張 智 劉麗楠

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STATCOM在抑制次同步諧振及提高串補(bǔ)度的應(yīng)用研究

張 智1劉麗楠2

（1. 北京榮信慧科科技有限公司，北京 100193；2. 中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072）

在遠(yuǎn)距離大容量的輸電線路中，加入串補(bǔ)電容可以提高系統(tǒng)的輸送能力。但是有時(shí)會(huì)出現(xiàn)次同步諧振問題，危及發(fā)電機(jī)組軸系安全和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。加裝STATCOM可以有效的抑制次同步諧振。本文詳細(xì)介紹了STATCOM抑制次同步的原理，采用PSCAD仿真軟件，結(jié)合錦界電廠的實(shí)際發(fā)電機(jī)及輸電線路的參數(shù)，搭建了整體的系統(tǒng)模型。根據(jù)榮信電力電子公司的STATCOM結(jié)構(gòu)及工作原理，搭建了STATCOM的仿真模型，通過仿真結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了其抑制效果的有效性。并對(duì)提高固定串補(bǔ)裝置的串補(bǔ)度進(jìn)行了分析研究，通過在具有不同的串補(bǔ)度的工況進(jìn)行仿真，來觀察STATCOM是否可以在高串補(bǔ)度的工況下有效抑制次同步的發(fā)生。最后在不采用次同步抑制措施而只是修改串補(bǔ)度的情況下，根據(jù)仿真結(jié)果總結(jié)出不同次的次同步諧振與串補(bǔ)度的關(guān)系。

次同步諧振；STATCOM；固定串補(bǔ)；PSCAD；仿真驗(yàn)證

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，東、南部沿海地區(qū)的電力負(fù)荷隨之增長(zhǎng)，我國(guó)的煤炭資源主要分布在西部和北部地區(qū)，水能資源主要集中在西南地區(qū)，因此東、南部的負(fù)荷中心對(duì)電力能源的緊缺，急需西部的資源支持。

“西電東送”將煤炭、水能資源豐富的西部省區(qū)的能源轉(zhuǎn)化成電力資源，輸送到電力緊缺的東、南部沿海地區(qū)，采取高電壓、大容量的交流和直流輸電模式。規(guī)劃預(yù)計(jì)至2020年，西電東送的送電總規(guī)模將突破1.2億kW[1]。

在高壓交流輸電線路中，串入電容器能夠起到減小線路電抗，提高線路傳輸能力，提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定極限的作用。但是在這種長(zhǎng)距離輸電系統(tǒng)中，加裝高串補(bǔ)度的電容器有時(shí)也會(huì)引起次同步諧振。20世紀(jì)70年代，美國(guó)的Mohave電廠就發(fā)生過兩次由于次同步諧振導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組軸系損壞的事故，原因就在于固定串補(bǔ)。在我國(guó)也發(fā)生過軸系扭振的事故，如托克托、上都、錦界和呼貝電廠等。次同步諧振不僅會(huì)影響機(jī)組正常工作，同時(shí)還會(huì)威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此必須采取合理有效的治理措施。

錦界電廠采用了SVC裝置來治理次同步振蕩，取得了非常好的治理效果。近年來基于全控型功率器件的STATCOM興起，逐漸取代了半控型功率器件的SVC。本文通過仿真研究STATCOM抑制次同步振蕩的可行性，并給出錦界電網(wǎng)的串補(bǔ)度與發(fā)電機(jī)軸系的次同步頻率之間的關(guān)系，對(duì)電網(wǎng)的未來規(guī)劃以及升級(jí)改造具有指導(dǎo)意義。

1 次同步諧振問題

IEEE次同步工作組給出次同步定義，次同步諧振（subsynchronous resonance, SSR）指在電氣系統(tǒng)與汽輪發(fā)電機(jī)軸系之間，以一個(gè)或者多個(gè)次同步頻率，進(jìn)行明顯的能量交換的運(yùn)行狀態(tài)。

