張 治，扈 娟，趙偉華，王瑩瑩

（1.內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021130；2.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085）

SEDC在抑制鄂溫克電廠次同步振蕩中的應(yīng)用

張 治1，扈 娟1，趙偉華2，王瑩瑩2

（1.內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021130；2.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085）

從鄂溫克電廠次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估入手，研究了SEDC在解決鄂溫克電廠次同步振蕩問(wèn)題中的應(yīng)用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)SEDC的比例移相系數(shù)進(jìn)行整定優(yōu)化；采用勵(lì)磁注入激勵(lì)法激發(fā)出軸系扭振來(lái)檢驗(yàn)SEDC的抑制效果，結(jié)果表明SEDC可大幅提高機(jī)組的各階模態(tài)阻尼；對(duì)于外部持續(xù)擾動(dòng)，SEDC可發(fā)揮持續(xù)的抑制作用。SEDC可有效抑制鄂溫克電廠的次同步振蕩問(wèn)題，保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

次同步振蕩；SEDC；勵(lì)磁注入激勵(lì)法；模態(tài)阻尼

1 鄂溫克電廠送出系統(tǒng)

隨著遠(yuǎn)距離、大容量輸電需求的上升，為提高輸電能力而采用的串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)被大量運(yùn)用，直流輸電也迅猛發(fā)展［1］。串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)在提高輸電能力的同時(shí)，也給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了一定風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作不當(dāng)可能引發(fā)電力系統(tǒng)的次同步振蕩問(wèn)題［2－4］。

鄂溫克電廠現(xiàn)有2 600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，電廠位于呼倫貝爾煤電基地，通過(guò)±500 kV呼遼直流、500 kV伊馮交流串補(bǔ)線路向東北電網(wǎng)送電，鄂溫克電廠送出系統(tǒng)如圖1所示。呼盟煤電機(jī)組有鄂溫克、呼倫貝爾、伊敏三個(gè)大型火力發(fā)電廠。伊敏發(fā)電廠一期、二期機(jī)組通過(guò)雙回交流串補(bǔ)500 kV線路接入東北電網(wǎng)馮屯變電站，在伊馮雙回線上加裝固定串補(bǔ)及可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償度按15%可控串補(bǔ)＋30%固定串補(bǔ)裝設(shè)。伊敏電廠三期機(jī)組、呼倫貝爾發(fā)電廠2×600MW發(fā)電機(jī)組、鄂溫克電廠2×600 MW發(fā)電機(jī)組輸出功率主要通過(guò)呼遼直流工程送出。該直流輸電一端為內(nèi)蒙古伊敏換流站，另一端為遼寧穆家換流站。

圖1 鄂溫克電廠送出系統(tǒng)

由于呼倫貝爾煤電基地送出系統(tǒng)中既有直流輸電整流站又有可控串補(bǔ)線路，因此地區(qū)內(nèi)各發(fā)電廠機(jī)組均存在發(fā)生次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)鄂溫克電廠機(jī)組裝設(shè)的TSR（扭應(yīng)力保護(hù)裝置）監(jiān)測(cè)的錄波分析，在某些工況下，鄂溫克電廠機(jī)組存在持續(xù)、低幅值次同步振蕩。

2 鄂溫克電廠次同步振蕩分析

鄂溫克電廠機(jī)組軸系多質(zhì)塊模型如圖2所示，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，軸系模態(tài)頻率分別為20.34 Hz和28.26 Hz。

圖2 鄂溫克電廠機(jī)組軸系多質(zhì)塊模型

基于PSCAD／EMTDC建立鄂溫克電廠送出系統(tǒng)次同步振蕩的時(shí)域仿真計(jì)算模型。由于交直流并列運(yùn)行是鄂溫克電廠外送系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式，故分析在此運(yùn)行方式下的機(jī)組次同步振蕩特性。

在交直流并列運(yùn)行方式下分別進(jìn)行交流故障、直流故障、小擾動(dòng)分析，以下分別列出各種故障情況下的時(shí)域仿真結(jié)果。

a.交流故障。伊敏電廠到伊敏換流站單回線單相故障，0.1 s后切除故障相，經(jīng)過(guò)0.6 s故障相重合閘成功。此故障引起的發(fā)電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速差曲線以及缸體間的扭矩動(dòng)態(tài)變化曲線如圖3、圖4所示。

b.直流故障。穆家換流站交流母線單相接地故障引起逆變側(cè)換相失敗。此故障引起的發(fā)電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速偏差曲線以及缸體間的扭矩動(dòng)態(tài)變化曲線如圖5、圖6所示。

c.網(wǎng)側(cè)擾動(dòng)。在伊敏換流站施加與模態(tài)1和模態(tài)2互補(bǔ)的諧波電流，諧波擾動(dòng)持續(xù)存在。此時(shí)的發(fā)電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速偏差曲線以及缸體間的扭矩動(dòng)態(tài)變化曲線如圖7、圖8所示。

