機端次同步阻尼控制器接入對系統影響分析

王 昊，趙曉初

(1．神華國能集團有限公司 電力生產部，北京100033;2．國網北京海淀供電公司 調度通信中心，北京100086)

0 引言

電力系統常見的失穩模式有振蕩失穩、單調失穩等，次同步振蕩屬于系統的振蕩失穩，它由電力系統中一種特殊的機電耦合作用引起，其最大的危害是，可能直接導致大型汽輪發電機組轉子軸系的嚴重破壞，造成重大事故，危及電力系統的安全運行。輸電線路的串聯電容補償、直流輸電、電力系統穩定器的不當加裝、發電機勵磁系統、可控硅控制系統、電液調節系統的反饋作用等，均可能導致次同步振蕩現象。隨著跨區輸電線路的大規模建設，交流串補以及高壓直流輸電引發次同步諧振/振蕩，進而造成發電機組大軸疲勞和損壞的問題，成為制約部分發電單位安全生產的重大隱患［1～5］。

次同步振蕩的抑制措施可分為:阻尼和濾波、繼電保護及監測保護、發電機組改造以及接入系統改造等4 大類。其中，發電機組改造以及接入系統改造成本巨大，發電企業及電網難以承擔;繼電保護及監測保護對經常性小幅值次同步諧振造成的機組軸系疲勞損耗作用較小;阻尼和濾波是確保機組軸系安全較為可行的方案。國內部分發電單位嘗試了各種形式的阻尼濾波方法，取得了一定改進效果，如大唐托克托電廠采用阻塞濾波器、華能伊敏電廠采用輔助勵磁阻尼控制、國華錦界電廠采用靜止無功補償裝置等。

各類阻尼濾波設備接入一次或二次系統，不可避免增加新的諧波源，可能對電網及廠用電系統產生不良影響。本文以一種基于STATCOM 的次同步阻尼控制器(GTSDC)為例，通過建模仿真，分析其對電網及廠用電系統的影響。

1 GTSDC 的系統構成與工作原理

機端次同步阻尼控制器(Generator Terminal Subsynchronous Damping Control，GTSDC)是新近研發的基于STATCOM 在次同步方面特殊應用的一種控制裝置。GTSDC 通過在發電機的定子側施加控制措施增加次同步電氣阻尼來抑制次同步振蕩問題，其工作原理為:采用發電機的轉速偏差作為反饋信號，控制輸出與關注的軸系扭振模態頻率互補的補償電流參考值，就地功率控制單元輸出電流動態跟蹤該參考值向電網注入次同步頻率電流，通過適當設置GTSDC 的控制參數，即可產生與軸系扭振頻率一致且起阻尼作用的電磁轉矩增量，實現抑制次同步振蕩的目標。如圖1 所示為GTSDC 接入系統示意圖。

圖1 GTSDC 接入系統示意圖

GTSDC 因具有以下優點被廣泛關注:(1)在解決多模態次同步振蕩問題時，因其阻尼能力強，可加快次同步振蕩收斂迅速;(2)具有電流源特性、諧波小、響應速度快等特點;(3)通過采用PWM 控制，裝置輸出電流的正弦度良好，響應速度快及魯棒性好。

根據GTSDC 的工作原理和系統結構，其接入系統后對系統的影響，尤其對機組安全穩定運行的影響，需進行詳細的仿真分析研究。本文基于典型交直流混合輸電系統，結合時域仿真，重點分析研究了GTSDC 接入系統后對機組和電網的影響，以指導工程實踐。

2 對機組電壓/電流諧波的影響分析

為便于分析，本文采用PSCAD/EMTDC 時域仿真軟件搭建了系統模型，如圖2 所示。系統圖中包含3 個火電廠A/B/C、串補輸電線路、直流輸電線路及無窮大等效電網。本研究以裝設有GTSDC 的A 電廠為例，分別考察了發電機機端電壓和發電機機端電流的影響。

圖2 裝有GTSDC 的A 電廠送出系統圖

(1)發電機機端電壓

正常運行工況下有、無GTSDC 時系統電壓波形的對比如圖3 所示，有GTSDC 時機端電壓的諧波畸變率THD 如圖4 所示，無GTSDC 時機端電壓的THD 如圖5 所示。

