机端次同步阻尼控制器接入对系统影响分析

王 昊，赵晓初

(1．神华国能集团有限公司 电力生产部，北京100033;2．国网北京海淀供电公司 调度通信中心，北京100086)

0 引言

电力系统常见的失稳模式有振荡失稳、单调失稳等，次同步振荡属于系统的振荡失稳，它由电力系统中一种特殊的机电耦合作用引起，其最大的危害是，可能直接导致大型汽轮发电机组转子轴系的严重破坏，造成重大事故，危及电力系统的安全运行。输电线路的串联电容补偿、直流输电、电力系统稳定器的不当加装、发电机励磁系统、可控硅控制系统、电液调节系统的反馈作用等，均可能导致次同步振荡现象。随着跨区输电线路的大规模建设，交流串补以及高压直流输电引发次同步谐振/振荡，进而造成发电机组大轴疲劳和损坏的问题，成为制约部分发电单位安全生产的重大隐患［1～5］。

次同步振荡的抑制措施可分为:阻尼和滤波、继电保护及监测保护、发电机组改造以及接入系统改造等4 大类。其中，发电机组改造以及接入系统改造成本巨大，发电企业及电网难以承担;继电保护及监测保护对经常性小幅值次同步谐振造成的机组轴系疲劳损耗作用较小;阻尼和滤波是确保机组轴系安全较为可行的方案。国内部分发电单位尝试了各种形式的阻尼滤波方法，取得了一定改进效果，如大唐托克托电厂采用阻塞滤波器、华能伊敏电厂采用辅助励磁阻尼控制、国华锦界电厂采用静止无功补偿装置等。

各类阻尼滤波设备接入一次或二次系统，不可避免增加新的谐波源，可能对电网及厂用电系统产生不良影响。本文以一种基于STATCOM 的次同步阻尼控制器(GTSDC)为例，通过建模仿真，分析其对电网及厂用电系统的影响。

1 GTSDC 的系统构成与工作原理

机端次同步阻尼控制器(Generator Terminal Subsynchronous Damping Control，GTSDC)是新近研发的基于STATCOM 在次同步方面特殊应用的一种控制装置。GTSDC 通过在发电机的定子侧施加控制措施增加次同步电气阻尼来抑制次同步振荡问题，其工作原理为:采用发电机的转速偏差作为反馈信号，控制输出与关注的轴系扭振模态频率互补的补偿电流参考值，就地功率控制单元输出电流动态跟踪该参考值向电网注入次同步频率电流，通过适当设置GTSDC 的控制参数，即可产生与轴系扭振频率一致且起阻尼作用的电磁转矩增量，实现抑制次同步振荡的目标。如图1 所示为GTSDC 接入系统示意图。

图1 GTSDC 接入系统示意图

GTSDC 因具有以下优点被广泛关注:(1)在解决多模态次同步振荡问题时，因其阻尼能力强，可加快次同步振荡收敛迅速;(2)具有电流源特性、谐波小、响应速度快等特点;(3)通过采用PWM 控制，装置输出电流的正弦度良好，响应速度快及鲁棒性好。

根据GTSDC 的工作原理和系统结构，其接入系统后对系统的影响，尤其对机组安全稳定运行的影响，需进行详细的仿真分析研究。本文基于典型交直流混合输电系统，结合时域仿真，重点分析研究了GTSDC 接入系统后对机组和电网的影响，以指导工程实践。

2 对机组电压/电流谐波的影响分析

为便于分析，本文采用PSCAD/EMTDC 时域仿真软件搭建了系统模型，如图2 所示。系统图中包含3 个火电厂A/B/C、串补输电线路、直流输电线路及无穷大等效电网。本研究以装设有GTSDC 的A 电厂为例，分别考察了发电机机端电压和发电机机端电流的影响。

图2 装有GTSDC 的A 电厂送出系统图

(1)发电机机端电压

正常运行工况下有、无GTSDC 时系统电压波形的对比如图3 所示，有GTSDC 时机端电压的谐波畸变率THD 如图4 所示，无GTSDC 时机端电压的THD 如图5 所示。

