火电机组次同步谐振抑制措施的研究与应用

火电机组次同步谐振抑制措施的研究与应用

梁显顺

内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司 026000

摘要：锡盟地区能源外送系统采用特高压直流和特高压交流混合外送，因装设线路大容量串补装置带来了次同步谐振（SSR）的风险，危及周边火电机组的安全稳定运行。本文以大唐锡林浩特电厂为工程背景，介绍了仿真研究边界条件和风险评估、次同步谐振抑制措施、抑制效果和方案比选。通过现场试验及PSCAD仿真复核的方法验证了设备的抑制效果，为国内同类机组解决SSR问题提供了理论及实践参考。

关键词：特高压；串补装置；次同步谐振；抑制措施；PSCAD；

Research and application of thermal units SSR restraining measures

Liang Xianshun

英文摘要：The energy export system in Ximeng adopts the mixed export of UHV DC and UHV AC. due to the installation of line high-capacity series compensation device, it brings the risk of subsynchronous resonance (SSR) and endangers the safe and stable operation of surrounding thermal power units. Taking Datang Xilinhot power plant as the engineering background, this paper introduces the boundary conditions and risk assessment of simulation research, subsynchronous resonance suppression measures, suppression effect and scheme comparison. The suppression effect of the equipment is verified by field test and PSCAD simulation review, which provides a theoretical and practical reference for similar domestic units to solve SSR problems.

英文关键字：UHV;Series compensation device; SSR; Restraining measures; PSCAD;

1前言

锡盟地区能源外送系统采用特高压直流和特高压交流混合外送，其中锡盟～山东特高压交流输电工程是锡盟地区电力能源输送至华北地区京津冀鲁负荷中心的重要通道。为提高系统输电能力，在锡盟～北京东线路装设有40%左右的串补，每组串补分为两段20%布置。随着锡盟地区电网的发展，大容量高压交流输电及新能源风电和光伏发电的不断投运，次同步谐振（SSR）的风险也随之而来，危及锡盟送端火电机组的安全运行，严重时可导致发电设备损坏，影响着送端电网的安全稳定运行。

为此大唐锡林浩特电厂对SSR风险开展专题研究，基于现场实测的机组轴系扭振模型和发电机电气模型，以及励磁调节系统、直流输电主回路、串补线路、以及适当的外部电网等值数学模型，通过阻抗-频率扫描、复转矩系数法、时域仿真的方法，对大唐锡林浩特电厂次同步谐振问题进行评估及仿真。相关研究表明大唐锡林浩特电厂存在次同步风险，且随着并网机组数量的增加风险逐步增大。根据近中期及远期次同步谐振风险的严峻性，研究出可行且经济的次同步谐振解决方案，在保证轴系安全的情况下实现电力能源外送。

2次同步谐振风险评估及抑制方案研究

2.1仿真边界条件及风险评估

2.1.1仿真边界条件

首先利用阻抗频率扫描和复转矩系数法，筛选出有潜在次同步振荡风险的运行方式，再通过详细的时域仿真检验潜在风险方式下发生典型故障时次同步振荡的稳定性及机组轴系疲劳积累。时域仿真中主要的边界条件有：

（1）仿真电网规模：保留锡盟地区电网的主网架，华北电网主网侧从廊坊、海河特高压母线做单点等值，最终锡盟地区电网及配套电源规模如图1所示：

图1 锡盟地区电网及配套电源图

（2）电网运行方式：

A．锡盟-廊坊双回线的运行方式，包括双回线带双串补运行、双回线带单串补运行（串补检修）、单回线带单串补运行（线路检修）。

B．锡林浩特地区其余电厂投运台数，共考虑5种机组投运方式。

（3）机组运行方式：主要考虑大唐锡林浩特电厂单机轻载、单机半载、单机满载、双机半载、双机满载5种运行方式。

（4）故障情况：考虑的故障类型有单瞬、单永、两相接地和三相短路故障，故障位置为电厂升压变高压侧、胜利-锡盟1000 kV线路胜利侧、锡盟-廊坊1000 kV线路锡盟侧、隆化串补靠近锡盟侧、隆化串补靠近廊坊侧、锡盟-廊坊1000 kV线路廊坊侧、锡盟换流站交流侧；正常及检修方式下均进行了故障仿真。

