張 智 劉麗楠

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STATCOM在抑制次同步諧振及提高串補度的應用研究

張 智1劉麗楠2

（1. 北京榮信慧科科技有限公司，北京 100193；2. 中國北方車輛研究所，北京 100072）

在遠距離大容量的輸電線路中，加入串補電容可以提高系統(tǒng)的輸送能力。但是有時會出現(xiàn)次同步諧振問題，危及發(fā)電機組軸系安全和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。加裝STATCOM可以有效的抑制次同步諧振。本文詳細介紹了STATCOM抑制次同步的原理，采用PSCAD仿真軟件，結合錦界電廠的實際發(fā)電機及輸電線路的參數(shù)，搭建了整體的系統(tǒng)模型。根據(jù)榮信電力電子公司的STATCOM結構及工作原理，搭建了STATCOM的仿真模型，通過仿真結果及現(xiàn)場的測試結果進行對比，驗證了其抑制效果的有效性。并對提高固定串補裝置的串補度進行了分析研究，通過在具有不同的串補度的工況進行仿真，來觀察STATCOM是否可以在高串補度的工況下有效抑制次同步的發(fā)生。最后在不采用次同步抑制措施而只是修改串補度的情況下，根據(jù)仿真結果總結出不同次的次同步諧振與串補度的關系。

次同步諧振；STATCOM；固定串補；PSCAD；仿真驗證

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，東、南部沿海地區(qū)的電力負荷隨之增長，我國的煤炭資源主要分布在西部和北部地區(qū)，水能資源主要集中在西南地區(qū)，因此東、南部的負荷中心對電力能源的緊缺，急需西部的資源支持。

“西電東送”將煤炭、水能資源豐富的西部省區(qū)的能源轉化成電力資源，輸送到電力緊缺的東、南部沿海地區(qū)，采取高電壓、大容量的交流和直流輸電模式。規(guī)劃預計至2020年，西電東送的送電總規(guī)模將突破1.2億kW[1]。

在高壓交流輸電線路中，串入電容器能夠起到減小線路電抗，提高線路傳輸能力，提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定極限的作用。但是在這種長距離輸電系統(tǒng)中，加裝高串補度的電容器有時也會引起次同步諧振。20世紀70年代，美國的Mohave電廠就發(fā)生過兩次由于次同步諧振導致發(fā)電機組軸系損壞的事故，原因就在于固定串補。在我國也發(fā)生過軸系扭振的事故，如托克托、上都、錦界和呼貝電廠等。次同步諧振不僅會影響機組正常工作，同時還會威脅電網(wǎng)的安全運行，因此必須采取合理有效的治理措施。

錦界電廠采用了SVC裝置來治理次同步振蕩，取得了非常好的治理效果。近年來基于全控型功率器件的STATCOM興起，逐漸取代了半控型功率器件的SVC。本文通過仿真研究STATCOM抑制次同步振蕩的可行性，并給出錦界電網(wǎng)的串補度與發(fā)電機軸系的次同步頻率之間的關系，對電網(wǎng)的未來規(guī)劃以及升級改造具有指導意義。

1 次同步諧振問題

IEEE次同步工作組給出次同步定義，次同步諧振（subsynchronous resonance, SSR）指在電氣系統(tǒng)與汽輪發(fā)電機軸系之間，以一個或者多個次同步頻率，進行明顯的能量交換的運行狀態(tài)。

次同步諧振問題的產(chǎn)生主要由以下3種作用引起。

1）感應發(fā)電機效應。當系統(tǒng)中有同步發(fā)電機和串聯(lián)補償電容器時，發(fā)電機和輸電線路的感性電抗，與串補電容的容性電抗在某一次同步頻率下產(chǎn)生串聯(lián)諧振，即總電抗為零。此時同步發(fā)電機在次同步頻率下可以看作為異步電機，并且轉子旋轉的頻率高于次同步頻率，所以異步電機其處于發(fā)電模式。因為異步電機的等效電阻為負值，電機等效電阻電氣量就會被持續(xù)的振蕩放大，次同步諧振就會由感應發(fā)電機效應引起。

2）機電扭振相互作用。同步發(fā)電機的軸系可以看作由多個質量塊構成，每個質量塊有自己的固有頻率。軸系在以同步頻率旋轉的同時，質量塊之間會產(chǎn)生相對的扭轉振蕩，對每個扭振可以稱之為模態(tài)，每個模態(tài)都有固有的自然振蕩頻率。當上述由感應發(fā)電機效應引起了次同步諧振時，軸系上會產(chǎn)生電磁轉矩，這個電磁轉矩的頻率可能會與串聯(lián)諧振頻率互補，即兩個頻率之和等于電網(wǎng)基波頻率。如果該電磁轉矩的頻率接近某個模態(tài)的自然振蕩頻率，就會導致發(fā)電機軸系的機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)之間產(chǎn)生共振，這種共振就是機電扭振相互作用。

