發(fā)電廠次同步振蕩(SSO)問題的解決方法

劉代祥，汪 立

(1.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗所，四川成都 610061;2.四川中電福溪電力開發(fā)有限公司，四川成都 645152)

0 引言

汽輪發(fā)電機組軸系扭振是指在發(fā)生機電擾動時，汽輪機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機電磁制動轉(zhuǎn)矩之間失去平衡，使軸系這個彈性質(zhì)量系統(tǒng)產(chǎn)生一種振動形式——扭轉(zhuǎn)振動。引起扭振的原因來自兩方面:機械擾動與電氣擾動。前者主要指不適當(dāng)?shù)倪M汽方式、調(diào)速系統(tǒng)晃動、快控汽門等。后者一般根據(jù)大小分為兩類:一類是由串聯(lián)電容補償所引起的次同步諧振(subsynchronons resonance，SSR)及有源電力設(shè)備及其控制系統(tǒng)(HVDC、PSS、SVC等)引起的次同步振蕩(subsynchronous oscillation，SSO);另一類是指各種急劇擾動造成的暫態(tài)沖擊，如短路、自動重合閘、誤并列、甩負(fù)荷等。由直流輸電引起的汽輪發(fā)電機組的次同步振蕩問題，1977年首先在美國Square Butte直流輸電工程調(diào)試時被發(fā)現(xiàn)，后來，在美國的CU、IPP、印度的Rihand－Deli、瑞典的Fenno－Skan等高壓直流輸電工程中，都表明有可能導(dǎo)致次同步振蕩。根據(jù)IEEE的SSR工作小組的定義，次同步諧振是電力系統(tǒng)的一種狀態(tài)，即電網(wǎng)在低于系統(tǒng)同步頻率的一個或幾個頻率下與汽輪發(fā)電機進行能量交換。由于汽輪機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)子慣性較大，表現(xiàn)出對軸系本身的低階扭振模態(tài)十分敏感，呈低周高應(yīng)力的受力狀態(tài)，這種機電共振直接嚴(yán)重威脅機組的安全可靠運行，次同步振蕩現(xiàn)象會對發(fā)電機組和電網(wǎng)的安全運行帶來直接的重大危險。

1 次同步振蕩產(chǎn)生的機理

高壓直流輸電系統(tǒng)(HVDC)引起的次同步振蕩，已經(jīng)確認(rèn)有兩種可能的產(chǎn)生機理，其中一種與直流輸電換流器的快速控制有關(guān)。直流輸電換流器控制與鄰近汽輪發(fā)電機組軸系扭振相互作用的機理，可用圖1進行解釋:若機組軸系受到電磁轉(zhuǎn)矩的小擾動，會導(dǎo)致某一扭振模態(tài)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角攝動(△ω和△θ)，將引起機端電壓幅值與相位的相應(yīng)攝動(△V和△θV)，從而導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓幅值與相位的攝動。對應(yīng)于換流母線電壓相位的攝動，換流閥觸發(fā)角將產(chǎn)生相同的攝動(△a)，從而導(dǎo)致直流電壓和電流產(chǎn)生攝動(△Vdr和△Id);而對應(yīng)于換流母線電壓幅值的攝動，同樣也會使直流電壓和電流產(chǎn)生攝動。

上述兩者的作用將導(dǎo)致直流電壓和電流偏離平衡狀態(tài)，而HVDC控制將感應(yīng)這種偏差并加以快速校正和調(diào)整，引起發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的攝動(ΔTe)，最終又反饋作用于機組軸系。如果發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化與由此引起的電磁轉(zhuǎn)矩變化之間的相位滯后(包括閉環(huán)控制系統(tǒng)的附加相位滯后)超過90°，則將形成一種正反饋性質(zhì)的扭振相互作用，不斷助增攝動幅值，導(dǎo)致軸系扭振失穩(wěn)。

圖1 HVDC換流器控制引起次同步振蕩示意圖

2 盤南電廠引入扭振保護的必要性

盤南電廠4×600 MW機組全部投入運行，電廠通過兩回85 km的500 kV輸電線路接入興仁500 kV直流換流站，興仁換流站另外還有兩回500 kV線路分別與八河和天生橋II站相連，興仁換流直流站的直流額定功率為3 000 MW，雙極直流±500 kV，通過一回線路送電至廣東電網(wǎng)，直流雙極已于2007年10月投入商業(yè)運行(電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示)。

圖2 盤南電廠所在區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

由于盤南電廠距離興仁換流站較近，經(jīng)南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心計算分析，當(dāng)直流換流站投入運行時，盤南電廠機組的SSR穩(wěn)定性與直流線路的輸送功率及興仁換流站連接并運行的交流輸電線路的回路數(shù)有關(guān)，興仁換流站與交流系統(tǒng)的聯(lián)系越弱，越容易產(chǎn)生SSO。直流系統(tǒng)輸送最大功率，興仁換流站與交流系統(tǒng)的聯(lián)系最弱的運行方式是產(chǎn)生SSO問題的最嚴(yán)重的方式，即當(dāng)盤南電廠孤島運行或天換線停運時發(fā)生次同步振蕩的可能性最大。