（5）火电机组全载和半载时机械阻尼为0.05/s，轻载时机械阻尼为0.01/s。

2.1.2仿真风险结果

仿真计算结果表明，在无任何抑制措施时，部分运行工况下模态2扭振发散，但仍没有暂态扭矩过大问题，主要结果如下：

（1）电网正常及检修方式下大唐锡林浩特电厂无次同步振荡风险。

（2）电网正常及检修方式下发生故障时，大唐锡林浩特电厂有次同步振荡风险，形式为机网复合共振，不存在暂态扭矩过大问题。

（3）电网10台机组+2台调相机运行方式下，严重故障导致锡盟-廊坊一回线路退出运行时，大唐锡林浩特电厂扭振收敛，但仍造成一定程度的轴系疲劳损失。

（4）电网正常及单个串补检修、12台机组+2台调相机运行方式下，严重故障导致锡盟-廊坊一回线路退出运行时，大唐锡林浩特电厂模态2扭振发散。

（5）锡盟-廊坊单回线路检修、12台机组+2台调相机运行方式下，故障后锡盟-廊坊线路不切除时，大唐锡林浩特电厂模态2扭振发散。

（6）在14台机组和2台调相机投产时，查干淖尔电厂未加抑制时大唐锡林浩特电厂次同步谐振将进一步加剧，但仍没有暂态扭矩过大问题。

2.2次同步振荡抑制方案研究

由次同步谐振产生的机理可知，次同步谐振的产生与系统中机械子系统和电气子系统之间的耦合振荡有密切的关系，因此次同步谐振的抑制方法主要思路是采用恰当的方法去掉两者之间的耦合，这样振荡的可能性就会大大降低。

2.2.1阻塞滤波器

阻塞滤波器串联接入升压变高压侧每相绕组中性点，在轴系模态互补频率点呈现高幅值电阻状态，因而既可以抑制机电相互作用，也对暂态扭矩放大具有较为明显的抑制效果。阻塞滤波器中的电容、电感等元件的参数易受温度等因素的影响而发生偏移，从而使其谐振频率偏离机组的机械自然频率，影响其效果。阻塞滤波器的参数如果选择不当，系统有发生异步自励磁的风险。其主要由一次设备构成，占地面积大，耗资巨大造价亿级。

2.2.2静止无功补偿器SVC

SVC 装置以发电机转速与同步速偏差为输入信号，经过控制环节，产生次同步频率附加变化电纳量，通过 TCR 支路产生次同步频率变化电压增量，在发电机产生阻尼转矩，达到抑制次同步振荡的目的。SVC是从系统侧起作用的主动型次同步振荡抑制措施，切由于其相对独立，不受发电机组运行条件的限制，因此当容量满足要求时，能够较为有效的抑制次同步振荡。但是由于SVC采用半控型功率器件，且采用相控方式，响应速度会受到一定的限制，国内已经不再将该技术作为主流技术推广，造价接近1亿。

2.2.3机端附加阻尼控制GTSDC

GTSDC是一种新型次同步阻尼控制装置，包括多模式控制器和电力电子式电流跟踪逆变器两个部分，如图2所示。其抑制次同步谐振的基本原理为：以含有发电机轴系扭振模态频率的检测量作为其控制器的输入信号，通过适当的控制算法，改变电流跟踪逆变器注入系统的次/超同步电流大小，从而在发电机组的转子上产生阻尼次同步谐振的电磁转矩。该方案占地面积较小，可以集装箱的形式安装，施工周期短，造价千万级。

图2 GTSDC基本结构图

2.2.4附加励磁系统阻尼控制SEDC

SEDC 具有良好的经济性，它是附加控制环节，属于二次设备，装设于发电机励磁环节。其控制量经限幅后作为励磁系统电压调节器的辅助信后参与对励磁电压的调节，从而在发电机的励磁绕组中产生相应的电流分量，进而形成阻尼发电机次同步振荡的阻尼转矩。由于受励磁系统容量限制，SEDC抑制能力较为有限。该装置一般采用独立屏柜安装，造价低易实施，可与机组同步投产使用，一般适用于风险较小的场景，也可远期与其它抑制措施联合抑制风险较高的场景。