3）暫態(tài)軸系力矩放大作用。如果電力系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障，就會出現(xiàn)劇烈的暫態(tài)過渡過程。在暫態(tài)過程中可能會產(chǎn)生較大的次同步頻率的電氣量，如果系統(tǒng)的阻尼不夠強大，次同步頻率與軸系自然振蕩頻率接近互補，就會激發(fā)機電扭振，并且在極短時間內產(chǎn)生很大的暫態(tài)力矩，嚴重時可使軸系斷裂。

2 次同步諧振的抑制技術

根據(jù)次同步諧振產(chǎn)生的機理原因，次同步諧振的抑制措施如圖1所示[2]。

圖1 次同步諧振的抑制措施

由于發(fā)生次同步諧振的電力系統(tǒng)已經(jīng)建成，難以通過改變系統(tǒng)結構來消除次同步諧振，因此應當采取抑制機電扭振措施。在圖1的措施中：①濾波，切斷次同步頻率的電流，不讓其流入發(fā)電機；②增加電氣阻尼，使電氣阻尼能夠承受嚴重的故障擾動，從而不激發(fā)次同步諧振。

表1和表2分別是進行次同步諧振治理的工程實例以及次同步諧振的抑制措施的對比。

3 STATCOM抑制次同步諧振技術

SSO-DS裝置（STATCOM抑制次同步裝置）是將采集到的發(fā)電機組軸系不同模態(tài)的扭振頻率作為輸入信號，經(jīng)過控制器的抑制算法處理，將其疊加在輸出基波電壓上的次同步分量上，已達到通過注入系統(tǒng)電流來抵消系統(tǒng)原有的次同步電流的目的，進而可以在發(fā)電機組的轉子上產(chǎn)生阻尼，抑制激發(fā)次同步振蕩的電磁轉矩。

表1 抑制措施的工程應用實例

表2 次同步諧振抑制措施比較

圖2 SSO-DS系統(tǒng)圖

SSO-DS裝置以靜止無功補償器STATCOM作為控制主體，系統(tǒng)包括換流器、連接電抗器、轉速測速系統(tǒng)、控制保護系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)。換流鏈由多個功率單元組成，單個功率單元由充電電容和4個全控型功率器件組成，實現(xiàn)無功的轉換；電抗器的作用是濾除電流中可能存在的較高次諧波和將換流鏈與電網(wǎng)交流電壓源相連接；控制保護系統(tǒng)將輸入的電壓電流及發(fā)電機組軸系扭振模態(tài)頻率等信號進行處理，計算得出相應補償?shù)臒o功量，轉化成PWM調制波控制換流鏈進行無功輸出控制，同時針對一次二次設備的信號狀態(tài)，進行對SSO-DS裝置控制保護[3-5]。

STATCOM采用星型連接方式，每一相采用H橋級聯(lián)的形式，其結構圖如圖3所示。

圖3 STATCOM拓撲結構

電力系統(tǒng)在受到擾動后，汽輪發(fā)電機轉子軸系的各個質量塊之間將在一個或多個汽輪機機械系統(tǒng)自然頻率下產(chǎn)生相互振蕩，機械系統(tǒng)的這種自然振蕩頻率稱為軸系扭振模態(tài)頻率，本文以下簡稱為模態(tài)，它們只與機械系統(tǒng)的固有特性有關。

實際工程中，發(fā)電機軸系扭振模態(tài)頻率都不是單一模態(tài)的，而是多個模態(tài)結構，因此控制補償指令也應是對多模態(tài)進行綜合補償計算的。圖4為SSO- DS的控制框圖。

圖4 SSO-DS控制框圖

首先是將采集的多模態(tài)信號Dw進行分模態(tài)濾波，因為電廠的發(fā)電機軸系的模態(tài)頻率，屬于發(fā)電機的固有參數(shù)，所以特征模態(tài)頻率可從電廠獲得，根據(jù)特征頻率可以將相應模態(tài)信號分離出來。

然后將分離出來的各模態(tài)信號進行比例放大、相位補償以及補償電流計算處理，得出每個模態(tài)的三相補償電流參考值Dia,b,c，最后疊加各個模態(tài)的補償電流得到總的補償電流指令Da,b,c。

4 仿真分析研究

采用PSCAD仿真軟件進行仿真，使用錦界電廠的原始數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接線和發(fā)電機軸系質量塊模型如圖5所示[6-7]。

圖5 輸電線路系統(tǒng)接線示意圖

圖6 汽輪發(fā)電機組的集中多質塊彈性軸系模型

表3 軸系扭振固有頻率的測量結果

4.1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)的PSCAD仿真模型搭建如圖7所示。

4.2 STATCOM模型

STATCOM直掛35kV母線上，接線形式為星接[8-9]。本次仿真為了縮短仿真時間，對STATCOM模型每相采用3級鏈式功率模塊串聯(lián)的模型，每個H橋開關頻率取1kHz。

