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1、绥中电厂百万机组次同步振荡问题建模分析及解决方案孔令宇 李树民 刘文忠 孙术文（绥中发电有限责任公司 辽宁 绥中 125222）【摘 要】本文介绍了高压直流输电对大型汽轮发电机组轴系安全的影响，以及针对发电机组轴系扭振安全问题的系统解决方案，对绥中1000MW 机组扭振模型进行建模分析，并将试验获得的阻尼参数矩阵用于RTDS 分析绥中电厂直流输电的SSO 问题。提出建立电厂机组的扭振监测、控制与保护系统十分必要，是对汽轮发电机组轴系扭振提供监测和保护行之有效的解决方案。【关键词】HVDC SSO 轴系扭振 解决方案1 HVDC 概述高压直流输电（HVDC）系统与汽轮发电机组相互作用可能产生次同
2、步振荡，危及电网和机组的安全稳定运行。世界上第一例由HVDC 引起的汽轮发电机组SSO 问题于1977 年在美国的SquareButte直流输电工程调试时被发现。HVDC 引发SSO 的基本机理是由于HVDC 控制系统与汽轮发电机组轴系相互作用，在特定条件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客服该负阻尼时，就会在机组轴系倒是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，HVDC 导致的SSO 问题日益凸显，深入分析、评估并进行有效防治SSO 成为一个重要的技术问题。绥中
3、发电有限责任公司（简称绥中电厂）位于辽宁省绥中县前所镇境内，南邻渤海，西接山海关，是东北电网的主力发电厂之一，也是连接东北和华北两大电网的潮流互送网络接点和电压支撑点。目前，绥中电厂一期两台800MW、二期两台1000MW 经500KV 绥中-高岭双回线和220KV 联络变接入东北电网，经高岭背靠背HVDC 换流站接入华北电网。分析表明，绥中电厂一期、二期机组在一些运行方式下会与高岭背靠背HVDC 相互作用产生SSO 风险。 本文针对绥中电厂面临的SSO 问题，进行建模分析，提出建立绥中电厂机组的扭振监测、控制与保护系统的必要性。2 扭振建模一般情况下，研究发电机组次同步谐振问题时，由n 个质
4、量块描述的发电组轴系的运动方程可写为：全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机84其中：是惯性常数矩阵（单位：kgm2）；是阻尼系数矩阵，Dii 为自阻尼系数，Dij 为互阻尼系数；是弹性系数矩阵（单位：Nm/rad）;是每个质量块承受的力矩（单位：Nm）；是每个质量块的转速（单位：rad/s）;是每个质量块的角位移（单位：rad）。上述惯性常数矩阵J 和弹性系数矩阵K 一般可通过对机组轴系建模（连续多质块模型或简单质量模型）得到，阻尼系数矩阵D 一般不能直接得到，可通过扭振模态阻尼经矩阵变换得出，为了实现精确的时域仿真分析，需要进行参数测量试验获取扭振模态阻尼。3 模
5、态阻尼测量模态阻尼目前主要有两种测量方式，即励磁注入方式和系统扰动方式。励磁注入方式：通过在转子侧注入特定模态的附加励磁信号，激发轴系特定模态的扭振，退出激发信号，根据激发出来的扭振自然衰减曲线辨识模态阻尼。系统扰动方式：通过各种网侧或机组本身扰动实验，分析轴系扭振的动态特性来辨识轴系扭振全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机85模态阻尼情况。本次试验采用励磁注入方式，分别在发电机组满载和半载下进行阻尼测量试验。本次试验是国内首次在1000MW 超超临界机组采用，试验过程及数据如下：工况一：3#机满载激发试验（1）机组运行方式绥中电厂1#机和3#机并网运行，其他机组停
6、运；（2）电网运行方式高沙线2 回投运，绥高线2 回投运，电厂220kV 联变并环运行，高岭背靠背HVDC 2 个单元均停运。（3）潮流分布，具体如下表所示：表1 试验工况一的潮流分布情况有功(MW) 无功(MVar) 电流(kA) 电压(kV)#3 机 1008 288.88 21.7 27.6#1 机 625 160.03 15.7 23.7绥高1 线 663.6 59.47 698.7 534.1绥高2 线 662.7 70.92 728.3 529.3联变 220.5 26.48 239.2 539.3绥岭线 200.4 -7.40 234.3 486.5高沙1 线 658.3 152
7、.5 736.8 531.9高沙2 线 658.4 0 724.2 531.0（4）测量结果模态1激励信号波形及高压缸转速偏差信号波形：全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机86模态2激励信号波形及高压缸转速偏差信号波形：模态3激励信号波形及高压缸转速偏差信号波形：#3 机满载模态阻尼辨识结果如下表，表中偏差范围是指各种测试条件稍有变化导致测试结果的偏差。全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机87表2 #3 机满载模态阻尼模态阻尼 偏差范围模态1 0.1847 0,0.0468模态2 0.1919 0.0, 0.0168模态3 0.0931
8、0,0.0243工况二：3#机半载激发试验（1）机组运行方式绥中电厂1#机和3#机并网运行，其他机组停运；（2）电网运行方式高沙线2 回投运，绥高线2 回投运，电厂220kV 联变并环运行，高岭背靠背HVDC 2 个单元均停运（3）潮流分布，具体如下表所示：表3 试验工况二的潮流分布情况有功(MW)无功(MVar)电流(kA)电压(kV)#3 机 549.7 213.8 12.24 27.7#1 机 635.9 138.2 15.80 23.7绥高1 线 470.8 69.6 498.9 536.2绥高2 线 473.5 76.42 521.1 531.8联变 166.8 20.83 179.
