劉代祥，汪 立

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

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振是指在發(fā)生機(jī)電擾動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩之間失去平衡，使軸系這個(gè)彈性質(zhì)量系統(tǒng)產(chǎn)生一種振動(dòng)形式——扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。引起扭振的原因來(lái)自?xún)煞矫?機(jī)械擾動(dòng)與電氣擾動(dòng)。前者主要指不適當(dāng)?shù)倪M(jìn)汽方式、調(diào)速系統(tǒng)晃動(dòng)、快控汽門(mén)等。后者一般根據(jù)大小分為兩類(lèi):一類(lèi)是由串聯(lián)電容補(bǔ)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(lèi)是指各種急劇擾動(dòng)造成的暫態(tài)沖擊，如短路、自動(dòng)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(jī)組的次同步振蕩問(wèn)題，1977年首先在美國(guó)Square Butte直流輸電工程調(diào)試時(shí)被發(fā)現(xiàn)，后來(lái)，在美國(guó)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(gè)或幾個(gè)頻率下與汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量交換。由于汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性較大，表現(xiàn)出對(duì)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(jī)電共振直接嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，次同步振蕩現(xiàn)象會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)直接的重大危險(xiǎn)。

1 次同步振蕩產(chǎn)生的機(jī)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(jī)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(jī)組軸系扭振相互作用的機(jī)理，可用圖1進(jìn)行解釋:若機(jī)組軸系受到電磁轉(zhuǎn)矩的小擾動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致某一扭振模態(tài)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角攝動(dòng)(△ω和△θ)，將引起機(jī)端電壓幅值與相位的相應(yīng)攝動(dòng)(△V和△θV)，從而導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓幅值與相位的攝動(dòng)。對(duì)應(yīng)于換流母線電壓相位的攝動(dòng)，換流閥觸發(fā)角將產(chǎn)生相同的攝動(dòng)(△a)，從而導(dǎo)致直流電壓和電流產(chǎn)生攝動(dòng)(△Vdr和△Id);而對(duì)應(yīng)于換流母線電壓幅值的攝動(dòng)，同樣也會(huì)使直流電壓和電流產(chǎn)生攝動(dòng)。

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(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的攝動(dòng)(ΔTe)，最終又反饋?zhàn)饔糜跈C(jī)組軸系。如果發(fā)電機(jī)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(guò)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(dòng)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(pán)南電廠引入扭振保護(hù)的必要性

盤(pán)南電廠4×600 MW機(jī)組全部投入運(yùn)行，電廠通過(guò)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(guò)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(yùn)行(電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示)。

圖2 盤(pán)南電廠所在區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

由于盤(pán)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(jì)算分析，當(dāng)直流換流站投入運(yùn)行時(shí)，盤(pán)南電廠機(jī)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(yùn)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(yùn)行方式是產(chǎn)生SSO問(wèn)題的最嚴(yán)重的方式，即當(dāng)盤(pán)南電廠孤島運(yùn)行或天換線停運(yùn)時(shí)發(fā)生次同步振蕩的可能性最大。

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

表1 汽輪發(fā)電機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)特征頻率

時(shí)域仿真的結(jié)果表明，盤(pán)南電廠機(jī)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(pán)南電廠機(jī)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(gè)非常復(fù)雜的電網(wǎng)，當(dāng)各種沒(méi)有考慮到的或超出設(shè)計(jì)范圍之外的特殊運(yùn)行方式出現(xiàn)時(shí)，換流站附近的發(fā)電機(jī)組同樣可能產(chǎn)生次同步振蕩，因此必須在盤(pán)南電廠各臺(tái)機(jī)組上安裝軸系扭振保護(hù)裝置(torsional stress relay，TSR)，作為發(fā)電機(jī)組防止產(chǎn)生SSO的后備措施和最后一道防線，當(dāng)機(jī)組發(fā)生次同步振蕩且振蕩達(dá)到一定的程度時(shí)可以切除發(fā)電機(jī)組，以保護(hù)機(jī)組的安全。

