STATCOM在抑制次同步谐振及提高串补度的应用研究

张 智 刘丽楠



STATCOM在抑制次同步谐振及提高串补度的应用研究

张 智1刘丽楠2

（1. 北京荣信慧科科技有限公司，北京 100193；2. 中国北方车辆研究所，北京 100072）

在远距离大容量的输电线路中，加入串补电容可以提高系统的输送能力。但是有时会出现次同步谐振问题，危及发电机组轴系安全和电力系统的稳定。加装STATCOM可以有效的抑制次同步谐振。本文详细介绍了STATCOM抑制次同步的原理，采用PSCAD仿真软件，结合锦界电厂的实际发电机及输电线路的参数，搭建了整体的系统模型。根据荣信电力电子公司的STATCOM结构及工作原理，搭建了STATCOM的仿真模型，通过仿真结果及现场的测试结果进行对比，验证了其抑制效果的有效性。并对提高固定串补装置的串补度进行了分析研究，通过在具有不同的串补度的工况进行仿真，来观察STATCOM是否可以在高串补度的工况下有效抑制次同步的发生。最后在不采用次同步抑制措施而只是修改串补度的情况下，根据仿真结果总结出不同次的次同步谐振与串补度的关系。

次同步谐振；STATCOM；固定串补；PSCAD；仿真验证

随着我国经济的迅猛发展，东、南部沿海地区的电力负荷随之增长，我国的煤炭资源主要分布在西部和北部地区，水能资源主要集中在西南地区，因此东、南部的负荷中心对电力能源的紧缺，急需西部的资源支持。

“西电东送”将煤炭、水能资源丰富的西部省区的能源转化成电力资源，输送到电力紧缺的东、南部沿海地区，采取高电压、大容量的交流和直流输电模式。规划预计至2020年，西电东送的送电总规模将突破1.2亿kW[1]。

在高压交流输电线路中，串入电容器能够起到减小线路电抗，提高线路传输能力，提高电力系统静态稳定极限的作用。但是在这种长距离输电系统中，加装高串补度的电容器有时也会引起次同步谐振。20世纪70年代，美国的Mohave电厂就发生过两次由于次同步谐振导致发电机组轴系损坏的事故，原因就在于固定串补。在我国也发生过轴系扭振的事故，如托克托、上都、锦界和呼贝电厂等。次同步谐振不仅会影响机组正常工作，同时还会威胁电网的安全运行，因此必须采取合理有效的治理措施。

锦界电厂采用了SVC装置来治理次同步振荡，取得了非常好的治理效果。近年来基于全控型功率器件的STATCOM兴起，逐渐取代了半控型功率器件的SVC。本文通过仿真研究STATCOM抑制次同步振荡的可行性，并给出锦界电网的串补度与发电机轴系的次同步频率之间的关系，对电网的未来规划以及升级改造具有指导意义。

1 次同步谐振问题

IEEE次同步工作组给出次同步定义，次同步谐振（subsynchronous resonance, SSR）指在电气系统与汽轮发电机轴系之间，以一个或者多个次同步频率，进行明显的能量交换的运行状态。

次同步谐振问题的产生主要由以下3种作用引起。

1）感应发电机效应。当系统中有同步发电机和串联补偿电容器时，发电机和输电线路的感性电抗，与串补电容的容性电抗在某一次同步频率下产生串联谐振，即总电抗为零。此时同步发电机在次同步频率下可以看作为异步电机，并且转子旋转的频率高于次同步频率，所以异步电机其处于发电模式。因为异步电机的等效电阻为负值，电机等效电阻电气量就会被持续的振荡放大，次同步谐振就会由感应发电机效应引起。

2）机电扭振相互作用。同步发电机的轴系可以看作由多个质量块构成，每个质量块有自己的固有频率。轴系在以同步频率旋转的同时，质量块之间会产生相对的扭转振荡，对每个扭振可以称之为模态，每个模态都有固有的自然振荡频率。当上述由感应发电机效应引起了次同步谐振时，轴系上会产生电磁转矩，这个电磁转矩的频率可能会与串联谐振频率互补，即两个频率之和等于电网基波频率。如果该电磁转矩的频率接近某个模态的自然振荡频率，就会导致发电机轴系的机械系统与电气系统之间产生共振，这种共振就是机电扭振相互作用。

3）暂态轴系力矩放大作用。如果电力系统发生严重故障，就会出现剧烈的暂态过渡过程。在暂态过程中可能会产生较大的次同步频率的电气量，如果系统的阻尼不够强大，次同步频率与轴系自然振荡频率接近互补，就会激发机电扭振，并且在极短时间内产生很大的暂态力矩，严重时可使轴系断裂。

2 次同步谐振的抑制技术

根据次同步谐振产生的机理原因，次同步谐振的抑制措施如图1所示[2]。

图1 次同步谐振的抑制措施

由于发生次同步谐振的电力系统已经建成，难以通过改变系统结构来消除次同步谐振，因此应当采取抑制机电扭振措施。在图1的措施中：①滤波，切断次同步频率的电流，不让其流入发电机；②增加电气阻尼，使电气阻尼能够承受严重的故障扰动，从而不激发次同步谐振。

表1和表2分别是进行次同步谐振治理的工程实例以及次同步谐振的抑制措施的对比。

3 STATCOM抑制次同步谐振技术

SSO-DS装置（STATCOM抑制次同步装置）是将采集到的发电机组轴系不同模态的扭振频率作为输入信号，经过控制器的抑制算法处理，将其叠加在输出基波电压上的次同步分量上，已达到通过注入系统电流来抵消系统原有的次同步电流的目的，进而可以在发电机组的转子上产生阻尼，抑制激发次同步振荡的电磁转矩。

