《电能质量管理案例》83-97

制装置一、基本情况（一）案例单位基本情况华润电力（宁武）有限公司（以下简称“华润宁武”）是华润集团旗下华润电力的子公司，位于山西省忻州市宁武县凤凰镇马家湾村北侧恢河东岸，场址东临北同蒲铁路，自然标高1332m，地形开阔、平坦，交通十分便利。华润宁武电厂装机规模为2×350MW超临界直接空冷发电机组，配置2×1195t/h循环流化床锅炉，同步建设脱硫、脱硝装置，两台机组分别于2022（二）案例背景我国能源资源与电力负荷呈现明显的逆向分布特征，超过70%的煤炭资源集中在北部和西北部地区，而用电负荷主要分布在东部和中部经济发达区域。这种能源供需的空间错位，决定了我国必须发展远距离、大容量的电力输送体系。随着国民经济和社会的飞速发展，为满足日益增长的电能需求，一方面，通过建设超/特高压交直流输电线路，提升远距离输电能力；另一方面，通过应用串联补偿技术，也可以显著提高输电通道的输送容量。（三）案例概要华润宁武2×350MW低热值煤发电项目位于山西省宁武县，电厂近区还包括大同煤矿朔南2×350MW低热值煤发电项目、大唐国际神头2×500MW火力发电项目。根据国家“十三五”电力主网架规划和国网山西省电力公司《关于华润宁武2×350MW低热值煤发电项目接入系统复核方案的批复》，宁武电厂、朔南电厂、神头二电厂以“点对网”方式打捆外送至京津冀北网。如图1所示，华润宁武电厂通过单回500kV线路连接至朔南电厂母线，朔南电厂通过双回500kV线路连接至神头二厂（简称神二）母线，神二电厂通过双回500kV串联补偿线路连接至保北站。然而交流串联补偿输电系统可能导致次同步谐振问题，会危及华润宁武电厂火电机组的安全运行；严重时，将导致汽轮发电机组轴系扭振损坏，同时影响送端电网的安全稳定运行，一旦送端电网安全稳定出现问题，必然影响到负荷中心的安全生产。神头二厂（神二）神头二厂（神二）保北朔南武2×350MW低热值煤发电项目次同步谐振专题研究报告评审意见的通知》（电规规划〔2020〕363号）中提出，华润宁武电厂面临较严重的次同步谐振及一定的暂态扭矩放大问题，可能危及电厂机组及电网安全运行，建议华润宁武电厂开展次同步谐振抑制措施研究。二、主要做法和实践根据评审意见及研究需求，华润宁武电厂组织开展了基于的次同步谐振抑制措施研究，并最终采用了单台机组通过高厂变低压侧接入6Mvar+6Mvar容量GTSDC的抑制方案，如图2所6kV6MVA变流器6MVA变流器6MVA变流器6MVA变流器主励磁变励磁变#1#2图2高厂变低压侧2×6MVAGTSDC控制该方案采用2台6MVAGTSDC通过原有高厂变接入发电机机端，高厂变与机端的接入方式不变，每台GTSDC由真空断路器柜+启动柜+连接电抗器+链式逆变器柜串接组成，高厂变6.3kV侧需要预留一面开关柜，此开关柜通过电缆与GTSDC配置的真空断路器柜连接，真空断路器柜与电抗器之间及电抗器与链式逆变器柜之间采用高压电缆，每台机组两台6MVAGTSDC设备采用高厂变低压侧两个分支母线同时抑制的方式，需要在高厂变低压侧6.3kV侧预留两面开关柜，分别接1台6MVA此外次同步谐振是电力系统的一种运行状态，在这种状态下，电气系统与汽轮发电机组以低于同步频率的某个或多个网机（电网或电机）联合系统的自然振荡频率交换能量。由次同步谐振导致的感应发电机效应，可能出现负阻尼使次同步电气振荡不衰减或发散。当次同步电气振荡频率与机组轴系某阶扭振固有频率互相耦合将产生次同步机电谐振。为防止发电机断轴毁机事故的发生，必须对运行中的机组实施有效的监测和保护。华润宁武电厂配置了PCS-987、CSC-812汽轮发电机组轴系扭矩保护装置（以下简称TSR）对运行中的机组提供了监测与保护功能。TSR工作原理如图4所示，装置通过实时监测汽轮机/发电机转速信号，从中解调出轴系扭振模态转速，经特征识别，判断振荡趋势，同时基于振荡幅值动态，计算轴系疲劳累积值，采用发散判断与疲劳累积判断综合确定振荡严重性，决定是否切机。