大型火電機(jī)組次同步諧振/振蕩保護(hù)控制方法分析

劉月正

（陜西德源府谷能源有限公司，陜西 府谷 719400）

0 引言

我國能源分布和消耗的地域不平衡性，使得依托煤炭基地建設(shè)大型電站，并采用串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置（簡稱串補(bǔ)）或高壓直流技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)，已成為我國電力工業(yè)發(fā)展的突出特點(diǎn)，而大型汽輪發(fā)電機(jī)組與串補(bǔ)交流/高壓直流電網(wǎng)相互作用會(huì)引發(fā)次同步諧振或次同步振蕩（統(tǒng)稱“次同步諧振/振蕩”）。其危害極大，輕則導(dǎo)致機(jī)組壽命損失，重則造成機(jī)組軸系損毀、系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞。

為了解決汽輪發(fā)電機(jī)組送出系統(tǒng)的次同步諧振/振蕩問題，一般在火電廠側(cè)建立兩道防控措施：抑制防線和保護(hù)防線。抑制防線通過加裝附加勵(lì)磁阻尼控制裝置或機(jī)端次同步阻尼控制裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)次同步諧振/振蕩的抑制，保證機(jī)組順利并網(wǎng)發(fā)電；保護(hù)防線作為機(jī)組發(fā)生次同步諧振/振蕩的最后一道防線，通過切除機(jī)組來保護(hù)機(jī)組軸系安全[1-2]。隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，新能源機(jī)組大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，火電機(jī)組作為保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的作用日顯突出，因此需要深入研究火電機(jī)組在發(fā)生次同步振蕩時(shí)的保護(hù)切機(jī)策略。對(duì)于電廠來說，機(jī)組軸系參數(shù)比較接近，在發(fā)生振蕩時(shí)表現(xiàn)出來的振蕩特征相似，會(huì)存在扭振保護(hù)同時(shí)切除多臺(tái)機(jī)組（以下簡稱過切）的問題。為了解決這個(gè)問題，新疆某電廠通過采用多臺(tái)同型機(jī)組定值的差異化設(shè)計(jì)，在一定程度上降低過切概率，但在一些疲勞累積特別快的環(huán)境下不能完全避免機(jī)組過切問題；內(nèi)蒙古某電廠通過判斷機(jī)組收斂或發(fā)散的趨勢，來決定電廠扭振保護(hù)在動(dòng)作后是否還需要繼續(xù)切除剩余機(jī)組，這種方法主要通過延時(shí)進(jìn)行處理，不可避免地造成后續(xù)機(jī)組一次擾動(dòng)過程疲勞損傷過大。本文結(jié)合串補(bǔ)線路發(fā)生諧振時(shí)機(jī)組扭振的特點(diǎn)，對(duì)原技術(shù)手段進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種基于次同步諧振/振蕩風(fēng)險(xiǎn)工況信息并結(jié)合機(jī)組扭振發(fā)展趨勢來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化切機(jī)的方法，并通過仿真分析，證明該方法實(shí)施的可行性與有效性。

1 火電機(jī)組次同步諧振/振蕩及保護(hù)原理

1.1 機(jī)網(wǎng)諧振原理

在安裝串補(bǔ)的輸電系統(tǒng)中，串補(bǔ)的電容器容抗與系統(tǒng)的感抗串聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)諧振回路，其自振頻率fe為：

式中：f為系統(tǒng)額定頻率，XC、XL和X分別為額定頻率下串聯(lián)電容器的容抗、線路的感抗和發(fā)電機(jī)、變壓器及負(fù)荷的等值感抗。一般線路的補(bǔ)償度XC/XL＜1，則有fe＜f，所以可能出現(xiàn)的諧振是次諧波諧振，其頻率小于系統(tǒng)額定頻率。因此可以看出，發(fā)電機(jī)組和串補(bǔ)之間的諧振特性可以用兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行描述：一是電網(wǎng)側(cè)不同運(yùn)行方式下的fe，表征網(wǎng)側(cè)和機(jī)組側(cè)之間發(fā)生諧振的耦合緊密程度；一是在此諧振頻率下的系統(tǒng)阻尼D，表征在不同諧振頻率下受擾動(dòng)后的變化趨勢，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性，D＞0表示系統(tǒng)穩(wěn)定，D＜0則表示系統(tǒng)不穩(wěn)定[3-4]。