盤南電廠4×600 MW機組采用東方汽輪機廠生產(chǎn)的亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、沖動式、直接空冷凝汽式N600－16.67/538/538汽輪機配東電生產(chǎn)的QFSN－600－2－22B型汽輪發(fā)電機，其汽輪發(fā)電機的機電系統(tǒng)特征頻率見表1。

表1 汽輪發(fā)電機的機電系統(tǒng)特征頻率

時域仿真的結(jié)果表明，盤南電廠機組軸系的不穩(wěn)定主要表現(xiàn)在模態(tài)1和模態(tài)2，在興仁換流站加裝阻尼控制回路SSDC后，盤南電廠機組模態(tài)1和模態(tài)2的在各種方式下的軸系振蕩均被抑制。但是，HVDC系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的電網(wǎng)，當(dāng)各種沒有考慮到的或超出設(shè)計范圍之外的特殊運行方式出現(xiàn)時，換流站附近的發(fā)電機組同樣可能產(chǎn)生次同步振蕩，因此必須在盤南電廠各臺機組上安裝軸系扭振保護裝置(torsional stress relay，TSR)，作為發(fā)電機組防止產(chǎn)生SSO的后備措施和最后一道防線，當(dāng)機組發(fā)生次同步振蕩且振蕩達到一定的程度時可以切除發(fā)電機組，以保護機組的安全。

3 盤南電廠TSR保護配置

每臺汽輪發(fā)電機組裝設(shè)兩套CSC－812型扭振保護(TSR)，CSC－812裝置通過在機端監(jiān)測扭振信號經(jīng)解調(diào)后計算出軸系各段的疲勞，采用特殊的實時算法計算實時疲勞。每臺TSR對每臺汽輪發(fā)電機組都有單獨的輸入信號和跳閘輸出(TSR監(jiān)測原理結(jié)構(gòu)圖)，2套TSR保護之間無任何電氣聯(lián)系，當(dāng)一套TSR保護因異常退出或檢修時，不影響另一套TSR保護正常運行。TSR保護功能有反時限疲勞保護和扭振發(fā)散保護。

TSR保護定值整定原則及跳閘曲線如下。

1)TSR裝置作為SSO工況下的汽輪發(fā)電機組軸系扭振保護，以保護汽輪發(fā)電機組軸系安全為主要目的。

2)TSR裝置動作將導(dǎo)致切機，TSR裝置應(yīng)當(dāng)盡可能少動作。

3)在SSO工況下，盤南電廠4臺600 MW機組TSR各自獨立按照整定定值動作，暫不考慮4臺機組切機的疲勞定值的配合。

4)盤南電廠TSR保護的疲勞整定定值定為1%動作，即機組軸系經(jīng)過一次擾動產(chǎn)生的疲勞損耗達到軸系疲勞壽命的1%時，TSR保護動作。

模態(tài)1值為0.33 rad/s時達到5 kWh位置疲勞極限，7 951 s左右跳閘，扭轉(zhuǎn)功率為180 MW。

模態(tài)2值為0.21 rad/s時達到6 kWh位置疲勞極限，3 525 s左右跳閘，扭轉(zhuǎn)功率為210 MW。

模態(tài)3值為0.41 rad/s時達到2 kWh位置疲勞極限，4 104 s左右跳閘，扭轉(zhuǎn)功率為70 MW。

4 TSR保護可靠性驗證

1)2008年3月31日電網(wǎng)故障，興仁HVDC換流站直流功率閉鎖時2號機TSR裝置的錄波文件分析如圖3和圖4。

圖3 電網(wǎng)故障TSR裝置的模態(tài)波形

圖4 電網(wǎng)故障TSR裝置的局部圖形

圖5 降壓運行試驗的模態(tài)波形

模態(tài)1最大值為0.129 1，最小值為 －0.129 7;模態(tài)2最大值為0.383 9，最小值為－0.383 9;模態(tài)3最大值為0.121，最小值為 －0.121 3。通過離線分析，3個模態(tài)幅值均未達到軸系扭轉(zhuǎn)疲勞累計，其中模態(tài)2幅值最大，但距疲勞累計值也較遠，且在20 s內(nèi)完成衰減，因此對機組軸系疲勞無影響。

2)圖5是興仁換流站進行降壓運行試驗時錄下的波形。

由于降壓運行是一個穩(wěn)態(tài)的過程，所以由圖5可知3個模態(tài)的幅值都很小，即使是模態(tài)3的幅值也遠沒有達到錄波啟動的門檻值0.2，所以它對機組的大軸不會產(chǎn)生影響。

3)圖6是功率波動試驗時的錄波圖形。

圖6 功率波動試驗的模態(tài)波形

由圖6可知在HVDC系統(tǒng)做小的功率波動試驗時，3個模態(tài)中只有模態(tài)3有一點很小的反應(yīng)，其他兩個模態(tài)基本上沒有變化，所以這種功率波動試驗對機組不會有影響。

