大型火电厂串补输电系统次同步谐振解决方案的研究与应用

卓 华

（中国神华能源股份有限公司国华电力分公司，北京 100025）

0 前言

串联电容补偿用于远距离输电具有十分明显的经济效益，同时可大幅减少线路走廊，近年来应用日益广泛；但是，由串补引起的火电机组的次同步谐振[1,2]问题如不妥善解决，会严重威胁机组运行安全，或影响电力的正常送出和经济效益的实现。

国内锦界电厂[3]就存在上述问题，该电厂 4台600MW机组通过439公里的500kV紧凑型线路接入河北南网，在正常和检修方式下均存在SSR问题，严重威胁电厂机组安全。

当时国内除托克托和上都电厂[4]对SSR问题进行过相对较多的研究之外，并无关于SSR问题的系统研究，各电厂也是根据自己的实际情况去选择相应的解决方案，在本文中我们主要针对锦界电厂采用SVC方案进行详细研究和可行性分析。

1 锦界电厂串补输电系统

地处陕北能源基地的锦界电厂是“西电东送”大型坑口电厂，电厂一、二期4台600MW机组已投产，通过锦界—忻州双回和忻州—石北三回500kV线路向河北南网送电，在锦忻双回忻州侧和忻石三回忻州侧均装设串补度为 35%的固定串补。府谷电厂一期工程2×600MW通过府谷—忻州单回500kV线路接入系统。

电厂 4台机组均采用QFSN-600-2型火力发电机组，轴系的次同步固有扭振频率为 13.02Hz、22.77Hz和28.16Hz。

2 次同步谐振风险评估

对轴系扭振模态的阻尼分析是评估SSR风险的关键，分别采用特征根法、复转矩系数法、时域仿真法等方法，选取上千种运行方式，对锦界电厂SSR问题进行了上万次计算和仿真研究。结果表明：

（1）模态1在所有运行方式下是稳定的；

（2）模态2在正常运行方式下基本上是稳定的，但在一些机组出力较小且部分线路停运的方式下不稳定；

（3）模态3是在大多数运行方式下不稳定，是最危险的次同步模态；

（4）基于 PSCAD/EMTDC电磁仿真软件的故障仿真分析显示：在锦忻线和忻石线上发生单相短路故障及更严重的扰动时，会出现SSR发散。

电厂机组大部分正常和N－1方式均是SSR不稳定，存在严重的SSR问题，必须采取有效的SSR预防抑制措施方能运行。

图1 锦界电厂接入系统接线图

3 SSR解决方案

3.1 SSR解决方案初选

SSR风险评估结果表明，在系统正常运行方式下电厂机组存在SSR问题，必须采取有效主动抑制措施。

针对当时电厂的实际情况，只能在电厂采取措施解决SSR问题。根据国内外经验，在电厂可以采用附加励磁阻尼控制（SEDC）来抑制SSR，可以采用阻塞滤波器来预防SSR问题；还可以采用SSR动态稳定器(SSR-DS)来抑制 SSR。由于电厂已经使用三相一体的升压变压器，且阻塞滤波器方案投资最高，只能作为备选方案。为此，重点研究了SEDC和SSD-DS两种方案。

3.2 SEDC方案研究

SEDC方案类似于电力系统稳定器(PSS)，通过在励磁回路中反馈轴系扭振信号，当反馈增益和相位控制合适时可以在发电机上产生抑制次同步扭振的脉动扭矩。由于励磁绕组电抗很高，扭振信号的频率较1～2Hz的低频振荡信号又要高得多，因此，SEDC的增益通常很高，在小扰动时能够发挥作用，当电力系统常见的故障等大扰动出现后，其控制信号往往被顶励或者励磁系统的能力所限幅，影响效果的发挥。

分别采用特征根、复转矩系数和数值仿真方法研究了SEDC方案的可行性。研究表明，当反馈增益足够高时SEDC可以保证需要考虑的主要运行方式SSR小扰动稳定，但不能保证常见单一故障时机组的 SSR稳定。图2和图3给出了SEDC方案在不同故障后的机组扭振情况。因此，SEDC方案不能妥善解决锦界电厂的SSR问题。

