2015, Vol. 33 
2. 北京四方继保自动化股份有限公司, 北京100084;
3. 呼和浩特热电厂, 呼和浩特010030
2. Beijing Sifang Automation Co., Ltd., Beijing 100084, China;
3. Hohhot Thermal Power Plant, Hohhot 010030, China
大容量机组长距离输电时，电网需要采用可控串联补偿（TCSC）技术来提高输电能力。输电线路的串联电容补偿、直流输电、电力系统稳定器的加装，以及发电机励磁系统、可控硅控制系统、电液调节系统的反馈作用等，均有可能诱发电力系统次同步振荡（SSO）现象[1]。由于汽轮发电机组转子惯性较大，对轴系本身的低阶扭转模态十分敏感，呈低频高应力的受力状态，这种机电共振会导致轴系疲劳损伤，严重时可引起轴系出现裂纹甚至断裂。次同步振荡现象会对发电机组、电网的安全稳定运行带来直接威胁，因此开展次同步振荡研究工作具有十分重要的意义。
1 次同步振荡常用处理措施及特点次同步振荡属于1种有功功率在机网之间的振荡过程，类似于低频谐振，但与低频谐振相比，次同步振荡的频率范围更宽（一般在10~45 Hz）。
1.1 常用处理措施目前，针对次同步振荡问题，在发电机侧可以实现工程化应用的抑制措施通常有2种：
（1） 借助于现有励磁系统，进行次同步频率范围内的附加励磁控制（SEDC），即在发电机转子侧进行控制；
（2） 借助于电力电子功率单元，在发电机机端注入补偿电流，进行发电机机端次同步阻尼控制（GTSDC），提高发电机的次同步电磁阻尼，即在发电机定子侧进行控制。
上述2种措施已经在国内多个存在次同步振荡问题的机组上得到成功应用，解决了发电厂的送出问题。
1.2 特点分析上述2种处理措施各自的优、缺点均很明显，主要体现在以下2个方面;
（1） SEDC因为使用励磁系统既有功率部分，设计较简单，只需要在既有励磁调节器的输出上附加二次装置即可；但其抑制能力受励磁调节器容量的限制，不能彻底解决较严重的次同步振荡问题。
（2） GTSDC的设计采用链式变流器技术，其容量能够灵活扩展，因此可以根据不同的应用场合进行不同的容量设计；但其需要电力电子一次功率回路进行大电流输出，所以造价较高，维护较复杂。
鉴于上述2种措施的缺点，本文拟借鉴附加励磁控制方式，基于DEH调速系统在汽轮发电机组中承担的稳定同步转速、调节有功功率的功能，通过在DEH调速系统上加入附加控制，实现抑制次同步振荡的目的。
2 主要研究对象和方法从DEH的控制信号输出到在轴系上产生转矩是1个很复杂的过程，该技术研究的核心在于利用DEH调速系统在汽轮发电机组轴系上产生次同步频率的阻尼转矩，因此，需要对整个DEH调速系统以及调节对象在次同步频率范围内的激励响应进行细致、深入的分析。
2.1 研究对象DEH调速系统在机组轴系机械扭矩系统上的主要控制对象有调节阀、DEH调节控制回路以及汽轮机本体3个部分。
（1） 调节阀部分主要研究DEH调速系统的执行机构（如调节阀和油动机等系统）对次同步频率的响应特性。
（2） DEH 调节控制回路部分主要研究现有DEH调速系统在不同工况下的控制回路和控制规律，分析现有控制器的特性及其对次同步频率信号的响应特性。
（3） 汽轮机本体研究方面，主要分析从调节汽阀开度开始变化到汽轮机轴系功率输入完成过程中，机组轴系对高频信号的通过性。
2.2 研究方法针对汽轮机组调节系统特点和上述研究对象，拟分别采用以下研究方法：
（1） 根据调节阀制造厂家提供的阀门幅频特性曲线，对汽轮机调速系统执行环节的调节特性和数学模型进行工程简化，最后通过Simulink建模仿真，得到包括调节阀、油动机、位置反馈机构的整个电液伺服机构的幅频特性曲线。
（2） 对于DEH调节控制回路，决定利用典型电液式调速控制系统或现有规范的数学模型，在Simu⁃link中进行建模、仿真，得到控制环节开环传递函数的幅频特性曲线，分析DEH调速系统控制环节对次同步频率信号的通过性。
（3） 针对汽轮机本体模型，首先利用Simulink仿真建模，再建立调节汽阀开度到汽轮机轴系输入功率之间的传递函数模型，得到该传递函数数学模型的幅频特性。
（4） 最后，综合以上3部分幅频特性曲线，得到整个系统的频域和时域特性曲线。
3 控制对象对次同步频率信号的响应特性分析 3.1 伺服阀的频率特性DEH系统通过调节汽轮机的主汽阀和调节汽阀开度来实现汽轮机转速或功率的控制。调节汽阀的开度通过液压伺服系统直接进行控制（液压伺服系统接收DEH电子控制系统发出的指令）。液压伺服系统主要由油动机、阀门操纵座、电液伺服阀及线性位移传感器（LVDT）等组成，其可将电气控制信号转换为液压机械控制信号，最终控制汽轮机进汽阀的开度[2, 3]。
伺服阀的过渡过程具有谐振性质，在工程应用研究中，伺服阀的传递函数通常可以近似用二阶谐振环节来表示（以美国MOOG公司生产的D634型DDV直驱式电液伺服阀为例），见公式（1）[2]：
Kmf—系数，取值89 100；
δms—伺服阀阻尼系数，取值0.7；
ωms—伺服阀固有频率，取值375 Hz；
s—信号频率，Hz。
不考虑伺服阀传递函数中的增益以及非线性因素，D634伺服阀的频率特性曲线如图 1所示。
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图 1 D634伺服阀频率特性 |
