機(jī)端次同步阻尼控制器接入對(duì)系統(tǒng)影響分析

王 昊，趙曉初

(1．神華國(guó)能集團(tuán)有限公司 電力生產(chǎn)部，北京100033;2．國(guó)網(wǎng)北京海淀供電公司 調(diào)度通信中心，北京100086)

0 引言

電力系統(tǒng)常見(jiàn)的失穩(wěn)模式有振蕩失穩(wěn)、單調(diào)失穩(wěn)等，次同步振蕩屬于系統(tǒng)的振蕩失穩(wěn)，它由電力系統(tǒng)中一種特殊的機(jī)電耦合作用引起，其最大的危害是，可能直接導(dǎo)致大型汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系的嚴(yán)重破壞，造成重大事故，危及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。輸電線路的串聯(lián)電容補(bǔ)償、直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的不當(dāng)加裝、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、可控硅控制系統(tǒng)、電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔玫龋赡軐?dǎo)致次同步振蕩現(xiàn)象。隨著跨區(qū)輸電線路的大規(guī)模建設(shè)，交流串補(bǔ)以及高壓直流輸電引發(fā)次同步諧振/振蕩，進(jìn)而造成發(fā)電機(jī)組大軸疲勞和損壞的問(wèn)題，成為制約部分發(fā)電單位安全生產(chǎn)的重大隱患［1～5］。

次同步振蕩的抑制措施可分為:阻尼和濾波、繼電保護(hù)及監(jiān)測(cè)保護(hù)、發(fā)電機(jī)組改造以及接入系統(tǒng)改造等4 大類。其中，發(fā)電機(jī)組改造以及接入系統(tǒng)改造成本巨大，發(fā)電企業(yè)及電網(wǎng)難以承擔(dān);繼電保護(hù)及監(jiān)測(cè)保護(hù)對(duì)經(jīng)常性小幅值次同步諧振造成的機(jī)組軸系疲勞損耗作用較小;阻尼和濾波是確保機(jī)組軸系安全較為可行的方案。國(guó)內(nèi)部分發(fā)電單位嘗試了各種形式的阻尼濾波方法，取得了一定改進(jìn)效果，如大唐托克托電廠采用阻塞濾波器、華能伊敏電廠采用輔助勵(lì)磁阻尼控制、國(guó)華錦界電廠采用靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置等。

各類阻尼濾波設(shè)備接入一次或二次系統(tǒng)，不可避免增加新的諧波源，可能對(duì)電網(wǎng)及廠用電系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。本文以一種基于STATCOM 的次同步阻尼控制器(GTSDC)為例，通過(guò)建模仿真，分析其對(duì)電網(wǎng)及廠用電系統(tǒng)的影響。

1 GTSDC 的系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

機(jī)端次同步阻尼控制器(Generator Terminal Subsynchronous Damping Control，GTSDC)是新近研發(fā)的基于STATCOM 在次同步方面特殊應(yīng)用的一種控制裝置。GTSDC 通過(guò)在發(fā)電機(jī)的定子側(cè)施加控制措施增加次同步電氣阻尼來(lái)抑制次同步振蕩問(wèn)題，其工作原理為:采用發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差作為反饋信號(hào)，控制輸出與關(guān)注的軸系扭振模態(tài)頻率互補(bǔ)的補(bǔ)償電流參考值，就地功率控制單元輸出電流動(dòng)態(tài)跟蹤該參考值向電網(wǎng)注入次同步頻率電流，通過(guò)適當(dāng)設(shè)置GTSDC 的控制參數(shù)，即可產(chǎn)生與軸系扭振頻率一致且起阻尼作用的電磁轉(zhuǎn)矩增量，實(shí)現(xiàn)抑制次同步振蕩的目標(biāo)。如圖1 所示為GTSDC 接入系統(tǒng)示意圖。

圖1 GTSDC 接入系統(tǒng)示意圖

GTSDC 因具有以下優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注:(1)在解決多模態(tài)次同步振蕩問(wèn)題時(shí)，因其阻尼能力強(qiáng)，可加快次同步振蕩收斂迅速;(2)具有電流源特性、諧波小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn);(3)通過(guò)采用PWM 控制，裝置輸出電流的正弦度良好，響應(yīng)速度快及魯棒性好。

