基于附加勵磁阻尼控制的次同步振蕩抑制的研究和應用

摘要：大容量機組、長距離輸電需要電網(wǎng)采用可控串補技術(shù)提高輸電能力。輸電線路的串聯(lián)電容補償、直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的加裝，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、可控硅控制系統(tǒng)、電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反饋作用等，均有可能誘發(fā)次同步振蕩現(xiàn)象。由于汽輪機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性較大，對軸系本身的低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)十分敏感，呈低周高應力的受力狀態(tài)，這種受次同步振蕩引起的機電共振直接嚴重威脅機組的安全可靠運行。近年來盤南電廠與相關研究機構(gòu)針對次同步振蕩造成的汽輪機組大軸扭振展開了大量研究和實踐工作，附加勵磁阻尼控制器（SEDC）便是其中一項重要的內(nèi)容。

關鍵詞：次同步振蕩;附加勵磁阻尼

一、前言

與交流輸電相比，高壓直流輸電（HVDC）技術(shù)具有大容量遠距離輸電、交流系統(tǒng)之間的異步互聯(lián)、傳輸功率快速可控等特點，因此在電力系統(tǒng)的應用日益廣泛。如20世紀80年代末投運的葛洲壩至上海南橋的直流工程，2000年投運的天生橋至廣州的直流工程，隨后的貴廣直流、云廣直流工程等。

與直流換流站電氣聯(lián)系較強的發(fā)電機組，有可能與HVDC控制系統(tǒng)發(fā)生扭振相互作用，引起次同步振蕩（subsynchronous oscillation，SSO）問題。這個問題于1977年Square Butte直流輸電工程的調(diào)試現(xiàn)場中首次被觀察到。SSO激發(fā)的汽輪發(fā)電機組軸系扭振會造成發(fā)電機組軸系的疲勞損傷，嚴重情況下暫態(tài)過程中的強烈扭振甚至可以導致發(fā)電機大軸的瞬間斷裂。

貴州電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜，采用了交直流混合輸電的方式對外輸送功率，其直流系統(tǒng)的兩個整流站又較為靠近，使得系統(tǒng)次同步振蕩特性也非常復雜。而且貴廣I、II回直流系統(tǒng)附近都有一定數(shù)量的火電機組，不僅裝機容量較大，而且與直流系統(tǒng)整流站聯(lián)系緊密。貴廣Ⅱ回興仁換流站附近的盤南電廠安裝有4臺600 MW汽輪發(fā)電機組，其出線為兩條500kV交流線路接入興仁換流站，經(jīng)貴廣直流輸電通道直接送至廣東寶安換流站。最新的研究表明，在八河-興仁一條線路檢修，發(fā)耳電廠或光照電廠停運時，盤南電廠受直流換流站的影響較大，極有可能發(fā)生次同步振蕩（SSO）。同時受地理接線因素影響，盤南電廠發(fā)電機組經(jīng)升壓變后，通過雙回交流輸電線路直接與興安直流的興仁換流站交流側(cè)相連，因此盤南電廠受興安直流線路運行工況的影響較大，容易發(fā)生次同步振蕩現(xiàn)象。

由于次同步振蕩引起的發(fā)電機汽輪機組軸系扭振在盤南電廠發(fā)生的幾率較高，同時其危害性較大，盤南電廠會同相關機構(gòu)在2007年便開始針對次同步振蕩引起的發(fā)電機汽輪機組軸系扭振展開研究和論證工作，并于2008年投運了西南地區(qū)首套國產(chǎn)汽輪機組軸系扭振保護裝置（TSR）。TSR能夠在汽輪機組軸系扭振產(chǎn)生的金屬疲勞累計前切除運行機組，防止汽輪機組大軸受應力損壞。但是TSR僅僅針對次同步振蕩引起的發(fā)電機汽輪機組軸系扭振提供保護切機功能，并不能從源頭上抑制SSO造成的汽輪機組軸系扭振，從這一角度上看TSR具有一定的局限性。在電網(wǎng)發(fā)生發(fā)生次同步振蕩時，附加勵磁阻尼裝置（SEDC）可通過發(fā)電機組的勵磁控制系統(tǒng)輸出一個同汽輪機組軸系扭振方向相反的調(diào)節(jié)信號，在一定程度上抑制由于次同步振蕩引起的發(fā)電機汽輪機組軸系扭振，同TSR組成汽輪機組軸系扭振保護的兩道防線。

二、直流輸電引起次同步振蕩的原因

由直流輸電引起的發(fā)電機組次同步振蕩的原因可以細分為以下三種情況：

1、與直流輸電的電流調(diào)節(jié)器相關聯(lián);