圖7 PSCAD系統(tǒng)建模

圖8 STATCOM模型

圖9 STATCOM功率單元模型

圖10 生成補償指令電流環(huán)節(jié)

4.3 仿真驗證

1）抑制次同步諧振功能驗證

仿真過程：錦界至忻州段雙回線運行，串補裝置投運，串補度為35%，1.6s在忻州近端發(fā)生三相接地短路故障，1.7s切除一回錦界至忻州線路，接地故障清除，對比有無STATCOM時的次同步諧振波形。

從以上圖中可以看出，有STATCOM時，次同步諧振可以有效被抑制。圖13為錦界現(xiàn)場退閉環(huán)試驗所記錄的次同步諧振波形，可以看出從加入閉環(huán)后的波形與圖11（b）中的抑制效果基本一致。

2）對提高串補度的仿真研究

延用上節(jié)有STATCOM的仿真過程，將線路的串補度提升至45%、55%、65%、70%，觀察仿真結果。

（a）無STATCOM

（b）有STATCOM

圖11 故障清除后的次同步諧振波形對比

圖12 STATCOM輸出的抑制次同步諧振的無功

圖13 現(xiàn)場退閉環(huán)試驗記錄波形

（a）串補度為45%

（b）串補度為55%

（c）串補度為65%

（d）串補度為70%

圖14 不同串補度時的次同步諧振抑制效果

從圖14中可以看出，有STATCOM時，串補度升至70%時，對于此項目，次同步諧振依舊可以得到有效的抑制。

3）次同步諧振和串補度的關系

針對錦界電廠項目，表3指出發(fā)電機軸系扭震的固有頻率為13Hz、23Hz和28Hz。從圖11（a）中可以看出，模態(tài)三（28Hz）的諧振量占主導。因此針對不同的串補度和各個模態(tài)的關系進行仿真研究。

仿真過程同上，無STATCOM，使用不同的串補度，觀察仿真結果。

從圖15的（a）、（b）和圖11（a）中可以看出，串補度在31.5%～43.4%范圍內時，對于模態(tài)三（28Hz）將發(fā)生次同步諧振，而圖15（c）、（d）則表明50.5%～67.4%的串補度為模態(tài)二（23Hz）發(fā)生次同步諧振的串補度范圍。

5 結論

對于在遠距離大容量的輸電線路中加入串補裝置提高系統(tǒng)的輸送能力時所引發(fā)的次同步諧振問題，如果能夠通過科學的計算、仿真以及采用有效的抑制措施，就完全可以解決。

（a）串補度為31.5%

（b）串補度為43.4%

（c）串補度為50.5%

（d）串補度為67.5%

圖15 不同串補度時的次同步諧振

由圖11結果可以得出，STATCOM可以有效的抑制次同步諧振。

由圖14結果可以得出，忻州至錦界線路串補可以進一步增大串補度，提高輸電能力。對電網(wǎng)的未來規(guī)劃以及升級改造具有指導意義。

由圖15結果可以得出以下規(guī)律，隨著串補度的提高，所激發(fā)次同步諧振的頻率會降低，不同的次同步頻率有著自己的串補度范圍。因此，合理的選擇串補度也會降低發(fā)生次同步諧振的幾率，減小次同步抑制裝置的容量。

在發(fā)電廠送電線路中規(guī)劃設計串補時，進行次同步仿真分析工作是非常必要的。

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Research on the suppression of subsynchronous oscillation and the improvement of series compensation by STATCOM

Zhang Zhi1Liu Linan2

(1. Beijing Rongxin HUICO Technology CO., Ltd, Beijing 100193; 2. China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072)

It is possible to improve the transmission capacity of the system by adding a series capacitor to a long distance transmission line. However, the subsynchronous oscillation will occur. The installation of STATCOM can effectively suppress subsynchronous oscillation. This paper introduces in detail the principle of STATCOM to suppress the subsynchronous synchronization, and uses the PSCAD simulation software, using the Jinjie power plant actual generator and the transmission line parameters, build the whole system model. Build the STATCOM model according to the structure and working principle of RXPE STATCOM. The simulation results and the test results are compared to verify the effectiveness of the suppression effect. And make a study for improve the compensation of fixed series compensator by doing simulation under different series compensation degree cases. It can be observed whether STATCOM can effectively suppress the subsynchronous oscillation. In the end, modify the series compensation degree without subsynchronous suppression measures, and according to the simulation results, to get the relationship between the subsynchronous oscillation and the series compensation degree.

sub-synchronous oscillation; STATCOM; PSCAD; Fixed series compensator; simulation validation

2018-03-23

張 智（1978-），男，吉林省吉林市人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為柔性直流輸電、電力電子及無功補償技術。