假設(shè)電網(wǎng)正常運(yùn)行，線路和設(shè)備未發(fā)生故障，即公式（1）中XC、XL不發(fā)生變化，那么機(jī)組側(cè)的機(jī)組運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)諧振頻率fe有較大影響，因此對(duì)機(jī)組保護(hù)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，必須首先考慮機(jī)組解列后對(duì)次同步諧振/振蕩問題的影響，即扭振保護(hù)不是單純的設(shè)備保護(hù)，而是為系統(tǒng)貢獻(xiàn)穩(wěn)定性的系統(tǒng)保護(hù)。

系統(tǒng)阻尼一般由兩部分組成：

式中：Dm為發(fā)電機(jī)組本身的機(jī)械阻尼，與發(fā)電機(jī)組本身的出力水平密切相關(guān)，機(jī)組出力越大，Dm越大，Dm一般都大于0；De為機(jī)組的電氣阻尼，與機(jī)組電氣功率及系統(tǒng)的方式相關(guān)，在常規(guī)交流系統(tǒng)中De大于0，而在串補(bǔ)的送出系統(tǒng)中，在一些方式下De小于0，從而有諧振的風(fēng)險(xiǎn)。從阻尼系數(shù)分析可以看出，在一些運(yùn)行方式下，扭振保護(hù)切除機(jī)組并不是最佳選擇，相反，在系統(tǒng)穩(wěn)定方式下保留機(jī)組可能更好[5-6]。

1.2 扭振保護(hù)的基本原理

扭振保護(hù)功能主要通過兩個(gè)核心判據(jù)實(shí)現(xiàn)：基于可變觀測窗的模態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)為快速判據(jù)，通過連續(xù)檢測扭振幅值趨勢來實(shí)現(xiàn)；疲勞損失判據(jù)采用疲勞統(tǒng)計(jì)法（雨流法）和疲勞累積損傷理論（Miner理論）依據(jù)機(jī)組扭振響應(yīng)動(dòng)態(tài)及機(jī)組危險(xiǎn)截面應(yīng)力-壽命（S-N）曲線進(jìn)行評(píng)定。

1.2.1 模態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)

模態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)通過實(shí)時(shí)測量發(fā)電機(jī)組軸系轉(zhuǎn)速差提取各模態(tài)特征量，根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的模態(tài)特征量相對(duì)變化趨勢判別扭振模態(tài)是否發(fā)散或收斂，同時(shí)輔以機(jī)組的疲勞累積情況。對(duì)于快速發(fā)散的工況，穩(wěn)定性判據(jù)可使保護(hù)快速動(dòng)作，從而減少機(jī)組軸系疲勞累積。

1.2.2 疲勞損傷判據(jù)

疲勞反時(shí)限保護(hù)作為輔助保護(hù)功能，通過計(jì)算出的軸系各個(gè)危險(xiǎn)截面的扭應(yīng)力值，再依據(jù)機(jī)組的扭S-N曲線計(jì)算出軸系危險(xiǎn)截面的疲勞損耗百分?jǐn)?shù)，實(shí)時(shí)累計(jì)單次擾動(dòng)下軸系各段的疲勞。疲勞壽命曲線表明了待評(píng)估位置扭矩（或扭轉(zhuǎn)功率）和扭轉(zhuǎn)周期次數(shù)的關(guān)系，類似于一條反時(shí)限曲線。當(dāng)單次擾動(dòng)下的疲勞實(shí)時(shí)累計(jì)達(dá)到疲勞定值或極限疲勞定值后，扭振保護(hù)動(dòng)作[7]。

