SEDC在抑制鄂溫克電廠次同步振蕩中的應用

張 治，扈 娟，趙偉華，王瑩瑩

（1.內蒙古蒙東能源有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021130；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085）

SEDC在抑制鄂溫克電廠次同步振蕩中的應用

張 治1，扈 娟1，趙偉華2，王瑩瑩2

（1.內蒙古蒙東能源有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021130；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085）

從鄂溫克電廠次同步振蕩風險評估入手，研究了SEDC在解決鄂溫克電廠次同步振蕩問題中的應用。通過現(xiàn)場試驗對SEDC的比例移相系數(shù)進行整定優(yōu)化；采用勵磁注入激勵法激發(fā)出軸系扭振來檢驗SEDC的抑制效果，結果表明SEDC可大幅提高機組的各階模態(tài)阻尼；對于外部持續(xù)擾動，SEDC可發(fā)揮持續(xù)的抑制作用。SEDC可有效抑制鄂溫克電廠的次同步振蕩問題，保障機組的安全穩(wěn)定運行。

次同步振蕩；SEDC；勵磁注入激勵法；模態(tài)阻尼

1 鄂溫克電廠送出系統(tǒng)

隨著遠距離、大容量輸電需求的上升，為提高輸電能力而采用的串聯(lián)補償技術被大量運用，直流輸電也迅猛發(fā)展［1］。串聯(lián)補償技術在提高輸電能力的同時，也給電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來了一定風險，設計和運行操作不當可能引發(fā)電力系統(tǒng)的次同步振蕩問題［2－4］。

鄂溫克電廠現(xiàn)有2 600 MW汽輪發(fā)電機組，電廠位于呼倫貝爾煤電基地，通過±500 kV呼遼直流、500 kV伊馮交流串補線路向東北電網(wǎng)送電，鄂溫克電廠送出系統(tǒng)如圖1所示。呼盟煤電機組有鄂溫克、呼倫貝爾、伊敏三個大型火力發(fā)電廠。伊敏發(fā)電廠一期、二期機組通過雙回交流串補500 kV線路接入東北電網(wǎng)馮屯變電站，在伊馮雙回線上加裝固定串補及可控串聯(lián)補償裝置，補償度按15%可控串補＋30%固定串補裝設。伊敏電廠三期機組、呼倫貝爾發(fā)電廠2×600MW發(fā)電機組、鄂溫克電廠2×600 MW發(fā)電機組輸出功率主要通過呼遼直流工程送出。該直流輸電一端為內蒙古伊敏換流站，另一端為遼寧穆家換流站。

圖1 鄂溫克電廠送出系統(tǒng)

由于呼倫貝爾煤電基地送出系統(tǒng)中既有直流輸電整流站又有可控串補線路，因此地區(qū)內各發(fā)電廠機組均存在發(fā)生次同步振蕩的風險。通過鄂溫克電廠機組裝設的TSR（扭應力保護裝置）監(jiān)測的錄波分析，在某些工況下，鄂溫克電廠機組存在持續(xù)、低幅值次同步振蕩。

2 鄂溫克電廠次同步振蕩分析

鄂溫克電廠機組軸系多質塊模型如圖2所示，經(jīng)過現(xiàn)場實測，軸系模態(tài)頻率分別為20.34 Hz和28.26 Hz。

圖2 鄂溫克電廠機組軸系多質塊模型

基于PSCAD／EMTDC建立鄂溫克電廠送出系統(tǒng)次同步振蕩的時域仿真計算模型。由于交直流并列運行是鄂溫克電廠外送系統(tǒng)的主要運行方式，故分析在此運行方式下的機組次同步振蕩特性。

在交直流并列運行方式下分別進行交流故障、直流故障、小擾動分析，以下分別列出各種故障情況下的時域仿真結果。

a.交流故障。伊敏電廠到伊敏換流站單回線單相故障，0.1 s后切除故障相，經(jīng)過0.6 s故障相重合閘成功。此故障引起的發(fā)電機側轉速差曲線以及缸體間的扭矩動態(tài)變化曲線如圖3、圖4所示。

b.直流故障。穆家換流站交流母線單相接地故障引起逆變側換相失敗。此故障引起的發(fā)電機側轉速偏差曲線以及缸體間的扭矩動態(tài)變化曲線如圖5、圖6所示。

c.網(wǎng)側擾動。在伊敏換流站施加與模態(tài)1和模態(tài)2互補的諧波電流，諧波擾動持續(xù)存在。此時的發(fā)電機側轉速偏差曲線以及缸體間的扭矩動態(tài)變化曲線如圖7、圖8所示。

