交直流送出系统次同步振荡及抑制措施的研究

顾 强，武云生

（1.神华国华广投（柳州）发电有限责任公司，柳州 545600；2.陕西电力科学研究院，西安 710054）

引言

次同步振荡 SSO（subsynchronous oscillation）可能损坏汽轮发电机组大轴。近年来，对于高电压串补输电线路与机组的机电耦合次同步谐振现象，以及直流输电系统HVDC（high voltage direct current）与机组的机电耦合次同步振荡现象，学术界已经给做了大量研究。但当电厂送出电力系统中既有HVDC也有可控串补线路时，电厂机组将可能发生怎样的SSO HVDC和可控串补线路各自起了怎样的激振作用？至今鲜有报道，其振荡和抑制机理有待进一步研究［1-3］。

某火电厂2台600 MW汽轮发电机组与附近电厂机组所发电力通过500 kV HVDC和500 kV串补线路（部分可控）送出。机组投运后，监测装置TSR（torsional stress relay）监测到轴系经常发生不规则次同步扭振，其幅值不很高，每次振荡持续时间也不太长，自行收敛，但每天频繁发生。若其中部分幅值略高的振荡对轴系疲劳寿命造成很小的影响，长时间积累也会影响机组寿命，必须研究此类SSO的确切成因及对策。为此，本文对这种兼受HVDC和可控串补影响的SSO进行了研究，分析了引起SSO的主要原因，提出了使用基于静止无功发生器 STATCOM （static synchronous series compensator）的抑制机组SSO方案。这种方案在国内外未见有正式成果应用。仿真比较表明，其抑制SSO性能，远好于基于发电机励磁系统的SSO阻尼装置SEDC（supplementary excitation damping controller）；也优于SVC型SSO阻尼装置，可以有效抑制机组轴系的这种频繁发生的低幅值SSO。

1 系统接线与机组轴系次同步振荡现象

图1是某煤电基地电力送出系统原理，该地区有A、B、C 3家电厂10台机组发电，附近负荷很少，绝大部分电力通过±500 kV HVDC系统和500 kV固定串补FSC（fixed series capacitor）＋可控串补TCSC（thyristor controlled series capacitor） 输电线路将电能各自送到远方相应负荷中心，HVDC与串补线路（并联两条）的额定输送容量大致相当。

图中HVDC为双极系统，额定输送容量为3 000 MW。一般情况下，整流侧定功率或定电流控制，逆变侧定灭弧角控制。当电网运行参数（主要是换流站母线电压）变化或扰动时，可按照VDCOL控制特性自动转换两侧控制方式（如转换为整流侧定α角控制，逆变侧定电流控制等）。整流侧配备有SSDC控制（SSO阻尼控制）环节。其SSDC控制原理框图如图2所示。

交流串补系统由30%固定串补部分FSC与15%可控串补部分（TCSC）串联组成。与HVDC不同，TCSC并无专门的SSO抑制控制环节。其控制框图如图3所示。

图1 电力送出系统接线原理Fig.1 Power system wiring principle

图2 HVDC的SSDC次同步振荡阻尼控制原理Fig.2 Subsynchronous oscillation damping control principle of HVDC SSDC

图3 TCSC控制原理框图Fig.3 TCSC control priciple block diagram

汽轮发电机组轴系结构见图4，参数见表1，模态机械阻尼系数为0.043。从B电厂机组轴系实测的SSO典型波形见图5。模态1固有振荡频率为19.30 Hz，模态 2 固有振荡频率为 23.67 Hz。 由图5可见，发生的SSO是收敛的，但不是按指数曲线收敛，其波形不规则，有多个极值。

图4 B电厂机组轴系结构多质块等值示意Fig.4 Power plant B unit mass equivalent shafting structure sketch map

表1 B电厂机组轴系等效集中质量模型参数Tab.1 Power plant B unit shafting equivalent lumped mass model parameters

图5 B电厂机组轴系实测次同步扭振分模态波形Fig.5 Power plant B unit shafting torsional vibration modal measured waveforms

2 机组轴系次同步振荡激发原因分析

为了分析这种复杂SSO的激发原因，需要借助理论分析做一个初步判断，确定计算思路，然后按照合理的方法通过计算来寻找出激发原因。

计算机网耦合SSO，可使用特征值分析法、复转矩系数法、信号测试法、时域数字仿真计算法［3-5］。综合考虑各种方法认为，采用时域数字仿真方法可以计算出完整的SSO过程。它建模严谨，可以准确反映HVDC等非线性特性，还可将干扰安排在任何元件处，比如安排在HVDC或TCSC中，有利于寻找激发源。而其他计算方法是将扰动固定为轴系转速发生小扰动，不需也就不能在其他元件或子系统设置扰动。因此采用EMTDC数字仿真更适合。

