基于附加励磁阻尼控制的次同步振荡抑制的研究和应用

摘要：大容量机组、长距离输电需要电网采用可控串补技术提高输电能力。输电线路的串联电容补偿、直流输电、电力系统稳定器的加装，发电机励磁系统、可控硅控制系统、电液调节系统的反馈作用等，均有可能诱发次同步振荡现象。由于汽轮机和发电机转子惯性较大，对轴系本身的低阶扭转模态十分敏感，呈低周高应力的受力状态，这种受次同步振荡引起的机电共振直接严重威胁机组的安全可靠运行。近年来盘南电厂与相关研究机构针对次同步振荡造成的汽轮机组大轴扭振展开了大量研究和实践工作，附加励磁阻尼控制器（SEDC）便是其中一项重要的内容。

关键词：次同步振荡;附加励磁阻尼

一、前言

与交流输电相比，高压直流输电（HVDC）技术具有大容量远距离输电、交流系统之间的异步互联、传输功率快速可控等特点，因此在电力系统的应用日益广泛。如20世纪80年代末投运的葛洲坝至上海南桥的直流工程，2000年投运的天生桥至广州的直流工程，随后的贵广直流、云广直流工程等。

与直流换流站电气联系较强的发电机组，有可能与HVDC控制系统发生扭振相互作用，引起次同步振荡（subsynchronous oscillation，SSO）问题。这个问题于1977年Square Butte直流输电工程的调试现场中首次被观察到。SSO激发的汽轮发电机组轴系扭振会造成发电机组轴系的疲劳损伤，严重情况下暂态过程中的强烈扭振甚至可以导致发电机大轴的瞬间断裂。

贵州电网结构复杂，采用了交直流混合输电的方式对外输送功率，其直流系统的两个整流站又较为靠近，使得系统次同步振荡特性也非常复杂。而且贵广I、II回直流系统附近都有一定数量的火电机组，不僅装机容量较大，而且与直流系统整流站联系紧密。贵广Ⅱ回兴仁换流站附近的盘南电厂安装有4台600 MW汽轮发电机组，其出线为两条500kV交流线路接入兴仁换流站，经贵广直流输电通道直接送至广东宝安换流站。最新的研究表明，在八河-兴仁一条线路检修，发耳电厂或光照电厂停运时，盘南电厂受直流换流站的影响较大，极有可能发生次同步振荡（SSO）。同时受地理接线因素影响，盘南电厂发电机组经升压变后，通过双回交流输电线路直接与兴安直流的兴仁换流站交流侧相连，因此盘南电厂受兴安直流线路运行工况的影响较大，容易发生次同步振荡现象。

由于次同步振荡引起的发电机汽轮机组轴系扭振在盘南电厂发生的几率较高，同时其危害性较大，盘南电厂会同相关机构在2007年便开始针对次同步振荡引起的发电机汽轮机组轴系扭振展开研究和论证工作，并于2008年投运了西南地区首套国产汽轮机组轴系扭振保护装置（TSR）。TSR能够在汽轮机组轴系扭振产生的金属疲劳累计前切除运行机组，防止汽轮机组大轴受应力损坏。但是TSR仅仅针对次同步振荡引起的发电机汽轮机组轴系扭振提供保护切机功能，并不能从源头上抑制SSO造成的汽轮机组轴系扭振，从这一角度上看TSR具有一定的局限性。在电网发生发生次同步振荡时，附加励磁阻尼装置（SEDC）可通过发电机组的励磁控制系统输出一个同汽轮机组轴系扭振方向相反的调节信号，在一定程度上抑制由于次同步振荡引起的发电机汽轮机组轴系扭振，同TSR组成汽轮机组轴系扭振保护的两道防线。

二、直流输电引起次同步振荡的原因

由直流输电引起的发电机组次同步振荡的原因可以细分为以下三种情况：

1、与直流输电的电流调节器相关联;

2、与直流输电的辅助控制相关联;

3、与直流输电系统的某种不正常运行相关联。

其中，由HVDC辅助控制引起的SSO的原因是控制的输入信号中包含有附近发电机组最低扭振模式的振荡信号，在不利情况下这个信号经过直流输电系统放大以后，造成了发电机组的SSO负阻尼。对于这种情况，解决问题的方法非常简单，只要在辅助控制器中加入陷波滤波器，将输入信号中的扭振频率分量信号滤除，就消除了辅助功率控制器与发电机组之间的负阻尼相互作用。

