应用附加励磁阻尼控制抑制HVDC引起的次同步振荡.pdf

第 3 8卷 第 4期 2 0 1 0年 2月 1 6日 电 力 系统 保 护 与 控制 P o we r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d Co n t r o l 、 ， 0 l_ 3 8 No 4 F e b 1 6 ， 2 0 1 0 应用附加励磁 阻尼控制抑制 H V DC引起 的次同步振荡 张远取 ，谢小荣，姜齐荣 ( 清华大学电机系，电力系统国家重点实验室，北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要：大型汽轮发电机组经交直流混合送出的系统中，当高压直流输电 ( H V D C ) 控制与机组之间相互作用较强时，可能引发 机组轴系的次同步振荡 ( S S O )问题。对此，研究了附加励磁阻尼控制 ( S E D C )抑制 H V D C S S 0的有效性。在 P S C A D E M T D C仿 真平台构建了典型的交直流混合输电系统模型，研究了H V D C引起 S S O的系统运行条件，进而设计了多模式 S E D C控制器，分 别在大 小扰动下分析 了 S E D C改善模式阻尼和暂态响应的效果。结果表明：S E D C能大幅提高机组轴系多个模式的阻尼，在 大 小扰动下均能有效抑制 S S O ， 避免 出现 S S O 发散风险， 保障机组和电网的安全稳定运行 S E D C 可望成为解决 H V D C - S S O问 题的有效方法之一。 关键词：高压直流输电；次同步振荡；附加励磁阻尼控制；模式阻尼 Applica t io n o f s upple me nt a r y e xcit a t io n d am pi ng co nt r o l f or s upp r e s s io n o f s ubs y nchr o nou s os cillat ion ca us e d b y H VDC Z H ANG Y u a n - q u ，XI E X ia o r ung ，J I A NG Qi - r o n g ( S t a t e K e y L a b o f P o we r S y s t e m， De p a r t me n t o f E l e ct r i ca l E n g i n e e r in g ， T s i n g h u a Un i v e r s i t y , B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： S u b s y n ch r o n o u s o s cil l a t i o n( s s o ) t e n d s t o a p p e a r b e t we e n HVD C co n t r o l s y s t e ms a n d clo s e l y co u p l e d t u r b in e - g e n e r a t o r s h a fts in t r a n s mis s io n s y s t e ms in v o lv in g larg e t u r b in e - g e n e r a t o r s a n d HVDC lin k s Th is p a p e r e x p lo r e s t h e e ff e ct iv e n e s s o f u s in g s u p p le me n t a r y e x ci t a t i o n d a mp in g co n t r o l ， o r S EDC， f o r d a mp i n g s u ch k i n d o f S S O A typ ica l AC&DC h y b r id t r an s mi s s i o n s y s t e m mo d e l iS fi r s t l y mo d e l e d in P S CAD E MTDC Th e n v ario u s o p e r a t io n a l co n d i t i o n s are i n v e s t i g a t e d t o s t u d y t h e c h a r a ct e r i s t i e s o f HVDC S S 0 p r o b le m F u r t h e r , a mu l t i mo d a l S E DC i s d e v e lo p e d a n d i t s i mp r o v e me n t o n mo d a l d am p i n g a n d tr a n s ie n t d 3 n a mi cs h a s b e e n ana l y z e d i n b o th s ma ll a n d larg e d is t urb a n ce s Th e r e s u lt s s h o w t h a t S E DC C an g r