2.1 以TCSC为扰动源的SSO仿真

从TCSC控制框图（图3）可见，此TCSC主要运行方式是根据运行指令PLO控制TCSC阻抗XTC大小，以调节通过串补线路潮流，也具有提高暂态稳定性和抑制低频振荡功能。但无专门的抑制次同步振荡环节与作用。

为判断TCSC对发生实测类波形SSO有何作用，采用改变TCSC控制指令使TCSC阻抗XTC变化的干扰方式，进行了SSO数字仿真计算。计算时系统和电机按图1～图4接线与参数建模，HVDC与带TCSC串补线路均满载运行，发电机也满载。改变干扰强度。随着干扰强度增大，算出的SSO幅值也增大，干扰强度最大时（TCSC阻抗XTC值达到可调极限）对应的SSO波形见图6。由图可见，与实测波形相比，波形虽然类似，但幅值偏低太多。

图6 TCSC扰动时对B厂机组轴系SSO的作用Fig.6 Plant unit B shafting SSO with TCSC disturbance

2.2 以HVDC为扰动源的SSO仿真

按前述方式在EMTDC上建模，HVDC扰动时对B厂机组轴系SSO的作用如图7所示。直流输送功率3 000 MW，以改变HVDC直流功率（或直流电流）指定5%为干扰，仿真计算的B电厂机组轴系SSO波形如图7（a）所示。由图可见，与实测SSO波形（图5）相比，波形与幅值均类似。同样建模参数，但减小HVDC直流输送功率为1 500 MW，仿真计算的B电厂机组轴系SSO波形如图7（b）所示。由图可见，幅值比输送3 000 MW时有所下降。

2.3 激发源分析

参考上述仿真结果，可以分析判断实际可能的激发源。

图7 HVDC扰动时对B电厂机组轴系SSO的作用Fig.7 Power plant B unit shaft SSO with HVDC disturbance

在TCSC上多次改变控制整定指令值，从而改变触发角，使TCSC阻抗XTC多次快速改变，在B电厂机组轴系上激发SSO，其波形与实测波形状况类似，但幅值大大低于实测波形，而且，如此大幅度多次改变整定值指令，实际运行中可能性极小，因此，TCSC不应是这种实测SSO的主要激振源。但是，从理论上讲，串补线路的存在将对B电厂机组轴系电气阻尼有所削弱，故也对SSO的激发起了间接作用。

在HVDC上多次改变整流侧定功率或定电流指令时，整流器触发角快速改变，直流电流快速变化，经换流阀直流电流转换成交流侧电流，此交流电流中叠加有直流电流变化部分，如果此变化部分电流频谱中含有B电厂机组轴系某次同步模态频率的工频互补分量，在相角不利时可能激发该机组轴系模态SSO，如仿真波形所示。还可看到，当HVDC输送功率大时，激发的SSO也大，这与现场实测吻合。上述过程中关键是触发角为何会快速改变。HVDC运行中两侧换流站母线电压的波动会引起直流电流波动，在控制作用下，即可引发换流器触发角改变，而且，这种扰动存在频繁发生的可能性。因此HVDC可能是这种实测SSO的直接激发原因。而间接原因，或者说能产生这种SSO的基础，是因为HVDC与串补线路的存在，使该地区电厂机组轴系的次同步频率阻尼特性下降。HVDC中虽有SSDC次同步振荡抑制辅助控制，但其一般是主要针对距HVDC较近的电厂设计的，难以兼顾B电厂机组。实际运行中也发现SSDC对这种频繁的小扰动引起的振荡基本不起抑制作用。

3 各种SSO抑制措施特点与适用性分析

有多种技术措施可用于抑制这类机组轴系SSO：如在TCSC上加装专门的抑制SSO控制环节；改进HVDC中SSDC的抑制SSO特性；使用阻塞滤波器BF（blocked filter）；在发电机励磁系统控制中增加SSO抑制控制环节SEDC；使用静止无功补偿器装置 SVC（static var compensator），目前全世界实际运行中只有1套；使用静止无功发生器STATCOM，目前未见正式运行实际装置。分析其特点，比较其对这种扰动性SSO的适用性和抑制效果，选择并应用于技术措施，方案中。

当TCSC增设SSO附加控制以抑制机组SSO时，其可能的最大抑制能力受TCSC容量限制；当改变TCSC控制指令以激发机组SSO时，可能达到的最大激振能力也受TCSC同一容量限制。前面TCSC扰动仿真计算中表明，尽管扰动已达到TCSC可调极限，但仍远不能激振出实测幅值的SSO，因此，TCSC增加SSO附加控制后，同样由于受可调容量限制，不可能有效抑制B电厂机组SSO。此外，由于各电厂机组轴系次同步固有振荡频率不同，TCSC的SSO抑制附加控制设计，难以同时兼顾各厂机组要求，在对一台机组起抑制作用时，甚至会对另外某台机组起负作用。