由HVDC电流调节器引起的SSO是由HVDC的快速控制引起的。HVDC系统引起扭振可用图1加以解释。

若与整流站紧密耦合的发电机上受到微小转子机械扰动小扰动，导致某一扭振模态的转速和转角摄动，将引起机端电压幅值与相位的相应摄动，从而导致换流母线电压幅值与相位的摄动。对应于换流母线电压相位的摄动，换流阀触发角将产生相同的摄动，从而导致直流电压和电流产生摄动，而对应于换流母线电压幅值的摄动，同样会使直流电压和电流产生摄动。上述两者的作用将导致直流电压和电流偏离平衡状态，而HVDC控制将感应这种偏差并加以快速校正和调整，引起发电机电磁转矩的摄动，最终又反馈作用于机组轴系。如果发电机转速变化与由此引起的电磁转矩变化之间的相位滞后（包括闭环控制系统的附加相位滞后）超过90度，则将形成一种正反馈性质的扭振相互作用，不断助增振动幅值，导致轴系扭振失稳。

具有定电流（定功率）控制的直流输电系统所输送的功率是与网络频率无关的，因此直流输电系统对汽轮发电机组的频率振荡不起阻尼作用，对汽轮发电机组的次同步振荡也不起阻尼作用。但这本身不足以构成次同步振荡不稳定。只有在一系列不利因素同时作用时，才可能产生次同步振荡不稳定。这些不利因素包括：

1、汽轮发电机组与直流输电整流站距离很近;

2、该汽轮发电机组与交流大电网联系薄弱;

3、该汽轮发电机组的额定功率与直流输电输送的额定功率在同一个数量级上。

次同步振荡与HVDC系统运行工况、控制参数、输送功率、直流线路参数，以及发电机同直流输电线的耦合紧密程度等因素有关。

三、盘南电厂次同步振荡分析的研究方法

对于次同步振荡问题的重视起源于上世纪六十年代发生在美国Mohave电厂的轴系扭振事故，时至今日较成熟的电力系统次同步振荡问题分析方法主要有：机组作用系数法、特征值分析法、复转矩系数法、时域仿真法。粗选方法是机组作用系数法，细选方法包括特征值分析法、复转矩系数法、时域仿真法，对于盘南电厂次同步振荡分析的机网仿真模型主要采用时域仿真法展开分析。时域仿真可用于分析包括次同步振荡在内的各种机网相互作用问题，它采用数值积分的方法逐步求解描述整个系统的微分方程组。它可以详细模拟发电机、系统控制器，以及各种类型故障、断路器动作等，还可以考虑各种非线性设备的暂态过程。该方法采用的模型可以是线性的，也可以是非线性的，网络元件可以采用集中参数模型，也可采用分布参数模型。发电机轴系的质量块-弹簧模型中的轴系可以划分得更细，甚至可以采用分布参数模型。利用该方法，不但能对电网中由于小扰动引起的次同步谐振进行分析，还可以对电网大扰动过程（如故障、进行重合闸等）引发的次同步谐振问题进行分析。

四、盘南电厂次同步振荡风险评估

在建立了盘南电厂轴系参数模型和电气参数模型后，利用PSCAD/EMTDC软件来建立盘南电厂的SSO机网仿真模型，用以评估盘南电厂次同步振荡风险。在电网的各类运行方式下，重点计算盘南电厂在全线运行方式下贵广Ⅰ、Ⅱ回直流线路对盘南电厂的机组作用系数（UIF），UIF值越大，表明次同步振荡风险越高。为节约篇幅，以下仅列出电网各类运行方式下，八河至兴仁换一条检修状态时盘南电厂的风险评估，所有方式均按照盘南电厂投入3台发电机满负荷运行计算。

分析上述表格数据可以得到，当枯大运行，八河-兴仁换一条线路检修，停光照电厂时，盘南电厂的UIF系数大于阈值0.1，说明在这种情况下，盘南电厂受直流换流站影响较大，极有可能发生次同步振荡。从盘南电厂的机组综合作用系数的构成来分析，来自兴安直流的机组作用系数大于来自高肇直流的机组作用系数，说明兴安直流与盘南电厂的相互作用大于高肇直流与盘南电厂的相互作用，这与盘南电厂的地理接线情况有关：盘南电厂发电机组经升压变后，通过双回线直接与兴安直流的兴仁换流站的交流侧相连，所以盘南电厂受兴安直流的影响较大，这也是其易发生SSO问题的原因之一。

五、附加励磁阻尼控制器（SEDC）的工作原理

SEDC作为一种抑制次同步谐振或振荡（SSR/SSO）的有效手段，最早于20世纪70年代在美国两个电厂（Navajo和Jim Bridger）得到应用。国内首例SEDC工业装置安装于内蒙古上都电厂，用以解决固定串补输电带来的SSR问题，并通过现场试验验证了控制效果。

SEDC的功能结构如图4-1所示。其采用汽轮机高压缸转速信号作为反馈信号，通过带通滤波得到各个扭振模态的振荡分量，再经过比例和移相环节得到各个模态的控制信号，相加后形成总的SEDC控制输出，经限幅后叠加到励磁调节器的控制信号上，从而在励磁绕组上产生次同步频率电压和电流，进而形成次同步频率的附加电磁转矩，实现抑制SSO的目的。

