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串補輸電系統(tǒng)次同步諧振分析及防止措施比較

文檔作者：郭錫玖文檔來源：北方聯(lián)合電力有限責任公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年07月02日
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上一篇：電力工程中輸電線路施工監(jiān)理措施探討

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2006年第24卷第3期
內(nèi)蒙古電力技術
INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER
· 專題論述·
串補輸電系統(tǒng)次同步諧振分析及防止措施比較
Subsynchronous Harmonic Vibration Analysis and Prevention Measures
Comparison on Series Compensation Transmission Line System
郭錫玖
(北方聯(lián)合電力有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020)
【摘要】對內(nèi)蒙古上都電廠串補輸電系統(tǒng)次同
步諧振進行了分析，提出了防止措施，并進行了技術
經(jīng)濟比較，可為其他電廠提供參考。
【關鍵詞】次同步諧振；串補度；輔助勵磁控制
器；發(fā)電機扭應力保護
[中圖分類號】TM7l1
【文獻標識碼】B
【文章編號】l008—6218(2o06)o3—0001—04
內(nèi)蒙古上都電廠1、2期工程的4x600 MW 機
組以雙回500 kV線路加串補送至華北電網(wǎng)姜家營
500 kV變電站，遠期8x600 MW 以三回500 kV線
路加串補(補償度為50％)送至華北電網(wǎng)。由于串補
電容的作用，在某種運行方式下汽輪發(fā)電機軸系會
產(chǎn)生次同步諧振，會造成軸系嚴重損壞。本文對次同
步諧振的原因進行了分析，對各種防止措施進行了
可靠性和經(jīng)濟技術比較。
1 串補送出工程次同步諧振分析
內(nèi)蒙古上都電廠1期為2x600 MW，通過兩回
500 kV線路送出，不加串補，如圖l所示。
1號
2號
500 kV上都承德500 kV 姜家營500 kV
J 立 立 立 ：
- - - t { { {
圖1 上都1期送出示意圖
上都2期完成可形成4x600 MW，仍為兩回
500 kV線路送出，加串補，串補度為35％～50％ ，如
圖2所示。
1號
2號
39
4號
500 kV上都承德500 kV 姜家營500 kV
主
主 主 主
圖2 2期送出示意圖
1．1 35％ 串補度
串補度為35％ ，線路正常運行或姜承線一回故
障時，不會發(fā)生次同步諧振。
在各種運行方式下電系統(tǒng)阻尼出現(xiàn)最大負阻尼
值時所對應的次同步頻率都遠離汽輪發(fā)電機軸系固
有頻率模態(tài)1(15．03 Hz)、模態(tài)2(25．95 Hz)、模態(tài)3
(30．04 Hz)，發(fā)電機電磁轉矩和BLP—GEN扭矩響應
曲線呈衰減趨勢(收斂)，也不會發(fā)生次同步諧振。
上承線一回故障(或退出)，系統(tǒng)SSR穩(wěn)定，但
曲線收斂較慢，穩(wěn)定裕度較小。
1．2 40％串補度
串補度為40％ ，線路正常運行或姜承線一回故
障時，不會發(fā)生次同步諧振。
在各種運行方式下電系統(tǒng)出現(xiàn)最大負阻尼值時
所對應的次同步頻率都遠離汽輪發(fā)電機軸系固有頻
率模態(tài)1(15．o3 Hz)、模態(tài)2 (25．95 Hz)、模態(tài)3
(30．04 Hz)，發(fā)電機電磁轉矩和BLP—GEN扭矩響應