图3 正常运行工况下有无GTSDC时机端电压波形的对比

图4 正常运行工况下装有GTSDC时机端电压THD

图5 正常运行工况下无GTSDC时机端电压THD

(2)发电机机端电流

正常运行工况下发电机输出电流波形的对比如图6 所示，无GTSDC 时机组输出电流的THD如图7 所示，有GTSDC 时机组输出电流的THD如图8 所示。

对波形和THD 进行了统计，结果见表1 和表2。统计数据表明，正常工况下，装有GTSDC对发电机机端电压和输出电流的影响较小，其中电压最大偏差不超过0．001 8%，平均偏差不超过0．000 795%，电流最大偏差不超过0．43%，平均偏差值为0．009 8。有无GTSDC 电压、电流THD值均低于0．4%，远低于输电网谐波电压2%的限值要求，因此，机组正常运行时，安装GTSDC 对机组电压和电流的质量影响不大。

图6 正常运行工况下有无GTSDC时机组输出电流波形的对比

图7 正常运行工况下有GTSDC时机组输出电流THD

图8 正常运行工况下无GTSDC时机组输出电流THD

表1 GTSDC 对机组电压/电流谐波的影响

表2 GTSDC 对机组THD 的影响

3 对变压器运行的影响

由于GTSDC 采用电力电子控制技术，输出电压或电流波形中可能出现正负半波不对称现象，而其采用变压器耦合接入方式，进而可能引发变压器直流偏磁问题。

出现变压器直流偏磁的主要成因和危害可简要介绍如下:当GTSDC 输出并加在变压器两端的正反向脉冲电压的伏秒乘积不等时，则正负半波磁感应强度幅值也不同，磁工作区域将偏向第一或第三象限，即形成直流偏磁，从而导致变压器铁心饱和，偏磁的持续累积最终使铁心进入深度饱和，磁工作点进入非线性区，铁心相对磁导率迅速减小，励磁电流急剧增大，导致变压器过热，最终可能导致器件损坏。

与GTSDC 类似的静止同步补偿器(STATCOM)由于接入变压器直流偏磁过大而不能正常投运的情况曾有文献报道，如日本的新信浓变电站的50 MVA STATCOM，由于附近投入大容量变压器引起的激励效应，导致系统发生扰动，扰乱了STATCOM 的脉冲控制信号，造成输出电压正负半波不对称，进而引起严重的直流偏磁现象，导致STATCOM 不能正常投运。

造成FACTS 设备输出正负半波不对称进而引发变压器直流偏差的具体原因可能是下述的一种或其组合:(1)主电路参数的分散，如功率器件通态压降的差异、功率器件开关速度的差异等;(2)驱动电路元件和控制回路参数的分散，如各种控制信号的传输延迟不同;(3)控制器运算误差引起直流分量;(4)逆变器启动、停运过程中变压器剩磁产生的直流分量;(5)母线电压畸变引起的直流分量;(6)电路设计不当，工艺水平低。

所以GTSDC 在实现过程中，采取了主动偏磁纠正技术，以实现对所有运行方式下的直流分量进行控制。GTSDC 输出由其机理来决定，暂态之后输出的是全波对称信号，控制器对输出三相补偿电流通过霍尔传感器进行实时采集提取直流分量，然后把对消除直流分量的控制分量叠加到对PWM 脉冲控制的脉冲控制中，从而达到抑制直流偏置的目的，减小对变压器运行的影响。通过主动纠偏磁处理，在实际运行中，通过对录波数据的分析可以看出，10 kV 侧直流分量的含量不超过2 A。

4 GTSDC 对厂用负荷的影响

在系统发生次同步振荡时，机端次同步阻尼控制的注入电流也会流入到电厂的厂用负荷侧。经过初步分析，由于厂用变负荷比较小，等效负荷阻抗相对于发电机暂态电抗及网络侧等效阻抗较大，流入负荷的电流会很小。进而对厂变侧的影响作用不会太强。进一步挑选3 种典型工况，纯交流，交直流并列，直接孤岛进行仿真计算，得到厂变高压次同步电压含量，流入厂变的次同步电流的含量，并计算与STATCOM 发出的总电流的比值，结果如表3 所示。