励磁系统模型一般由自动电压闭环调节（AVR）、PSS及各种限制、保护器组成。其中：AVR产生励磁电压的直流分量，维持机端电压;PSS产生励磁电压的低频分量（一般是0.2～2.5Hz），控制系统可能产生的低频的机电振荡模态。

附加励磁阻尼控制器（SEDC）通过励磁系统抑制SSR。SEDC产生的模态控制信号是叠加在励磁调节器原有控制信号上，并共同作用于可控硅整流装置来实现阻尼SSO目标的。附加励磁阻尼控制器（SEDC）产生励磁电压的次同步频率分量（一般是10～40Hz），抑制系统可能产生的SSO模态。

广义上讲，三者的控制输出是独立的，系统稳态时，SEDC并不会产生直流或低频的励磁电压分量，因此不会影响励磁系统（AVR和PSS）的功能。

六、项目进度

盘南电厂附加励磁阻尼控制器的研究和试验是贵州电力系统“基于次同步振荡的附加励磁阻尼和次同步阻尼协同抑制”科研项目的一部分。在盘南电厂开展的研究和调试工作主要分为四个阶段，首先是电网次同步振荡对盘南电厂影响的理论分析;其次是SEDC与ABB公司UNITROL 5000励磁调节系统试验室仿真接口通过性试验，第三阶段是SEDC与ABB公司UNITROL 5000励磁调节系统接口的RTDS动模仿真试验，最后是现场动态接口和模拟仿真试验。

1、试验室仿真接口通过性试验

项目第一阶段电网次同步振荡对盘南电厂影响的理论分析主要由华北电力大学承担，盘南电厂主要参与的是后三个阶段的试验和调试工作。第二階段SEDC与ABB公司UNITROL 5000励磁调节系统试验室仿真接口通过性试验主要考察SEDC次同步频率控制信号通过ABB UNITROL 5000励磁调节系统的情况，将SEDC 输出信号叠加在励磁系统控制信号上，作为励磁系统最终的控制信号控制励磁整流桥。记录SEDC 输出信号，励磁系统控制信号，励磁整流桥输出励磁电压，励磁电流。试验的主要目的在于考察SEDC次同步频率控制信号通过ABB UNITROL 5000励磁调节系统后，对励磁系统的调节功能以及PSS不能有影响。

通过性试验表明：SEDC输出16Hz、26Hz、30Hz控制信号时能够通过励磁整流桥，不产生其他频率分量，不相互影响;SEDC控制信号不影响励磁系统正常输出（励磁电压直流分量仍约为17.0 V）;SEDC控制信号与励磁整流桥励磁电压与励磁电流幅值成正比关系;幅值相同，但频率不同的励磁电压会产生不同幅值的励磁电流，原因是负载阻抗随频率增加而增大，导致励磁电流随频率增加而减小。

2、RTDS动模仿真试验

RTDS动模仿真试验首先利用实时数字仿真仪RTDS整理收集盘南电厂发电机组、励磁调节系统以及电网系统参数，进行系统建模。在这一模型下开展SEDC参数优化及抑制效果试验，整定优化SEDC参数，进行RTDS仿真模拟系统在各种关键、典型运行方式下由故障引发的次同步振荡，实现次同步振荡的抑制效果。

试验以盘南电厂为研究对象，其余的外部机组和网络进行等值，基于RTDS仿真模拟枯大模式，全线运行不停机情况下构造各种故障引发次同步振荡，将实际励磁控制器和SEDC装置接入RTDS仿真模型进行闭环试验，分析验证各种情况下SEDC抑制次同步振荡的效果，同时重复验证SEDC输出次同步信号的励磁通过性。

RTDS动模仿真试验主要验证了SEDC装置在动态模型中对于抑制盘南电厂直流输电工程产生的次同步振荡问题，本次试验结果说明：

1）SEDC装置与励磁系统相配合能够满足盘南电厂抑制次同步振荡的需要;

2）输出次同步频率控制信号能够通过励磁系统形成次同步频率的励磁电压，在不产生其他频率谐波分量，不影响励磁电压直流分量的同时，能够保证与控制信号的线性关系;

3）SEDC同时输出多个次同步频率控制信号至励磁系统时，信号之间不会产生相互影响，且仍能保持第2条中单独输入时的特性;

4）SEDC装置接入励磁系统对励磁系统原有的功能无影响;