2.3抑制方案选择

根据不同抑制措施的特征，考虑到可实施性，抑制次同步谐振的主要方法集中在了增大系统阻尼和使用滤波器这两大类。但是滤波器方案造价过亿，占用场地大，综合经济性以及现场实施条件，优先考虑增大系统阻尼方案，该方案造价千万级，占用场地少，且实施周期短，对设计容量和接入位置进行研究。

2.3.1不同容量GTSDC抑制效果对比

在选择GTSDC容量时，应在已仿真的运行方式中挑选造成最严重次同步振荡的方式，以此为基础进行GTSDC容量选取的工作。由试验可知，大唐锡林浩特电厂在锡盟-北京东接线方式为双线双串补、双线单串补，周围电厂10台机组全投、锡泰直流两台调相机投运且大唐锡电两台机组运行时，在锡盟-北京东线路上发生三相短路故障引起的次同步振荡均较为严重。仿真对比不同GTSDC容量时机组轴系扭振的抑制情况，容量为15Mvar、20Mvar时机组轴系扭振的抑制情况如下表1所示。

表1 不同容量GTSDC轴系疲劳损失对比

对比15Mvar、20Mvar容量的方案，仅从疲劳抑制的效果看，容量越大，抑制效果越好。

2.3.2不同接入方式GTSDC抑制效果对比

GTSDC一般有3个接入位置，分别为主变高压侧、发电机机端、厂用变低压侧。大唐锡林浩特电厂主变高压侧电压等级为1000kV，电压等级太高，高压侧接入方案不仅造价高，而且故障后的影响范围比较大，因此考虑剩余两种接入方式。在采用接入发电机机端方案时，GTSDC将通过22/10kV变压器接入发电机机端母线；在采用接入厂用变低压侧方案时，厂用负荷按照机组额定功率的7%考虑。仿真对比不同接入方式时GTSDC机组轴系扭振的抑制情况。从不同接入方式下模态转速偏差对比波形中可以看出，当考虑厂用变负荷时，GTSDC通过22/10kV接入发电机机端相比于接入厂用变低压侧而言抑制效果较好。

图3 不同接入方式下模态转速偏差

对比从机端接入和从厂用变低压侧接入两种接入方式，仿真表明在有厂用变负荷的情况下会影响GTSDC抑制效果，机端接入方案要优于厂用变接入方案。考虑到施工工程量及难易程度，厂用变方案要优于机端接入方案。但是厂房空间紧张，厂房内无场地安装GTSDC一次设备，如果将其安装于厂房外，则需要从低压侧母线引出分支导体，距离很长，存在故障隐患。因此，综合考虑抑制效果、工程造价、施工条件、事故隐患等因素，最终采用降压式22kV/10kV 20Mvar的GTSDC，直接接入发电机机端封闭母线。

2.3.3 不同组合方式下SEDC和GTSDC的抑制效果

经过系统仿真研究计算分析，主要结论如下：

（1）在锡盟地区10台火电机组+2台调相机投产情况下， SEDC单独运行时可将故障后轴系疲劳损失降低至1.72%以内。

（2）锡盟地区火电机组投运数量大于10台后，SEDC对次同步振荡的抑制能力有限，在中期12+2方式下，三相故障后SEDC可将机组轴系疲劳有由8.33%降低至4.34%；在远期14+2方式下，三相故障后SEDC仅可将机组轴系疲劳由30.19%降低至17.48%，因此需要加装大容量一次侧抑制设备。