根據(jù)上述仿真結(jié)果，由于故障引起的沖擊性扭振會(huì)激發(fā)出較大的扭振模態(tài)幅值，在軸系自身阻尼作用下扭振信號(hào)逐漸收斂；在持續(xù)外部小擾動(dòng)作用下會(huì)造成軸系疲勞損傷不斷累積。無(wú)論是沖擊響應(yīng)還是持續(xù)振蕩，如不采取抑制措施會(huì)對(duì)軸系造成較大損害。

為消除次同步振蕩對(duì)鄂溫克電廠機(jī)組及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)的危害，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及阻尼能力，在鄂溫克電廠側(cè)加裝附加勵(lì)磁阻尼控制器（SEDC）作為其中之一的抑制措施。

圖3 交流故障時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差曲線

圖4 交流故障時(shí)低壓缸—發(fā)電機(jī)間扭矩動(dòng)態(tài)變化曲線

圖5 直流故障時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差曲線

圖6 直流故障時(shí)低壓缸—發(fā)電機(jī)間扭矩動(dòng)態(tài)變化曲線

圖7 網(wǎng)側(cè)擾動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差曲線

圖8 網(wǎng)側(cè)擾動(dòng)時(shí)低壓缸—發(fā)電機(jī)間扭矩動(dòng)態(tài)變化曲線

3 SEDC抑制次同步振蕩的機(jī)理

SEDC通過(guò)安裝于高壓缸和電機(jī)側(cè)的測(cè)速齒盤(pán)獲得汽機(jī)側(cè)和電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速，采用特定的模態(tài)解調(diào)算法提取模態(tài)信號(hào)，再分別經(jīng)過(guò)比例和移相環(huán)節(jié)得到各個(gè)模態(tài)的控制信號(hào)，相加后進(jìn)行適當(dāng)限幅，形成SEDC總的控制輸出，經(jīng)限幅后疊加到晶閘管勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的觸發(fā)角控制信號(hào)上，控制勵(lì)磁繞組產(chǎn)生次同步頻率勵(lì)磁電壓，從而產(chǎn)生次同步頻率電流和磁鏈，進(jìn)而產(chǎn)生次同步頻率的電磁轉(zhuǎn)矩。只要SEDC的比例和移相環(huán)節(jié)參數(shù)適當(dāng)，這個(gè)轉(zhuǎn)矩就能對(duì)軸系的次同步扭矩起到阻尼作用［5］。SEDC屬于轉(zhuǎn)子側(cè)抑制設(shè)備。

SEDC抑制SSO的原理如圖9所示。若在小擾動(dòng)情況下發(fā)生次同步振蕩，SEDC能快速使其收斂；若大擾動(dòng)引起次同步振蕩，則在限幅范圍內(nèi)SEDC對(duì)后續(xù)振蕩提供持續(xù)阻尼，避免次同步振蕩發(fā)散。

圖9 SEDC原理

4 SEDC抑制次同步振蕩的效果分析

SEDC控制規(guī)律主要包括2個(gè)環(huán)節(jié)，模態(tài)濾波環(huán)節(jié)和比例移相環(huán)節(jié)，分別如圖10和圖11所示。

圖10 SEDC模態(tài)濾波環(huán)節(jié)

圖11 SEDC增益移相環(huán)節(jié)

其中，增益系數(shù)和相位補(bǔ)償時(shí)間常數(shù)為需要優(yōu)化的參數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)勵(lì)磁注入激勵(lì)法［6］進(jìn)行參數(shù)整定，獲得最優(yōu)的抑制效果。各模態(tài)在不同時(shí)間常數(shù)下的模態(tài)衰減系數(shù)如表1，當(dāng)時(shí)間常數(shù)分別為0.003 8和0.000 8時(shí)，模態(tài)轉(zhuǎn)速信號(hào)的衰減系數(shù)最大，SEDC的閉環(huán)抑制效果最優(yōu)。

表1 不同時(shí)間常數(shù)下的模態(tài)衰減系數(shù)

軸系扭振通過(guò)在勵(lì)磁端注入次同步信號(hào)被激發(fā)，在撤去激勵(lì)后，無(wú)抑制措施時(shí)，在軸系自身阻尼下，模態(tài)轉(zhuǎn)速信號(hào)自由衰減；若在撤去激勵(lì)時(shí)投入具有最優(yōu)控制參數(shù)的SEDC，模態(tài)轉(zhuǎn)速信號(hào)衰減速率顯著提高。模態(tài)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)曲線的對(duì)比如圖12所示。在激勵(lì)條件下，模態(tài)轉(zhuǎn)速達(dá)到0.1 rad／s。退出激勵(lì)后，在軸系自身阻尼條件下的模態(tài)衰減情況如藍(lán)色曲線所示；在SEDC抑制條件下的模態(tài)衰減情況如紅色曲線所示，衰減速率明顯提升。

