卓 華

（中國神華能源股份有限公司國華電力分公司，北京 100025）

0 前言

串聯(lián)電容補(bǔ)償用于遠(yuǎn)距離輸電具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可大幅減少線路走廊，近年來應(yīng)用日益廣泛；但是，由串補(bǔ)引起的火電機(jī)組的次同步諧振[1,2]問題如不妥善解決，會(huì)嚴(yán)重威脅機(jī)組運(yùn)行安全，或影響電力的正常送出和經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)。

國內(nèi)錦界電廠[3]就存在上述問題，該電廠 4臺600MW機(jī)組通過439公里的500kV緊湊型線路接入河北南網(wǎng)，在正常和檢修方式下均存在SSR問題，嚴(yán)重威脅電廠機(jī)組安全。

當(dāng)時(shí)國內(nèi)除托克托和上都電廠[4]對SSR問題進(jìn)行過相對較多的研究之外，并無關(guān)于SSR問題的系統(tǒng)研究，各電廠也是根據(jù)自己的實(shí)際情況去選擇相應(yīng)的解決方案，在本文中我們主要針對錦界電廠采用SVC方案進(jìn)行詳細(xì)研究和可行性分析。

1 錦界電廠串補(bǔ)輸電系統(tǒng)

地處陜北能源基地的錦界電廠是“西電東送”大型坑口電廠，電廠一、二期4臺600MW機(jī)組已投產(chǎn)，通過錦界—忻州雙回和忻州—石北三回500kV線路向河北南網(wǎng)送電，在錦忻雙回忻州側(cè)和忻石三回忻州側(cè)均裝設(shè)串補(bǔ)度為 35%的固定串補(bǔ)。府谷電廠一期工程2×600MW通過府谷—忻州單回500kV線路接入系統(tǒng)。

電廠 4臺機(jī)組均采用QFSN-600-2型火力發(fā)電機(jī)組，軸系的次同步固有扭振頻率為 13.02Hz、22.77Hz和28.16Hz。

2 次同步諧振風(fēng)險(xiǎn)評估

對軸系扭振模態(tài)的阻尼分析是評估SSR風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵，分別采用特征根法、復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法、時(shí)域仿真法等方法，選取上千種運(yùn)行方式，對錦界電廠SSR問題進(jìn)行了上萬次計(jì)算和仿真研究。結(jié)果表明：

（1）模態(tài)1在所有運(yùn)行方式下是穩(wěn)定的；

（2）模態(tài)2在正常運(yùn)行方式下基本上是穩(wěn)定的，但在一些機(jī)組出力較小且部分線路停運(yùn)的方式下不穩(wěn)定；

（3）模態(tài)3是在大多數(shù)運(yùn)行方式下不穩(wěn)定，是最危險(xiǎn)的次同步模態(tài)；

（4）基于 PSCAD/EMTDC電磁仿真軟件的故障仿真分析顯示：在錦忻線和忻石線上發(fā)生單相短路故障及更嚴(yán)重的擾動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)SSR發(fā)散。

電廠機(jī)組大部分正常和N－1方式均是SSR不穩(wěn)定，存在嚴(yán)重的SSR問題，必須采取有效的SSR預(yù)防抑制措施方能運(yùn)行。

圖1 錦界電廠接入系統(tǒng)接線圖

3 SSR解決方案

3.1 SSR解決方案初選

SSR風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果表明，在系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下電廠機(jī)組存在SSR問題，必須采取有效主動(dòng)抑制措施。

針對當(dāng)時(shí)電廠的實(shí)際情況，只能在電廠采取措施解決SSR問題。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，在電廠可以采用附加勵(lì)磁阻尼控制（SEDC）來抑制SSR，可以采用阻塞濾波器來預(yù)防SSR問題；還可以采用SSR動(dòng)態(tài)穩(wěn)定器(SSR-DS)來抑制 SSR。由于電廠已經(jīng)使用三相一體的升壓變壓器，且阻塞濾波器方案投資最高，只能作為備選方案。為此，重點(diǎn)研究了SEDC和SSD-DS兩種方案。