e a t l y e n h a n ce the d a mp in g o f t h e t o r s io n a l mo d e s co n ce me d a n d thu s e f f e ct i v e l y d e p r e s s S S 0 u n d e r s ma ll and l arg e d is t urb a n ce s i n s u r i n g s a f e and s t a b le o p e r a t i o n o f the g e n e r a t o r an d t h e s V s t e m Th e r e f o r e S E DC p r o mi s e s t o b e o n e e f f e ct i v e s o l u t io n f o r HVDC S S O p r o b l e m Ke y wo r d s ： HVDC t r an s mis s i o n s y s t e m； s u b s y n ch r o n o u s o s ci ll a t i o n ； s u p p le me n t a r y e x ci tat i o n d am p in g co n t r o l； mo d a l d am p i n g 中图分类号： T M7 1 2 文献标识码：A 文章编号： 1 6 7 4 - 3 4 1 5 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 0 0 1 - 0 5 0 引言 高 压直流 输 电 ( H ig h V o l t a g e Di r e ct C u r r e n t ， H V DC)系统与汽轮发电机组相互作用可能产生次同 步振荡 ( S u b s y n ch r o n o u s O s cil la t i o n ，S S O) 1 - 3 1 ，危 及 电网和机 组的安全稳定运行 。世界上 第一例 由 、 ， 1 = C引起 的汽轮发 电机 组S S O问题 于1 9 7 7 年在美 S q u a r e B u t t e 直流输 电工程调试时被发现。 HV DC 基金项 目：电力系统国家重点实验室项 目( S K L D 0 8 M 0 2 ) ；国 家重点基础研 究发展 计划 ( 9 7 3 项 目)( 2 0 0 4 C B 2 1 7 9 0 6 ) ； 国家 电网公司科技项 目资助 ( 2 0 0 9 0 8 5 7 ) 引发S S O 的基本机理是由于H V D C( 通常是整流侧) 控制系统与汽轮发 电机组轴系相互作用 ，在特定条 件下会对机组轴系某些模式 的扭振起到加强作用， 即提供负阻尼，当轴系 固有的机械阻尼不足 以克服 该负阻尼时，就会在机组轴系导致振幅持续增长的 扭振 ，影响机组轴系寿命，严重情况下甚至会损坏 机组。随着我国直流输 电工程的推广 ，并大量应用 于大型火电基地的电力外送，H V D C 导致S S O 的问 题 日益 凸显，如何有效抑制S S O成为一个重要的技 术难题。 对于S S O的理论研究， 国内外 已有较多的成果， 分析方法包括频率扫描法 、特征值分析法、复数力 电力系统保护 与控制 矩系数法 3 等。 抑制H vDc 引起 的S S O的研究主要集 中在控制器设计理论上 ，其 中直流 附加 的次同步阻 尼控制 ( S u b s y n ch r o n o u s Da mp in g C o n t r o l，S S DC) 得到广泛 的关注，已有一些理论和仿真分析成果， 如基于P R O NY辨识【 4 、H o 。 鲁棒控制理论【 5 J 和遗传 算法【 o 1 1S S DC 控制方法 。 然而 ，将S S DC 作 为H V DC的附加控制来抑制 S S O在 实 际应 用 中会 碰 到 一些 问题 ，如 ：( 1 ) HV DC S S D C一般采用变流站 电压和 或 电流作为反 馈量，对轴系扭振的可观性不好，扭振信号的信噪 比较低，影响控制效果； ( 2 )当H V DC 送端存在多 台扭振频率不一样的机组或机组多个扭振模式阻尼 较低时，S S DC 窄带控制不能满足多模式控制需求 ， 宽带控制则受单一参数限制 ，控制效果难以优化； ( 3 )在 目前厂网分开管理的情况下，H V DC 属于 电 网管理和调度 ，而次同步扭振直接关系机组安全和 寿命 ，因而HV DC S S D C在实际的运行管理方面也 存在一些问题 。基于以上分析，本文探讨通过机组 侧 附加励 磁 阻 尼控 制 ( S u p p le me n t a r y E x cit a t i o n Da mp i n g C o n t r o l，S E DC)来提高机组轴系的模式 阻尼 ，实现抑制HVD c S S O的 目标 。S E D C的优 点 是：直接跟机组匹配，针对性强，可观性好，可实 现多模式优化控制效果；加上 国内在S E DC实践上 已经取得一定的突破 引 ， 可望将其发展为在机组侧 解决HV DC S S O问题的有效方法之一 。 