1、中電普安電廠2660MW新建工程次同步諧振保護方案編 寫： （編寫人會簽） 審 核： （編寫人會簽） 審 定： 批 準： 日 期：二一六年七月一、 概述普安電廠兩臺機組雙回線路33KM接入興仁換流站，由于興仁換流站為整流站，故電網(wǎng)中的包含很多諧波分量，有可能存在低于工頻的諧波分量，這些諧波分量可能在某個頻段與電網(wǎng)及普安電廠發(fā)電機變壓器組產(chǎn)生電氣諧振。當這些諧振的頻率與發(fā)電機組軸系的固有扭振頻率互補時（此時這兩個頻率之和等于系統(tǒng)的同步頻率）或者說汽輪機發(fā)電機組軸系的自然扭振（普安自然扭振見表1）與折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電氣諧振回路的自然振蕩頻率非常接近時，就會引起大軸的共振。電網(wǎng)和汽輪發(fā)電機組的耦合就會

2、產(chǎn)生相互激勵，當這種激勵可以抵消和超過機械和電磁振蕩中的所有阻尼和電阻消耗的能量時，就會在系統(tǒng)中產(chǎn)生次同步振蕩，機組軸系將處于扭振狀態(tài)，產(chǎn)生疲勞損耗，疲勞累計將嚴重影響轉(zhuǎn)子的機械性能和壽命，嚴重時可導(dǎo)致大軸產(chǎn)生裂紋，損傷，甚至螺栓剪斷、大軸斷裂。表1:普安電廠1-8階自然扭振頻率廠家數(shù)據(jù)：階數(shù)1階2階3階4階5階6階7階8階頻率（Hz）19.729.257.2118.8149.0161.8二、 技術(shù)路線1970年代美國Mohave電廠連續(xù)發(fā)生兩次汽輪發(fā)電機組軸系出現(xiàn)嚴重損傷的事故，該事故由機網(wǎng)交互作用的次同步振蕩引起汽輪發(fā)電機軸系出現(xiàn)次同步扭振，進而因大軸疲勞損傷。事故發(fā)生之后，引起業(yè)界的高度

3、重視，經(jīng)過大量研究，明確了在長距離輸電系統(tǒng)中使用電容串補或者高壓直流輸電的情況下，電源端的汽輪發(fā)電機組有可能存在扭振的風(fēng)險。這些年，隨著我國電力建設(shè)的快速發(fā)展，大批煤電能源基地電源點的重點項目已經(jīng)完成或正在進行。其中不少工程都存在次同步振蕩及扭振的問題，典型的有：盤南電廠、發(fā)耳電廠（貴廣直流），綏中電廠（東北-華北聯(lián)網(wǎng)高嶺背靠背工程），呼倫貝爾電廠、伊敏電廠、鄂溫克電廠（呼遼直流），云南威信電廠、鎮(zhèn)雄電廠（溪洛渡直流），等等，都由于直流輸電而存在不同程度的次步振蕩及扭振問題。普安電廠與盤南、發(fā)耳同是接入興仁換流站，面臨情況基本類同。普安電廠兩臺機組雙回線路33km接入興仁換流站，當直流輸電控制

4、方式及控制參數(shù)不當時，會造成機網(wǎng)系統(tǒng)在某些次同步頻率段出現(xiàn)阻尼很低或者阻尼為負的惡劣情況。在這種情況下，如果出現(xiàn)擾動，則很有可能激發(fā)出次同步振蕩。特別是電氣諧振頻率與軸系固有扭振頻率互補時，扭振難以平息，危害很大。比如，假設(shè)電網(wǎng)系統(tǒng)的次同步振蕩頻率為30Hz，則30Hz的次同步電流（盡管這個量可能不大）會在發(fā)電機三相繞組中產(chǎn)生對應(yīng)于30Hz的旋轉(zhuǎn)磁場，它與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子形成20Hz的轉(zhuǎn)差頻率，在定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的共同作用下，除了同步力矩之外，同時疊加了20Hz的次同步力矩。如果這個20Hz的頻率恰好十分接近汽輪發(fā)電機組軸系的某一階固有扭振模態(tài)頻率時，大軸上的扭振就會惡化，形成共振，難以

