500 k V 交流串補送出系統次同步諧振風險分析

王建軍

(陜西德源府谷能源有限公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

交流串補輸電系統可能導致次同步諧振問題,會危及火電機組的安全運行;嚴重時,可導致發電設備損壞,影響著送端電網的安全穩定運行,一旦送端電網安全穩定出現問題,必然影響到負荷中心的安全生產。要從根本上解決火電機組經交流串補送出系統的次同步諧振問題,需要對次同步諧振問題的風險進行詳細準確的評估。

陜北能源基地在擴建后有10臺機組9條串補線路,是國內迄今為止最為復雜的交流串補送出系統,送端火電廠的次同步諧振問題,受電網的運行方式以及機組的并網、出力等條件影響,運行條件組合方式很多,問題比較復雜。如何準確評估該系統的風險嚴重程度從而為進一步支撐府谷電廠機組安全穩定送出提供策略支撐,是迫切需要解決的問題。

對于次同步諧振評估問題,需要從兩方面進行考慮評估。

(1)小擾動情況下機組并網的次同步穩定性,即機組在各種運行方式下是否存在因次同步諧振問題造成失穩現象。機組在次同步諧振失穩情況下,軸系扭振逐步放大,如果沒有控制措施,會導致軸系損壞[1-2]。

(2)機組在大擾動情況下的軸系疲勞損耗問題,在一些運行方式下,機組軸系扭振是收斂穩定的,但是有可能在系統大擾動情況下軸系的疲勞損失過大,導致機組軸系設計壽命大大減少,帶來巨大的經濟損失。

以下從上述兩方面研究府谷電廠送出系統的次同步諧振嚴重程度,首先以頻率掃描和時域仿真方法分析存在次同步諧振問題的方式(故障以單瞬故障為主);其次在線路的首末端以及串補的兩側通過大擾動時域仿真校核機組在這些方式下的疲勞損耗情況(故障以三相接地故障為主);最后結合上述仿真結果提出一些建議。

1 次同步穩定性分析

1.1 頻率掃描方法

頻率掃描的方法即通過計算系統阻抗頻率特性來初步判斷機組是否存在次同步諧振的可能性。系統阻抗頻率特性:即從1臺發電機中性點向系統看入的等值阻抗隨頻率變化特性。

計算方法如圖1所示,圖中Ra為定子電阻,Xg為發電機的等值電抗,發電機中性點接入單位電流源,系統等值電阻即為電流源兩端電壓的實部,系統等值電抗即為電流源兩端電壓的虛部。

圖1 系統阻抗頻率特性計算模型

掃描法系統建模詳細程度的要求低于時域仿真法,一般采用電網規劃數據便可進行仿真計算,是一種經濟有效的方法,適用于較大規模系統的仿真分析。由于該方法僅能判斷系統發生次同步諧振的可能性,而不能分析諧振的嚴重程度,因此常用掃頻法對系統的各種運行方式進行初步分析。

基于以往的研究經驗,當電抗跌落幅度較大時,系統中可能存在次同步諧振問題。關于電抗跌折率的定義:

若跌落點頻率與機組軸系固有模態互補偏差在±3 Hz以內且電抗跌折率達到5%,則存在SSR 風險,若電抗跌折率超過15%,則次同步諧振風險可能較大。

1.2 時域仿真方法

時域仿真通過數值積分求解整個系統的微分方程組,其中各系統元件的數學模型可以是線性的,也可以是非線性的。時域仿真是目前最精準、全面的一種電力系統分析方法,既能夠詳細考慮發電機及其軸系、電力電子電路及其控制系統以及其他各種電力系統元件的電磁模型,又能夠精確模擬各種類型的故障和斷路器的動作,并可考慮各種非線性設備的暫態過程。由于時域仿真能夠計及各種非線性因素的影響,因此既可用于小擾動下次同步諧振/振蕩的研究,也可用于故障等大擾動引發的扭矩和疲勞累積問題研究。但是,該方法無法直接提供SSR/SSO 的機理和特性分析結果,需要其他軟件來輔助分析;此外,他是一種case-by-case的模擬方法,考慮到系統復雜多變的運行方式和影響因素,計算量將非常大。本文對頻率掃描篩選出來的風險比較高的工況采用時域仿真的分析方法進行詳細評估[3]。