1 典型交直流混合输电系统及其模型 研究的交直流混合输电系统如图1 所示 ：一台 大型汽轮发 电机组通过交直流混合输电通道 向主网 送电，输 电通道包括一回5 0 0 k V H VD C线路和两条 等效5 0 0 k V 交流输电线。直流输电模型基于C I G R E 直流输 电标准测试系统设计 J ， 额定电压为5 0 0 k V， 额定电流为1 k A，整流侧采用定电流和最小触发角 控制，逆变侧采用定电流和定关断角控制。两条等 效交流线路中，一回 ( L1 )阻抗较低，代表电厂与 主网的强交流联系通道；另一回 ( L 2 )阻抗较高， 代表 电厂与主网的弱交流联系通道 。该研究系统虽 然简单，但能较好地描述大型火电基地通过远距离 交直 流 输 电通 道 向主 网送 电时 可 能 引发 的 HV DC S S O问题，具有典型性。 图 1交直流输电系统示意图 Fig 1 Th e AC DC t r a n s mis s io n s y s t e m 图1 中主 网系统采用一个大电源 ( S )来等效。 而汽轮发电机组 ( G)参考国内典型6 0 0 MW机组参 数 ，额定电压为2 2 0 k v，额定功率为6 6 7 MW。机 组轴系多质块模型和参数分别如 图2 和表 1 所示 ，3 个次同步扭振模式的频率分别约为1 5 5 H z( 模式 1 )、2 6 0 H z( 模式2 )$ D 2 9 9 Hz( 模式3 )，振型 如图3 所示。 高中压缸 低压缸A 低压缸13 发电机 图 2机组轴系模型 F ig 2 T o r s i o n a l s h a ft mo d e l 表 1轴系模型的参数 T a b 1 P a r a me t e r s o f t h e t u r b i n e - g e n e r a t o r s h a f t 著 ： = 二二二二 ，I I 1 _I 图 3机组轴 系的振型 F ig 3 T o r s io n a l mo d e s h a p e 本文研 究针对 图1 系统在P S C A D E MT DC中建 立了对应的电磁暂态模型 ，其 中包括上述交直流输 电系统、机组轴系模型，此外还包括机组详细的励 磁、调速系统，以及将重点讨论的S E DC 控制系统。 2 H V D C引起的S S O现象 已有研究表明 ，当H v D c 与机组之间相互作 用强或者机组作用系数 ( U I F )大时 ，HV DC引起 S S O的风险高。针对所研究系统，主要考察三种代 张远取，等 应用附加励磁阻尼控制抑制 H VDC引起的次同步振荡 3 表性的电网方式，即： 嘶 ( 1 )HV DC独立联 网方式 ：所有交流通道均断 开，机组仅通过HV DC向主电网送 电； ( 2 ) HV DC + 弱交流联网方式 ：强交流通道L 1 断 开，保留HVD C 和弱交流通道L 2 ； ( 3 ) H V D C + 强交流联网方式：保留所有送电通 道 ，即完整联网方式。 对上述三 种联 网方式分别 进行 时域小扰动 分 析 ， 得到各扭振模式的衰减率如表2 所示 。 其中机组 3 个 扭振模 式 的机械 阻尼分 别 设定为O 0 9 3 ( 1 s ) ， O 1 0 2 4 ( 1 s ) ，0 0 6 5 0 ( 1 s ) 。 表 2扭振模式衰减率 ( 无 S E DC) T a b 2 Mo d a l d a mp in g r a t i o s ( wi t h o u t S E DC ) 以下列 出两种大扰动情况下的时域仿真结果： ( 1 )扰动1 ( 对应图4 )： 初始正常 ( 即完整联网) 方式下， 3 0 S L 1 发生单相短路接地故障， 3 1 s 故障线 路切除，过渡到H V D c+ 弱交流联网方式。 ( 2 )扰动2( 对应图5 )：初始正常 ( 即完整联 网)方式下，3 0 s 跳开LI L 2 ，过渡到HV DC 独立 联网方式 。 图4 和 图5 中依次列 出了机组高压缸转速偏差 、 模式1 转速和低压缸A B间的扭矩值。 如 勰 。 0 。 (a ) 高压缸转速偏 差 l0 2 0 3 0 4 0 t s ) 模式1 频率( 转速墒 差 0 1 0 2 0 3 0 4 0 s ( c】 低压缸间扭矩 图4扰动 1的扭振动态 F i g 4 T o r s i o n a l d y n a mics f o ll o win g t h e d i s t u r b a n ce No 1 量 0 0 4 三 0 0 2 O 0 1 0 2 0 3 0 4 0 t s ( c) 低 缸间扭矩 图 5扰动 2的扭振动态 F i g 5 T o r s io n a l d y n am i cs f o ll o wi n g the d is t u r b a n ce No 2 以上分析表明，三种运行方式下S S O风险从大 Nd , 依次为：H VDC 独立联 网方式、HV DC + 弱交流 联网方式和HV DC + 强交流联网方式； 其 中前两种方 式下， 机组轴系的模式1 会出现明显的发散现象， 各 缸体之间扭矩随时间逐渐增长 ，如不采取抑制或保 护措施，将造成轴系疲劳损伤乃至轴系破坏。 