要采用頻率掃描方法和時(shí)域仿真方法結(jié)合的思路進(jìn)行研究。府谷電廠機(jī)組采用多質(zhì)塊集中質(zhì)量模型參數(shù),機(jī)組的軸系固有頻率和集中質(zhì)量模型參數(shù)見表1-3,府谷電廠機(jī)組的電氣參數(shù)見表4和表5。

表1 機(jī)組模態(tài)頻率

表4 一期機(jī)組發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)

表5 二期機(jī)組發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)

圖2 府谷電廠送出系統(tǒng)接線

表2 一期機(jī)組的集中質(zhì)量模型

表3 二期機(jī)組的集中質(zhì)量模型

2.1 頻率掃描分析

針對(duì)府谷電廠500 k V 送出系統(tǒng),考慮該系統(tǒng)以及近區(qū)錦界電廠的不同系統(tǒng)運(yùn)行方式。對(duì)可能出現(xiàn)的典型運(yùn)行方式進(jìn)行分析計(jì)算,考慮了不同開機(jī)、不同線路運(yùn)行方式和串補(bǔ)投入方式的影響,并去除府谷-忻都-石北串補(bǔ)全退等工況,共計(jì)對(duì)86 932種方式進(jìn)行了分析。主要包括:府谷電廠一期、二期開機(jī)臺(tái)數(shù);府谷-忻都I線及串補(bǔ)、II線及串補(bǔ);忻都-石北I-III線及串補(bǔ)、IV 線及串補(bǔ);錦界電廠開機(jī)臺(tái)數(shù);錦界-忻都I、II線及串補(bǔ)、III線及串補(bǔ)。

以系統(tǒng)全接線方式為例,錦界6機(jī)全開,考慮府谷電廠不同開機(jī)臺(tái)數(shù),送出系統(tǒng)阻抗頻率特性如表6所示。

表6 系統(tǒng)阻抗頻率特性(全接線,錦界6機(jī)全開)

全接線方式下阻抗頻率掃描情況如圖3 所示。在所有分析的運(yùn)行方式中,串聯(lián)諧振頻率分布在4.3~20.4 Hz,電抗跌落超過10%的最低點(diǎn)頻率分布在4.3~26.9 Hz。上述諧振頻率范圍與府谷電廠一期機(jī)組軸系模態(tài)2(26.08 Hz)、模態(tài)3(30.28 Hz),以及二期機(jī)組軸系模態(tài)2(24.20 Hz)、模態(tài)3(42.63 Hz)存在互補(bǔ)關(guān)系,可能會(huì)引發(fā)次同步諧振。針對(duì)從中選擇的頻率特性耦合度較高的3 376 種運(yùn)行方式進(jìn)行詳細(xì)的時(shí)域仿真研究。

圖3 全接線方式下阻抗頻率掃描情況

2.2 時(shí)域仿真分析

在上述系統(tǒng)阻抗頻率特性掃描分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用時(shí)域仿真法,對(duì)府谷電廠送出系統(tǒng)的次同步諧振風(fēng)險(xiǎn)開展進(jìn)一步的研究。分別考慮以下方式:

(1)府谷電廠開機(jī)臺(tái)數(shù)及出力;

(2)府谷-忻都I線及串補(bǔ)、II線及串補(bǔ);

(3)忻都-石北I-III線及串補(bǔ)、IV線及串補(bǔ)。

錦界電廠存在4機(jī)并網(wǎng)及6機(jī)并網(wǎng)2種情況;錦界-忻都I-III回線按全投且?guī)Тa(bǔ)運(yùn)行方式。對(duì)于府谷電廠一期及二期機(jī)組,分別考慮2種較為嚴(yán)苛的方式:單機(jī)空載并網(wǎng)及雙機(jī)1滿1空并網(wǎng)。

模擬石北站500 k V 母線發(fā)生單相瞬時(shí)接地故障擾動(dòng),通過觀察發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與同步速的偏差,以及分解到固有模態(tài)的發(fā)散、收斂情況,從而直觀的了解到機(jī)組是否會(huì)發(fā)生次同步諧振。

以全接線方式和線路N-1、N-2 方式為例,時(shí)域仿真可以觀察到擾動(dòng)的整個(gè)過程。機(jī)組并網(wǎng)擾動(dòng)后扭振時(shí)域仿真波形如圖4-6所示。

圖4 全接線方式4臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)擾動(dòng)后扭振時(shí)域仿真波形

根據(jù)PSCAD時(shí)域仿真結(jié)果,在各種典型系統(tǒng)運(yùn)行方式下,部分工況府谷電廠機(jī)組在發(fā)生系統(tǒng)故障擾動(dòng)后軸系扭振發(fā)散或不收斂,存在次同步諧振風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)頻率掃描和時(shí)域仿真結(jié)合的穩(wěn)定性分析可以看出,府谷電廠送出系統(tǒng)存在系統(tǒng)失穩(wěn)的運(yùn)行工況,需要采取相應(yīng)的抑制措施來解決此問題。