次同步諧振問題的產(chǎn)生主要由以下3種作用引起。

1）感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)中有同步發(fā)電機(jī)和串聯(lián)補(bǔ)償電容器時(shí)，發(fā)電機(jī)和輸電線路的感性電抗，與串補(bǔ)電容的容性電抗在某一次同步頻率下產(chǎn)生串聯(lián)諧振，即總電抗為零。此時(shí)同步發(fā)電機(jī)在次同步頻率下可以看作為異步電機(jī)，并且轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率高于次同步頻率，所以異步電機(jī)其處于發(fā)電模式。因?yàn)楫惒诫姍C(jī)的等效電阻為負(fù)值，電機(jī)等效電阻電氣量就會(huì)被持續(xù)的振蕩放大，次同步諧振就會(huì)由感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)引起。

2）機(jī)電扭振相互作用。同步發(fā)電機(jī)的軸系可以看作由多個(gè)質(zhì)量塊構(gòu)成，每個(gè)質(zhì)量塊有自己的固有頻率。軸系在以同步頻率旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，質(zhì)量塊之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的扭轉(zhuǎn)振蕩，對(duì)每個(gè)扭振可以稱之為模態(tài)，每個(gè)模態(tài)都有固有的自然振蕩頻率。當(dāng)上述由感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)引起了次同步諧振時(shí)，軸系上會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩的頻率可能會(huì)與串聯(lián)諧振頻率互補(bǔ)，即兩個(gè)頻率之和等于電網(wǎng)基波頻率。如果該電磁轉(zhuǎn)矩的頻率接近某個(gè)模態(tài)的自然振蕩頻率，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸系的機(jī)械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)之間產(chǎn)生共振，這種共振就是機(jī)電扭振相互作用。

3）暫態(tài)軸系力矩放大作用。如果電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障，就會(huì)出現(xiàn)劇烈的暫態(tài)過渡過程。在暫態(tài)過程中可能會(huì)產(chǎn)生較大的次同步頻率的電氣量，如果系統(tǒng)的阻尼不夠強(qiáng)大，次同步頻率與軸系自然振蕩頻率接近互補(bǔ)，就會(huì)激發(fā)機(jī)電扭振，并且在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的暫態(tài)力矩，嚴(yán)重時(shí)可使軸系斷裂。

2 次同步諧振的抑制技術(shù)

根據(jù)次同步諧振產(chǎn)生的機(jī)理原因，次同步諧振的抑制措施如圖1所示[2]。

圖1 次同步諧振的抑制措施

由于發(fā)生次同步諧振的電力系統(tǒng)已經(jīng)建成，難以通過改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來消除次同步諧振，因此應(yīng)當(dāng)采取抑制機(jī)電扭振措施。在圖1的措施中：①濾波，切斷次同步頻率的電流，不讓其流入發(fā)電機(jī)；②增加電氣阻尼，使電氣阻尼能夠承受嚴(yán)重的故障擾動(dòng)，從而不激發(fā)次同步諧振。

表1和表2分別是進(jìn)行次同步諧振治理的工程實(shí)例以及次同步諧振的抑制措施的對(duì)比。

3 STATCOM抑制次同步諧振技術(shù)

SSO-DS裝置（STATCOM抑制次同步裝置）是將采集到的發(fā)電機(jī)組軸系不同模態(tài)的扭振頻率作為輸入信號(hào)，經(jīng)過控制器的抑制算法處理，將其疊加在輸出基波電壓上的次同步分量上，已達(dá)到通過注入系統(tǒng)電流來抵消系統(tǒng)原有的次同步電流的目的，進(jìn)而可以在發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生阻尼，抑制激發(fā)次同步振蕩的電磁轉(zhuǎn)矩。

表1 抑制措施的工程應(yīng)用實(shí)例

表2 次同步諧振抑制措施比較

圖2 SSO-DS系統(tǒng)圖

SSO-DS裝置以靜止無功補(bǔ)償器STATCOM作為控制主體，系統(tǒng)包括換流器、連接電抗器、轉(zhuǎn)速測(cè)速系統(tǒng)、控制保護(hù)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)。換流鏈由多個(gè)功率單元組成，單個(gè)功率單元由充電電容和4個(gè)全控型功率器件組成，實(shí)現(xiàn)無功的轉(zhuǎn)換；電抗器的作用是濾除電流中可能存在的較高次諧波和將換流鏈與電網(wǎng)交流電壓源相連接；控制保護(hù)系統(tǒng)將輸入的電壓電流及發(fā)電機(jī)組軸系扭振模態(tài)頻率等信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算得出相應(yīng)補(bǔ)償?shù)臒o功量，轉(zhuǎn)化成PWM調(diào)制波控制換流鏈進(jìn)行無功輸出控制，同時(shí)針對(duì)一次二次設(shè)備的信號(hào)狀態(tài)，進(jìn)行對(duì)SSO-DS裝置控制保護(hù)[3-5]。