圖3 正常運行工況下有無GTSDC時機端電壓波形的對比

圖4 正常運行工況下裝有GTSDC時機端電壓THD

圖5 正常運行工況下無GTSDC時機端電壓THD

(2)發電機機端電流

正常運行工況下發電機輸出電流波形的對比如圖6 所示，無GTSDC 時機組輸出電流的THD如圖7 所示，有GTSDC 時機組輸出電流的THD如圖8 所示。

對波形和THD 進行了統計，結果見表1 和表2。統計數據表明，正常工況下，裝有GTSDC對發電機機端電壓和輸出電流的影響較小，其中電壓最大偏差不超過0．001 8%，平均偏差不超過0．000 795%，電流最大偏差不超過0．43%，平均偏差值為0．009 8。有無GTSDC 電壓、電流THD值均低于0．4%，遠低于輸電網諧波電壓2%的限值要求，因此，機組正常運行時，安裝GTSDC 對機組電壓和電流的質量影響不大。

圖6 正常運行工況下有無GTSDC時機組輸出電流波形的對比

圖7 正常運行工況下有GTSDC時機組輸出電流THD

圖8 正常運行工況下無GTSDC時機組輸出電流THD

表1 GTSDC 對機組電壓/電流諧波的影響

表2 GTSDC 對機組THD 的影響

3 對變壓器運行的影響

由于GTSDC 采用電力電子控制技術，輸出電壓或電流波形中可能出現正負半波不對稱現象，而其采用變壓器耦合接入方式，進而可能引發變壓器直流偏磁問題。

出現變壓器直流偏磁的主要成因和危害可簡要介紹如下:當GTSDC 輸出并加在變壓器兩端的正反向脈沖電壓的伏秒乘積不等時，則正負半波磁感應強度幅值也不同，磁工作區域將偏向第一或第三象限，即形成直流偏磁，從而導致變壓器鐵心飽和，偏磁的持續累積最終使鐵心進入深度飽和，磁工作點進入非線性區，鐵心相對磁導率迅速減小，勵磁電流急劇增大，導致變壓器過熱，最終可能導致器件損壞。

與GTSDC 類似的靜止同步補償器(STATCOM)由于接入變壓器直流偏磁過大而不能正常投運的情況曾有文獻報道，如日本的新信濃變電站的50 MVA STATCOM，由于附近投入大容量變壓器引起的激勵效應，導致系統發生擾動，擾亂了STATCOM 的脈沖控制信號，造成輸出電壓正負半波不對稱，進而引起嚴重的直流偏磁現象，導致STATCOM 不能正常投運。

造成FACTS 設備輸出正負半波不對稱進而引發變壓器直流偏差的具體原因可能是下述的一種或其組合:(1)主電路參數的分散，如功率器件通態壓降的差異、功率器件開關速度的差異等;(2)驅動電路元件和控制回路參數的分散，如各種控制信號的傳輸延遲不同;(3)控制器運算誤差引起直流分量;(4)逆變器啟動、停運過程中變壓器剩磁產生的直流分量;(5)母線電壓畸變引起的直流分量;(6)電路設計不當，工藝水平低。

所以GTSDC 在實現過程中，采取了主動偏磁糾正技術，以實現對所有運行方式下的直流分量進行控制。GTSDC 輸出由其機理來決定，暫態之后輸出的是全波對稱信號，控制器對輸出三相補償電流通過霍爾傳感器進行實時采集提取直流分量，然后把對消除直流分量的控制分量疊加到對PWM 脈沖控制的脈沖控制中，從而達到抑制直流偏置的目的，減小對變壓器運行的影響。通過主動糾偏磁處理，在實際運行中，通過對錄波數據的分析可以看出，10 kV 側直流分量的含量不超過2 A。