5）在典型大扰动情况下，加装SEDC可以提高对次同步振荡的阻尼，明显加快次同步振荡产生扭振的收敛速度。

3、现场动态接口试验

试验前，在盘南电厂#1机组上安装了北京四方公司生产的CSC-811P型汽轮发电机组附加励磁阻尼控制装置，并开放了盘南电厂#1机组的励磁系统与试验用激励装置（SEDC装置）的相关接口。现场动态接口试验的目的在于实测盘南电厂#1机组汽轮机轴系的次同步模态频率和阻尼，并整定SEDC装置参数，测试SEDC装置对PSS功能的影响，考察SEDC对次同步振荡抑制的效果。

现场动态接口试验分为以下几个试验：

1）励磁现场通过性试验，利用CSC-817汽轮发电机组轴系扭振测试仪输出次同步频率电流信号，观察励磁调节器的响应，判断接口是否正常工作;

2）频率扫描试验，确定机组准确的模态频率;

3）阻尼模态测量试验，确定机组的阻尼水平;

4）SEDC装置的开环特性测试，激发-抑制试验，整定SEDC的移相、增益参数，检验机组SEDC装置的激励抑制效果。

5）PSS阻尼效果校核试验，检验机组在有无SEDC两种情况下的PSS阻尼效果有无区别。

七、汽轮发电机组轴系扭振附加励磁阻尼控制器简介

盘南电厂目前选用的SEDC是北京四方公司生产的CSC-811P 系列汽轮发电机组轴系扭振附加励磁阻尼控制器，该控制器运用最优综合励磁控制实现对发电机次同步谐振大范围内所有振荡模式的抑制，进而提高机组对于次同步振荡的模态阻尼。四方公司是目前国内唯一提供机组轴系扭振保护与控制设备的厂家，这项技术填补了国内这项领域的空白，为解决我国次同步振荡问题提供了一种有效的控制和保护手段。

八、现场模拟仿真附加励磁阻尼控制器（SEDC）抑制效果分析

本文第四节中对于盘南电厂次同步振荡风险评估已有结论，当枯大运行，八河-兴仁换一条线路检修，停光照电厂时，盘南电厂发生次同步振荡的风险为最大。针对这种运行方式，现场模拟仿真附加励磁阻尼控制器（SEDC）对于SSO的抑制效果。

1、盘南电厂不加SEDC时：盘南1#机组转速差缓慢收敛，模态一的衰减率为-0.0116，模态二的衰减率为-0.0176，模态三的衰减率为-0.0425。

2、盘南电厂只在1#机组施加SEDC时：盘南1#机组转速差快速收敛，模态一的衰减率为-0.1671，模态二的衰减率为-0.0834，模态三的衰减率为-0.2305。

相对于没有施加SEDC控制的1#机组转速差收敛效果而言，施加了SEDC控制的1#机组具有更加明显的收敛效果。通过现场模拟仿真附加励磁阻尼控制器（SEDC）抑制效果分析表明：采用SEDC控制能顯著提高各个扭振模态的阻尼，有效抑制次同步振荡，在所有扰动试验下轴系扭振收敛时间不超过20秒，保证了机组和电网的安全稳定运行，达到了预期的控制目标，同时SEDC能显著提高机组模态阻尼，有效抑制盘南电厂的次同步振荡（SSO），防止汽轮发电机组轴系因扭振而损坏。

九、次同步振荡抑制系统功能展望

随着远距离，大功率直流输电系统的普及，由于次同步振荡造成与直流换流站电气联系较强的发电机汽轮机组大轴扭振的问题的严重性日益加强，考虑到直流输电系统中次同步阻尼（SSDC）对抑制大扰动引发的次同步振荡非常有效，但在电网出现幅值较小的扰动时难以有效抑制次同步振荡，对于类似于盘南电厂这样距离换流站比较近的发电厂，目前提出了附加励磁阻尼（SEDC）和次同步阻尼（SSDC）的协同抑制方案，在发电机组侧施加SEDC，在换流站侧施加SSDC，进一步抑制电网中出现的小幅扰动现象，消除机组轴系疲劳损耗。

参考文献：

[1]《基于附加励磁阻尼和直流阻尼控制的次同步振荡协同抑制研究-技术报告》北京四方公司、华北电力大学、贵州电力试验研究院

[2]《基于附加励磁阻尼和直流阻尼控制的次同步振荡协同抑制研究4-RTDS动模试验报告》北京四方公司、华北电力大学、贵州电力试验研究院、盘南电厂

[3]《盘南电厂#1机SEDC性能试验报告》北京四方公司、盘南电厂、贵州电力试验院

[4]《贵州盘南电厂#1机组SEDC参数测量试验报告》北京四方公司、盘南电厂、贵州电力试验研究院

作者简介：许新宇，1972年10月19日出生，男，贵州粤黔电力有限责任公司总经理，1995年毕业于上海电力学院自动控制系热工过程自动化专业，2014年01月毕业于四川网络教育工商管理专业本科，1995年7月进入某厂参加工作。