鄂溫克電廠發電機組次同步振蕩特性分析

摘 要：采用計算電氣阻尼頻率特性與時域仿真相結合的方法，對鄂溫克電廠存在的次同步振蕩問題進行了計算和分析?；赑SCAD/EMTDC電磁暫態仿真對鄂溫克機組在交直流并列、交流運行、直流孤島運行典型方式下的大擾動和小擾動次同步振蕩特性進行計算，并進一步采用測試信號法在次同步頻率范圍內計算發電機電氣阻尼的頻率特性，比較發電機軸系扭振自然頻率處機械阻尼與電氣阻尼的大小，計算分析所得結果表明鄂溫克機組軸系存在疲勞損傷的風險。

關鍵詞：次同步振蕩 時域仿真 測試信號法 電氣阻尼

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0130-02

當發電機組通過高壓直流輸電系統（HVDC）送電時，會引發機組軸系的次同步振蕩（Subsynchronous Oscillation，SSO）問題，威脅機組軸系安全[1-4]。電力系統次同步振蕩SSO是電力系統中的機械部分與電氣部分發生的動態相互耦合作用和能量互換過程，其主要危害外送火電機組軸系安全，持續的軸系扭振會造成發電機軸系的疲勞損耗，降低發電機軸系的使用壽命，短時間的暫態力矩放大也可直接導致發電機軸系的斷裂[5]。

神華國能內蒙古蒙東能源有限公司（即鄂溫克電廠）現有2×600MW汽輪發電機組，電廠位于呼倫貝爾煤電基地，通過±500 kV呼遼直流、500 kV伊馮交流串補線路向東北電網送電。呼盟煤電機組有鄂溫克、呼倫貝爾、伊敏三個大型火力發電廠，伊敏發電廠一期額定功率為2×500MW、二期為2×600MW、三期為2×600MW機組。伊敏發電廠一期、二期機組通過雙回交流串補500kV線路接入東北電網馮屯變電站，伊敏-馮屯線路全長約378 km，中間有一段約190 km的同桿并架線路，在伊馮雙回線上加裝固定串補及可控串聯補償裝置，補償度按15%可控串補+30%固定串補裝設。伊敏電廠三期機組、呼倫貝爾發電廠2×600MW發電機組（寶日希勒發電機組）、鄂溫克電廠2×600MW發電機組輸出功率主要通過呼遼直流工程送出。該直流工程設計容量為3000MW，送電距離為908 km，直流輸電電壓選擇為±500 kV，直流輸電一端為內蒙古伊敏換流站；另一端為遼寧穆家換流站。

由于呼倫貝爾煤電基地送出系統中既有直流輸電整流站又有可控串補線路，因此地區內各發電廠機組均存在發生次同步振蕩的風險。鄂溫克電廠也位于呼倫貝爾煤電基地電源輸變電系統中，經過巴彥托海開關站與伊敏直流換流站相連，伊敏換流站還通過短線與伊敏電廠相連，伊敏電廠又通過500 kV伊馮可控串補線路與馮屯變電站連接，存在發生機組軸系次同步扭振的電網條件。鄂溫克電廠在之前的運行中TSR實測確實存在頻繁發生的軸系次同步振蕩，因此，次同步振蕩問題是鄂溫克電廠必須關注的重要問題。

1 鄂溫克電廠機組外部大擾動下的次同步振蕩特性分析

鄂溫克電廠發電機軸系自然扭振頻率有兩個模態。在軸系扭振分析中，考慮到各個模態的機械阻尼轉矩系數后，可得到判斷軸系扭振穩定的準則為：對軸系的任何一個扭振模式滿足：

其中：為總阻尼，為第個扭振模態頻率下的電氣阻尼，為第個扭振模態機械阻尼。

當機組模態總阻尼為正，則該模態分量振蕩收斂，反之則發散。

以下基于PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真對鄂溫克機組在各種典型的運行方式下次同步振蕩各模態分量進行計算。并采用基于時域仿真實現的復轉矩系數法——測試信號法在次同步頻率范圍內計算發電機電氣阻尼的頻率特性，比較發電機軸系扭振自然頻率處機械阻尼與電氣阻尼的大小，分析其是否存在次同步振蕩發散的風險。

（1）直流滿載、伊馮雙回F30+T15并列運行。

對典型直流滿載、伊馮雙回F30+T15并列運行工況下的次同步振蕩進行計算。采用基于時域仿真結果的測試信號法計算電氣阻尼特性時，機組軸系采用剛體模型，機組電氣部分采用完整的數學模型，電力系統采用電磁暫態模型，HVDC系統等含電力電子裝置的模塊采用考慮開關過程的模型。

基于測試信號法得到了鄂溫克機組的電氣阻尼曲線如圖1所示。由圖可見，在次同步頻段機組電氣阻尼為正，總阻尼為正，因此在這種運行方式不存在次同步振蕩發散的風險。

（2）直流孤島運行。

對500 kV伊馮交流線路斷開下的各運行工況的次同步振蕩進行計算。在直流孤島運行方式中，基于測試信號法得到了鄂溫克機組的電氣阻尼曲線如圖2所示。由圖可見，在次同步振蕩頻段機組電氣阻尼為負，但是總阻尼為正，因此在這種運行方式不存在次同步振蕩發散的風險。

2 結語

對鄂溫克電廠在交直流并列、直流孤島等各種運行方式下的次同步振蕩特性進行了計算，結果表明鄂溫克電廠機組次同步振蕩不存在發散的風險，但在一些運行方式下存在弱阻尼的情況，存在發生次同步振蕩的風險。在典型電網側大擾動故障作用下，鄂溫克機組軸系會被激發出較大的扭振模態幅值，存在軸系疲勞損傷的風險。

參考文獻

[1]Subsynchronous Resonance Working Group of the System Dynamic Performance Subcommittee.Reader’s guide to subsynchronous resonance[J].Transactions on Power Systems，1992，7（1）：150-157.

[2]Piwko R J ，Larsen E V.HVDC system control for damping of subsynchronous oscillations[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1982，101（7）：2203-2211.

[3]李立，洪潮.貴廣二回直流輸電系統次同步振蕩問題分析[J].電力系統自動化，2007，31（7）：90-93.

[4]徐政.交直流電力系統動態行為分析[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]倪以信，陳壽孫，張寶霖.動態電力系統的理論和分析[M].北京：清華大學出版社，2008.