扭振保護(hù)的判據(jù)設(shè)計(jì)最主要的依據(jù)是擾動(dòng)過程中機(jī)組的疲勞累積情況。將機(jī)組的擾動(dòng)分為兩個(gè)過程：一是擾動(dòng)產(chǎn)生后300~400 ms內(nèi)的暫態(tài)過程；二是暫態(tài)過程后10 s以上的衰減過程。暫態(tài)過程取決于擾動(dòng)產(chǎn)生的扭振信號(hào)初始幅值；衰減過程取決于擾動(dòng)產(chǎn)生后的發(fā)展趨勢。如果不存在嚴(yán)重暫態(tài)扭矩放大問題的場合，衰減過程對(duì)擾動(dòng)過程的疲勞累積影響最大。而機(jī)組的阻尼水平?jīng)Q定了衰減過程的發(fā)展趨勢，機(jī)組解列后阻尼D≈0，其扭振信號(hào)的衰減非常緩慢，在30 s以上才能衰減到安全幅值以下，疲勞累積不容忽視[8-9]，所以機(jī)組解列有時(shí)是保護(hù)被動(dòng)的選擇，而不是保護(hù)的首要選擇。

同時(shí)，扭振保護(hù)按照機(jī)組進(jìn)行配置，保護(hù)裝置主要是通過采集機(jī)組的扭振信號(hào)，根據(jù)機(jī)組軸系的疲勞累積情況對(duì)機(jī)組進(jìn)行最后的安全保護(hù)。如果電廠安裝的多臺(tái)機(jī)組是同型機(jī)組或參數(shù)接近，那么在一次擾動(dòng)情況下各機(jī)組配置的扭振保護(hù)動(dòng)作行為也接近，如果達(dá)到保護(hù)動(dòng)作條件，則可能會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)切除多臺(tái)機(jī)組，對(duì)電廠及電網(wǎng)影響都比較大，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[10-13]。

2 火電廠廠級(jí)扭振保護(hù)策略優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 策略優(yōu)化的整體設(shè)計(jì)

全廠扭振保護(hù)的控制框架設(shè)計(jì)如圖1所示。全廠扭振保護(hù)控制由按照機(jī)組配置的扭振保護(hù)常規(guī)功能及集中配置的廠級(jí)扭振保護(hù)決策控制功能組成，進(jìn)行分級(jí)保護(hù)控制。

圖1 火電機(jī)組全廠扭振保護(hù)控制框架

扭振保護(hù)是機(jī)組扭振的最后一道防線，在控制數(shù)據(jù)流上單向控制，分散于每臺(tái)機(jī)組的扭振保護(hù)裝置采集每臺(tái)機(jī)組軸系的扭振信號(hào)，對(duì)扭振信號(hào)的趨勢進(jìn)行判斷，同時(shí)上送至廠級(jí)扭振保護(hù)決策中心；廠級(jí)扭振保護(hù)決策中心收集各臺(tái)機(jī)組的扭振動(dòng)作信號(hào)及趨勢信號(hào)，同時(shí)依據(jù)送出系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和建立的次同步諧振/振蕩方式庫提供集中保護(hù)出口決策。

2.2 功能設(shè)計(jì)

2.2.1 扭振保護(hù)裝置

扭振保護(hù)裝置的保護(hù)功能按照常規(guī)扭振保護(hù)配置，設(shè)置穩(wěn)定性發(fā)散判據(jù)和疲勞損傷判據(jù)，分別應(yīng)對(duì)快速發(fā)散的諧振和長時(shí)間疲勞損傷問題[12]。扭振保護(hù)實(shí)時(shí)將動(dòng)作行為狀態(tài)和機(jī)組扭振發(fā)展趨勢上送至廠級(jí)扭振保護(hù)決策中心。扭振發(fā)展趨勢可通過扭振幅值的包絡(luò)線斜率進(jìn)行判斷。