曲線呈衰減趨勢(收斂)，也不會發(fā)生次同步諧振。
當上承線一回線路故障(或退出)，在某一運行
方式下，電系統(tǒng)出現(xiàn)最大負阻尼值所對應的次同步
頻率等于或接近汽輪發(fā)電機組固有頻率模態(tài)3
(30．04 Hz)，此時易引發(fā)對模態(tài)3的次同步諧振。
l_3 50％串補度
串補度為5O％ ，當上承線一回線路故障(或退
【收稿日期】2006—02—14
【作者簡介l郭錫玖(1950～ )，男，山東省人，畢業(yè)于清華大學，教授級高級工程師，現(xiàn)從事生產(chǎn)技術管理工作。
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2 內(nèi)蒙古電力技術 2006年第24卷第3期
出)，在某一運行方式下，電系統(tǒng)出現(xiàn)最大負阻尼值
所對應的次同步頻率等于或接近汽輪發(fā)電機組固有
頻率模態(tài)2(25．95 Hz)。此時易引發(fā)對模態(tài)2的次同
步諧振。
串補度越大，電系統(tǒng)在某一諧振頻率下呈現(xiàn)的
負阻尼值就越大。此時，如果機械阻尼小于電系統(tǒng)呈
現(xiàn)的負阻尼值，就會發(fā)生次同步諧振。發(fā)電機電磁轉
矩和BLP—GEN扭矩響應曲線呈發(fā)散狀態(tài)，扭矩越
來越大，軸系將會受到嚴重損壞。
由此可知。當串補度為4O％一5O％時，上承線發(fā)
生故障，引發(fā)次同步諧振的可能性最大，特別是機組
輕載時，機械阻尼小，易引發(fā)次同步諧振。
2 發(fā)生次同步諧振概率分析
發(fā)生次同步諧振的先決條件是串補電容有一個
充放電過程，它與線路的操作和故障有關，線路的操
作和故障次數(shù)決定次同步諧振出現(xiàn)的概率。
2．1 線路故障
(1)500 kV線路耐雷水平一般設計為0．01次／
(km·a)(1次／百公里·年)。上承線約300 km，兩回，
每年雷擊跳閘次數(shù)計為6次。
(2)污閃、鳥害、覆冰、大風舞動等引起的跳閘，
一般考慮0．01次／(km·a)。則上承線每年跳閘次數(shù)
計為6次。
上述兩項合計為12次，如考慮單項重合閘成功
率為80％ ，則每年重合不成功的次數(shù)計為12x20％=
2．4 3次(線路重合成功，串補電容的充放電過程很
短，可不考慮對次同步諧振的影響；由于500 kV線
路潛供電流的作用，重合成功的概率要比220 kV線
路低)。
2．2 線路檢修
線路檢修，雙回線每年考慮1次。
由此可知，上承線每年約有不少于4次可引起
次同步諧振的幾率，如果采用40％-50％的串補度，
特別是50％的串補度，即使是4機滿載，機械阻尼
按最大5％0考慮，發(fā)生次同步諧振的幾率也不算小。
所以，采用阻尼和保護切機措施是非常必要的。
3 串補度與次同步諧振、送出能力、投資的
綜合分析
不：
線路的送出能力，也即穩(wěn)定極限，可用下式表
-si = sin6
式中 串補后的送出能力；
~--6 廣線路首末端相角差；
一送端母線電壓；
一線路總電抗；
一受端母線電壓；
廣串補電容的容抗；
K一串補度，K= x100％；
A ￡
串補前后，在送受端母線電壓、相角基本不變的
情況下，不同的串補度所提高的送電能力見表1。
表1 串補度、送出能力、投資比較
注1)：R一無串補時送出能力。
由表1可看出，采用低串補度，雖對防止次同步
諧振有利，但卻降低了送出能力，增加了串補投資。
從資料了解，美國的電網(wǎng)大多采用6o％以上的串補
度。上都電廠系統(tǒng)穩(wěn)定計算結果如下：
2期4機2線方案，滿足4臺機三永安全穩(wěn)定
送出的上承線串補度為5O％ ；
3期6機3線方案，滿足6臺機三永安全穩(wěn)定
送出的上承線串補度為35％；
4期8機3線方案，滿足8臺機三永安全穩(wěn)定
送出的上承線串補度為6O％。
如果串補度滿足不了系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，在不能