2、與直流輸電的輔助控制相關聯(lián);

3、與直流輸電系統(tǒng)的某種不正常運行相關聯(lián)。

其中，由HVDC輔助控制引起的SSO的原因是控制的輸入信號中包含有附近發(fā)電機組最低扭振模式的振蕩信號，在不利情況下這個信號經(jīng)過直流輸電系統(tǒng)放大以后，造成了發(fā)電機組的SSO負阻尼。對于這種情況，解決問題的方法非常簡單，只要在輔助控制器中加入陷波濾波器，將輸入信號中的扭振頻率分量信號濾除，就消除了輔助功率控制器與發(fā)電機組之間的負阻尼相互作用。

由HVDC電流調(diào)節(jié)器引起的SSO是由HVDC的快速控制引起的。HVDC系統(tǒng)引起扭振可用圖1加以解釋。

若與整流站緊密耦合的發(fā)電機上受到微小轉(zhuǎn)子機械擾動小擾動，導致某一扭振模態(tài)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角攝動，將引起機端電壓幅值與相位的相應攝動，從而導致?lián)Q流母線電壓幅值與相位的攝動。對應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，從而導致直流電壓和電流產(chǎn)生攝動，而對應于換流母線電壓幅值的攝動，同樣會使直流電壓和電流產(chǎn)生攝動。上述兩者的作用將導致直流電壓和電流偏離平衡狀態(tài)，而HVDC控制將感應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，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度，則將形成一種正反饋性質(zhì)的扭振相互作用，不斷助增振動幅值，導致軸系扭振失穩(wěn)。

具有定電流（定功率）控制的直流輸電系統(tǒng)所輸送的功率是與網(wǎng)絡頻率無關的，因此直流輸電系統(tǒng)對汽輪發(fā)電機組的頻率振蕩不起阻尼作用，對汽輪發(fā)電機組的次同步振蕩也不起阻尼作用。但這本身不足以構(gòu)成次同步振蕩不穩(wěn)定。只有在一系列不利因素同時作用時，才可能產(chǎn)生次同步振蕩不穩(wěn)定。這些不利因素包括：

1、汽輪發(fā)電機組與直流輸電整流站距離很近;

2、該汽輪發(fā)電機組與交流大電網(wǎng)聯(lián)系薄弱;

3、該汽輪發(fā)電機組的額定功率與直流輸電輸送的額定功率在同一個數(shù)量級上。

次同步振蕩與HVDC系統(tǒng)運行工況、控制參數(shù)、輸送功率、直流線路參數(shù)，以及發(fā)電機同直流輸電線的耦合緊密程度等因素有關。

三、盤南電廠次同步振蕩分析的研究方法

對于次同步振蕩問題的重視起源于上世紀六十年代發(fā)生在美國Mohave電廠的軸系扭振事故，時至今日較成熟的電力系統(tǒng)次同步振蕩問題分析方法主要有：機組作用系數(shù)法、特征值分析法、復轉(zhuǎn)矩系數(shù)法、時域仿真法。粗選方法是機組作用系數(shù)法，細選方法包括特征值分析法、復轉(zhuǎn)矩系數(shù)法、時域仿真法，對于盤南電廠次同步振蕩分析的機網(wǎng)仿真模型主要采用時域仿真法展開分析。時域仿真可用于分析包括次同步振蕩在內(nèi)的各種機網(wǎng)相互作用問題，它采用數(shù)值積分的方法逐步求解描述整個系統(tǒng)的微分方程組。它可以詳細模擬發(fā)電機、系統(tǒng)控制器，以及各種類型故障、斷路器動作等，還可以考慮各種非線性設備的暫態(tài)過程。該方法采用的模型可以是線性的，也可以是非線性的，網(wǎng)絡元件可以采用集中參數(shù)模型，也可采用分布參數(shù)模型。發(fā)電機軸系的質(zhì)量塊-彈簧模型中的軸系可以劃分得更細，甚至可以采用分布參數(shù)模型。利用該方法，不但能對電網(wǎng)中由于小擾動引起的次同步諧振進行分析，還可以對電網(wǎng)大擾動過程（如故障、進行重合閘等）引發(fā)的次同步諧振問題進行分析。