圖12 有／無(wú)SEDC投入時(shí)的模態(tài)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)曲線

無(wú)論在機(jī)網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、常規(guī)操作還是故障擾動(dòng)下，SEDC均能實(shí)時(shí)反映機(jī)組軸系和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的連續(xù)控制信號(hào)，在勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)子附加電流，提供次同步扭振阻尼扭矩［7］。為驗(yàn)證SEDC的持續(xù)抑制效果，通過(guò)電網(wǎng)注入激勵(lì)法，模擬網(wǎng)側(cè)持續(xù)的擾動(dòng)源，分析軸系扭振的激發(fā)情況。

通過(guò)電網(wǎng)注入激勵(lì)法激發(fā)軸系扭振，如圖13所示，模態(tài)轉(zhuǎn)速信號(hào)達(dá)到0.1 rad／s，在網(wǎng)側(cè)激勵(lì)持續(xù)存在時(shí)，投入SEDC抑制，模態(tài)轉(zhuǎn)速信號(hào)降低并維持在0.05 rad／s以?xún)?nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明SEDC能夠?qū)崟r(shí)跟蹤模態(tài)轉(zhuǎn)速信號(hào)并進(jìn)行持續(xù)抑制。

在未投運(yùn)SEDC抑制前，鄂溫克電廠機(jī)組的TSR每天啟動(dòng)錄波次數(shù)達(dá)到200次左右。SEDC參數(shù)整定優(yōu)化后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)，統(tǒng)計(jì)TSR錄波每天啟動(dòng)次數(shù)，減少了60%～70%，由此可見(jiàn)SEDC可解決鄂溫克電廠70%左右的次同步振蕩問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

呼遼高壓直流工程及可控串補(bǔ)輸電引發(fā)鄂溫克電廠2臺(tái)600 MW機(jī)組頻繁發(fā)生持續(xù)、小幅值次同步振蕩，在廠側(cè)安裝SEDC裝置作為抑制措施之一。

圖13 網(wǎng)側(cè)持續(xù)激勵(lì)時(shí)SEDC抑制效果

首先分析了鄂溫克電廠的次同步振蕩特性，在線路故障及擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，會(huì)激發(fā)出明顯的軸系扭振，威脅機(jī)組軸系安全，需采取抑制保護(hù)措施，SEDC可用于對(duì)鄂溫克電廠次同步振蕩的抑制；然后對(duì)SEDC抑制次同步振蕩的機(jī)理進(jìn)行了研究；并通過(guò)勵(lì)磁注入激勵(lì)法整定優(yōu)化SEDC的增益、移相參數(shù)。觀察有無(wú)SEDC投入時(shí)的模態(tài)轉(zhuǎn)速信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化情況，表明SEDC可以顯著提高機(jī)組模態(tài)阻尼，加快扭振信號(hào)收斂速度；在外部擾動(dòng)持續(xù)存在時(shí)，SEDC可將扭振信號(hào)控制在較低的水平，減少對(duì)軸系疲勞的損害。此外，SEDC投運(yùn)后，對(duì)錄波啟動(dòng)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，啟動(dòng)次數(shù)減少了60%～70%，表明SDEC可解決鄂溫克電廠60%～70%的次同步振蕩問(wèn)題，可補(bǔ)充阻尼能力更強(qiáng)的抑制裝置，與SEDC互為備用，全面解決鄂溫克電廠機(jī)組的次同步振蕩。

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Application on Solving Subsynchronous Oscillation Based on SEDC in Ewenki Plant

ZHANG Zhi1，HU Juan1，ZHAO Weihua2，WANG Yingying2
（1.Inner Mongolia MengDong Energy Co.，Ltd.，Hulunbeir，Inner Mongolia 021130，China；2.Beijing Sifang Automation Co.，Ltd.，Beijing 100085，China）

This paper assesses the subsynchronous oscillation risk of Ewenki power plant and proposes solutions using SEDC to sup?press the SSO.The proportion and phase?shifting parameters of SEDC are tuned and optimized through the field test.The suppression effect is verified by torsional vibration of shaft system excited through excitation system shows that the SEDC can dramatically improve modal damping of units.Besides，for external persistent disturbances，SEDC can provide continuous suppression effect.SEDC can ef?fectively suppress the SSO of Ewenki power plant and guarantee secure and stable operation of units.

Subsynchronous oscillation；SEDC；Excited excitation method；Modal damping

TM712

A

1004－7913（2016）10－0049－04

張 治（1984），男，學(xué)士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)研究工作。

2016－04－19）