2 府谷電廠次同步穩定性分析

府谷電廠一期2臺600 MW 機組通過一回500 k V線路送至忻都開關站,并通過三回500 k V 串補線路送至石北變電站。府谷電廠的送出系統如圖2所示,包含10臺機組9條串補線路,進行次同步諧振的穩定性分析一般需要對典型的運行方式下的系統穩定性進行分析,主要包括不同機組出力方式下線路全接線、線路N-1以及檢修情況下的N-1進行重點分析,所有的方式組合有幾十萬種。為了提高分析計算的效率,在分析的時候主要采用頻率掃描方法和時域仿真方法結合的思路進行研究。府谷電廠機組采用多質塊集中質量模型參數,機組的軸系固有頻率和集中質量模型參數見表1-3,府谷電廠機組的電氣參數見表4和表5。

表1 機組模態頻率

表4 一期機組發電機電氣參數

表5 二期機組發電機電氣參數

圖2 府谷電廠送出系統接線

表2 一期機組的集中質量模型

表3 二期機組的集中質量模型

2.1 頻率掃描分析

針對府谷電廠500 k V 送出系統,考慮該系統以及近區錦界電廠的不同系統運行方式。對可能出現的典型運行方式進行分析計算,考慮了不同開機、不同線路運行方式和串補投入方式的影響,并去除府谷-忻都-石北串補全退等工況,共計對86 932種方式進行了分析。主要包括:府谷電廠一期、二期開機臺數;府谷-忻都I線及串補、II線及串補;忻都-石北I-III線及串補、IV 線及串補;錦界電廠開機臺數;錦界-忻都I、II線及串補、III線及串補。

以系統全接線方式為例,錦界6機全開,考慮府谷電廠不同開機臺數,送出系統阻抗頻率特性如表6所示。

表6 系統阻抗頻率特性(全接線,錦界6機全開)

全接線方式下阻抗頻率掃描情況如圖3 所示。在所有分析的運行方式中,串聯諧振頻率分布在4.3~20.4 Hz,電抗跌落超過10%的最低點頻率分布在4.3~26.9 Hz。上述諧振頻率范圍與府谷電廠一期機組軸系模態2(26.08 Hz)、模態3(30.28 Hz),以及二期機組軸系模態2(24.20 Hz)、模態3(42.63 Hz)存在互補關系,可能會引發次同步諧振。針對從中選擇的頻率特性耦合度較高的3 376 種運行方式進行詳細的時域仿真研究。

圖3 全接線方式下阻抗頻率掃描情況

2.2 時域仿真分析

在上述系統阻抗頻率特性掃描分析結果的基礎上,采用時域仿真法,對府谷電廠送出系統的次同步諧振風險開展進一步的研究。分別考慮以下方式:

(1)府谷電廠開機臺數及出力;

(2)府谷-忻都I線及串補、II線及串補;

(3)忻都-石北I-III線及串補、IV線及串補。

錦界電廠存在4機并網及6機并網2種情況;錦界-忻都I-III回線按全投且帶串補運行方式。對于府谷電廠一期及二期機組,分別考慮2種較為嚴苛的方式:單機空載并網及雙機1滿1空并網。

模擬石北站500 k V 母線發生單相瞬時接地故障擾動,通過觀察發電機組轉速與同步速的偏差,以及分解到固有模態的發散、收斂情況,從而直觀的了解到機組是否會發生次同步諧振。

以全接線方式和線路N-1、N-2 方式為例,時域仿真可以觀察到擾動的整個過程。機組并網擾動后扭振時域仿真波形如圖4-6所示。

圖4 全接線方式4臺機組并網擾動后扭振時域仿真波形

根據PSCAD時域仿真結果,在各種典型系統運行方式下,部分工況府谷電廠機組在發生系統故障擾動后軸系扭振發散或不收斂,存在次同步諧振風險。根據頻率掃描和時域仿真結合的穩定性分析可以看出,府谷電廠送出系統存在系統失穩的運行工況,需要采取相應的抑制措施來解決此問題。