STATCOM采用星型連接方式，每一相采用H橋級(jí)聯(lián)的形式，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 STATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的各個(gè)質(zhì)量塊之間將在一個(gè)或多個(gè)汽輪機(jī)機(jī)械系統(tǒng)自然頻率下產(chǎn)生相互振蕩，機(jī)械系統(tǒng)的這種自然振蕩頻率稱為軸系扭振模態(tài)頻率，本文以下簡(jiǎn)稱為模態(tài)，它們只與機(jī)械系統(tǒng)的固有特性有關(guān)。

實(shí)際工程中，發(fā)電機(jī)軸系扭振模態(tài)頻率都不是單一模態(tài)的，而是多個(gè)模態(tài)結(jié)構(gòu)，因此控制補(bǔ)償指令也應(yīng)是對(duì)多模態(tài)進(jìn)行綜合補(bǔ)償計(jì)算的。圖4為SSO- DS的控制框圖。

圖4 SSO-DS控制框圖

首先是將采集的多模態(tài)信號(hào)Dw進(jìn)行分模態(tài)濾波，因?yàn)殡姀S的發(fā)電機(jī)軸系的模態(tài)頻率，屬于發(fā)電機(jī)的固有參數(shù)，所以特征模態(tài)頻率可從電廠獲得，根據(jù)特征頻率可以將相應(yīng)模態(tài)信號(hào)分離出來。

然后將分離出來的各模態(tài)信號(hào)進(jìn)行比例放大、相位補(bǔ)償以及補(bǔ)償電流計(jì)算處理，得出每個(gè)模態(tài)的三相補(bǔ)償電流參考值Dia,b,c，最后疊加各個(gè)模態(tài)的補(bǔ)償電流得到總的補(bǔ)償電流指令Da,b,c。

4 仿真分析研究

采用PSCAD仿真軟件進(jìn)行仿真，使用錦界電廠的原始數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接線和發(fā)電機(jī)軸系質(zhì)量塊模型如圖5所示[6-7]。

圖5 輸電線路系統(tǒng)接線示意圖

圖6 汽輪發(fā)電機(jī)組的集中多質(zhì)塊彈性軸系模型

表3 軸系扭振固有頻率的測(cè)量結(jié)果

4.1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)的PSCAD仿真模型搭建如圖7所示。

4.2 STATCOM模型

STATCOM直掛35kV母線上，接線形式為星接[8-9]。本次仿真為了縮短仿真時(shí)間，對(duì)STATCOM模型每相采用3級(jí)鏈?zhǔn)焦β誓K串聯(lián)的模型，每個(gè)H橋開關(guān)頻率取1kHz。

圖7 PSCAD系統(tǒng)建模

圖8 STATCOM模型

圖9 STATCOM功率單元模型

圖10 生成補(bǔ)償指令電流環(huán)節(jié)

4.3 仿真驗(yàn)證

1）抑制次同步諧振功能驗(yàn)證

仿真過程：錦界至忻州段雙回線運(yùn)行，串補(bǔ)裝置投運(yùn)，串補(bǔ)度為35%，1.6s在忻州近端發(fā)生三相接地短路故障，1.7s切除一回錦界至忻州線路，接地故障清除，對(duì)比有無STATCOM時(shí)的次同步諧振波形。

從以上圖中可以看出，有STATCOM時(shí)，次同步諧振可以有效被抑制。圖13為錦界現(xiàn)場(chǎng)退閉環(huán)試驗(yàn)所記錄的次同步諧振波形，可以看出從加入閉環(huán)后的波形與圖11（b）中的抑制效果基本一致。