圖5 N-1方式下4臺(tái)機(jī)組擾動(dòng)后典型扭振時(shí)域仿真波形

圖6 N-2方式下4臺(tái)機(jī)組擾動(dòng)后典型扭振時(shí)域仿真波形

3 府谷電廠機(jī)組軸系疲勞損耗分析

在大干擾(故障)時(shí),網(wǎng)絡(luò)故障后高幅值自由振蕩分量頻率與機(jī)組軸系模態(tài)頻率接近互補(bǔ)時(shí),可造成機(jī)組高幅值扭矩,該扭矩是否衰減(機(jī)電扭振互作用)和衰減收斂速度直接影響軸系疲勞壽命。故障開始短暫時(shí)間內(nèi),并聯(lián)型抑制裝置不起抑制作用,在檢測(cè)到扭振信息后發(fā)揮阻尼控制作用,裝置容量大小直接決定了機(jī)組軸系模態(tài)衰減快慢,若裝置容量較小,阻尼作用不夠強(qiáng),導(dǎo)致軸系扭振衰減較慢,也會(huì)造成較大軸系疲勞壽命累積[4-5]。

考慮到對(duì)于系統(tǒng)某種運(yùn)行方式下次同步諧振的穩(wěn)定性(發(fā)散或者收斂)主要和系統(tǒng)受擾動(dòng)后的運(yùn)行條件有關(guān)系,而與擾動(dòng)的大小沒有關(guān)系,因此在擾動(dòng)的選擇上采用單相瞬時(shí)故障進(jìn)行校核。在評(píng)估機(jī)組軸系疲勞損傷問題時(shí),在相同故障點(diǎn),三相故障引起的沖擊最大,所以以三相故障作為考核條件,重點(diǎn)關(guān)注一次擾動(dòng)過程中的疲勞損傷問題。對(duì)于發(fā)散過程的疲勞損傷情況以故障后7 s的疲勞數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象。

以府谷電廠一期機(jī)組為例,一期機(jī)組為2臺(tái)600 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組,機(jī)組軸承布置情況如圖7所示。在各軸承所在的軸頸位置,直徑尺寸較小,承受比較大的應(yīng)力,為軸系薄弱環(huán)節(jié)。

圖7 府谷一期軸承位置示意

而對(duì)軸系薄弱環(huán)節(jié)損耗評(píng)估的依據(jù)是各個(gè)位置的疲勞壽命曲線(S-N曲線)[6],疲勞壽命曲線表明了待評(píng)估位置扭矩(或者扭轉(zhuǎn)功率)和扭轉(zhuǎn)周期次數(shù)的關(guān)系,類似于一條“反時(shí)限”曲線,疲勞壽命曲線見圖8。

圖8 疲勞壽命曲線示意

軸系疲勞壽命評(píng)估的思路是基于仿真的大擾動(dòng)數(shù)據(jù)和不同位置的S-N曲線,計(jì)算一次大擾動(dòng)過程中機(jī)組軸系的疲勞損耗情況,看相關(guān)的疲勞損耗數(shù)據(jù)是否能夠達(dá)標(biāo),如果不達(dá)標(biāo),則需要在抑制措施的設(shè)計(jì)上加入考慮[78]。在本文研究過程中,挑選了次同步諧振風(fēng)險(xiǎn)較為嚴(yán)重的幾種工況進(jìn)行重點(diǎn)分析,選擇的工況如表7所示。對(duì)于發(fā)散的工況計(jì)算全過程的疲勞損耗沒有意義,因此在本文中關(guān)注擾動(dòng)后7 s的疲勞情況來反映疲勞累積的程度[9]。具體疲勞數(shù)據(jù)如表8所示。

表7 故障仿真對(duì)應(yīng)的工況說明

表8 仿真工況機(jī)組軸系疲勞損耗程度 %

根據(jù)疲勞損耗的情況可以看出,府谷電廠機(jī)組在上述部分運(yùn)行方式下,機(jī)組軸系疲勞累積較大,7 s疲勞累積能夠最大能夠達(dá)到7.42%。對(duì)于暫態(tài)扭矩的問題,不存在一次扭斷的風(fēng)險(xiǎn),因此在抑制措施的設(shè)計(jì)和選擇上可以作為重要的依據(jù),可以選擇更經(jīng)濟(jì)更靈活的抑制措施方案來實(shí)現(xiàn)次同步諧振的抑制。

4 結(jié)論

本文以陜北煤電基地外送系統(tǒng)府谷電廠火電機(jī)組為研究對(duì)象,重點(diǎn)分析了多機(jī)組、多串補(bǔ)系統(tǒng)情況下對(duì)于次同步諧振問題的分析思路方法和結(jié)果,從機(jī)組軸系扭振信號(hào)收斂還是發(fā)散的系統(tǒng)穩(wěn)定性角度和大擾動(dòng)情況下機(jī)組軸系的疲勞損耗情況2個(gè)角度分析次同步諧振問題的嚴(yán)重程度,研究表明,府谷電廠機(jī)組在多種典型運(yùn)行方式下存在次同步諧振失穩(wěn)的問題,需要采取適當(dāng)?shù)囊种拼胧﹣砥较⒄袷?以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí),府谷電廠機(jī)組在一些方式下疲勞損耗積累較快,但不存在暫態(tài)扭矩放大一次扭斷的風(fēng)險(xiǎn),因此在后續(xù)抑制措施的設(shè)計(jì)上可以考慮更適用性的一些抑制措施方案來解決府谷電廠次同步諧振問題。