3.2 SEDC方案研究

SEDC方案類似于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)，通過在勵(lì)磁回路中反饋軸系扭振信號，當(dāng)反饋增益和相位控制合適時(shí)可以在發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生抑制次同步扭振的脈動(dòng)扭矩。由于勵(lì)磁繞組電抗很高，扭振信號的頻率較1～2Hz的低頻振蕩信號又要高得多，因此，SEDC的增益通常很高，在小擾動(dòng)時(shí)能夠發(fā)揮作用，當(dāng)電力系統(tǒng)常見的故障等大擾動(dòng)出現(xiàn)后，其控制信號往往被頂勵(lì)或者勵(lì)磁系統(tǒng)的能力所限幅，影響效果的發(fā)揮。

分別采用特征根、復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)和數(shù)值仿真方法研究了SEDC方案的可行性。研究表明，當(dāng)反饋增益足夠高時(shí)SEDC可以保證需要考慮的主要運(yùn)行方式SSR小擾動(dòng)穩(wěn)定，但不能保證常見單一故障時(shí)機(jī)組的 SSR穩(wěn)定。圖2和圖3給出了SEDC方案在不同故障后的機(jī)組扭振情況。因此，SEDC方案不能妥善解決錦界電廠的SSR問題。

圖2 機(jī)組半載，一回出線單瞬故障后機(jī)組穩(wěn)定

圖3 機(jī)組半載，一回出線單永故障所有機(jī)組失穩(wěn)

3.3 SSR-DS方案研究

3.3.1 SSR-DS方案簡介

將SVC的重要部件晶閘管控制的電抗器（TCR）并聯(lián)在被保護(hù)發(fā)電機(jī)的機(jī)端母線或距離機(jī)組電氣距離較近的位置上，通過調(diào)制TCR中的電流來阻尼SSR。這種SVC也稱為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定器（SSR-DS）。TCR的一次接線方式見圖4。

圖4 相控電抗器接線示意圖

SSR-DS裝置的原理是調(diào)制TCR等值阻抗(或電納)隨軸系扭振的模態(tài)轉(zhuǎn)速的變化量，在發(fā)電機(jī)工頻電壓的作用下除了產(chǎn)生同步頻率電流外，還有次同步頻率和超同步頻率的電流，這種電流可在發(fā)電機(jī)大軸上產(chǎn)生次同步頻率的脈動(dòng)扭矩，該扭矩當(dāng)相位合適時(shí)可以阻尼軸系扭振。

利用一個(gè)簡單的比例型控制器就可實(shí)現(xiàn)SSR的控制目標(biāo)，但因存在轉(zhuǎn)送偏差測量系統(tǒng)中濾波器引起的時(shí)間延遲以及晶閘管觸發(fā)的固有延遲，需利用超前滯后環(huán)節(jié)對這些延遲進(jìn)行相位補(bǔ)償，完整的比例型控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 比例控制器結(jié)構(gòu)示意圖

SVC的轉(zhuǎn)速控制信號取自運(yùn)行機(jī)組的平均轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)放大環(huán)節(jié)，產(chǎn)生一個(gè)與其成比例的信號，再經(jīng)相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，最終使TCR無功電流與轉(zhuǎn)速偏差反相，實(shí)現(xiàn)對SSR的抑制。而穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)TCR以某一固定導(dǎo)通角穩(wěn)定運(yùn)行，相當(dāng)于一穩(wěn)定且連續(xù)的無功負(fù)荷。TCR作為一個(gè)并聯(lián)裝置，它不需要承擔(dān)發(fā)電機(jī)的全電流，并且它對系統(tǒng)頻率的波動(dòng)也不敏感。

為實(shí)現(xiàn)對各個(gè)模態(tài)的SSR的抑制，圖5中的轉(zhuǎn)速偏差應(yīng)采用相應(yīng)模態(tài)的濾波器濾波后的量，圖5中的ΔB是各模態(tài)的量的和，從而實(shí)現(xiàn)對各個(gè)模態(tài)轉(zhuǎn)速的控制。

SSR-DS系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：

因SSR-DS的容量可以根據(jù)機(jī)組SSR問題的嚴(yán)重程度進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以很好地保護(hù)暫態(tài)扭矩問題不是很嚴(yán)重，但機(jī)網(wǎng)復(fù)合共振問題比較嚴(yán)重的機(jī)組。

