500 k V 交流串补送出系统次同步谐振风险分析

王建军

(陕西德源府谷能源有限公司,陕西 榆林 719000)

0 引言

交流串补输电系统可能导致次同步谐振问题,会危及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,一旦送端电网安全稳定出现问题,必然影响到负荷中心的安全生产。要从根本上解决火电机组经交流串补送出系统的次同步谐振问题,需要对次同步谐振问题的风险进行详细准确的评估。

陕北能源基地在扩建后有10台机组9条串补线路,是国内迄今为止最为复杂的交流串补送出系统,送端火电厂的次同步谐振问题,受电网的运行方式以及机组的并网、出力等条件影响,运行条件组合方式很多,问题比较复杂。如何准确评估该系统的风险严重程度从而为进一步支撑府谷电厂机组安全稳定送出提供策略支撑,是迫切需要解决的问题。

对于次同步谐振评估问题,需要从两方面进行考虑评估。

(1)小扰动情况下机组并网的次同步稳定性,即机组在各种运行方式下是否存在因次同步谐振问题造成失稳现象。机组在次同步谐振失稳情况下,轴系扭振逐步放大,如果没有控制措施,会导致轴系损坏[1-2]。

(2)机组在大扰动情况下的轴系疲劳损耗问题,在一些运行方式下,机组轴系扭振是收敛稳定的,但是有可能在系统大扰动情况下轴系的疲劳损失过大,导致机组轴系设计寿命大大减少,带来巨大的经济损失。

以下从上述两方面研究府谷电厂送出系统的次同步谐振严重程度,首先以频率扫描和时域仿真方法分析存在次同步谐振问题的方式(故障以单瞬故障为主);其次在线路的首末端以及串补的两侧通过大扰动时域仿真校核机组在这些方式下的疲劳损耗情况(故障以三相接地故障为主);最后结合上述仿真结果提出一些建议。

1 次同步稳定性分析

1.1 频率扫描方法

频率扫描的方法即通过计算系统阻抗频率特性来初步判断机组是否存在次同步谐振的可能性。系统阻抗频率特性:即从1台发电机中性点向系统看入的等值阻抗随频率变化特性。

计算方法如图1所示,图中Ra为定子电阻,Xg为发电机的等值电抗,发电机中性点接入单位电流源,系统等值电阻即为电流源两端电压的实部,系统等值电抗即为电流源两端电压的虚部。

图1 系统阻抗频率特性计算模型

扫描法系统建模详细程度的要求低于时域仿真法,一般采用电网规划数据便可进行仿真计算,是一种经济有效的方法,适用于较大规模系统的仿真分析。由于该方法仅能判断系统发生次同步谐振的可能性,而不能分析谐振的严重程度,因此常用扫频法对系统的各种运行方式进行初步分析。

基于以往的研究经验,当电抗跌落幅度较大时,系统中可能存在次同步谐振问题。关于电抗跌折率的定义:

若跌落点频率与机组轴系固有模态互补偏差在±3 Hz以内且电抗跌折率达到5%,则存在SSR 风险,若电抗跌折率超过15%,则次同步谐振风险可能较大。

1.2 时域仿真方法

时域仿真通过数值积分求解整个系统的微分方程组,其中各系统元件的数学模型可以是线性的,也可以是非线性的。时域仿真是目前最精准、全面的一种电力系统分析方法,既能够详细考虑发电机及其轴系、电力电子电路及其控制系统以及其他各种电力系统元件的电磁模型,又能够精确模拟各种类型的故障和断路器的动作,并可考虑各种非线性设备的暂态过程。由于时域仿真能够计及各种非线性因素的影响,因此既可用于小扰动下次同步谐振/振荡的研究,也可用于故障等大扰动引发的扭矩和疲劳累积问题研究。但是,该方法无法直接提供SSR/SSO 的机理和特性分析结果,需要其他软件来辅助分析;此外,他是一种case-by-case的模拟方法,考虑到系统复杂多变的运行方式和影响因素,计算量将非常大。本文对频率扫描筛选出来的风险比较高的工况采用时域仿真的分析方法进行详细评估[3]。