HVDC已装有SSO抑制附加控制SSDC（supplemental sub-synchronous damping controller），类似于TCSC，HVDC的SSDC控制也难同时满足各厂机组要求。主要是小扰动方式下不起有效的抑制作用，实际运行中也未测到有正常动作反应。为达到有效阻塞抑制SSO电流，阻塞滤波器一般具有高品质因数，调谐区域很小，从而在运行中难以确保准确调谐状态，会使抑制效果下降，甚至因调谐点偏移而发生工频振荡。其缺点是造价高和占地大，实施非常不易。

SSO附加励磁控制SEDC，仅需在发电机励磁系统中增加一个SSO控制环节即可，造价低，但因励磁绕组电感大，响应速度较慢，抑制此类SSO能力较弱，实际运行中抑制效果也不是十分有效。

静止无功补偿装置SVC，国内已用于抑制机组次同步谐振，调试与运行表明，其响应速度快，抑制能力较强。但因使用晶闸管元件，波形调制能力差，产生谐波大。需配置电力滤波器，占地较多。

静止无功发生器STATCOM使用可关断器件近年来发展迅速，已成功应用于整流、变频等多个领域。配以相应主回路拓扑，具有波形调制能力强、响应速度快的特点；配合以适当的控制策略，可具有较强的抑制SSO能力，且不需配置电力滤波器，占地面积小于SVC。

综上所述，TCSC增加专门的SSO抑制控制功能，改进HVDC的SSDC功能，使用阻塞滤波器，均不宜考虑；而SEDC、SVC和STATCOM类型措施，需进一步研究其抑制扰动型SSO能力后，再定优劣。按B电厂机组励磁系统设计SEDC参数，在有SEDC情况下对送出系统建模，按改变HVDC整流侧定电流指令作为干扰，使用EMTDC进行了SEDC抑制SSO仿真计算。对专为抑制SSO而设计的SVC和 STATCOM（均为30 MVA），也在同样系统条件与扰动条件下进行EMTDC仿真计算，模态1的仿真计算结果见图8。由图可见，SEDC由于响应速度慢，在SSO开始阶段抑制能力很差。SVC与SATCOM都有很强的抑制能力，而STATCOM更优，故以采用基于STATCOM的次同步振荡抑制措施为宜。

图8 SEDC、SVC、STATCOM抑制次同步振荡效果比较Fig.8 Effect comparison for SEDC， SVC and STATCOM suppress subsynchronous oscillation

4 基于STATCOM的抑制次同步振荡方案

4.1 主电路拓扑结构

用于抑制SSO的STATCOM主电路的核心部分是电压型变流器，因此，主电路方案设计的关键是电压型变流器的方案设计。在STATCOM装置中，电压型变流器的设计目标是高压大容量化、高效化、小型化和低成本化。

高压大容量STATCOM中常用的主电路有变压器多重化结构和多电平结构。多重化结构通过曲折变压器将若干个单相或三相变流器连接在一起，可以成倍增加装置容量，同时改善输出电压的谐波性能。然而，多重化变压器同时也带来一些问题。首先，价格昂贵；其次，它使装置增加了50%左右的损耗和40%左右的占地面积；第三，变压器的铁磁非线性有可能在连续运行时因饱和引起过流，在变流桥封锁脉冲时造成变流器直流侧电压波形畸变、直流电压上升。这些由变压器非线性引发的故障给控制器设计带来很大困难。

相对于传统的大容量变流器结构，多电平变流器在高压大容量化和高性能化之间实现了很好的结合，多电平变流器的主要优点之一是不通过器件的直接串联即可实现高压输出。为了实现高压大容量STATCOM，通常需要较大的电平数目。对于二极管钳位和悬浮电容钳位多电平结构，当电平数目增加时，所需的钳位二极管数目和钳位电容数目将呈平方倍增长，使电路结构十分复杂，甚至在工程上无法实现。目前研究表明，当电平数目大于4时，二极管钳位变流器的直流电容电压平衡控制将难以实现。相对而言，当电平数目提高时，链式变流器所需器件数目较少，最易实现大电平数目的变流器，最适合高压大容量STATCOM的实现。并且链式变流器可以采用模块化设计便于容量扩展；增设冗余功率模块可大大提高装置的可靠性。

图9 STATCOM主电路链式方案原理Fig.9 Chain STATCOM main circuit principle

同时兼顾运行可靠性、技术先进性和工程可实施性，以采用链式方案为宜。

4.2 以抑制次同步振荡为目标的STATCOM控制策略

使用STATCOM来抑制次同步谐振，其实质是通过控制全控型变流器件输出希望的电流波形，使波形中含有较多的频率对应于发电机大轴某一模态频率的电流分量，并具有合适的相角，以产生抑制机电次同步谐振的作用。故以发电机组的转速信号的变化量Δω为控制量，将Δω经控制器进行滤波、移相、比例放大、运算处理，得到以电压同步信号为基准控制变流功率单元的控制信号，使全控型变流装置产生次同步模态调制电流，该电流经功率传输单元影响发电机组的转矩，达到抑制发电机组次同步振荡的目的。其接线与原理如图10所示。