四、盤南電廠次同步振蕩風險評估

在建立了盤南電廠軸系參數(shù)模型和電氣參數(shù)模型后，利用PSCAD/EMTDC軟件來建立盤南電廠的SSO機網(wǎng)仿真模型，用以評估盤南電廠次同步振蕩風險。在電網(wǎng)的各類運行方式下，重點計算盤南電廠在全線運行方式下貴廣Ⅰ、Ⅱ回直流線路對盤南電廠的機組作用系數(shù)（UIF），UIF值越大，表明次同步振蕩風險越高。為節(jié)約篇幅，以下僅列出電網(wǎng)各類運行方式下，八河至興仁換一條檢修狀態(tài)時盤南電廠的風險評估，所有方式均按照盤南電廠投入3臺發(fā)電機滿負荷運行計算。

分析上述表格數(shù)據(jù)可以得到，當枯大運行，八河-興仁換一條線路檢修，停光照電廠時，盤南電廠的UIF系數(shù)大于閾值0.1，說明在這種情況下，盤南電廠受直流換流站影響較大，極有可能發(fā)生次同步振蕩。從盤南電廠的機組綜合作用系數(shù)的構(gòu)成來分析，來自興安直流的機組作用系數(shù)大于來自高肇直流的機組作用系數(shù)，說明興安直流與盤南電廠的相互作用大于高肇直流與盤南電廠的相互作用，這與盤南電廠的地理接線情況有關：盤南電廠發(fā)電機組經(jīng)升壓變后，通過雙回線直接與興安直流的興仁換流站的交流側(cè)相連，所以盤南電廠受興安直流的影響較大，這也是其易發(fā)生SSO問題的原因之一。

五、附加勵磁阻尼控制器（SEDC）的工作原理

SEDC作為一種抑制次同步諧振或振蕩（SSR/SSO）的有效手段，最早于20世紀70年代在美國兩個電廠（Navajo和Jim Bridger）得到應用。國內(nèi)首例SEDC工業(yè)裝置安裝于內(nèi)蒙古上都電廠，用以解決固定串補輸電帶來的SSR問題，并通過現(xiàn)場試驗驗證了控制效果。

SEDC的功能結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。其采用汽輪機高壓缸轉(zhuǎn)速信號作為反饋信號，通過帶通濾波得到各個扭振模態(tài)的振蕩分量，再經(jīng)過比例和移相環(huán)節(jié)得到各個模態(tài)的控制信號，相加后形成總的SEDC控制輸出，經(jīng)限幅后疊加到勵磁調(diào)節(jié)器的控制信號上，從而在勵磁繞組上產(chǎn)生次同步頻率電壓和電流，進而形成次同步頻率的附加電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)抑制SSO的目的。

勵磁系統(tǒng)模型一般由自動電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)（AVR）、PSS及各種限制、保護器組成。其中：AVR產(chǎn)生勵磁電壓的直流分量，維持機端電壓;PSS產(chǎn)生勵磁電壓的低頻分量（一般是0.2～2.5Hz），控制系統(tǒng)可能產(chǎn)生的低頻的機電振蕩模態(tài)。

附加勵磁阻尼控制器（SEDC）通過勵磁系統(tǒng)抑制SSR。SEDC產(chǎn)生的模態(tài)控制信號是疊加在勵磁調(diào)節(jié)器原有控制信號上，并共同作用于可控硅整流裝置來實現(xiàn)阻尼SSO目標的。附加勵磁阻尼控制器（SEDC）產(chǎn)生勵磁電壓的次同步頻率分量（一般是10～40Hz），抑制系統(tǒng)可能產(chǎn)生的SSO模態(tài)。

廣義上講，三者的控制輸出是獨立的，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，SEDC并不會產(chǎn)生直流或低頻的勵磁電壓分量，因此不會影響勵磁系統(tǒng)（AVR和PSS）的功能。

六、項目進度

盤南電廠附加勵磁阻尼控制器的研究和試驗是貴州電力系統(tǒng)“基于次同步振蕩的附加勵磁阻尼和次同步阻尼協(xié)同抑制”科研項目的一部分。在盤南電廠開展的研究和調(diào)試工作主要分為四個階段，首先是電網(wǎng)次同步振蕩對盤南電廠影響的理論分析;其次是SEDC與ABB公司UNITROL 5000勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗室仿真接口通過性試驗，第三階段是SEDC與ABB公司UNITROL 5000勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)接口的RTDS動模仿真試驗，最后是現(xiàn)場動態(tài)接口和模擬仿真試驗。