（3）在锡盟地区12台火电机组和2台调相机投产情况下，GTSDC（20MVA）单独运行时，理论计算表明可将故障后轴系疲劳损失由发散降低至3.03%以内。

（4）GTSDC（20MVA）+SEDC联合抑制时，理论计算表明可将故障后轴系疲劳损失由发散降低至2.69%以内。

（5）远期查干淖尔项目仍在规划阶段，机组轴系参数并未确定，如其采用大唐锡林浩特电厂电气参数和神华胜利电厂轴系参数的基础上，在锡盟地区14台火电机组和2台调相机投产情况下，GTSDC（20MVA）+SEDC联合抑制时，方案仍可有效减小各种故障下机组轴系的疲劳累积，严重故障下可将轴系疲劳抑制在4%以内。

计算结果表明，当GTSDC 和SEDC联合抑制时，其抑制效果优于20Mvar GTSDC单独抑制方案。该方案能够把定转子控制联合起来使用，既保证了抑制措施的完备性，又降低了一次设备的容量，具备良好的抑制效果与技术经济性，造价千万级。为解决次同步谐振问题，最终大唐锡林浩特电厂采用GTSDC（20MVA）+SEDC装置的联合抑制方案。考虑机组投产时间，并网前电网要求存在风险的电厂应具备抑制设备，SEDC可与机组同步投产，现场提前实施，GTSDC后续结合机组检修时实施。

3.实际应用与复核验证

3.1现场试验

现场通过SEDC持续激励扭振，对比GTSDC系统在不抑制、激励后延时投入抑制、激励前投入抑制并持续抑制三种实验的抑制效果，验证了实际系统在小扰动持续激励扭振情况下的抑制功能，见图4。

图4 现场小扰动试验对比

由于GTSDC现场实验时，仅能模拟小扰动激发扭振的情况，不具备电网系统的大扰动实验条件，实测参数对于大扰动激发扭振的情况能否适用，需要在仿真系统中进行验证，确定GTSDC控制参数满足现场应用的要求。

3.2 复核方法

一是在同等控制条件和输入的情况下，对比PSCAD模型和现场扭振抑制设备的GTSDC输出是否一致，验证其模型的准确性。通过图5对比，可以看出仿真模型中的GTSDC输出波形与现场设备输出基本一致，说明仿真模型可以较好地模拟实际系统。

图5仿真与实际d轴电流波形对比

二是在PSCAD中复现现场短时激励+扭振抑制的实验过程，对比二者在扭振抑制时间段内扭振模态的衰减变化情况，验证仿真模型的小扰动扭振抑制效果与现场实际一致。从图6波形中可以看出，PSCAD仿真波形的衰减速度略低于现场实测波形，衰减时间常数略大，即对机组而言，PSCAD仿真模型中机组的阻尼要小于现场实际阻尼，仿真模型比现场实际更为保守，因此实际抑制效果会优于仿真研究结果。

图6现场实测波形与PSCAD仿真波形对比

4结语

本文以锡盟地区火电机组经锡盟-泰州特高压直流和锡盟-隆化（串补站）-廊坊特高压交流混合系统外送为分析对象，描法分析了大唐锡林浩特电厂存在SSR 风险的运行方式，同时采用时域仿真分析进行验证，提出了GTSDC+SEDC来抑制SSR 的方法, 利用实时仿真和现场试验，验证了GTSDC+SEDC在抑制SSR方面的有效性，也为该系统在国内应用提供了更好的理论和实践依据。随着未来新能源装机容量发展的不确定性，可能引起系统运行方式和网络结构发生重大变化，可能导致电气谐振频率增加，影响SSR 特性和控制效果，未来需要随着电网结构的演变适时开展再研究工作。

参考文献

[1]谢小荣,韩英铎,郭锡玖.电力系统次同步谐振的分析与控制,科学出版社，2015

[2]杨帆.STATCOM抑制次同步振荡的原理与仿真分析:[杨帆学位论文].北京：华北电力大学，2012

[3]张帆，徐政.采用SVC抑制发电机次同步谐振的理论及实践.高压电技术，2007,33（3）

[4]王凯，王辉，马志恒等.大唐国际锡林浩特发电有限责任公司2×660MW汽轮发电机组机端附加阻尼控制GTSDC扭振抑制方案可研.南京南瑞继保工程技术有限公司,2020

作者简介

梁显顺，男，工程师、技师，沈阳工程学院电气工程及其自动化专业毕业，现任内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司维护部电气二次队队长。