根據(jù)GTSDC 的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其接入系統(tǒng)后對(duì)系統(tǒng)的影響，尤其對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，需進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析研究。本文基于典型交直流混合輸電系統(tǒng)，結(jié)合時(shí)域仿真，重點(diǎn)分析研究了GTSDC 接入系統(tǒng)后對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)的影響，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

2 對(duì)機(jī)組電壓/電流諧波的影響分析

為便于分析，本文采用PSCAD/EMTDC 時(shí)域仿真軟件搭建了系統(tǒng)模型，如圖2 所示。系統(tǒng)圖中包含3 個(gè)火電廠A/B/C、串補(bǔ)輸電線路、直流輸電線路及無(wú)窮大等效電網(wǎng)。本研究以裝設(shè)有GTSDC 的A 電廠為例，分別考察了發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和發(fā)電機(jī)機(jī)端電流的影響。

圖2 裝有GTSDC 的A 電廠送出系統(tǒng)圖

(1)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓

正常運(yùn)行工況下有、無(wú)GTSDC 時(shí)系統(tǒng)電壓波形的對(duì)比如圖3 所示，有GTSDC 時(shí)機(jī)端電壓的諧波畸變率THD 如圖4 所示，無(wú)GTSDC 時(shí)機(jī)端電壓的THD 如圖5 所示。

圖3 正常運(yùn)行工況下有無(wú)GTSDC時(shí)機(jī)端電壓波形的對(duì)比

圖4 正常運(yùn)行工況下裝有GTSDC時(shí)機(jī)端電壓THD

圖5 正常運(yùn)行工況下無(wú)GTSDC時(shí)機(jī)端電壓THD

(2)發(fā)電機(jī)機(jī)端電流

正常運(yùn)行工況下發(fā)電機(jī)輸出電流波形的對(duì)比如圖6 所示，無(wú)GTSDC 時(shí)機(jī)組輸出電流的THD如圖7 所示，有GTSDC 時(shí)機(jī)組輸出電流的THD如圖8 所示。

對(duì)波形和THD 進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1 和表2。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，正常工況下，裝有GTSDC對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和輸出電流的影響較小，其中電壓最大偏差不超過(guò)0．001 8%，平均偏差不超過(guò)0．000 795%，電流最大偏差不超過(guò)0．43%，平均偏差值為0．009 8。有無(wú)GTSDC 電壓、電流THD值均低于0．4%，遠(yuǎn)低于輸電網(wǎng)諧波電壓2%的限值要求，因此，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，安裝GTSDC 對(duì)機(jī)組電壓和電流的質(zhì)量影響不大。

圖6 正常運(yùn)行工況下有無(wú)GTSDC時(shí)機(jī)組輸出電流波形的對(duì)比

圖7 正常運(yùn)行工況下有GTSDC時(shí)機(jī)組輸出電流THD

圖8 正常運(yùn)行工況下無(wú)GTSDC時(shí)機(jī)組輸出電流THD

表1 GTSDC 對(duì)機(jī)組電壓/電流諧波的影響

表2 GTSDC 對(duì)機(jī)組THD 的影響

3 對(duì)變壓器運(yùn)行的影響

由于GTSDC 采用電力電子控制技術(shù)，輸出電壓或電流波形中可能出現(xiàn)正負(fù)半波不對(duì)稱現(xiàn)象，而其采用變壓器耦合接入方式，進(jìn)而可能引發(fā)變壓器直流偏磁問(wèn)題。

出現(xiàn)變壓器直流偏磁的主要成因和危害可簡(jiǎn)要介紹如下:當(dāng)GTSDC 輸出并加在變壓器兩端的正反向脈沖電壓的伏秒乘積不等時(shí)，則正負(fù)半波磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值也不同，磁工作區(qū)域?qū)⑵虻谝换虻谌笙蓿葱纬芍绷髌牛瑥亩鴮?dǎo)致變壓器鐵心飽和，偏磁的持續(xù)累積最終使鐵心進(jìn)入深度飽和，磁工作點(diǎn)進(jìn)入非線性區(qū)，鐵心相對(duì)磁導(dǎo)率迅速減小，勵(lì)磁電流急劇增大，導(dǎo)致變壓器過(guò)熱，最終可能導(dǎo)致器件損壞。