式中：kip為第i臺(tái)機(jī)組發(fā)散標(biāo)識(shí)，kip=1表示第i臺(tái)機(jī)組扭振趨勢呈現(xiàn)發(fā)散，kip=0表示第i臺(tái)機(jī)組扭振趨勢不發(fā)散；Ai,k+1表示第i臺(tái)機(jī)組k+1時(shí)刻的扭振幅值；Ai,k表示第i臺(tái)機(jī)組k時(shí)刻的扭振幅值。

第i臺(tái)機(jī)組上送決策中心的信息集合Si為：

式中：Act_stabi表示失穩(wěn)動(dòng)作狀態(tài)；Act_fragi表示疲勞動(dòng)作狀態(tài)；kip表示實(shí)時(shí)扭振趨勢。

2.2.2 扭振保護(hù)決策中心

扭振保護(hù)決策中心對(duì)全廠機(jī)組扭振保護(hù)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，在機(jī)組安全、系統(tǒng)安全及經(jīng)濟(jì)性方面努力實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。一般來說，對(duì)于串補(bǔ)送出系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)影響次同步諧振/振蕩問題的主要條件為送出線路、主要變壓器及串補(bǔ)的投退情況，而接入電網(wǎng)的系統(tǒng)等值對(duì)次同步諧振/振蕩問題的影響較弱，暫不作重點(diǎn)考慮。因此在扭振決策中心建立送出系統(tǒng)的第i種運(yùn)行方式下關(guān)鍵信息集合Ci為：

式中：l1，l2，…，lm1表示該運(yùn)行方式下的運(yùn)行線路；c1，c2，…，cm2表示該運(yùn)行方式下的串補(bǔ)；T1，T2，…，Tm3表示該運(yùn)行方式下的運(yùn)行變壓器等；S1，S2，…，Sm4表示該運(yùn)行方式下扭振保護(hù)的上送信息集合；num表示送出系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)組數(shù)量。決策中心在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)刷新系統(tǒng)的變化情況，跟蹤網(wǎng)側(cè)信息的變化。其邏輯過程如下：

（1）根據(jù)Si信息，判斷機(jī)組扭振保護(hù)是否啟動(dòng)，如果有機(jī)組扭振保護(hù)啟動(dòng)，則進(jìn)行下一步的判斷；

（2）根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的關(guān)鍵信息集合Ci是否有系統(tǒng)線路、串補(bǔ)及變壓器等設(shè)備退出或投入運(yùn)行；

（3）如果關(guān)鍵信息集合Ci發(fā)生改變，重新獲取此時(shí)網(wǎng)側(cè)的諧振頻率fe，fe可以通過離線仿真分析的方法提前獲?。?/p>

（4）如果是第1臺(tái)機(jī)組扭振保護(hù)發(fā)出切機(jī)命令，決策中心無延時(shí)接受命令直接跳機(jī)，進(jìn)入下一步；

（5）重新獲取切機(jī)后的諧振頻率fe；

（6）如果是其他機(jī)組發(fā)出切機(jī)命令，對(duì)其切除后的諧振頻率fe進(jìn)行預(yù)判，如果fe更接近于機(jī)組軸系模態(tài)頻率的互補(bǔ)頻率，且各臺(tái)機(jī)組的kip=0，則扭振決策中心不再跳機(jī)，保留機(jī)組。

（7）為了可靠，如果機(jī)組扭振幅值持續(xù)一定時(shí)間，則扭振決策中心再無延時(shí)跳機(jī)。

可見，通過扭振決策中心的控制，從理論上可以有效避免因電網(wǎng)大擾動(dòng)引起多臺(tái)機(jī)組同時(shí)跳機(jī)的問題。

3 仿真算例

以某省A電廠送出系統(tǒng)為例，基于PSCAD仿真環(huán)境對(duì)廠級(jí)扭振決策中心的實(shí)施效果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 送出系統(tǒng)接線圖

A電廠共有4臺(tái)同型號(hào)660 MW火電機(jī)組，經(jīng)兩回串補(bǔ)度分別為35%和30%的線路接入500 kV忻都變電站，忻都變電站通過3回35%串補(bǔ)度的線路和一回40%的串補(bǔ)線路接入石家莊北500 kV變電站。A電廠送出系統(tǒng)接線圖見圖2。