表1 抑制措施的工程应用实例

表2 次同步谐振抑制措施比较

图2 SSO-DS系统图

SSO-DS装置以静止无功补偿器STATCOM作为控制主体，系统包括换流器、连接电抗器、转速测速系统、控制保护系统、电源系统和水冷系统。换流链由多个功率单元组成，单个功率单元由充电电容和4个全控型功率器件组成，实现无功的转换；电抗器的作用是滤除电流中可能存在的较高次谐波和将换流链与电网交流电压源相连接；控制保护系统将输入的电压电流及发电机组轴系扭振模态频率等信号进行处理，计算得出相应补偿的无功量，转化成PWM调制波控制换流链进行无功输出控制，同时针对一次二次设备的信号状态，进行对SSO-DS装置控制保护[3-5]。

STATCOM采用星型连接方式，每一相采用H桥级联的形式，其结构图如图3所示。

图3 STATCOM拓扑结构

电力系统在受到扰动后，汽轮发电机转子轴系的各个质量块之间将在一个或多个汽轮机机械系统自然频率下产生相互振荡，机械系统的这种自然振荡频率称为轴系扭振模态频率，本文以下简称为模态，它们只与机械系统的固有特性有关。

实际工程中，发电机轴系扭振模态频率都不是单一模态的，而是多个模态结构，因此控制补偿指令也应是对多模态进行综合补偿计算的。图4为SSO- DS的控制框图。

图4 SSO-DS控制框图

首先是将采集的多模态信号Dw进行分模态滤波，因为电厂的发电机轴系的模态频率，属于发电机的固有参数，所以特征模态频率可从电厂获得，根据特征频率可以将相应模态信号分离出来。

然后将分离出来的各模态信号进行比例放大、相位补偿以及补偿电流计算处理，得出每个模态的三相补偿电流参考值Dia,b,c，最后叠加各个模态的补偿电流得到总的补偿电流指令Da,b,c。

4 仿真分析研究

采用PSCAD仿真软件进行仿真，使用锦界电厂的原始数据，系统接线和发电机轴系质量块模型如图5所示[6-7]。

图5 输电线路系统接线示意图

图6 汽轮发电机组的集中多质块弹性轴系模型

表3 轴系扭振固有频率的测量结果

4.1 系统模型

系统的PSCAD仿真模型搭建如图7所示。

4.2 STATCOM模型

STATCOM直挂35kV母线上，接线形式为星接[8-9]。本次仿真为了缩短仿真时间，对STATCOM模型每相采用3级链式功率模块串联的模型，每个H桥开关频率取1kHz。

图7 PSCAD系统建模

图8 STATCOM模型

图9 STATCOM功率单元模型

图10 生成补偿指令电流环节

4.3 仿真验证

1）抑制次同步谐振功能验证

仿真过程：锦界至忻州段双回线运行，串补装置投运，串补度为35%，1.6s在忻州近端发生三相接地短路故障，1.7s切除一回锦界至忻州线路，接地故障清除，对比有无STATCOM时的次同步谐振波形。

从以上图中可以看出，有STATCOM时，次同步谐振可以有效被抑制。图13为锦界现场退闭环试验所记录的次同步谐振波形，可以看出从加入闭环后的波形与图11（b）中的抑制效果基本一致。

2）对提高串补度的仿真研究

延用上节有STATCOM的仿真过程，将线路的串补度提升至45%、55%、65%、70%，观察仿真结果。

（a）无STATCOM

（b）有STATCOM

图11 故障清除后的次同步谐振波形对比

图12 STATCOM输出的抑制次同步谐振的无功

图13 现场退闭环试验记录波形

（a）串补度为45%

（b）串补度为55%

（c）串补度为65%

（d）串补度为70%

图14 不同串补度时的次同步谐振抑制效果

从图14中可以看出，有STATCOM时，串补度升至70%时，对于此项目，次同步谐振依旧可以得到有效的抑制。

3）次同步谐振和串补度的关系

针对锦界电厂项目，表3指出发电机轴系扭震的固有频率为13Hz、23Hz和28Hz。从图11（a）中可以看出，模态三（28Hz）的谐振量占主导。因此针对不同的串补度和各个模态的关系进行仿真研究。

仿真过程同上，无STATCOM，使用不同的串补度，观察仿真结果。

从图15的（a）、（b）和图11（a）中可以看出，串补度在31.5%～43.4%范围内时，对于模态三（28Hz）将发生次同步谐振，而图15（c）、（d）则表明50.5%～67.4%的串补度为模态二（23Hz）发生次同步谐振的串补度范围。

5 结论

对于在远距离大容量的输电线路中加入串补装置提高系统的输送能力时所引发的次同步谐振问题，如果能够通过科学的计算、仿真以及采用有效的抑制措施，就完全可以解决。

（a）串补度为31.5%

（b）串补度为43.4%

（c）串补度为50.5%

（d）串补度为67.5%

图15 不同串补度时的次同步谐振

由图11结果可以得出，STATCOM可以有效的抑制次同步谐振。

由图14结果可以得出，忻州至锦界线路串补可以进一步增大串补度，提高输电能力。对电网的未来规划以及升级改造具有指导意义。

由图15结果可以得出以下规律，随着串补度的提高，所激发次同步谐振的频率会降低，不同的次同步频率有着自己的串补度范围。因此，合理的选择串补度也会降低发生次同步谐振的几率，减小次同步抑制装置的容量。

在发电厂送电线路中规划设计串补时，进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

张 智（1978-），男，吉林省吉林市人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为柔性直流输电、电力电子及无功补偿技术。