图2 机组半载，一回出线单瞬故障后机组稳定

图3 机组半载，一回出线单永故障所有机组失稳

3.3 SSR-DS方案研究

3.3.1 SSR-DS方案简介

将SVC的重要部件晶闸管控制的电抗器（TCR）并联在被保护发电机的机端母线或距离机组电气距离较近的位置上，通过调制TCR中的电流来阻尼SSR。这种SVC也称为动态稳定器（SSR-DS）。TCR的一次接线方式见图4。

图4 相控电抗器接线示意图

SSR-DS装置的原理是调制TCR等值阻抗(或电纳)随轴系扭振的模态转速的变化量，在发电机工频电压的作用下除了产生同步频率电流外，还有次同步频率和超同步频率的电流，这种电流可在发电机大轴上产生次同步频率的脉动扭矩，该扭矩当相位合适时可以阻尼轴系扭振。

利用一个简单的比例型控制器就可实现SSR的控制目标，但因存在转送偏差测量系统中滤波器引起的时间延迟以及晶闸管触发的固有延迟，需利用超前滞后环节对这些延迟进行相位补偿，完整的比例型控制器结构如图5所示。

图5 比例控制器结构示意图

SVC的转速控制信号取自运行机组的平均转速，转速偏差经放大环节，产生一个与其成比例的信号，再经相位补偿环节，最终使TCR无功电流与转速偏差反相，实现对SSR的抑制。而稳定运行时TCR以某一固定导通角稳定运行，相当于一稳定且连续的无功负荷。TCR作为一个并联装置，它不需要承担发电机的全电流，并且它对系统频率的波动也不敏感。

为实现对各个模态的SSR的抑制，图5中的转速偏差应采用相应模态的滤波器滤波后的量，图5中的ΔB是各模态的量的和，从而实现对各个模态转速的控制。

SSR-DS系统的主要优点：

因SSR-DS的容量可以根据机组SSR问题的严重程度进行设计，可以很好地保护暂态扭矩问题不是很严重，但机网复合共振问题比较严重的机组。

其投资也要相对既能解决暂态扭矩放大又能解决机网复合共振问题的阻塞滤波器方案低得多。

3.3.2 特征根计算分析

采用特征根分析法，对锦界电厂二期工程SSR小干扰稳定性进行计算分析。

电厂机组的电气参数为：

机组轴系参数见表1。

表1 锦界电厂机组4段质量模型参数

根据以前的研究经验筛选出一些必需考虑的典型运行方式，用于锦界电厂SSR抑制措施方案的计算分析，如表2所示。

表2 筛选出的运行方式

模态1在所考虑的运行方式下稳定，模态2在少数方式下不稳定，模态3在多数方式下不稳定。

为了保证SVC工作有效必须对控制系统的参数进行优化，为此先取SVC容量为120 MVA，计算发电机组阻尼随补偿相位的关系曲线，针对前面拟定的19种运行方式，分别计算各个模态阻尼随补偿相位的关系曲线，见图6。

SVC阻尼控制器移相补偿时间常数的整定计算需要折衷考虑多种运行方式下的综合阻尼效果。图6给出了针对19种方式（包括正常和N－1），补偿相位在0 ～ 360变化时模态阻尼（特征根实部）与补偿相位的关系。通过对图4的分析，电厂母线SVC移相补偿环节参数整定结果如表3所示。

表3 电厂母线SVC移相补偿环节参数

图6 电厂母线SVC方案模态阻尼（特征根实部）与补偿相位的关系

在电厂母线装1台120MVA的SVC，可以使所有模态达到SSR小干扰稳定。

3.3.3 时域仿真计算分析

本分析计算中采用国际通用的电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC仿真工具进行锦界电厂的SSR仿真计算工作，研究中的扰动均为5s单相短路，持续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不稳定的，图7给出了表2中方式1的有无SSR-DS的高压缸转速偏差随着时间的变化曲线。