與GTSDC 類似的靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)由于接入變壓器直流偏磁過(guò)大而不能正常投運(yùn)的情況曾有文獻(xiàn)報(bào)道，如日本的新信濃變電站的50 MVA STATCOM，由于附近投入大容量變壓器引起的激勵(lì)效應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)，擾亂了STATCOM 的脈沖控制信號(hào)，造成輸出電壓正負(fù)半波不對(duì)稱，進(jìn)而引起嚴(yán)重的直流偏磁現(xiàn)象，導(dǎo)致STATCOM 不能正常投運(yùn)。

造成FACTS 設(shè)備輸出正負(fù)半波不對(duì)稱進(jìn)而引發(fā)變壓器直流偏差的具體原因可能是下述的一種或其組合:(1)主電路參數(shù)的分散，如功率器件通態(tài)壓降的差異、功率器件開(kāi)關(guān)速度的差異等;(2)驅(qū)動(dòng)電路元件和控制回路參數(shù)的分散，如各種控制信號(hào)的傳輸延遲不同;(3)控制器運(yùn)算誤差引起直流分量;(4)逆變器啟動(dòng)、停運(yùn)過(guò)程中變壓器剩磁產(chǎn)生的直流分量;(5)母線電壓畸變引起的直流分量;(6)電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，工藝水平低。

所以GTSDC 在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采取了主動(dòng)偏磁糾正技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有運(yùn)行方式下的直流分量進(jìn)行控制。GTSDC 輸出由其機(jī)理來(lái)決定，暫態(tài)之后輸出的是全波對(duì)稱信號(hào)，控制器對(duì)輸出三相補(bǔ)償電流通過(guò)霍爾傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集提取直流分量，然后把對(duì)消除直流分量的控制分量疊加到對(duì)PWM 脈沖控制的脈沖控制中，從而達(dá)到抑制直流偏置的目的，減小對(duì)變壓器運(yùn)行的影響。通過(guò)主動(dòng)糾偏磁處理，在實(shí)際運(yùn)行中，通過(guò)對(duì)錄波數(shù)據(jù)的分析可以看出，10 kV 側(cè)直流分量的含量不超過(guò)2 A。

4 GTSDC 對(duì)廠用負(fù)荷的影響

在系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩時(shí)，機(jī)端次同步阻尼控制的注入電流也會(huì)流入到電廠的廠用負(fù)荷側(cè)。經(jīng)過(guò)初步分析，由于廠用變負(fù)荷比較小，等效負(fù)荷阻抗相對(duì)于發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗及網(wǎng)絡(luò)側(cè)等效阻抗較大，流入負(fù)荷的電流會(huì)很小。進(jìn)而對(duì)廠變側(cè)的影響作用不會(huì)太強(qiáng)。進(jìn)一步挑選3 種典型工況，純交流，交直流并列，直接孤島進(jìn)行仿真計(jì)算，得到廠變高壓次同步電壓含量，流入廠變的次同步電流的含量，并計(jì)算與STATCOM 發(fā)出的總電流的比值，結(jié)果如表3 所示。

表3 3 種典型工況下，廠變高電壓側(cè)電壓、電流分析

由表3 的計(jì)算結(jié)果可以看到，流入廠變側(cè)的電流占STATCOM 總的輸出電流總量的2%以下。與之前的預(yù)估計(jì)一致，是由于廠變負(fù)荷的等效阻抗較大。次同步電壓、電流僅占基頻電壓、電流分量的0．05%以下，可以進(jìn)一步確認(rèn)，不會(huì)對(duì)負(fù)荷側(cè)造成大的影響。

5 對(duì)發(fā)變組保護(hù)的影響

在保護(hù)接線一定的情況下，若GTSDC 的接入點(diǎn)如圖9 中A 時(shí)，其相當(dāng)于原來(lái)的區(qū)外故障，因此不會(huì)發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)做。當(dāng)GTSDC 電流接入點(diǎn)如圖9 中B 點(diǎn)時(shí)，其相當(dāng)于故障點(diǎn)位于區(qū)內(nèi)，保護(hù)有可能產(chǎn)生動(dòng)作。由于次同步電流本身非常小，需結(jié)合保護(hù)整定曲線來(lái)進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖9 GTSDC 接入點(diǎn)