圖2 A電廠送出系統(tǒng)接線圖

3.2 仿真參數(shù)選取

以A電廠機(jī)組送出系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)為例，采用多質(zhì)塊集中質(zhì)量模型參數(shù)（見表1），機(jī)組的軸系固有頻率見表2，機(jī)組發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)見表3。

表1 機(jī)組集中質(zhì)量模型參數(shù)

表2 機(jī)組軸系固有頻率 Hz

表3 機(jī)組發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)

3.3 仿真工況選擇

挑選次同步問題最嚴(yán)重的一種方式進(jìn)行驗(yàn)證，工況為：A電廠有4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，B電廠有6臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，9條線路全部投入運(yùn)行，9條線路安裝的串補(bǔ)正常投入運(yùn)行，串補(bǔ)過電壓旁路定值按照實(shí)際定值整定2.3（p.u.）。故障類型設(shè)置：單相永久性故障，故障點(diǎn)在府忻Ⅱ線串補(bǔ)忻都側(cè)。在1 s時(shí)刻發(fā)生短路故障，扭振保護(hù)疲勞保護(hù)動(dòng)作定值為1%，發(fā)散保護(hù)動(dòng)作判據(jù)中疲勞定值為0.6%。以1號(hào)、2號(hào)機(jī)組為例，故障后的扭振主導(dǎo)模態(tài)曲線及扭振保護(hù)動(dòng)作信號(hào)如圖3、圖4所示。

圖3 故障后1號(hào)、2號(hào)機(jī)組扭振主導(dǎo)模態(tài)曲線

圖4 故障后1號(hào)、2號(hào)機(jī)組扭振保護(hù)動(dòng)作信號(hào)

不采取扭振保護(hù)集中控制，以1號(hào)、2號(hào)機(jī)組為例，在發(fā)生故障后，兩臺(tái)機(jī)組的主導(dǎo)振蕩模式都呈現(xiàn)發(fā)散趨勢，考慮到仿真環(huán)境下兩臺(tái)機(jī)組扭振信號(hào)的誤差，1號(hào)機(jī)組先滿足發(fā)散保護(hù)動(dòng)作條件，保護(hù)動(dòng)作，1號(hào)機(jī)組切除后2號(hào)機(jī)組扭振信號(hào)開始收斂。由于1號(hào)、2號(hào)機(jī)組是同型機(jī)組，扭振保護(hù)疲勞累積相差不大，2號(hào)機(jī)組在扭振信號(hào)未衰減到安全值以下時(shí)扭振保護(hù)滯后1號(hào)機(jī)組約500 ms動(dòng)作，2號(hào)機(jī)組切除。如果采用扭振保護(hù)集中優(yōu)化控制策略，1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組扭振保護(hù)將動(dòng)作信號(hào)和趨勢信號(hào)送至扭振保護(hù)決策中心后，決策中心先對(duì)1號(hào)機(jī)組執(zhí)行切除操作，然后根據(jù)2號(hào)機(jī)組的扭振趨勢和當(dāng)前系統(tǒng)諧振頻率變化判斷，2號(hào)機(jī)組保護(hù)不滿足再動(dòng)作的條件，避免了2號(hào)機(jī)組被切除[14-17]。

4 結(jié)束語

火電機(jī)組次同步諧振/振蕩在保護(hù)控制措施上按照機(jī)組配置的扭振保護(hù)裝置（TSR）尚無法做到全廠最優(yōu)化的控制。通過對(duì)全廠的扭振保護(hù)切機(jī)策略進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，可以有效避免過切機(jī)組的問題。通過對(duì)機(jī)組動(dòng)作前后的狀態(tài)做進(jìn)一步的精準(zhǔn)趨勢評(píng)估研究，可實(shí)現(xiàn)廠級(jí)火電機(jī)組的有序安全保護(hù)控制。