5 盤南電廠的SSO問題解決

南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心在RTDS系統(tǒng)上做了針對盤南電廠軸系扭振保護裝置(TSR)的動模試驗，試驗結(jié)果表明，在各種運行方式下(正常運行、八換線檢修、天換線檢修和電廠孤島運行等各種運行方式)，直流投入SSDC均可有效抑制次同步振蕩，不會引起TSR裝置動作。針對盤南電廠負(fù)荷通過雙回直流線路送出引發(fā)的SSO問題，從TSR裝置做靜態(tài)試驗到機組的啟動試驗機組正常運行，再到興仁換流站的在線功率波動試驗及直流閉鎖試驗可以看出CSC－812(TSR)都做出了正確的反應(yīng)。

6 SEDC裝置的引入

在目前的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，仿真結(jié)果顯示盤南電廠的SSO問題在直流側(cè)投入SSDC裝置后可以有效抑制次同步振蕩，但隨著直流網(wǎng)架的增加，其周邊大型發(fā)電機組的SSO問題將會日益復(fù)雜，隨著對機組SSO問題的深入研究，提出了采用汽輪發(fā)電機組附加勵磁阻尼控制器(supplementary excitation damping controller，SEDC)來抑制機組的次同步振蕩的方法。

6.1 SEDC 裝置原理

目前國內(nèi)的SEDC裝置是通過安裝在汽輪發(fā)電機組上的軸系測速傳感器，對汽輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速進行連續(xù)監(jiān)視和分析，并對轉(zhuǎn)速信號進行濾波的解調(diào)處理，進而得到與轉(zhuǎn)子的固有扭振頻率相對應(yīng)的扭振分量，再經(jīng)過對各個扭振模態(tài)信號的比例移相處理，形成各個模態(tài)的控制信號，同時考慮勵磁控制器的容量限制進行限幅，將各個模態(tài)的控制信號進行疊加形成總的SEDC控制輸出信號，將此控制輸出信號疊加到勵磁調(diào)節(jié)器的控制信號上，通過勵磁控制器產(chǎn)生一個與發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的次同步感應(yīng)電流幅值大小相等、相位相反的電流，進而形成與機組扭振作用相反的電磁轉(zhuǎn)矩，只要SEDC的調(diào)節(jié)比例和移相環(huán)節(jié)參數(shù)適當(dāng)，這個轉(zhuǎn)矩就能對軸系的次同步扭振起到正阻尼作用，從而抵消機組扭振的影響，如圖7。

6.2 SEDC裝置在伊敏電廠的應(yīng)用

2010年6月23日，四方公司的CSC－811P附加勵磁阻尼控制器(SEDC)在伊敏發(fā)電廠，成功完成了二期兩臺600 MW機組的扭振激發(fā)、抑制試驗和串補投退、拉合線路等試驗，試驗結(jié)果如下。

圖8為投伊馮乙線固定串補時，分別在有/無SEDC情況下，3號機組模態(tài)2的轉(zhuǎn)速差對比圖。通過計算分析，無SEDC投固定串補時，3號機組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.063，收斂時間34 s;有SEDC投固定串補時，3號機組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.199，收斂時間12 s。

圖7 SEDC的邏輯應(yīng)用原理框圖

圖8 投固定串補3號機組模態(tài)2動態(tài)過程

圖9 投可控串補4號機模態(tài)2動態(tài)過程

圖10 拉線路3號機模態(tài)2動態(tài)過程

圖11 合線路3號機模態(tài)2動態(tài)過程

圖9為投伊馮乙線可控串補時，分別有/無SEDC情況下，4號機組模態(tài)2的轉(zhuǎn)速差對比圖。通過計算分析，無SEDC投可控串補時，4號機組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.041，收斂時間32 s;有SEDC投可控串補時，4號機組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.127，收斂時間20 s。

圖10為拉開伊馮乙線時，有/無SEDC情況下，3號機組模態(tài)2的轉(zhuǎn)速差對比圖。通過計算分析，無SEDC拉開線路時，3號機組模態(tài)2衰 減 系數(shù) 為0.041，收斂時間50 s;有SEDC拉開線路時，3號機組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.194，收斂時間12 s。

圖11為合伊馮乙線時，有/無SEDC情況下，3號機組模態(tài)2的轉(zhuǎn)速差對比圖。通過計算分析，無SEDC合線路時，3號機組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.092，收斂時間33 s;有SEDC合線路時，3號機組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.244，收斂時間13 s。

7 結(jié)語

盤南電廠SSO問題已通過投入SSDC＆TSR裝置得到解決，伊敏電廠的SSO問題可以利用附加勵磁阻尼控制器明顯地抑制，證明SSDC和SEDC是主動預(yù)防SSO問題的方案，而TSR是SSO問題產(chǎn)生后的后備保護。因此，對于直流輸電產(chǎn)生的次同步振蕩問題可以通過在電廠側(cè)裝設(shè)SEDC＆TSR以及在換流站投入SSDC的方式來解決，在系統(tǒng)發(fā)生SSO引發(fā)機組軸系扭振時，加快SSO的衰減速度，減少機組的疲勞損傷，保障機組的安全運行。