國華錦界電廠串補輸電次同步諧振解決方案的研究

顧 強 林驚濤

（陜西國華錦界能源有限責任公司，陜西 神木 719319）

近幾年來，隨著遠距離大容量輸電的需求上升，特別是新開發的大型煤電基地由于遠離負荷中心，大量采用遠距離點對網輸電模式，使得固定串補（FSC）的應用發展很快，串補度提高，使得次同步諧振（SSR）問題成為我國電網安全運行面臨的一個新的現實難題[1]。國華錦界電廠就是一個典型，該廠單機容量大（600MW）、電廠裝機多（二期規劃為4臺），經過400多公里的500kV線路加FSC接入京津唐電網；為保證電力送出和系統穩定的需要，規劃在錦界－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。前期大量的分析與評估表明，錦界電廠串補輸電系統在一定條件下存在SSR發散的風險，必須采取抑制和保護措施來解決SSR問題，以保證電網穩定性和機組安全。

自20世紀70年代以來，針對SSR問題提出的解決方法和設備已有20多種，在實際系統嘗試過的也不下10種。這些方法和設備或改造機組軸系的機械參數，或調整電網的運行方式，或增加大型的阻尼電路（如阻塞濾波器），或在既有控制設備上附加新的控制環節（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、實施難度和維護便利性差別很大。目前，在歐美國家，由于其電網結構強，SSR問題逐漸淡出視野，相應的實用研究開展較少；而我國才開始真實面對這一難題，可供借鑒的經驗很少。因此，針對我國的實際情況和特點，研究技術上可行、經濟上高效的自主解決方案，具有極其重要的意義。

本文針對國華錦界電廠串補輸電系統（二期）的次同步諧振問題，在深入分析其SSR風險的基礎上，重點研究了SVC解決SSR的有效性，研究結果對于解決國內其他大型火電基地點對網串補輸電系統的SSR問題具有參考價值。

1 錦界電廠串補輸電系統

錦界電廠送出工程（二期）的等值單線系統如圖1所示的，對應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機組。府谷電廠一期工程2×600MW。輸電線路包括錦界-忻州線（簡稱錦忻線，246km）、忻州-石北線（簡稱忻石線，192km）和府谷-忻州線（簡稱府忻線，192km），固定串補安裝在忻州開閉站內的錦忻線進線上和府忻線出線上，串補度規劃均為35%。

錦界電廠四臺機組為參數相同的國產亞臨界空冷式汽輪機組，集中參數軸系模型包括高中壓缸、低壓缸A、低壓缸B和發電機四個質塊。通過現場試驗測試了機組在各種工況下的機械阻尼參數。分析表明，軸系與電氣系統存在耦合的三個次同步扭振模態分別約為13.02Hz（模態1）、22.77Hz（模態2）和28.16Hz（模態3），其中模態3的阻尼最弱。

圖1 錦界電廠串補輸電系統（二期）

2 SSR評估

固定串補引起的SSR問題通常包括異步發電機效應、機電扭振互作用和暫態扭矩放大作用等三種主要形式；其中機電扭振互作用是錦界電廠輸電系統面臨的主要問題[1-2]，也是研究的重點。

固定串補導致機電扭振互作用型SSR的基本機理是：當串聯電容與系統等值電感產生的電諧振頻率與軸系自然扭振模態的補頻率接近時，會大大其軸系扭振模態的阻尼，從而在電網受到擾動時導致電機軸系與電網絡間的相互作用而引起軸系扭振的不穩定，造成軸系損傷甚至破壞。

對軸系扭振模態的阻尼分析是評估SSR風險的關鍵，分別采用特征值分析法和時域仿真法研究了錦界電廠串補輸電系統（二期）在各種運行方式下的SSR模態阻尼特性，全面評估了SSR的發生風險。特征值分析結果表明：

1）模態1在所有運行方式下是穩定的。

2）模態2在正常運行方式下基本上是穩定的，但在一些機組出力較小且部分線路停運的方式下不穩定。

3）模態3是在大多數運行方式下不穩定，是最危險的次同步模態。

4）當機組出力較小且部分線路停運的情況下，模態2和模態3都不穩定，存在多模態SSR風險。

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生單相短路故障及更嚴重的擾動時，會出現SSR發散的可能性。

3 SVC SSDC解決方案分析

針對錦界電廠的SSR風險，電廠和主管部門考慮到設備安裝場地等實際因素限制，建議研究SVC次同步阻尼控制（SSDC）解決SSR問題的可行性，本文工作對該方案進行較全面的分析計算，驗證其技術效果，為工程實施奠定基礎。

3.1 SVC次同步阻尼控制的技術現狀

國外從上世紀80年代開始對采用SVC緩解SSR的問題進行過一些研究[1-2]，對以往關于SVC抑制SSR問題的研究總結如下：

1）統模型大部分是單機-無窮大模型[1-2]，即使采用多機系統研究也是簡化為單機系統模型[8]，然而如今的大型電廠，通常包含多臺機組，若仍采用單機系統，則模型過于簡單，難以滿足工程分析需要，特別是多機SSR現象無法研究。

2）SVC控制器結構多為PI控制[1-2]或PID控制[5,6,7,10]，若僅采用發電機轉速信號作為控制信號，則可抑制一種模態，多模態SSR問題解決不好[3]。