增加出線的情況下，電網(wǎng)只能要求限潮流。所以。采
取措施防止次同步諧振。提高串補度，是上都電廠提
高送出能力的需要。
4 解決次同步諧振的措施和技術經(jīng)濟比較
4．1 電網(wǎng)采取的措施
4．1．1 采用可控串補
可控串補又稱為晶閘管控制的串聯(lián)電容器
(TCSC)。可以是全部可控串補，也可采用部分可控
串補加固定串補。圖3是TCSC的主電路圖。TCSC
通過改變晶閘管觸發(fā)角，改變流過旁路電感 的電
流，從而改變TCSC的電抗，達到控制調節(jié)電力系統(tǒng)
的電流電壓、有功無功等的目的。
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2006年第24卷第3期 內(nèi)蒙古電力技術 3
圖3 可控串補TCSC主電路
可控串補與固定串補相比，除具有固定串補的
作用外，還具有如下作用：
(1)抑制和阻尼次同步諧振；
(2)在系統(tǒng)故障后的一定時間內(nèi)，提高到其額
定補償度的2．5倍以上，實現(xiàn)短時間的強補，從而提
高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平；
(3)阻尼系統(tǒng)的功率振蕩和低頻振蕩；
(4)快速準確地調整控制線路潮流。
可控串補已在國內(nèi)外得到應用。但主要的問題
是投資太大，一般可控串補是固定串補的4-5倍。
4．1．2 中間并聯(lián)補償
增加長距離線路傳輸能力的另一種辦法是實現(xiàn)
中間并聯(lián)補償i“，如圖4所示。
圖4 中間并聯(lián)補償示意圖
如果在運行過程中能保持中間點電壓 為恒
定值，就相當于中間點為一無窮大系統(tǒng)。這樣在電氣
上把原來的系統(tǒng)分割為兩個互不相干的區(qū)段，即由
原來的送·U端向無窮大系統(tǒng)輸電和由無窮大系統(tǒng)向
原來的受電端送電。原來送受端系統(tǒng)間的聯(lián)絡阻抗
被一分為二，如果 點恰在電氣中點，則送受端系
統(tǒng)間的送電能力將相當于系統(tǒng)間總阻抗，只有原來
的一半，可以提高1倍。如果這樣的中間補償點不只
一處，提高的送電水平將更高。
4．2 發(fā)電廠采取的措施
4．2．1 阻塞濾波器
阻塞濾波器是由多個電感電容串并聯(lián)組成，把
發(fā)電機升壓變壓器的中性點打開，每相串1組阻塞
濾波器，如圖5所示。
4．2．1．1 阻塞濾波器的優(yōu)點
(1)產(chǎn)生次同步諧振的電網(wǎng)自由振蕩頻率電流
不能流人發(fā)電機，因而是主動措施；
圖5 單相阻塞濾波器電路圖
(2)可以方便地設置多個 —C并聯(lián)回路，以阻
斷多個自由振蕩頻率電流。
4．2．1．2 阻塞濾波器的缺點
(1)阻塞濾波器是品質因數(shù)很高的次同步頻率
阻塞電路，對頻率十分敏感。該措施的效果與系統(tǒng)頻
率、環(huán)境溫度、濾波器的運行狀態(tài)與運行方式等因素
有較大關系。上都電廠冬夏溫差70℃ ，很難保證大
量濾波電容的電容量不發(fā)生變化，一旦變化，阻塞頻
率就會變化；因此，需定期測試阻塞頻率，測試難度
和工作量非常大。
(2)必須改造發(fā)電機的升壓變壓器的中性點絕
緣水平，由63 kV升高到110 kV；變壓器返廠改造
可能會影響機組投產(chǎn)工期。
(3)變壓器中性點由原來直接接地變?yōu)榻?jīng)阻塞
濾波器接地，雖然設計已考慮在工頻50 Hz下對地
阻抗最小，但此阻抗受元器件特性和環(huán)境溫度的變
化的影響，特別是三相阻塞濾波器因參數(shù)變化不對
稱運行時，是否會影響線路零序保護的正確動作，有
待進一步研究和實際運行的驗證。
(4)由于變壓器中性點不是直接接地，變壓器
在操作波和雷電侵入波作用下，變壓器中性點和繞
組首端會承受更高的過電壓，易造成變壓器絕緣損
壞。
(5)每臺阻塞濾波器占地面積為40x40 m ，而