5、平息，甚至出現(xiàn)扭振幅度逐漸發(fā)散的狀況。在低阻尼或者負阻尼的惡劣情況下，電網(wǎng)系統(tǒng)與汽輪發(fā)電機組之間的這種耦合振蕩有可能超過機械和電磁振蕩中的所有阻尼所能消耗的能量，這樣長期的扭振將使大軸產(chǎn)生金屬疲勞損耗，疲勞累計將嚴重影響轉(zhuǎn)子的機械性能和壽命，嚴重時可導(dǎo)致大軸產(chǎn)生裂紋，損傷，甚至螺栓剪斷、大軸斷裂。學(xué)術(shù)界和工程界一致認為次同步振蕩及發(fā)電機組扭振是公認的電力系統(tǒng)復(fù)雜問題，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、電力設(shè)備安全運行有重大影響，它的復(fù)雜程度與機組及電網(wǎng)系統(tǒng)的眾多因素相關(guān)。由于機組參數(shù)、電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)、電網(wǎng)運行方式、直流輸電換流站控制方式及參數(shù)等系統(tǒng)的復(fù)雜性，有的電廠只有在極端方式下才可能出現(xiàn)扭振，比如威信電廠

6、、鎮(zhèn)雄電廠，這種情況下，一般只需要安裝扭振保護裝置即可，實時監(jiān)測機組扭振的情況；有的電廠出現(xiàn)扭振的可能性則較高，比如盤南電廠、伊敏電廠，這種情況下，一般先安裝扭振保護裝置，通過實時監(jiān)測確實發(fā)現(xiàn)機組頻繁出現(xiàn)扭振報警甚至出現(xiàn)扭振跳閘之后，盡快從兩個方面入手，一是調(diào)整電網(wǎng)運行方式，二是考慮在發(fā)電廠側(cè)實施扭振抑制方案。三、方案依據(jù)根據(jù)普安電廠至興仁換流站雙回500kV線路工程可行性研究報告，分析普安電廠和鄰近的興安（貴廣回）直流之間可能存在的次同步振蕩SSO （Subsynchronous Oscillation）問題，采用機組作用系數(shù)UIF （Unit Interaction Factor）法，對多

7、種可能的N1 和N2運行情況進行了分析。機組作用系數(shù)法UIF 是目前用于分析直流輸電引起的次同步振蕩問題的一種工程研究方法。機組作用系數(shù)的表示式如下：UIFi=MVAHVDC1-SCiSCTOT2MVAi其中UIFi 為所考察的第i 臺機組的作用系數(shù)；MVAHVDC 為直流輸電系統(tǒng)的額定容量；MVAi 為第i 臺機組的額定功率；SCTOT 為考慮第i 臺機組時，直流換流母線處的短路容量；SCi 為不考慮第i機組時，直流換流母線處的短路容量。此外，對于相同類型的機組可以等值為一臺機組處理。當UIF0.1 時，認為直流輸電系統(tǒng)與其臨近的同步發(fā)電機組之間就將存在較為明顯的相互作用，此時應(yīng)該認真研究發(fā)

8、電機組的次同步振蕩問題。如果UIF0.1，則認為發(fā)電機組不存在明顯的次同步振蕩問題。按照UIF 計算原則，在系統(tǒng)短路容量較低情況下（除普安電廠提供的短路容量），發(fā)生次同步振蕩概率較大。因此為得到較為嚴苛的計算結(jié)果，應(yīng)選取普安電廠投產(chǎn)年豐小方式，且黔西南機組關(guān)停較多作為研究邊界條件。2017 年普安電廠投產(chǎn)后，為滿足黔電送粵10000MW，興金線和金天線在金州變內(nèi)跳通，同時興義220kV 電網(wǎng)解環(huán)運行，豐小方式下八河興仁換流站發(fā)生N2 故障后，興義電網(wǎng)與貴州主網(wǎng)斷開，興仁換流站形成孤島，該種條件下可能發(fā)生明顯次同步振蕩現(xiàn)象。由表2可知，八河興仁換流站N2 故障運行方式下，普安電廠機組作用系數(shù)達到