其投資也要相對既能解決暫態(tài)扭矩放大又能解決機(jī)網(wǎng)復(fù)合共振問題的阻塞濾波器方案低得多。

3.3.2 特征根計(jì)算分析

采用特征根分析法，對錦界電廠二期工程SSR小干擾穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。

電廠機(jī)組的電氣參數(shù)為：

機(jī)組軸系參數(shù)見表1。

表1 錦界電廠機(jī)組4段質(zhì)量模型參數(shù)

根據(jù)以前的研究經(jīng)驗(yàn)篩選出一些必需考慮的典型運(yùn)行方式，用于錦界電廠SSR抑制措施方案的計(jì)算分析，如表2所示。

表2 篩選出的運(yùn)行方式

模態(tài)1在所考慮的運(yùn)行方式下穩(wěn)定，模態(tài)2在少數(shù)方式下不穩(wěn)定，模態(tài)3在多數(shù)方式下不穩(wěn)定。

為了保證SVC工作有效必須對控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為此先取SVC容量為120 MVA，計(jì)算發(fā)電機(jī)組阻尼隨補(bǔ)償相位的關(guān)系曲線，針對前面擬定的19種運(yùn)行方式，分別計(jì)算各個(gè)模態(tài)阻尼隨補(bǔ)償相位的關(guān)系曲線，見圖6。

SVC阻尼控制器移相補(bǔ)償時(shí)間常數(shù)的整定計(jì)算需要折衷考慮多種運(yùn)行方式下的綜合阻尼效果。圖6給出了針對19種方式（包括正常和N－1），補(bǔ)償相位在0 ～ 360變化時(shí)模態(tài)阻尼（特征根實(shí)部）與補(bǔ)償相位的關(guān)系。通過對圖4的分析，電廠母線SVC移相補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)整定結(jié)果如表3所示。

表3 電廠母線SVC移相補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)

圖6 電廠母線SVC方案模態(tài)阻尼（特征根實(shí)部）與補(bǔ)償相位的關(guān)系

在電廠母線裝1臺120MVA的SVC，可以使所有模態(tài)達(dá)到SSR小干擾穩(wěn)定。

3.3.3 時(shí)域仿真計(jì)算分析

本分析計(jì)算中采用國際通用的電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC仿真工具進(jìn)行錦界電廠的SSR仿真計(jì)算工作，研究中的擾動(dòng)均為5s單相短路，持續(xù)0.1s后消失。

若不采用SSR的抑制措施，表2中所列大部分方式是SSR不穩(wěn)定的，圖7給出了表2中方式1的有無SSR-DS的高壓缸轉(zhuǎn)速偏差隨著時(shí)間的變化曲線。

圖7 機(jī)組全開正常方式仿真結(jié)果

時(shí)域仿真的結(jié)果表明，在采用 SSR-DS后，表2中所列的19種方式均是SSR穩(wěn)定的。

3.3.4 暫態(tài)扭矩放大風(fēng)險(xiǎn)評估

由于 SSR-DS是通過扭振信號負(fù)反饋的方式抑制SSR，因此對于常見的系統(tǒng)故障引起的暫態(tài)扭矩放大的暫態(tài)SSR問題能力有限，因此，采取SSR-DS以后電廠機(jī)組的暫態(tài)扭矩放大風(fēng)險(xiǎn)是否可以接受就成為該方案是否可行的決定因素，為此，在確認(rèn) SSR-DS能夠有效抑制機(jī)網(wǎng)復(fù)合共振以后，針對該方案對電廠機(jī)組面臨的暫態(tài)扭矩放大風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了全面的評估。