上都電廠為空冷機組，主變布置在空冷島下面，沒有
適合布置阻塞濾波器的地方，只能用長電纜引出，這
對變壓器的絕緣更為不利。
(6)阻塞濾波器的運行維護、阻塞頻率的定期
測試、預防性試驗等，工作量大，運行成本高。
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4 內(nèi)蒙古電力技術 2006年第24卷第3期
(7)投資巨大，每臺約4 000萬元。
4．2．2 輔助勵磁阻尼控制器(SEDC)
SEDC原理示意圖如圖6所示。
圖6 SEDC 原理示意圖
由于串補電容在充放電過程中形成一個自由振
蕩頻率為廠0的電流i，這個電流通過變壓器流經(jīng)發(fā)
電機定子繞組時，會在轉子繞組中感應出一個
． 的電流，，此電流疊加在直流勵磁電流上。
SEDC 阻尼器內(nèi)設有1至3個品質因數(shù)很高的
帶通濾波器(根據(jù)汽輪發(fā)電機軸系的固有模式頻率
設置)，可分別通過被檢測到的對應的頻率信號。因
此，SEDC阻尼器和阻塞濾波器的功能類似，也可阻
尼多個頻率。
4．2．3 發(fā)電機組扭應力保護(TSR)
TSR原理如圖7所示，TSR采用特定的轉速傳
感器，將軸速信號經(jīng)高速采樣，送至帶通濾波器(濾
波頻率根據(jù)軸系的固有模式頻率來設置)，進而產(chǎn)生
與每種模式的振動值成比例的電信號。這些“模態(tài)速
度”電信號被用在反時限疲勞跳閘、靜態(tài)不穩(wěn)定跳閘
兩個不同的保護邏輯方案。
圖7 TSR原理框圖
跳閘
閘
號通道
反時限疲勞功能將模態(tài)速度與保護門限電平相
比較，并對每種模式應用了反時限特性。反時限特性
同每種模式軸的疲勞能力和疲勞壽命損失特性相協(xié)
調，當達到反時限特性時，發(fā)出跳閘輸出信號。TSR
包括兩個獨立的反時限疲勞跳閘功能(一次和二
次)。二次跳閘特性同一次相似，但它的整定包括附
加的時滯。TSR一次跳閘輸出能用來跳開某一線路
開關，二次跳閘輸出能用來跳開發(fā)電機斷路器。如果
扭振振動在線路跳開后衰減，則發(fā)電機不解列。然
而，如果扭振振動在線路跳開后仍持續(xù)，TSR二次跳
閘解列發(fā)電機。
TSR具有靜態(tài)不穩(wěn)定性功能，能監(jiān)視低水平但
是在事先決定的時間內(nèi)逐漸增加振動的模態(tài)速度。
該功能驅動一次跳閘功能。
標準的TSR是一個柜子，適用于發(fā)電站的繼電
器室、控制室或其它具有合適的控制環(huán)境的房間，其
主要部件是GE RC2000數(shù)字傳感器和控制元件，
被程序化后用來監(jiān)測從齒輪傳感器輸入的軸速和當
軸的扭振振動超過允許標準時發(fā)布跳閘輸出。
TSR是一種后備保護，是與阻塞濾波器或
SEDC方案配套設置的。
5 建議
(1)為保證上都電廠電力可靠送出，所采用的
串補度必須滿足送電系統(tǒng)穩(wěn)定極限的要求；否則，送
電潮流會受到限制，機組無法滿發(fā)。
(2)建議上都電廠采用“SEDC+TSR”方案，不
采用“阻塞濾波器+TSR”方案，這樣可節(jié)省投資3億
元人民幣(按8臺機計算)，同時可避免由阻塞濾波
器帶來的一系列不利因素。
(3)獨立大電廠以500 kV交流加串補外送存
在的SSR問題不僅涉及上都電廠，今后有可能涉及
寶日希勒(直流輸電在某些條件下也存在SSR問
題)、扎魯特、準格爾地區(qū)等電廠的送出。因此，自主
研發(fā)SEDC和TSR不僅可節(jié)省大量投資(若購GE
公司產(chǎn)品，每臺機組的SEDC+TSR約50o萬人民
幣；若自主研發(fā)則約為300萬人民幣)，也可解決因
依賴進口設備而存在的高額的檢修、定期測試等費
用。
【參考文獻】
【1】王梅義，吳竟昌，蒙定中．大電網(wǎng)系統(tǒng)技術【M]．北京：中國電
力出版社，1995—06．

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