9、0.33 左右。其余運行方式下普安電廠機組作用系數(shù)均小于0.1，發(fā)電機組不存在明顯的次同步振蕩問題。表2 2017年豐小方式下普安電廠作用系數(shù)計算表(興金線和金天線在金州變內(nèi)跳通)序號運行方式MVAHVDC（MW）MVAi（MW）SCi（MW）SCTOT（MW）UIF1正常接線3000132015757190020.06632八河興仁換N-13000132012858161040.09233八河興仁換N-230001320528385300.32934金州興仁換N-13000132015723189690.06665金州興仁換N-23000132013961172130.08116光照電廠興仁

10、換N-13000132013794170350.08237盤南電廠興仁換N-13000132014104173560.0798若2017 年黔電送粵規(guī)模達不到10000MW ，則興金線和金天線不需要站內(nèi)配串跳通，即使豐小方式下八河興仁換流站發(fā)生N2故障，興義電網(wǎng)通過金天線依然和廣西電網(wǎng)存在聯(lián)系，發(fā)電機組也不存在明顯的次同步振蕩問題。由表3 可知，該運行方式下，普安電廠機組作用系數(shù)為0.07 左右。綜上所述，僅在興仁換流站孤島運行方式下，普安電廠發(fā)電機組存在次同步振蕩風(fēng)險，其它方式下次同步震蕩的風(fēng)險較小。但為保證普安電廠安全可靠運行，報告仍然建議開展次同步震蕩專題研究。表3 2017年豐小方式下

11、普安電廠作用系數(shù)計算表(金天線保持連接)序號運行方式MVAHVDC（MW）MVAi（MW）SCi（MW）SCTOT（MW）UIF1正常接線3000132025289285470.02962八河興仁換N-13000132022437256960.03663八河興仁換N-23000132014981182420.07264金州興仁換N-13000132022494257540.03645金州興仁換N-23000132013961172230.08156光照電廠興仁換N-13000132023322265780.03417盤南電廠興仁換N-13000132023633268890.0333綜上所述，

12、建議在項目前期做次同步振蕩及扭振風(fēng)險評估工作，主要包括：（1） 收集軸系參數(shù)，建立汽輪發(fā)電機組軸系多質(zhì)塊模型，計算扭振模態(tài)頻率、扭振振型。（2） 收集發(fā)電機組參數(shù)，包括調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)、勵磁系統(tǒng)參數(shù)等，建立發(fā)電機組等值模型。（3） 收集電網(wǎng)參數(shù)，包括直流輸電系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，建立發(fā)電廠外送系統(tǒng)等值模型。（4） 初步粗略計算篩選，確定發(fā)電廠次同步振蕩的風(fēng)險。（5） 時域仿真，詳細計算多種運行方式下的次同步振蕩特性，進一步定量進行次同步風(fēng)險評估。（6） 根據(jù)計算及風(fēng)險評估的結(jié)果進行分析，進一步對發(fā)電廠機組次同步振蕩及扭振問題提出相應(yīng)的解決方案，估算解決方案的投資。四、投資分析次同步諧振風(fēng)險及研究計算費用

13、：南網(wǎng)電科院來做預(yù)計要100萬，但是日前聯(lián)系南網(wǎng)電科院，告知工作繁忙，沒有時間來負責(zé)普安項目。如果真的南網(wǎng)電科院不做的話，目前可以考慮南瑞，清華、浙大等高校，其相關(guān)費用較南網(wǎng)電科院較低?？紤]到我們與南網(wǎng)的關(guān)系，而且研究中需要調(diào)取很多南網(wǎng)方面的數(shù)據(jù)，建議還是盡量由南網(wǎng)電科院來開展研究工作。保護設(shè)備費用:目前國內(nèi)僅有四方、南瑞兩家公司做相關(guān)設(shè)備，估計投資兩百多萬。抑制裝置費用:如果真的次同步諧振問題嚴重時方考慮安裝，投資費用預(yù)計超過五百萬。五、方案分析提出以下兩種方案：方案一：直接聯(lián)系設(shè)備廠家（四方及南瑞）次同步諧振保護裝置設(shè)備招標，標書中可以包含相關(guān)次同步振蕩風(fēng)險分析，由設(shè)備廠家報價，提交相關(guān)報告。方案二：聯(lián)系南網(wǎng)電科院進行次同步振蕩風(fēng)險分析，預(yù)計費用100萬元；根據(jù)次同步風(fēng)險分析報告確認普安電廠是否需要增加保護或者抑