針對錦界電廠的輸電系統(tǒng)，考慮了不同的開機(jī)與出力方式，考慮了不同的故障型式與地點(diǎn)，并對部分嚴(yán)重方式的故障發(fā)生時(shí)刻進(jìn)行了靈敏度分析，采用PSCAD/EMTDC對系統(tǒng)的暫態(tài)過程進(jìn)行了仿真，計(jì)算不同機(jī)組的軸系危險(xiǎn)截面的扭矩，然后使用成熟扭振疲勞壽命評估軟件，采用雨流法對每個(gè)仿真方式進(jìn)行了軸系扭振疲勞壽命損耗計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明，在所有計(jì)算了的正常運(yùn)行方式中，電廠三機(jī)滿載一機(jī)空載，電廠線路出口發(fā)生三相短路故障，繼電保護(hù)正確動(dòng)作，空載機(jī)組軸系扭振疲勞壽命損耗最高，其最危險(xiǎn)的截面為高中壓轉(zhuǎn)子后頸截面，扭振疲勞壽命損耗為0.43‰，是無串補(bǔ)時(shí)的4.4倍；在所有的單一元件檢修方式中，最嚴(yán)重的情況是在上述相同的開機(jī)方式下，錦忻一回線的串補(bǔ)退出，另一回線路首端發(fā)生單相接地故障，重合閘不成功。其扭振疲勞壽命損耗最大的機(jī)組與截面亦與上述正常方式時(shí)相同，其最大扭振疲勞壽命損耗為1.0‰，是無串補(bǔ)時(shí)的10倍以上。

針對 SSR-DS方案，暫態(tài)扭矩放大風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果表明，錦界電廠因送出線路增加串補(bǔ)以后，其暫態(tài)扭矩放大效應(yīng)明顯，但是其運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)仍然是可以接受的，這表明SSR-DS方案是可行的。

4 實(shí)施效果

經(jīng)研究，SSR-DS裝置TCR容量為320MVar，即可完全解決錦界電廠的SSR問題，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，并充分考慮故障和檢修需求，SSR-DS裝置總?cè)萘科骄譃?組，每組80Mvar，每臺降壓變壓器35kV母線上配置2組；為保證電能質(zhì)量和提供容性無功的需求，每套SSR-DS配置3次、5次濾波電容器各1組，單套容量為40MVar；為減少設(shè)備耗電量，降低電廠的廠用電率，電抗器靜態(tài)工作點(diǎn)放在 40MVar（感性），與濾波電容器40MVar（容性）相互抵消，不調(diào)節(jié)時(shí)對外消耗功率為零。

根據(jù)本研究提出的 SSR-DS方案經(jīng)過一年多的工程實(shí)施，在投運(yùn)前的調(diào)試與驗(yàn)收試驗(yàn)過程中詳細(xì)驗(yàn)證了該方案必要性與可行性。試驗(yàn)表明，在電廠正常運(yùn)行，全程機(jī)組滿發(fā)，送出線路及其串補(bǔ)投入的情況下，退出 SSR-DS后，電廠所有機(jī)組的軸系扭振均逐步發(fā)散，在40s的時(shí)間內(nèi)各機(jī)組的軸系扭振保護(hù)全部啟動(dòng)，此時(shí)再投入 SSR-DS所有扭振均快速收斂，充分驗(yàn)證了SSR-DS的必要性及其效果。

錦界電廠SSR-DS于2009年5月正式投入運(yùn)行，運(yùn)行至今效果十分理想，SSR-DS裝置運(yùn)行至今未發(fā)生過因機(jī)組軸系扭振保護(hù)切除機(jī)組的事件，即使是其送出線路，包括主變高壓側(cè)發(fā)生十多次系統(tǒng)故障。錦界電廠最大機(jī)端出力從1850MW恢復(fù)至2400MW，經(jīng)濟(jì)效果十分可觀。

5 主要結(jié)論

通過相關(guān)計(jì)算分析表明，錦界電廠因送出線路增加了串聯(lián)電容補(bǔ)償，電廠機(jī)組存在較為嚴(yán)重的次同步諧振問題。

經(jīng)過多方案比較和全面論證，推薦選擇了SSR-DS作為電廠解決 SSR-DS的主要措施，實(shí)踐證明該方案經(jīng)濟(jì)有效，十分成功地解決了電廠所面臨的SSR問題。表明推薦的方案是十分合體的解決方案。

[1]程時(shí)杰, 曹一家, 江全元, 等. 電力系統(tǒng)次同步振蕩的理論和方法[M]. 科學(xué)出版社, 2009.

[2]倪以信, 陳壽孫, 張寶霖. 動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)的理論與分析[M]. 清華大學(xué)出版社, 2002.

[3]任樹東, 王紹德, 等. 陜西國華錦界電廠二期工程預(yù)防抑制次同步諧振方案研究[R].

[4]任樹東, 王紹德, 等. 上都電廠串補(bǔ)輸電方案次同步諧振專題研究[R].