2）對(duì)提高串補(bǔ)度的仿真研究

延用上節(jié)有STATCOM的仿真過程，將線路的串補(bǔ)度提升至45%、55%、65%、70%，觀察仿真結(jié)果。

（a）無STATCOM

（b）有STATCOM

圖11 故障清除后的次同步諧振波形對(duì)比

圖12 STATCOM輸出的抑制次同步諧振的無功

圖13 現(xiàn)場(chǎng)退閉環(huán)試驗(yàn)記錄波形

（a）串補(bǔ)度為45%

（b）串補(bǔ)度為55%

（c）串補(bǔ)度為65%

（d）串補(bǔ)度為70%

圖14 不同串補(bǔ)度時(shí)的次同步諧振抑制效果

從圖14中可以看出，有STATCOM時(shí)，串補(bǔ)度升至70%時(shí)，對(duì)于此項(xiàng)目，次同步諧振依舊可以得到有效的抑制。

3）次同步諧振和串補(bǔ)度的關(guān)系

針對(duì)錦界電廠項(xiàng)目，表3指出發(fā)電機(jī)軸系扭震的固有頻率為13Hz、23Hz和28Hz。從圖11（a）中可以看出，模態(tài)三（28Hz）的諧振量占主導(dǎo)。因此針對(duì)不同的串補(bǔ)度和各個(gè)模態(tài)的關(guān)系進(jìn)行仿真研究。

仿真過程同上，無STATCOM，使用不同的串補(bǔ)度，觀察仿真結(jié)果。

從圖15的（a）、（b）和圖11（a）中可以看出，串補(bǔ)度在31.5%～43.4%范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)于模態(tài)三（28Hz）將發(fā)生次同步諧振，而圖15（c）、（d）則表明50.5%～67.4%的串補(bǔ)度為模態(tài)二（23Hz）發(fā)生次同步諧振的串補(bǔ)度范圍。

5 結(jié)論

對(duì)于在遠(yuǎn)距離大容量的輸電線路中加入串補(bǔ)裝置提高系統(tǒng)的輸送能力時(shí)所引發(fā)的次同步諧振問題，如果能夠通過科學(xué)的計(jì)算、仿真以及采用有效的抑制措施，就完全可以解決。

（a）串補(bǔ)度為31.5%

（b）串補(bǔ)度為43.4%

（c）串補(bǔ)度為50.5%

（d）串補(bǔ)度為67.5%

圖15 不同串補(bǔ)度時(shí)的次同步諧振

由圖11結(jié)果可以得出，STATCOM可以有效的抑制次同步諧振。

由圖14結(jié)果可以得出，忻州至錦界線路串補(bǔ)可以進(jìn)一步增大串補(bǔ)度，提高輸電能力。對(duì)電網(wǎng)的未來規(guī)劃以及升級(jí)改造具有指導(dǎo)意義。

由圖15結(jié)果可以得出以下規(guī)律，隨著串補(bǔ)度的提高，所激發(fā)次同步諧振的頻率會(huì)降低，不同的次同步頻率有著自己的串補(bǔ)度范圍。因此，合理的選擇串補(bǔ)度也會(huì)降低發(fā)生次同步諧振的幾率，減小次同步抑制裝置的容量。

在發(fā)電廠送電線路中規(guī)劃設(shè)計(jì)串補(bǔ)時(shí)，進(jìn)行次同步仿真分析工作是非常必要的。

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Research on the suppression of subsynchronous oscillation and the improvement of series compensation by STATCOM

Zhang Zhi1Liu Linan2

(1. Beijing Rongxin HUICO Technology CO., Ltd, Beijing 100193; 2. China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072)

It is possible to improve the transmission capacity of the system by adding a series capacitor to a long distance transmission line. However, the subsynchronous oscillation will occur. The installation of STATCOM can effectively suppress subsynchronous oscillation. This paper introduces in detail the principle of STATCOM to suppress the subsynchronous synchronization, and uses the PSCAD simulation software, using the Jinjie power plant actual generator and the transmission line parameters, build the whole system model. Build the STATCOM model according to the structure and working principle of RXPE STATCOM. The simulation results and the test results are compared to verify the effectiveness of the suppression effect. And make a study for improve the compensation of fixed series compensator by doing simulation under different series compensation degree cases. It can be observed whether STATCOM can effectively suppress the subsynchronous oscillation. In the end, modify the series compensation degree without subsynchronous suppression measures, and according to the simulation results, to get the relationship between the subsynchronous oscillation and the series compensation degree.

sub-synchronous oscillation; STATCOM; PSCAD; Fixed series compensator; simulation validation

2018-03-23

張 智（1978-），男，吉林省吉林市人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊?、電力電子及無功補(bǔ)償技術(shù)。