表3 3 种典型工况下，厂变高电压侧电压、电流分析

由表3 的计算结果可以看到，流入厂变侧的电流占STATCOM 总的输出电流总量的2%以下。与之前的预估计一致，是由于厂变负荷的等效阻抗较大。次同步电压、电流仅占基频电压、电流分量的0．05%以下，可以进一步确认，不会对负荷侧造成大的影响。

5 对发变组保护的影响

在保护接线一定的情况下，若GTSDC 的接入点如图9 中A 时，其相当于原来的区外故障，因此不会发生保护误动做。当GTSDC 电流接入点如图9 中B 点时，其相当于故障点位于区内，保护有可能产生动作。由于次同步电流本身非常小，需结合保护整定曲线来进行详细分析。

图9 GTSDC 接入点

假设整定GTSDC 容量为14 MVA，而在正常情况交直流并列运行工况下，GTSDC 的容量远低于14 MVA，甚至在5 MWA 以下，这里取最极端情况，即在某种情况下，GTSDC 容量全部投入，根据容量与输出电流的关系，GTSDC 输出到系统中的相电流有效值为808 A，而600 MW机组的额定相电流有效值为19．255 kA，GTSDC输出的电流仅是机组正常运行时的0．04，对应到二次侧的值为。根据图10，保护曲线的拐点横坐标为，可以看出，动作电流远小于保护整定值，因而保护不会产生动作。所以，由于系统中GTSDC 所能注入的次同步电流有限，即使在最恶劣情况下，发电机纵差保护也不会产生动作。

图10 GTSDC 对发电机纵差保护的影响

6 对系统暂态和动态稳定特性的影响

本文在PSCAD/EMTDC 仿真软件中搭建GTSDC 系统模型，分析GTSDC 安装前后对A 电厂600 MW机组及其送出系统发生故障时的短路电流，从而得出GTSDC 对系统短路容量的影响，结果表明，由于GTSDC 的容量(取14 MVA)远小于电网的短路容量，因此，GTSDC 投运前后，电网的短路电流变化很小。

另外，对GTSDC 投运前后发生严重故障的情况也进行了时域仿真，这里主要通过比较机组的功角和输出功率的动态过程来分析GTSDC 对系统暂态和动态稳定的影响。结果表明，GTSDC 投运前后机组功角和功率动态基本重合，即GTSDC 进行次同步抑制控制时不会对电网的动态过程造成不利影响。

7 对电网电气谐振的影响

本节应用PSCAD/EMTDC 时域仿真软件，分析GTSDC 对电网电压/电流谐波的影响。将GTSDC 作为扰动源，扰动电流的大小根据正常工况条件确定，选择系统中交流母线处作为测点，测量电压、电流，应用傅里叶分析电压和电流的谐波含量，如表4、表5 所示。可以看出，所产生的次同步频率电流、电压分量均很低，远低于《电能质量公用电网谐波》国家标准，因此系统正常运行时，GTSDC 不会影响电网电压和电流质量。

表4 纯交流工况下系统母线电压、电流次同步谐波分量

表5 交直流并列工况下系统母线电压、电流次同步谐波分量

8 结论

(1)GTSDC 运行时输出的次同步/超同步电流对机组电压和电流的质量基本无影响。(2)由GTSDC 引起的变压器直流偏磁问题不严重。(3)GTSDC 接入机组所产生的次同步电流对厂用变符负荷的影响很小，不会影响负荷设备的正常运行。(4)GTSDC 接入机组所产生的次同步电流相对机组容量有限，在最恶劣的情况下也不会引起发电机组保护产生误动作。(5)GTSDC 投运前后，电网的短路电流变化很小，不会对电网的动态过程造成不利影响。

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