3）國外的大部分研究都是針對IEEE第一標準系統模型[1-2]，并沒有考慮實際工程問題，與工程實際有一定應用距離。

目前國內提出的抑制SSR的具體研究方法并不多[12-16]，而用SVC抑制SSR問題國內尚無工程實例。因此，針對錦界電廠的實際情況，采用多機系統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SSR問題具有重要的意義。

3.2 SVC SSDC的工作原理和特點

SVC次同步阻尼控制器（SSDC）結構如圖2所示。在本項目設計中，僅考慮SVC的SSDC功能，它是SVC的主控制回路，控制反饋信號采用電廠在線機組汽輪機高壓缸轉速偏差信號的平均值，通過精細的帶通濾波得到各SSR模態的振蕩分量，再經過比例和移相環節得到各個模態的控制信號，相加后形成總的SVC控制輸出，經限幅后得到所需的SVC裝置目標電納值，再計算出TCR電納值，并進而利用TCR電納與延遲觸發角的非線性關系得到晶閘管的控制角。

調制TCR/SVC的電納，使其按次同步頻率波動，在機組內部形成次同步頻率的電磁轉矩，只要SVC SSDC的比例和移相環節參數適當，該轉矩就能對次同步扭振起到阻尼作用，達到抑制多模態SSR的目標。

圖2 SVC SSDC工作原理

3.3 SVC容量選擇

SVC的容量對控制效果和模態增益的選擇有較大的影響。分析表明，SVC容量越大，模態增益就可相應增大，在正常運行和大擾動情況下就能得到更好的阻尼效果，也有利于降低擾動引起的軸系疲勞損耗；但增大SVC容量，相應地會提高設備投資。本研究中，根據大量的分析計算，并考慮到SVC運行時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，為了保護機組，在每臺機組上還配備了2套互為備用的扭應力繼電器（TSR）。TSR是一種SSR保護裝置，在檢測到危險SSR時，啟動切機操作，保護機組安全。它的基本原理是：對軸速信號進行高速采樣和帶通濾波處理，得到與SSR模態的振動值成比例的電信號（即“SSR模態速度”），然后應用反時限疲勞、靜態不穩定等保護邏輯對機組進行跳閘操作。

進一步采用小擾動模型的特征值分析和故障情況下的詳細時域仿真對這一方案的效果進行了分析計算。

3.4 特征值分析

對錦界電廠各種運行方式進行小范圍線性化，得到對應的狀態空間模型，做特征值分析，得到SSR模態阻尼隨運行參數和SVC投/退的變化特性，進而評估各種運行方式下發生SSR的風險及SVC的控制效果。

1）SVC抑制多模態SSR效果

表1列出了錦界電廠二期工程四機運行方式下有/無SVC的模態阻尼分析結果。其中模態阻尼采用模態特征值實部來表示。從分析結果可以看出，SVC SSDC能提高3個次同步扭振模態的阻尼，特別對于不穩定的模態2和模態3，都能有效抑制，使得錦界電廠二期串補輸電系統在所有運行方式下具備小擾動SSR穩定性。

圖3所示為二期工程四機二線方式下三個SSR模態在有/無SVC情況下隨錦界電廠機組負載率變化的曲線。從該曲線可以看出，SVC SSDC的控制效果受發電機的負載變化影響不大，在不同負載率下均有較高的阻尼。

圖3 SSR模態阻尼特性

2）SVC抑制多機多模態SSR分析

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

表3 4機2+3線機組相同出力情況下特征值計算結果

表4 4機2+3線機組不同出力情況下特征值計算結果

在機組平衡處理情況下，相同頻率的扭振模態共有4組特征值，其中3組為幾乎相同的機組間振蕩模態，另外一個為機網間的振蕩模態。在沒有任何抑制措施時，機網模態的阻尼最弱（其中模態3是不穩定的），受電氣諧振影響最明顯；而機組間的振蕩模態是穩定的，具有較高的阻尼。

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

由于SVC安裝在高壓公共母線上，SVC SSDC控制的反饋信號只采用了并網機組的高壓缸的平均值，該反饋信號（轉速平均值）主要包括機網間扭振，而較少包括機組間扭振信息，從而SVC SSDC能很好地抑制機網間扭振，而對機組間扭振調節作用很小，但考慮到機組間振蕩模態總是穩定的，這種SVC配置和控制方法是有效的。

3.5 時域仿真

采用PSCAD/EMTDC電磁仿真軟件詳細分析了各種運行方式下發生短路故障時的SSR風險及解決方案的效果。圖4所示為二期工程四機二線、機組出力均為40%額定功率工況下發生單相永久故障（1s短路，1.1s故障相切除，2.1s重合失敗，2.15s跳三相）時，有/無SVC情況下機組高壓缸平均轉速差曲線。

圖4 故障情況下的高壓缸平均轉速差曲線

圖5 故障情況下的曲線

圖5所示為在發生圖4的故障情況下，采用SVC SSDC抑制SSR時的錦界電廠單臺機組有功輸出曲線和SVC的無功輸出曲線。

通過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致的SSR問題，并有良好的控制效果和適應性。

4 結論

對于國華錦界電廠二期串補輸電工程，采用特征值分析和時域仿真法研究了采用SVC方案抑制SSR的有效性，重點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；研究結果表明，該方案能大幅提高各個SSR模態的阻尼，有效抑制各種擾動引起的SSR問題，特別對阻尼較弱的機網模態3有很好的效果，保證機組的安全運行，是一種抑制多模態SSR的有效方案。

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