1、試驗室仿真接口通過性試驗

項目第一階段電網(wǎng)次同步振蕩對盤南電廠影響的理論分析主要由華北電力大學承擔，盤南電廠主要參與的是后三個階段的試驗和調(diào)試工作。第二階段SEDC與ABB公司UNITROL 5000勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗室仿真接口通過性試驗主要考察SEDC次同步頻率控制信號通過ABB UNITROL 5000勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的情況，將SEDC 輸出信號疊加在勵磁系統(tǒng)控制信號上，作為勵磁系統(tǒng)最終的控制信號控制勵磁整流橋。記錄SEDC 輸出信號，勵磁系統(tǒng)控制信號，勵磁整流橋輸出勵磁電壓，勵磁電流。試驗的主要目的在于考察SEDC次同步頻率控制信號通過ABB UNITROL 5000勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，對勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能以及PSS不能有影響。

通過性試驗表明：SEDC輸出16Hz、26Hz、30Hz控制信號時能夠通過勵磁整流橋，不產(chǎn)生其他頻率分量，不相互影響;SEDC控制信號不影響勵磁系統(tǒng)正常輸出（勵磁電壓直流分量仍約為17.0 V）;SEDC控制信號與勵磁整流橋勵磁電壓與勵磁電流幅值成正比關系;幅值相同，但頻率不同的勵磁電壓會產(chǎn)生不同幅值的勵磁電流，原因是負載阻抗隨頻率增加而增大，導致勵磁電流隨頻率增加而減小。

2、RTDS動模仿真試驗

RTDS動模仿真試驗首先利用實時數(shù)字仿真儀RTDS整理收集盤南電廠發(fā)電機組、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)，進行系統(tǒng)建模。在這一模型下開展SEDC參數(shù)優(yōu)化及抑制效果試驗，整定優(yōu)化SEDC參數(shù)，進行RTDS仿真模擬系統(tǒng)在各種關鍵、典型運行方式下由故障引發(fā)的次同步振蕩，實現(xiàn)次同步振蕩的抑制效果。

試驗以盤南電廠為研究對象，其余的外部機組和網(wǎng)絡進行等值，基于RTDS仿真模擬枯大模式，全線運行不停機情況下構(gòu)造各種故障引發(fā)次同步振蕩，將實際勵磁控制器和SEDC裝置接入RTDS仿真模型進行閉環(huán)試驗，分析驗證各種情況下SEDC抑制次同步振蕩的效果，同時重復驗證SEDC輸出次同步信號的勵磁通過性。

RTDS動模仿真試驗主要驗證了SEDC裝置在動態(tài)模型中對于抑制盤南電廠直流輸電工程產(chǎn)生的次同步振蕩問題，本次試驗結(jié)果說明：

1）SEDC裝置與勵磁系統(tǒng)相配合能夠滿足盤南電廠抑制次同步振蕩的需要;

2）輸出次同步頻率控制信號能夠通過勵磁系統(tǒng)形成次同步頻率的勵磁電壓，在不產(chǎn)生其他頻率諧波分量，不影響勵磁電壓直流分量的同時，能夠保證與控制信號的線性關系;

3）SEDC同時輸出多個次同步頻率控制信號至勵磁系統(tǒng)時，信號之間不會產(chǎn)生相互影響，且仍能保持第2條中單獨輸入時的特性;

4）SEDC裝置接入勵磁系統(tǒng)對勵磁系統(tǒng)原有的功能無影響;

5）在典型大擾動情況下，加裝SEDC可以提高對次同步振蕩的阻尼，明顯加快次同步振蕩產(chǎn)生扭振的收斂速度。

3、現(xiàn)場動態(tài)接口試驗

試驗前，在盤南電廠#1機組上安裝了北京四方公司生產(chǎn)的CSC-811P型汽輪發(fā)電機組附加勵磁阻尼控制裝置，并開放了盤南電廠#1機組的勵磁系統(tǒng)與試驗用激勵裝置（SEDC裝置）的相關接口?，F(xiàn)場動態(tài)接口試驗的目的在于實測盤南電廠#1機組汽輪機軸系的次同步模態(tài)頻率和阻尼，并整定SEDC裝置參數(shù)，測試SEDC裝置對PSS功能的影響，考察SEDC對次同步振蕩抑制的效果。

現(xiàn)場動態(tài)接口試驗分為以下幾個試驗：

1）勵磁現(xiàn)場通過性試驗，利用CSC-817汽輪發(fā)電機組軸系扭振測試儀輸出次同步頻率電流信號，觀察勵磁調(diào)節(jié)器的響應，判斷接口是否正常工作;

2）頻率掃描試驗，確定機組準確的模態(tài)頻率;

3）阻尼模態(tài)測量試驗，確定機組的阻尼水平;