3 S E D C抑 制 S S 0的分析 3 1 S E D C的工作原理和参数设计 S E D C作 为 一 种 抑 制 次 同步 谐 振 或 振 荡 ( S S S S O)的有效手段 ，最早于2 0 世纪7 0 年代在 美 国两个 电厂 ( Na v a j o 和J im B r id g e r )得到应用。 国内首例S E D C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S S R问题 ，并通过现 场试验验证了控制效果L 7 J ， 本文进一步将其应用于 抑制HvD C引发的S S O问题 。 S E DC的功能结构如 图6 所示【 1 ” 。反馈信号采用 了汽轮机高压缸的转速偏差信号，将其通过带通滤 波得N3 个扭振模式 的振荡分量 ， 再分别经过比例和 移相环节得到各模式对应的控制信号，相加后进行 适 当限幅，形成S E DC 总的控制信号去控制励磁 调 节器，产生次 同步频率励磁 电压、电流，进而形成 阻尼扭矩，实现抑制S S O的 目标。 ( 霾 圈咂 舻 ( 图6 S E D O示意图 F ig 6 P r in cip l e o f S EDC d ， a 司 卑 书0 苫 司 j d ， 鲁叮 q L 电力 系统保护与控制 采用如下方法设计S E DC的增益和移相参数 ： 首先在多个典型运行方式下，通过励磁注入 激励 法【 7 】 辨识系统的开环传递函数 ，然后采用相位补偿 法设计适当的时间常数和一个能稳定系统的初始增 益，进而通过时域仿真对增益进行修正，原则是： 严重故障情况下S E DC 输出饱和的时间限定在一定 范围 ( 如6 s )之 内，并尽量提高各扭振模式的闭环 阻尼。针对所研究系统，S E DC比例 移相参数设置 如表3 所示 。 表3 S E D C的比例移相参数 【 b 3 Ga i n s a n d t i me co n s t a n t s o f t h e S E DC 3 2 S E DC 控制下的小扰动阻尼分析 在S E D C控制情况下对系统进行小扰动分析 ， 得到了闭环模式衰减率如表4 所示。 表4扭振模式衰减率 ( 增加 S E D C ) T a b 4 Mo d a l d a mp in g r a t io s ( wi t h S E D C ) 3 3 S E DC 控制下的大扰动时域仿真 投入S E DC 控制 ，在与第2 节相 同的大扰动情况 下进行时域仿真分析， 得到的结果如图7 和图8 所示。 0 l0 2 0 3 0 4 0 t s ( a ) 高 缸转速偏差 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 t ( b 】 模式1 频率伟 速) 偏差 t I s f c1 低 缸问扭矩 图7增加 S E D C扰动 1的扭振动态 F i g 7 T o r s io n a l d y n a mi cs f o l l o w in g t h e d i s t u r b a n ce No 1 ( w i t h S E DC ) 0 0 8 j 0 0 ， 拿0 0 4 o -o z 一一一 0 L 一 一 一 一 0 1 0 2 0 3 O 4 0 t s 壹 0 军 a 日 1 ( a 1 高压缸转速偏差 t s ( b ) 模式1 频率带 速) 偏差 一 - 一 图 8增加 S E DC扰动 2的扭振动态 F i g 8 T o r s io n a l d y n a mi cs f o l lo wi n g t h e d is t u r b a n ce No 2( wi t h S E DC ) 将表4 与表3 对 比，图7 、8 与图4 、5 对比，可见： S E DC大幅提高机组轴系3 个扭振模式的阻尼，在 大 d , 扰动下均能有效抑S U s s o，特别是对于模式1 ， 避免 了HV DC 独立联 网或通过HV DC 加弱交流联网 情况下的S S O 发散风险，保障了机组的安全和电网 的稳定。 4 结论 本文针对典 型的汽轮 发电机 组通过交直流与 主网联接的混合输 电系统，研究采用附加励磁阻尼 控制 ( S E DC) 解决HVD C引发的次同步振荡 ( S S O) 问题，主要结论如下： ( 1 )在汽轮发 电机组通过HV DC独立联 网或通 过H V D c加弱交流联网情况下， 发生S S O的风险大， 且通常是频率较低的模式易于发散。 ( 2 )采用 S E DC控制，能大幅提高机组轴系多 个模式的阻尼 ，在大 d , 扰动下均能有效抑制 S S O， 避免在 H VDC独立联网或通过 HVD C加弱交流联 网情况下的 S S O发散风险， 保障机组和 电网的安全 稳定运行。 参考文献 1 E l e ct r i c P o w e r R e s e a r ch I n s t i t u t e HV DC S y s t e m C o n t r o l f o r Dam p i n g S u b s y n ch r o n o u s Os ci ll a t i o n s M Ne w Y o r k ( US A)