圖5 N-1方式下4臺機組擾動后典型扭振時域仿真波形

圖6 N-2方式下4臺機組擾動后典型扭振時域仿真波形

3 府谷電廠機組軸系疲勞損耗分析

在大干擾(故障)時,網絡故障后高幅值自由振蕩分量頻率與機組軸系模態頻率接近互補時,可造成機組高幅值扭矩,該扭矩是否衰減(機電扭振互作用)和衰減收斂速度直接影響軸系疲勞壽命。故障開始短暫時間內,并聯型抑制裝置不起抑制作用,在檢測到扭振信息后發揮阻尼控制作用,裝置容量大小直接決定了機組軸系模態衰減快慢,若裝置容量較小,阻尼作用不夠強,導致軸系扭振衰減較慢,也會造成較大軸系疲勞壽命累積[4-5]。

考慮到對于系統某種運行方式下次同步諧振的穩定性(發散或者收斂)主要和系統受擾動后的運行條件有關系,而與擾動的大小沒有關系,因此在擾動的選擇上采用單相瞬時故障進行校核。在評估機組軸系疲勞損傷問題時,在相同故障點,三相故障引起的沖擊最大,所以以三相故障作為考核條件,重點關注一次擾動過程中的疲勞損傷問題。對于發散過程的疲勞損傷情況以故障后7 s的疲勞數據作為分析對象。

以府谷電廠一期機組為例,一期機組為2臺600 MW 汽輪發電機組,機組軸承布置情況如圖7所示。在各軸承所在的軸頸位置,直徑尺寸較小,承受比較大的應力,為軸系薄弱環節。

圖7 府谷一期軸承位置示意

而對軸系薄弱環節損耗評估的依據是各個位置的疲勞壽命曲線(S-N曲線)[6],疲勞壽命曲線表明了待評估位置扭矩(或者扭轉功率)和扭轉周期次數的關系,類似于一條“反時限”曲線,疲勞壽命曲線見圖8。

圖8 疲勞壽命曲線示意

軸系疲勞壽命評估的思路是基于仿真的大擾動數據和不同位置的S-N曲線,計算一次大擾動過程中機組軸系的疲勞損耗情況,看相關的疲勞損耗數據是否能夠達標,如果不達標,則需要在抑制措施的設計上加入考慮[78]。在本文研究過程中,挑選了次同步諧振風險較為嚴重的幾種工況進行重點分析,選擇的工況如表7所示。對于發散的工況計算全過程的疲勞損耗沒有意義,因此在本文中關注擾動后7 s的疲勞情況來反映疲勞累積的程度[9]。具體疲勞數據如表8所示。

表7 故障仿真對應的工況說明

表8 仿真工況機組軸系疲勞損耗程度 %

根據疲勞損耗的情況可以看出,府谷電廠機組在上述部分運行方式下,機組軸系疲勞累積較大,7 s疲勞累積能夠最大能夠達到7.42%。對于暫態扭矩的問題,不存在一次扭斷的風險,因此在抑制措施的設計和選擇上可以作為重要的依據,可以選擇更經濟更靈活的抑制措施方案來實現次同步諧振的抑制。

4 結論

本文以陜北煤電基地外送系統府谷電廠火電機組為研究對象,重點分析了多機組、多串補系統情況下對于次同步諧振問題的分析思路方法和結果,從機組軸系扭振信號收斂還是發散的系統穩定性角度和大擾動情況下機組軸系的疲勞損耗情況2個角度分析次同步諧振問題的嚴重程度,研究表明,府谷電廠機組在多種典型運行方式下存在次同步諧振失穩的問題,需要采取適當的抑制措施來平息振蕩,以保證機組的安全穩定運行。同時,府谷電廠機組在一些方式下疲勞損耗積累較快,但不存在暫態扭矩放大一次扭斷的風險,因此在后續抑制措施的設計上可以考慮更適用性的一些抑制措施方案來解決府谷電廠次同步諧振問題。