3 盤(pán)南電廠TSR保護(hù)配置

每臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組裝設(shè)兩套CSC－812型扭振保護(hù)(TSR)，CSC－812裝置通過(guò)在機(jī)端監(jiān)測(cè)扭振信號(hào)經(jīng)解調(diào)后計(jì)算出軸系各段的疲勞，采用特殊的實(shí)時(shí)算法計(jì)算實(shí)時(shí)疲勞。每臺(tái)TSR對(duì)每臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組都有單獨(dú)的輸入信號(hào)和跳閘輸出(TSR監(jiān)測(cè)原理結(jié)構(gòu)圖)，2套TSR保護(hù)之間無(wú)任何電氣聯(lián)系，當(dāng)一套TSR保護(hù)因異常退出或檢修時(shí)，不影響另一套TSR保護(hù)正常運(yùn)行。TSR保護(hù)功能有反時(shí)限疲勞保護(hù)和扭振發(fā)散保護(hù)。

TSR保護(hù)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(jī)組軸系扭振保護(hù)，以保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系安全為主要目的。

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

3)在SSO工況下，盤(pán)南電廠4臺(tái)600 MW機(jī)組TSR各自獨(dú)立按照整定定值動(dòng)作，暫不考慮4臺(tái)機(jī)組切機(jī)的疲勞定值的配合。

4)盤(pán)南電廠TSR保護(hù)的疲勞整定定值定為1%動(dòng)作，即機(jī)組軸系經(jīng)過(guò)一次擾動(dòng)產(chǎn)生的疲勞損耗達(dá)到軸系疲勞壽命的1%時(shí)，TSR保護(hù)動(dòng)作。

模態(tài)1值為0.33 rad/s時(shí)達(dá)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(shí)達(dá)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(shí)達(dá)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(hù)可靠性驗(yàn)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(shí)2號(hào)機(jī)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(yùn)行試驗(yàn)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(guò)離線分析，3個(gè)模態(tài)幅值均未達(dá)到軸系扭轉(zhuǎn)疲勞累計(jì)，其中模態(tài)2幅值最大，但距疲勞累計(jì)值也較遠(yuǎn)，且在20 s內(nèi)完成衰減，因此對(duì)機(jī)組軸系疲勞無(wú)影響。

2)圖5是興仁換流站進(jìn)行降壓運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)錄下的波形。

由于降壓運(yùn)行是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，所以由圖5可知3個(gè)模態(tài)的幅值都很小，即使是模態(tài)3的幅值也遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到錄波啟動(dòng)的門(mén)檻值0.2，所以它對(duì)機(jī)組的大軸不會(huì)產(chǎn)生影響。

3)圖6是功率波動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的錄波圖形。

圖6 功率波動(dòng)試驗(yàn)的模態(tài)波形

由圖6可知在HVDC系統(tǒng)做小的功率波動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，3個(gè)模態(tài)中只有模態(tài)3有一點(diǎn)很小的反應(yīng)，其他兩個(gè)模態(tài)基本上沒(méi)有變化，所以這種功率波動(dòng)試驗(yàn)對(duì)機(jī)組不會(huì)有影響。

5 盤(pán)南電廠的SSO問(wèn)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(duì)盤(pán)南電廠軸系扭振保護(hù)裝置(TSR)的動(dòng)模試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在各種運(yùn)行方式下(正常運(yùn)行、八換線檢修、天換線檢修和電廠孤島運(yùn)行等各種運(yùn)行方式)，直流投入SSDC均可有效抑制次同步振蕩，不會(huì)引起TSR裝置動(dòng)作。針對(duì)盤(pán)南電廠負(fù)荷通過(guò)雙回直流線路送出引發(fā)的SSO問(wèn)題，從TSR裝置做靜態(tài)試驗(yàn)到機(jī)組的啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)組正常運(yùn)行，再到興仁換流站的在線功率波動(dòng)試驗(yàn)及直流閉鎖試驗(yàn)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(pán)南電廠的SSO問(wèn)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(jī)組的SSO問(wèn)題將會(huì)日益復(fù)雜，隨著對(duì)機(jī)組SSO問(wèn)題的深入研究，提出了采用汽輪發(fā)電機(jī)組附加勵(lì)磁阻尼控制器(supplementary excitation damping controller，SEDC)來(lái)抑制機(jī)組的次同步振蕩的方法。