2 府谷电厂次同步稳定性分析

府谷电厂一期2台600 MW 机组通过一回500 k V线路送至忻都开关站,并通过三回500 k V 串补线路送至石北变电站。府谷电厂的送出系统如图2所示,包含10台机组9条串补线路,进行次同步谐振的稳定性分析一般需要对典型的运行方式下的系统稳定性进行分析,主要包括不同机组出力方式下线路全接线、线路N-1以及检修情况下的N-1进行重点分析,所有的方式组合有几十万种。为了提高分析计算的效率,在分析的时候主要采用频率扫描方法和时域仿真方法结合的思路进行研究。府谷电厂机组采用多质块集中质量模型参数,机组的轴系固有频率和集中质量模型参数见表1-3,府谷电厂机组的电气参数见表4和表5。

表1 机组模态频率

表4 一期机组发电机电气参数

表5 二期机组发电机电气参数

图2 府谷电厂送出系统接线

表2 一期机组的集中质量模型

表3 二期机组的集中质量模型

2.1 频率扫描分析

针对府谷电厂500 k V 送出系统,考虑该系统以及近区锦界电厂的不同系统运行方式。对可能出现的典型运行方式进行分析计算,考虑了不同开机、不同线路运行方式和串补投入方式的影响,并去除府谷-忻都-石北串补全退等工况,共计对86 932种方式进行了分析。主要包括:府谷电厂一期、二期开机台数;府谷-忻都I线及串补、II线及串补;忻都-石北I-III线及串补、IV 线及串补;锦界电厂开机台数;锦界-忻都I、II线及串补、III线及串补。

以系统全接线方式为例,锦界6机全开,考虑府谷电厂不同开机台数,送出系统阻抗频率特性如表6所示。

表6 系统阻抗频率特性(全接线,锦界6机全开)

全接线方式下阻抗频率扫描情况如图3 所示。在所有分析的运行方式中,串联谐振频率分布在4.3~20.4 Hz,电抗跌落超过10%的最低点频率分布在4.3~26.9 Hz。上述谐振频率范围与府谷电厂一期机组轴系模态2(26.08 Hz)、模态3(30.28 Hz),以及二期机组轴系模态2(24.20 Hz)、模态3(42.63 Hz)存在互补关系,可能会引发次同步谐振。针对从中选择的频率特性耦合度较高的3 376 种运行方式进行详细的时域仿真研究。

图3 全接线方式下阻抗频率扫描情况

2.2 时域仿真分析

在上述系统阻抗频率特性扫描分析结果的基础上,采用时域仿真法,对府谷电厂送出系统的次同步谐振风险开展进一步的研究。分别考虑以下方式:

(1)府谷电厂开机台数及出力;

(2)府谷-忻都I线及串补、II线及串补;

(3)忻都-石北I-III线及串补、IV线及串补。

锦界电厂存在4机并网及6机并网2种情况;锦界-忻都I-III回线按全投且带串补运行方式。对于府谷电厂一期及二期机组,分别考虑2种较为严苛的方式:单机空载并网及双机1满1空并网。

模拟石北站500 k V 母线发生单相瞬时接地故障扰动,通过观察发电机组转速与同步速的偏差,以及分解到固有模态的发散、收敛情况,从而直观的了解到机组是否会发生次同步谐振。

以全接线方式和线路N-1、N-2 方式为例,时域仿真可以观察到扰动的整个过程。机组并网扰动后扭振时域仿真波形如图4-6所示。

图4 全接线方式4台机组并网扰动后扭振时域仿真波形

根据PSCAD时域仿真结果,在各种典型系统运行方式下,部分工况府谷电厂机组在发生系统故障扰动后轴系扭振发散或不收敛,存在次同步谐振风险。根据频率扫描和时域仿真结合的稳定性分析可以看出,府谷电厂送出系统存在系统失稳的运行工况,需要采取相应的抑制措施来解决此问题。