根據(jù)上述仿真結果，由于故障引起的沖擊性扭振會激發(fā)出較大的扭振模態(tài)幅值，在軸系自身阻尼作用下扭振信號逐漸收斂；在持續(xù)外部小擾動作用下會造成軸系疲勞損傷不斷累積。無論是沖擊響應還是持續(xù)振蕩，如不采取抑制措施會對軸系造成較大損害。

為消除次同步振蕩對鄂溫克電廠機組及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來的危害，綜合考慮經(jīng)濟性及阻尼能力，在鄂溫克電廠側加裝附加勵磁阻尼控制器（SEDC）作為其中之一的抑制措施。

圖3 交流故障時發(fā)電機轉速偏差曲線

圖4 交流故障時低壓缸—發(fā)電機間扭矩動態(tài)變化曲線

圖5 直流故障時發(fā)電機轉速偏差曲線

圖6 直流故障時低壓缸—發(fā)電機間扭矩動態(tài)變化曲線

圖7 網(wǎng)側擾動時發(fā)電機轉速偏差曲線

圖8 網(wǎng)側擾動時低壓缸—發(fā)電機間扭矩動態(tài)變化曲線

3 SEDC抑制次同步振蕩的機理

SEDC通過安裝于高壓缸和電機側的測速齒盤獲得汽機側和電機側轉速，采用特定的模態(tài)解調算法提取模態(tài)信號，再分別經(jīng)過比例和移相環(huán)節(jié)得到各個模態(tài)的控制信號，相加后進行適當限幅，形成SEDC總的控制輸出，經(jīng)限幅后疊加到晶閘管勵磁調節(jié)器的觸發(fā)角控制信號上，控制勵磁繞組產(chǎn)生次同步頻率勵磁電壓，從而產(chǎn)生次同步頻率電流和磁鏈，進而產(chǎn)生次同步頻率的電磁轉矩。只要SEDC的比例和移相環(huán)節(jié)參數(shù)適當，這個轉矩就能對軸系的次同步扭矩起到阻尼作用［5］。SEDC屬于轉子側抑制設備。

SEDC抑制SSO的原理如圖9所示。若在小擾動情況下發(fā)生次同步振蕩，SEDC能快速使其收斂；若大擾動引起次同步振蕩，則在限幅范圍內SEDC對后續(xù)振蕩提供持續(xù)阻尼，避免次同步振蕩發(fā)散。

圖9 SEDC原理

4 SEDC抑制次同步振蕩的效果分析

SEDC控制規(guī)律主要包括2個環(huán)節(jié)，模態(tài)濾波環(huán)節(jié)和比例移相環(huán)節(jié)，分別如圖10和圖11所示。

圖10 SEDC模態(tài)濾波環(huán)節(jié)

圖11 SEDC增益移相環(huán)節(jié)

其中，增益系數(shù)和相位補償時間常數(shù)為需要優(yōu)化的參數(shù)。在現(xiàn)場通過勵磁注入激勵法［6］進行參數(shù)整定，獲得最優(yōu)的抑制效果。各模態(tài)在不同時間常數(shù)下的模態(tài)衰減系數(shù)如表1，當時間常數(shù)分別為0.003 8和0.000 8時，模態(tài)轉速信號的衰減系數(shù)最大，SEDC的閉環(huán)抑制效果最優(yōu)。

表1 不同時間常數(shù)下的模態(tài)衰減系數(shù)

軸系扭振通過在勵磁端注入次同步信號被激發(fā)，在撤去激勵后，無抑制措施時，在軸系自身阻尼下，模態(tài)轉速信號自由衰減；若在撤去激勵時投入具有最優(yōu)控制參數(shù)的SEDC，模態(tài)轉速信號衰減速率顯著提高。模態(tài)轉速動態(tài)曲線的對比如圖12所示。在激勵條件下，模態(tài)轉速達到0.1 rad／s。退出激勵后，在軸系自身阻尼條件下的模態(tài)衰減情況如藍色曲線所示；在SEDC抑制條件下的模態(tài)衰減情況如紅色曲線所示，衰減速率明顯提升。

圖12 有／無SEDC投入時的模態(tài)轉速動態(tài)曲線

無論在機網(wǎng)穩(wěn)定運行、常規(guī)操作還是故障擾動下，SEDC均能實時反映機組軸系和系統(tǒng)動態(tài)并產(chǎn)生對應的連續(xù)控制信號，在勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生所需的轉子附加電流，提供次同步扭振阻尼扭矩［7］。為驗證SEDC的持續(xù)抑制效果，通過電網(wǎng)注入激勵法，模擬網(wǎng)側持續(xù)的擾動源，分析軸系扭振的激發(fā)情況。