6.1 SEDC 裝置原理

目前國(guó)內(nèi)的SEDC裝置是通過(guò)安裝在汽輪發(fā)電機(jī)組上的軸系測(cè)速傳感器，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視和分析，并對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行濾波的解調(diào)處理，進(jìn)而得到與轉(zhuǎn)子的固有扭振頻率相對(duì)應(yīng)的扭振分量，再經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)扭振模態(tài)信號(hào)的比例移相處理，形成各個(gè)模態(tài)的控制信號(hào)，同時(shí)考慮勵(lì)磁控制器的容量限制進(jìn)行限幅，將各個(gè)模態(tài)的控制信號(hào)進(jìn)行疊加形成總的SEDC控制輸出信號(hào)，將此控制輸出信號(hào)疊加到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)上，通過(guò)勵(lì)磁控制器產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)電機(jī)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(jìn)而形成與機(jī)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(gè)轉(zhuǎn)矩就能對(duì)軸系的次同步扭振起到正阻尼作用，從而抵消機(jī)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(lì)磁阻尼控制器(SEDC)在伊敏發(fā)電廠，成功完成了二期兩臺(tái)600 MW機(jī)組的扭振激發(fā)、抑制試驗(yàn)和串補(bǔ)投退、拉合線路等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

圖8為投伊馮乙線固定串補(bǔ)時(shí)，分別在有/無(wú)SEDC情況下，3號(hào)機(jī)組模態(tài)2的轉(zhuǎn)速差對(duì)比圖。通過(guò)計(jì)算分析，無(wú)SEDC投固定串補(bǔ)時(shí)，3號(hào)機(jī)組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.063，收斂時(shí)間34 s;有SEDC投固定串補(bǔ)時(shí)，3號(hào)機(jī)組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.199，收斂時(shí)間12 s。

圖7 SEDC的邏輯應(yīng)用原理框圖

圖8 投固定串補(bǔ)3號(hào)機(jī)組模態(tài)2動(dòng)態(tài)過(guò)程

圖9 投可控串補(bǔ)4號(hào)機(jī)模態(tài)2動(dòng)態(tài)過(guò)程

圖10 拉線路3號(hào)機(jī)模態(tài)2動(dòng)態(tài)過(guò)程

圖11 合線路3號(hào)機(jī)模態(tài)2動(dòng)態(tài)過(guò)程

圖9為投伊馮乙線可控串補(bǔ)時(shí)，分別有/無(wú)SEDC情況下，4號(hào)機(jī)組模態(tài)2的轉(zhuǎn)速差對(duì)比圖。通過(guò)計(jì)算分析，無(wú)SEDC投可控串補(bǔ)時(shí)，4號(hào)機(jī)組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.041，收斂時(shí)間32 s;有SEDC投可控串補(bǔ)時(shí)，4號(hào)機(jī)組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.127，收斂時(shí)間20 s。

圖10為拉開(kāi)伊馮乙線時(shí)，有/無(wú)SEDC情況下，3號(hào)機(jī)組模態(tài)2的轉(zhuǎn)速差對(duì)比圖。通過(guò)計(jì)算分析，無(wú)SEDC拉開(kāi)線路時(shí)，3號(hào)機(jī)組模態(tài)2衰 減 系數(shù) 為0.041，收斂時(shí)間50 s;有SEDC拉開(kāi)線路時(shí)，3號(hào)機(jī)組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.194，收斂時(shí)間12 s。

圖11為合伊馮乙線時(shí)，有/無(wú)SEDC情況下，3號(hào)機(jī)組模態(tài)2的轉(zhuǎn)速差對(duì)比圖。通過(guò)計(jì)算分析，無(wú)SEDC合線路時(shí)，3號(hào)機(jī)組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.092，收斂時(shí)間33 s;有SEDC合線路時(shí)，3號(hào)機(jī)組模態(tài)2衰減系數(shù)為0.244，收斂時(shí)間13 s。

7 結(jié)語(yǔ)

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