4 GTSDC 對廠用負荷的影響

在系統發生次同步振蕩時，機端次同步阻尼控制的注入電流也會流入到電廠的廠用負荷側。經過初步分析，由于廠用變負荷比較小，等效負荷阻抗相對于發電機暫態電抗及網絡側等效阻抗較大，流入負荷的電流會很小。進而對廠變側的影響作用不會太強。進一步挑選3 種典型工況，純交流，交直流并列，直接孤島進行仿真計算，得到廠變高壓次同步電壓含量，流入廠變的次同步電流的含量，并計算與STATCOM 發出的總電流的比值，結果如表3 所示。

表3 3 種典型工況下，廠變高電壓側電壓、電流分析

由表3 的計算結果可以看到，流入廠變側的電流占STATCOM 總的輸出電流總量的2%以下。與之前的預估計一致，是由于廠變負荷的等效阻抗較大。次同步電壓、電流僅占基頻電壓、電流分量的0．05%以下，可以進一步確認，不會對負荷側造成大的影響。

5 對發變組保護的影響

在保護接線一定的情況下，若GTSDC 的接入點如圖9 中A 時，其相當于原來的區外故障，因此不會發生保護誤動做。當GTSDC 電流接入點如圖9 中B 點時，其相當于故障點位于區內，保護有可能產生動作。由于次同步電流本身非常小，需結合保護整定曲線來進行詳細分析。

圖9 GTSDC 接入點

假設整定GTSDC 容量為14 MVA，而在正常情況交直流并列運行工況下，GTSDC 的容量遠低于14 MVA，甚至在5 MWA 以下，這里取最極端情況，即在某種情況下，GTSDC 容量全部投入，根據容量與輸出電流的關系，GTSDC 輸出到系統中的相電流有效值為808 A，而600 MW機組的額定相電流有效值為19．255 kA，GTSDC輸出的電流僅是機組正常運行時的0．04，對應到二次側的值為。根據圖10，保護曲線的拐點橫坐標為，可以看出，動作電流遠小于保護整定值，因而保護不會產生動作。所以，由于系統中GTSDC 所能注入的次同步電流有限，即使在最惡劣情況下，發電機縱差保護也不會產生動作。

圖10 GTSDC 對發電機縱差保護的影響

6 對系統暫態和動態穩定特性的影響

本文在PSCAD/EMTDC 仿真軟件中搭建GTSDC 系統模型，分析GTSDC 安裝前后對A 電廠600 MW機組及其送出系統發生故障時的短路電流，從而得出GTSDC 對系統短路容量的影響，結果表明，由于GTSDC 的容量(取14 MVA)遠小于電網的短路容量，因此，GTSDC 投運前后，電網的短路電流變化很小。

另外，對GTSDC 投運前后發生嚴重故障的情況也進行了時域仿真，這里主要通過比較機組的功角和輸出功率的動態過程來分析GTSDC 對系統暫態和動態穩定的影響。結果表明，GTSDC 投運前后機組功角和功率動態基本重合，即GTSDC 進行次同步抑制控制時不會對電網的動態過程造成不利影響。

7 對電網電氣諧振的影響

本節應用PSCAD/EMTDC 時域仿真軟件，分析GTSDC 對電網電壓/電流諧波的影響。將GTSDC 作為擾動源，擾動電流的大小根據正常工況條件確定，選擇系統中交流母線處作為測點，測量電壓、電流，應用傅里葉分析電壓和電流的諧波含量，如表4、表5 所示。可以看出，所產生的次同步頻率電流、電壓分量均很低，遠低于《電能質量公用電網諧波》國家標準，因此系統正常運行時，GTSDC 不會影響電網電壓和電流質量。

表4 純交流工況下系統母線電壓、電流次同步諧波分量

表5 交直流并列工況下系統母線電壓、電流次同步諧波分量

8 結論

(1)GTSDC 運行時輸出的次同步/超同步電流對機組電壓和電流的質量基本無影響。(2)由GTSDC 引起的變壓器直流偏磁問題不嚴重。(3)GTSDC 接入機組所產生的次同步電流對廠用變符負荷的影響很小，不會影響負荷設備的正常運行。(4)GTSDC 接入機組所產生的次同步電流相對機組容量有限，在最惡劣的情況下也不會引起發電機組保護產生誤動作。(5)GTSDC 投運前后，電網的短路電流變化很小，不會對電網的動態過程造成不利影響。

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