通過電網(wǎng)注入激勵法激發(fā)軸系扭振，如圖13所示，模態(tài)轉速信號達到0.1 rad／s，在網(wǎng)側激勵持續(xù)存在時，投入SEDC抑制，模態(tài)轉速信號降低并維持在0.05 rad／s以內。試驗結果表明SEDC能夠實時跟蹤模態(tài)轉速信號并進行持續(xù)抑制。

在未投運SEDC抑制前，鄂溫克電廠機組的TSR每天啟動錄波次數(shù)達到200次左右。SEDC參數(shù)整定優(yōu)化后，進行現(xiàn)場投運，統(tǒng)計TSR錄波每天啟動次數(shù)，減少了60%～70%，由此可見SEDC可解決鄂溫克電廠70%左右的次同步振蕩問題。

5 結束語

呼遼高壓直流工程及可控串補輸電引發(fā)鄂溫克電廠2臺600 MW機組頻繁發(fā)生持續(xù)、小幅值次同步振蕩，在廠側安裝SEDC裝置作為抑制措施之一。

圖13 網(wǎng)側持續(xù)激勵時SEDC抑制效果

首先分析了鄂溫克電廠的次同步振蕩特性，在線路故障及擾動發(fā)生時，會激發(fā)出明顯的軸系扭振，威脅機組軸系安全，需采取抑制保護措施，SEDC可用于對鄂溫克電廠次同步振蕩的抑制；然后對SEDC抑制次同步振蕩的機理進行了研究；并通過勵磁注入激勵法整定優(yōu)化SEDC的增益、移相參數(shù)。觀察有無SEDC投入時的模態(tài)轉速信號的動態(tài)變化情況，表明SEDC可以顯著提高機組模態(tài)阻尼，加快扭振信號收斂速度；在外部擾動持續(xù)存在時，SEDC可將扭振信號控制在較低的水平，減少對軸系疲勞的損害。此外，SEDC投運后，對錄波啟動次數(shù)進行統(tǒng)計，啟動次數(shù)減少了60%～70%，表明SDEC可解決鄂溫克電廠60%～70%的次同步振蕩問題，可補充阻尼能力更強的抑制裝置，與SEDC互為備用，全面解決鄂溫克電廠機組的次同步振蕩。

［1］王貫義.電力系統(tǒng)次同步振蕩機理及抑制措施的研究［D］.南京：東南大學，2008.

［2］徐 政，張 帆.托克托電廠串補送出方案次同步諧振問題的計算和分析［J］.中國電力，2006，39（11）：21－26.

［3］楊 煜，陳 陳.伊敏—大慶500 kV輸電系統(tǒng)次同步諧振分析——兼論發(fā)電機軸系共振頻率［J］.電網(wǎng)技術，2000，24（5）：10－12.

［4］王繼偉，鄂士平.高嶺換流站工程次同步振蕩原因及解決辦法［J］.東北電力技術，2009，30（11）：20－21.

［5］劉世宇，謝小榮，王仲鴻.我國火電基地串補輸電系統(tǒng)的次同步諧振問題［J］.電網(wǎng)技術，2008，32（1）：5－8.

［6］孫 峰，張洪存，吳 軍.應用可控串補交直流系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究［J］.東北電力技術，2010，31（1）：14－17.

［7］謝小榮，劉世宇，張樹卿，等.附加勵磁阻尼控制抑制多模態(tài)SSR的機理及其關鍵技術［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（21）：10－14.

［8］郭錫玖，謝小榮，劉世宇，等.上都電廠SEDC提供次同步扭振阻尼的現(xiàn)場試驗［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（10）：97－100.

［9］董小亮，謝小榮，李國慶，等.采用SEDC和GTSDC抑制SSR的控制參數(shù)優(yōu)化設計［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（20）：83－88.

Application on Solving Subsynchronous Oscillation Based on SEDC in Ewenki Plant

ZHANG Zhi1，HU Juan1，ZHAO Weihua2，WANG Yingying2
（1.Inner Mongolia MengDong Energy Co.，Ltd.，Hulunbeir，Inner Mongolia 021130，China；2.Beijing Sifang Automation Co.，Ltd.，Beijing 100085，China）

This paper assesses the subsynchronous oscillation risk of Ewenki power plant and proposes solutions using SEDC to sup?press the SSO.The proportion and phase?shifting parameters of SEDC are tuned and optimized through the field test.The suppression effect is verified by torsional vibration of shaft system excited through excitation system shows that the SEDC can dramatically improve modal damping of units.Besides，for external persistent disturbances，SEDC can provide continuous suppression effect.SEDC can ef?fectively suppress the SSO of Ewenki power plant and guarantee secure and stable operation of units.

Subsynchronous oscillation；SEDC；Excited excitation method；Modal damping

TM712

A

1004－7913（2016）10－0049－04

張 治（1984），男，學士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動化技術研究工作。

2016－04－19）