9、7 541.3绥岭线 151.2 -1.02 235.1 377.0高沙1 线 464.2 164.8 553.2 532.9高沙2 线 466.7 11.1 510.7 533.3（4）测量结果模态1 激励信号波形及高压缸转速偏差信号波形：全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机88模态2 激励信号波形及高压缸转速偏差信号波形：模态3 激励信号波形及高压缸转速偏差信号波形：全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机89#3 机半载模态阻尼辨识结果如下表：表4 #3 机半载模态阻尼模态阻尼 偏差范围模态1 0.1473 0, 0.0182模态2 0
10、.1202 0.0, 0.0369模态3 0.0718 0, 0.00784 仿真校验根据3 中试验得出的扭振模态阻尼，计算阻尼阵D，采用RTDS 建模分析绥中电厂SSO 问题表明：绥中电厂二期机组存在3 个次同步扭振模态，其中模态1 与直流控制系统相互作用最强，在一些方式下可能出现SSO 弱阻尼收敛甚至缓慢发散现象。值得注意的是，在严重（如短路）故障情况下，二期百万机组轴系3 个次同步模态均会出现不同程度的扭振，视扭振幅度大小，都可能导致机组轴系的疲劳损伤。5 采取措施绥中电厂采用了北京四方公司生产的扭振监测设备（TMU）与扭振保护设备（TSR）的方案解决次同步振荡问题。经过一段时间的运行，
11、装置有效监测了机网扰动，确保了机组安全运行。该系统由扭振监测保护装置和扭振分析工作站组成。扭振监测保护装置通过安装在大轴上的测速齿轮对大轴转速信号进行高速采样和数字滤波，产生与各模态相对应的振荡幅值信号；实时监测机组当前扭角、模态频率、扭矩、扭应力及扭转功率；并对扭振信号进行频谱分析、模态分析、阻尼分析、疲劳分析，当计算值超过预警值，发出告警信号，跳闸信号。全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机906 结论汽轮发电机组通过高压直流输电时，在一定条件下可能激发次同步振荡，影响机组及系统的安全运行。绥中电厂采用TMU+TSR 的解决方案，这一方案对正确评估汽轮发电机组轴系
12、寿命对于机组安全稳定运行，电网安全稳定运行，指导厂内进行机组检修等多方面均具有十分重大的意义。今后开展对绥中电厂受系统小扰动引发轴系扭振弱阻尼的抑制措施研究对电网安全运行、发电机组整个轴系的疲劳寿命评估都是非常有必要的。参考文献：1 刘英哲，傅行军.汽轮发电机组扭振.北京:中国电力出版社，1997，43-522 余颖辉，张保会.汽轮发电机组轴系扭振研究的发展与展望.电力系统自动化,1999 年5 月，23（10）3 何成兵，顾煜炯，杨昆.汽轮发电机组扭振模型和算法综述.华北电力大学学报，2003，30（2）：56604 晏水平，韩守木.大型汽轮发电机组机电耦合轴系扭振模型研究.华中理工大学学报
13、，1993，21（1）5 杜极生.国内外关于扭振监测装置的研究综述J.汽轮机技术，1991，33（5）：16196 杜极生.大型汽轮发电机组采用扭振监测装置的建议.中国电力，1994，（8）：66687 GIESECKE H D Measuring torsional natural frequencies of turbine generators by on linemonitoringCProceedings of the 2003 International Joint Power Generation Conference，2003：607-6138 黄树红，韩守木，徐煜兵，贺国强.汽轮发电机组轴系扭振在线监测问题研究.95 全国设备诊断技术学术会议论文集，1995，武汉，P956964作者简介：孔令宇（1968-），高级工程师，电力系统技术管理单位：神华国华绥中发电有限责任公司地址：辽宁省葫芦岛市绥中发电有限责任公司生产技术部邮编：125222全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机91