图5 N-1方式下4台机组扰动后典型扭振时域仿真波形

图6 N-2方式下4台机组扰动后典型扭振时域仿真波形

3 府谷电厂机组轴系疲劳损耗分析

在大干扰(故障)时,网络故障后高幅值自由振荡分量频率与机组轴系模态频率接近互补时,可造成机组高幅值扭矩,该扭矩是否衰减(机电扭振互作用)和衰减收敛速度直接影响轴系疲劳寿命。故障开始短暂时间内,并联型抑制装置不起抑制作用,在检测到扭振信息后发挥阻尼控制作用,装置容量大小直接决定了机组轴系模态衰减快慢,若装置容量较小,阻尼作用不够强,导致轴系扭振衰减较慢,也会造成较大轴系疲劳寿命累积[4-5]。

考虑到对于系统某种运行方式下次同步谐振的稳定性(发散或者收敛)主要和系统受扰动后的运行条件有关系,而与扰动的大小没有关系,因此在扰动的选择上采用单相瞬时故障进行校核。在评估机组轴系疲劳损伤问题时,在相同故障点,三相故障引起的冲击最大,所以以三相故障作为考核条件,重点关注一次扰动过程中的疲劳损伤问题。对于发散过程的疲劳损伤情况以故障后7 s的疲劳数据作为分析对象。

以府谷电厂一期机组为例,一期机组为2台600 MW 汽轮发电机组,机组轴承布置情况如图7所示。在各轴承所在的轴颈位置,直径尺寸较小,承受比较大的应力,为轴系薄弱环节。

图7 府谷一期轴承位置示意

而对轴系薄弱环节损耗评估的依据是各个位置的疲劳寿命曲线(S-N曲线)[6],疲劳寿命曲线表明了待评估位置扭矩(或者扭转功率)和扭转周期次数的关系,类似于一条“反时限”曲线,疲劳寿命曲线见图8。

图8 疲劳寿命曲线示意

轴系疲劳寿命评估的思路是基于仿真的大扰动数据和不同位置的S-N曲线,计算一次大扰动过程中机组轴系的疲劳损耗情况,看相关的疲劳损耗数据是否能够达标,如果不达标,则需要在抑制措施的设计上加入考虑[78]。在本文研究过程中,挑选了次同步谐振风险较为严重的几种工况进行重点分析,选择的工况如表7所示。对于发散的工况计算全过程的疲劳损耗没有意义,因此在本文中关注扰动后7 s的疲劳情况来反映疲劳累积的程度[9]。具体疲劳数据如表8所示。

表7 故障仿真对应的工况说明

表8 仿真工况机组轴系疲劳损耗程度 %

根据疲劳损耗的情况可以看出,府谷电厂机组在上述部分运行方式下,机组轴系疲劳累积较大,7 s疲劳累积能够最大能够达到7.42%。对于暂态扭矩的问题,不存在一次扭断的风险,因此在抑制措施的设计和选择上可以作为重要的依据,可以选择更经济更灵活的抑制措施方案来实现次同步谐振的抑制。

4 结论

本文以陕北煤电基地外送系统府谷电厂火电机组为研究对象,重点分析了多机组、多串补系统情况下对于次同步谐振问题的分析思路方法和结果,从机组轴系扭振信号收敛还是发散的系统稳定性角度和大扰动情况下机组轴系的疲劳损耗情况2个角度分析次同步谐振问题的严重程度,研究表明,府谷电厂机组在多种典型运行方式下存在次同步谐振失稳的问题,需要采取适当的抑制措施来平息振荡,以保证机组的安全稳定运行。同时,府谷电厂机组在一些方式下疲劳损耗积累较快,但不存在暂态扭矩放大一次扭断的风险,因此在后续抑制措施的设计上可以考虑更适用性的一些抑制措施方案来解决府谷电厂次同步谐振问题。