当电力系统出现扰动时，可以根据计算出的轴系扭振响应，依据机组的扭应力——寿命（S—N曲线）估算出轴系的疲劳损耗百分数。若总损耗达到100%，意味着该机组轴系的预期寿命已经损耗，存在着出现断裂的可能性，此时停机对各联轴器螺栓进行保护就很有必要。现场装置安装如图5所示。通过多次短时激励扭振抑制试验，确定上位控制器的移相角度和GTSDC控制增益，达到抑制效果。模态1各次激励试验，激励量为6%，持续10s，不同移相角度参数时的扭振激发和抑制结果如表1所示。相位β(°)1234从表1中阻尼衰减时间常数可以看出，与只激励不抑制情况相比，在不同移相角度参数下，都可以加快扭振的收敛。图6中各图分别对应上表不同移相角度时的试验波形，为实测模态转速的时域变化波形。通过包络线拟合衰减曲线并计算出阻尼衰减时间常数，最小阻尼衰减时间常数对应角度为移相参b）初始移相角度的抑制波形c）移相角度负偏15°的抑制波形d）移相角度正偏15°的抑制波形模态2各次激励试验，激励量为6%，持续10s，不同移相角度参数时的扭振激发和抑制结果如表2所示。表2不同移相角度参数时的扭振激发和相位β(°)1234从表2中阻尼衰减时间常数可以看出，与只激励不抑制情况相比，在不同移相角度参数下，都可以明显加快扭振的收敛。图7中各图分别对应上表不同移相角度时的试验波形，为实测模态转速的时域变化波形。通过包络线拟合衰减曲线并计算出阻尼衰减时间常数，最小阻尼衰减时间常数对应角度为移相参b）初始移相角度的抑制波形c）移相角度负偏15°的抑制波形d）移相角度正偏15°的抑制波形通过多次短时激励扭振后抑制试验，得到上位控制器的移相参数。同时试验结果也表明，GTSDC系统能够明显加快机组扭振的收敛。三、创新与成效华润宁武2×350MW低热值煤发电项目在应对电网次同步谐振风险上采用了创新性的抑制方案，即单台机组通过高厂变低压侧接入6Mvar+6Mvar容量的GTSDC，并且为两台机组分别配备了TSR保护装置，与传统方案（如阻塞滤波器、静态无功补偿器）相比，在以下3个方面取得了良好的成效。（一）抑制效果显著提升通过高厂变低压侧接入6Mvar+6Mvar容量的GTSDC，实现次同步谐振的精准靶向抑制。GTSDC基于全控型电力电子器件，响应速度达微秒级（静态无功补偿器为毫秒级可实时跟踪机组轴系扭振频率并注入反向阻尼电流。配合TSR保护装置的全频段监测，使次同步谐振抑制率从传统方案的70%~80%提升至95%以上，且故障切除时间缩短60%，彻底避免因谐振导致的轴系损坏风险。（二）运行可靠性全面增强传统方案中，单点故障（如静态无功补偿器失控或阻塞滤波每台机组独立配置GTSDC和TSR保护，故障时仅隔离本机，确保非故障机组持续运行。（三）经济性优势突出方案中采用低压侧分布式接入，省去传统高压设备（如静态降低造价约30%。此外，GTSDC寿命周期长达15年，较阻塞滤波器（约10年）大幅延长。四、总结与建议华润宁武2×350MW低热值煤发电项目在应对电网次同步谐振问题上充分考虑了机组特性与电网环境，巧妙地将GTSDC的动态无功补偿功能和次同步谐振抑制功能有机结合起来，借助精确的控制策略以及合理的参数整定，实现了对次同步谐振的精进一步全方位保障了系统的安全性。从推广前景来看，该项目的次同步谐振抑制方案在多个方面展现出了显著优势。2.所遇到的次同步谐振问题及抑制方案代表此类项目接入电网的共性挑领域，该项目基于GTSDC和TSR保护装置的综合抑制方案原理与技术手段具有通用性。（二）建议1.深化智能化控制算法应用，提升动态响应精度可基于现有GTSDC的精确控制策略，引入自适应模糊控制或深度强化学习算法，构建机组-电网动态耦合模型。通过实时采集次同步频率分量、机组转速振荡及无功波动等多维度数据，动态调整GTSDC的补偿参数与控制指令。例如，利用LSTM神经网络预测谐振风险趋势，提前触发阻尼注入策略，将被动抑制2.构建多机组协同阻尼系统，优化