4）SEDC裝置的開環(huán)特性測試，激發(fā)-抑制試驗，整定SEDC的移相、增益參數(shù)，檢驗機組SEDC裝置的激勵抑制效果。

5）PSS阻尼效果校核試驗，檢驗機組在有無SEDC兩種情況下的PSS阻尼效果有無區(qū)別。

七、汽輪發(fā)電機組軸系扭振附加勵磁阻尼控制器簡介

盤南電廠目前選用的SEDC是北京四方公司生產(chǎn)的CSC-811P 系列汽輪發(fā)電機組軸系扭振附加勵磁阻尼控制器，該控制器運用最優(yōu)綜合勵磁控制實現(xiàn)對發(fā)電機次同步諧振大范圍內(nèi)所有振蕩模式的抑制，進而提高機組對于次同步振蕩的模態(tài)阻尼。四方公司是目前國內(nèi)唯一提供機組軸系扭振保護與控制設備的廠家，這項技術(shù)填補了國內(nèi)這項領域的空白，為解決我國次同步振蕩問題提供了一種有效的控制和保護手段。

八、現(xiàn)場模擬仿真附加勵磁阻尼控制器（SEDC）抑制效果分析

本文第四節(jié)中對于盤南電廠次同步振蕩風險評估已有結(jié)論，當枯大運行，八河-興仁換一條線路檢修，停光照電廠時，盤南電廠發(fā)生次同步振蕩的風險為最大。針對這種運行方式，現(xiàn)場模擬仿真附加勵磁阻尼控制器（SEDC）對于SSO的抑制效果。

1、盤南電廠不加SEDC時：盤南1#機組轉(zhuǎn)速差緩慢收斂，模態(tài)一的衰減率為-0.0116，模態(tài)二的衰減率為-0.0176，模態(tài)三的衰減率為-0.0425。

2、盤南電廠只在1#機組施加SEDC時：盤南1#機組轉(zhuǎn)速差快速收斂，模態(tài)一的衰減率為-0.1671，模態(tài)二的衰減率為-0.0834，模態(tài)三的衰減率為-0.2305。

相對于沒有施加SEDC控制的1#機組轉(zhuǎn)速差收斂效果而言，施加了SEDC控制的1#機組具有更加明顯的收斂效果。通過現(xiàn)場模擬仿真附加勵磁阻尼控制器（SEDC）抑制效果分析表明：采用SEDC控制能顯著提高各個扭振模態(tài)的阻尼，有效抑制次同步振蕩，在所有擾動試驗下軸系扭振收斂時間不超過20秒，保證了機組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，達到了預期的控制目標，同時SEDC能顯著提高機組模態(tài)阻尼，有效抑制盤南電廠的次同步振蕩（SSO），防止汽輪發(fā)電機組軸系因扭振而損壞。

九、次同步振蕩抑制系統(tǒng)功能展望

隨著遠距離，大功率直流輸電系統(tǒng)的普及，由于次同步振蕩造成與直流換流站電氣聯(lián)系較強的發(fā)電機汽輪機組大軸扭振的問題的嚴重性日益加強，考慮到直流輸電系統(tǒng)中次同步阻尼（SSDC）對抑制大擾動引發(fā)的次同步振蕩非常有效，但在電網(wǎng)出現(xiàn)幅值較小的擾動時難以有效抑制次同步振蕩，對于類似于盤南電廠這樣距離換流站比較近的發(fā)電廠，目前提出了附加勵磁阻尼（SEDC）和次同步阻尼（SSDC）的協(xié)同抑制方案，在發(fā)電機組側(cè)施加SEDC，在換流站側(cè)施加SSDC，進一步抑制電網(wǎng)中出現(xiàn)的小幅擾動現(xiàn)象，消除機組軸系疲勞損耗。

參考文獻：

[1]《基于附加勵磁阻尼和直流阻尼控制的次同步振蕩協(xié)同抑制研究-技術(shù)報告》北京四方公司、華北電力大學、貴州電力試驗研究院

[2]《基于附加勵磁阻尼和直流阻尼控制的次同步振蕩協(xié)同抑制研究4-RTDS動模試驗報告》北京四方公司、華北電力大學、貴州電力試驗研究院、盤南電廠

[3]《盤南電廠#1機SEDC性能試驗報告》北京四方公司、盤南電廠、貴州電力試驗院

[4]《貴州盤南電廠#1機組SEDC參數(shù)測量試驗報告》北京四方公司、盤南電廠、貴州電力試驗研究院

作者簡介：許新宇，1972年10月19日出生，男，貴州粵黔電力有限責任公司總經(jīng)理，1995年畢業(yè)于上海電力學院自動控制系熱工過程自動化專業(yè)，2014年01月畢業(yè)于四川網(wǎng)絡教育工商管理專業(yè)本科，1995年7月進入某廠參加工作。