STATCOM连接在20 kV/10 kV降压变电器的低压测，仅使用发电机大轴转速增量Δω作为输入信号的单输入控制方式。在此接线方式下2台机组、每台2个模态的STATCOM控制策略如图11所示。

图10 使用STATCOM型装置时的发电机组次同步振荡抑制的原理Fig.10 Subsynchronous oscillation suppressior principle using STATCOM

STATCOM控制系统包括滤波模块、移相模块、比例模块和运算模块。其中，滤波模块包括低通、高通滤波器和对各个次同步模态信号分别进行滤波的带通滤波器，用来将转速信号的变化量经过低通、高通滤波器滤掉低频、高频，再经过带通滤波器进行处理得到次同步模态分量；移相模块用来接收滤波单元输出的次同步模态信号，将次同步模态信号进行相位矫正；比例模块用来将移相处理的次同步模态信号进行比例放大处理；运算模块用来将移相、比例处理后的次同步模态信号进行加权求和处理得到综合控制量，将此控制量通过函数运算变为全控型变流装置的控制信号。由于2台机组结构参数相同，故可将平均值（Br01＋Br02）/2作为综合控制量，需要时也可解列按分别控制模式运行。

4.3 效果仿真

按上述主电路与控制策略建立了STATCOM（容量30 MVA）仿真计算模型，并按各电厂机组投运，HVDC与带TCSC串补全容量送电和在HVDC中施加指令扰动的方式，进行EMTDC仿真计算，分别在不投入和投入2种工况下比较STATCOM的抑制SSO效果，仿真结果如图12和图13所示。由图可见，此方案具有良好的抑制扰动型SSO的效果。

图11 发电机组次同步振荡抑制装置控制策略实现框图Fig.11 Power unit subsynchronous oscillation suppression device control strategy block diagram

5 SSO-DS现场调试与运行效果

图12 无STATCOM时次同步振荡仿真波形Fig.12 Subsynchronous oscillation simulation waveforms without STATCOM

图13 有STATCOM时次同步振荡仿真波形Fig.13 Subsynchronous oscillation simulation waveforms with STATCOM

在上述分析研究的基础上，开发出基于STATCOM的次同步振荡阻尼装置（SSO-DS），经现场调试后投入试运行。现场调试中，在激发发电机模态1发生超标次同步振荡时，对投入SSO-DS和不投入SSO-DS进行了对比实验，结果如图14所示。由图14可以看出，装置投入后模态1迅速衰减，从而验证了SSO-DS与其控制方法的有效性。

试运行中监测到的轴系次同步振荡如表2中所示。由表可见，无论模态1还是模态2，其振荡幅值均受到有效抑制，且小于次同步振荡报警值0.1 rad/s。而不投入SSO-DS时，每天报警可达上百次。

图14 装置投入与不投入时SSO-DS模态1典型波形比较Fig.14 Comparison of typical waveforms in mode 1 with and without SSO-DS

表2 SSO-DS投入后#2发电机机组模态1监测情况Tab.2 Power unit#2 mode 1 monitoring result after SSO-DS input

图15 SSO-DS装置投入运行与未投入时#2发电机模态1典型SSO波形比较Fig.15 Comparison of typical SSO waveforms when input or not input SSO-DS for mode 1 of power unit#2

SSO-DS投运前后典型SSO实测波形见图15。由图可见，未投入SSO-DS时#2发电机在模态1下的幅值最大值为0.165 4 rad/s；投入SSO-DS后，最大值为 0.028 rad/s。

6 结论

本文探索研究了发生次同步振荡的原因，并提出了抑制此类次同步振荡的技术措施方案，结论如下。

（1）分析与仿真结果表明，TCSC不可能具备激发此类次同步振荡的能力，HVDC系统中的扰动是激发此类次同步振荡的主要原因。

（2）在TCSC中加装抑制次同步振荡辅助控制，或者进一步改进HVDC中的附加次同步振荡抑制控制性能，均不能有效抑制此类次同步振荡。

（3）发电机励磁装置中附加次同步振荡抑制控制，对此类次同步振荡有抑制作用，但很弱。按抑制次同步振荡设计的SVC和STATCOM具有良好的抑制此类次同步振荡的能力，以STATCOM型抑制措施效果最好。

（4）研制的基于STATCOM的SSO抑制装置已于2014年投入运行，现场调试及试运行表明，可以有效抑制机组轴系次同步振荡。

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