假設(shè)整定GTSDC 容量為14 MVA，而在正常情況交直流并列運(yùn)行工況下，GTSDC 的容量遠(yuǎn)低于14 MVA，甚至在5 MWA 以下，這里取最極端情況，即在某種情況下，GTSDC 容量全部投入，根據(jù)容量與輸出電流的關(guān)系，GTSDC 輸出到系統(tǒng)中的相電流有效值為808 A，而600 MW機(jī)組的額定相電流有效值為19．255 kA，GTSDC輸出的電流僅是機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的0．04，對(duì)應(yīng)到二次側(cè)的值為。根據(jù)圖10，保護(hù)曲線的拐點(diǎn)橫坐標(biāo)為，可以看出，動(dòng)作電流遠(yuǎn)小于保護(hù)整定值，因而保護(hù)不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作。所以，由于系統(tǒng)中GTSDC 所能注入的次同步電流有限，即使在最惡劣情況下，發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)也不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作。

圖10 GTSDC 對(duì)發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的影響

6 對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性的影響

本文在PSCAD/EMTDC 仿真軟件中搭建GTSDC 系統(tǒng)模型，分析GTSDC 安裝前后對(duì)A 電廠600 MW機(jī)組及其送出系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的短路電流，從而得出GTSDC 對(duì)系統(tǒng)短路容量的影響，結(jié)果表明，由于GTSDC 的容量(取14 MVA)遠(yuǎn)小于電網(wǎng)的短路容量，因此，GTSDC 投運(yùn)前后，電網(wǎng)的短路電流變化很小。

另外，對(duì)GTSDC 投運(yùn)前后發(fā)生嚴(yán)重故障的情況也進(jìn)行了時(shí)域仿真，這里主要通過(guò)比較機(jī)組的功角和輸出功率的動(dòng)態(tài)過(guò)程來(lái)分析GTSDC 對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的影響。結(jié)果表明，GTSDC 投運(yùn)前后機(jī)組功角和功率動(dòng)態(tài)基本重合，即GTSDC 進(jìn)行次同步抑制控制時(shí)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程造成不利影響。

7 對(duì)電網(wǎng)電氣諧振的影響

本節(jié)應(yīng)用PSCAD/EMTDC 時(shí)域仿真軟件，分析GTSDC 對(duì)電網(wǎng)電壓/電流諧波的影響。將GTSDC 作為擾動(dòng)源，擾動(dòng)電流的大小根據(jù)正常工況條件確定，選擇系統(tǒng)中交流母線處作為測(cè)點(diǎn)，測(cè)量電壓、電流，應(yīng)用傅里葉分析電壓和電流的諧波含量，如表4、表5 所示。可以看出，所產(chǎn)生的次同步頻率電流、電壓分量均很低，遠(yuǎn)低于《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，GTSDC 不會(huì)影響電網(wǎng)電壓和電流質(zhì)量。

表4 純交流工況下系統(tǒng)母線電壓、電流次同步諧波分量

表5 交直流并列工況下系統(tǒng)母線電壓、電流次同步諧波分量

8 結(jié)論

(1)GTSDC 運(yùn)行時(shí)輸出的次同步/超同步電流對(duì)機(jī)組電壓和電流的質(zhì)量基本無(wú)影響。(2)由GTSDC 引起的變壓器直流偏磁問(wèn)題不嚴(yán)重。(3)GTSDC 接入機(jī)組所產(chǎn)生的次同步電流對(duì)廠用變符負(fù)荷的影響很小，不會(huì)影響負(fù)荷設(shè)備的正常運(yùn)行。(4)GTSDC 接入機(jī)組所產(chǎn)生的次同步電流相對(duì)機(jī)組容量有限，在最惡劣的情況下也不會(huì)引起發(fā)電機(jī)組保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)作。(5)GTSDC 投運(yùn)前后，電網(wǎng)的短路電流變化很小，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程造成不利影響。

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