图7 机组全开正常方式仿真结果

时域仿真的结果表明，在采用 SSR-DS后，表2中所列的19种方式均是SSR稳定的。

3.3.4 暂态扭矩放大风险评估

由于 SSR-DS是通过扭振信号负反馈的方式抑制SSR，因此对于常见的系统故障引起的暂态扭矩放大的暂态SSR问题能力有限，因此，采取SSR-DS以后电厂机组的暂态扭矩放大风险是否可以接受就成为该方案是否可行的决定因素，为此，在确认 SSR-DS能够有效抑制机网复合共振以后，针对该方案对电厂机组面临的暂态扭矩放大风险进行了全面的评估。

针对锦界电厂的输电系统，考虑了不同的开机与出力方式，考虑了不同的故障型式与地点，并对部分严重方式的故障发生时刻进行了灵敏度分析，采用PSCAD/EMTDC对系统的暂态过程进行了仿真，计算不同机组的轴系危险截面的扭矩，然后使用成熟扭振疲劳寿命评估软件，采用雨流法对每个仿真方式进行了轴系扭振疲劳寿命损耗计算。

计算结果表明，在所有计算了的正常运行方式中，电厂三机满载一机空载，电厂线路出口发生三相短路故障，继电保护正确动作，空载机组轴系扭振疲劳寿命损耗最高，其最危险的截面为高中压转子后颈截面，扭振疲劳寿命损耗为0.43‰，是无串补时的4.4倍；在所有的单一元件检修方式中，最严重的情况是在上述相同的开机方式下，锦忻一回线的串补退出，另一回线路首端发生单相接地故障，重合闸不成功。其扭振疲劳寿命损耗最大的机组与截面亦与上述正常方式时相同，其最大扭振疲劳寿命损耗为1.0‰，是无串补时的10倍以上。

针对 SSR-DS方案，暂态扭矩放大风险评估结果表明，锦界电厂因送出线路增加串补以后，其暂态扭矩放大效应明显，但是其运行安全风险仍然是可以接受的，这表明SSR-DS方案是可行的。

4 实施效果

经研究，SSR-DS装置TCR容量为320MVar，即可完全解决锦界电厂的SSR问题，根据现场实际，并充分考虑故障和检修需求，SSR-DS装置总容量平均分为4组，每组80Mvar，每台降压变压器35kV母线上配置2组；为保证电能质量和提供容性无功的需求，每套SSR-DS配置3次、5次滤波电容器各1组，单套容量为40MVar；为减少设备耗电量，降低电厂的厂用电率，电抗器静态工作点放在 40MVar（感性），与滤波电容器40MVar（容性）相互抵消，不调节时对外消耗功率为零。

根据本研究提出的 SSR-DS方案经过一年多的工程实施，在投运前的调试与验收试验过程中详细验证了该方案必要性与可行性。试验表明，在电厂正常运行，全程机组满发，送出线路及其串补投入的情况下，退出 SSR-DS后，电厂所有机组的轴系扭振均逐步发散，在40s的时间内各机组的轴系扭振保护全部启动，此时再投入 SSR-DS所有扭振均快速收敛，充分验证了SSR-DS的必要性及其效果。

锦界电厂SSR-DS于2009年5月正式投入运行，运行至今效果十分理想，SSR-DS装置运行至今未发生过因机组轴系扭振保护切除机组的事件，即使是其送出线路，包括主变高压侧发生十多次系统故障。锦界电厂最大机端出力从1850MW恢复至2400MW，经济效果十分可观。

5 主要结论

通过相关计算分析表明，锦界电厂因送出线路增加了串联电容补偿，电厂机组存在较为严重的次同步谐振问题。

经过多方案比较和全面论证，推荐选择了SSR-DS作为电厂解决 SSR-DS的主要措施，实践证明该方案经济有效，十分成功地解决了电厂所面临的SSR问题。表明推荐的方案是十分合体的解决方案。

[1]程时杰, 曹一家, 江全元, 等. 电力系统次同步振荡的理论和方法[M]. 科学出版社, 2009.

[2]倪以信, 陈寿孙, 张宝霖. 动态电力系统的理论与分析[M]. 清华大学出版社, 2002.

[3]任树东, 王绍德, 等. 陕西国华锦界电厂二期工程预防抑制次同步谐振方案研究[R].

[4]任树东, 王绍德, 等. 上都电厂串补输电方案次同步谐振专题研究[R].