不同的运行工况，DEH控制系统选取不同的控制回路，采用不同的控制方式，以下主要介绍发电机并网后DEH的控制方式。在同期并网后，DEH系统的控制方式可以在阀位控制、功率控制、主汽压力控制等3种方式之间进行切换，并且可与协调控制器CCS配合，完成协调控制功能。
发电机组并网运行且汽轮机组处于功率控制工况下，机组转速以一次调频的方式参与控制[4]。如不考虑系统中的限幅和不灵敏死区等非线性环节[5]，以美国西屋公司生产的DEH控制器转速控制回路为例，其简化处理后的数学模型如图 2所示，频率特性曲线如图 3所示。
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图 2 DEH转速控制回路的数学模型 |
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图 3 DEH转速控制回路的频率特性 |
蒸汽通过调节阀后进入汽轮机对汽轮机组轴系产生功率输入，以调节阀开度为输入信号，汽轮机功率为输出信号，根据东北电力科学研究院对内蒙古上都发电有限责任公司1号机进行的汽轮机及其控制系统参数测定试验，用于机网暂态稳定计算的汽轮机及其控制系统的数学模型如图 4所示[4]。
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图 4 汽轮机及其控制系统的数学模型 |
根据图 4中的数学模型和参数，通过对调节汽阀开度到汽轮机组机械功率输出这一过程进行仿真，得到频率特性曲线如图 5所示。
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图 5 汽轮机本体模型的频率特性 |
将上述3个部分综合后，可以得到机组调速系统对次同步频率信号的开环频率特性，如图 6所示。
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图 6 调速系统的频率特性 |
通过对整个DEH控制系统中各控制、执行环节的数学模型和频率特性进行分析，发现由DEH调速系统及其控制对象所组成的整个系统对次同步振荡频率范围内的信号具有较大的衰减作用，同时DEH系统中存在的一次调频死区和其他非线性特性都会降低次同步频率信号通过性；另外，衰减环节主要出现在汽轮机本体上，即在次同步频率范围整调节阀开度造成蒸汽流量变化，在引起机组轴系转矩和转速变化的过程中，在各个环节上均会同时产生滞后的相移，这将增加整个控制回路的响应时间，使得控制不够及时，进而影响对次同步振荡的控制效果。
4 调速系统对次同步振荡信号的响应以北方联合电力有限责任公司某电厂于2014-08-12T05：21：25发生的次同步振荡为例，验证DEH系统对于次同步频率信号的响应特性。该电厂6 台机组和2 回带串补的输电线路正常运行时，系统发生单瞬接地故障，引发6台机组均发生次同步振荡，故障发生时各机组的负荷情况见表 1。
以1号机组为例，发生次同步振荡时的发电机组轴系扭振信号原始记录如图 7所示。
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表 1 故障时各机组负荷情况 |
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图 7 轴系扭振原始采样值 |
根据机组轴系固有频率的不同，对轴系扭振原始采样信号利用滤波器进行模态分离，分别得到3个模态频率下（模态1、模态2、模态3）的信号采样值，如图 8所示。
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图 8 轴系扭振模态采样值 |
从轴系扭振模态信号的峰值大小可以看出，此次故障引发的轴系扭振现象中，模态2采样信号占主导地位，因此在Simulink仿真模型中，将模态2信号作为输入，对汽轮机本体利用模态2信号进行时域仿真。仿真时将模态2的次同步扭振信号附加在伺服阀的输入信号中，模态2信号以及经过调速装置后在汽轮机功率输出上的响应信号见图 9。
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图 9 模态2信号及响应 |
从仿真结果可以看出，在DEH控制器的输出指令信号上附加次同步信号后，通过伺服阀对汽轮机调节汽阀的开度进行调节，经过汽轮机本体后，汽轮机功率输出对次同步信号的时域响应表现出较大的衰减特性。
5 附加次同步振荡信号对DEH控制器的影响为了利用调速系统抑制次同步振荡，考虑在调速系统的执行机构输入指令信号的位置（即DEH调节系统输出信号的位置）叠加次同步振荡的控制信号（见图 10），与DEH控制调节系统的调节输出指令信号一起附加在伺服阀上，形成次同步振荡信号的附加调速控制。
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图 10 次同步振荡控制信号叠加原理 |
现有DEH控制系统的转速闭环控制回路在汽轮机启动、并网运行阶段保持投入，由于在该闭环控制中对机组转速设置了一定的死区（一般死区设置为±2 r/min），可以使次同步振荡控制过程中的低幅值高频信号不能通过DEH控制系统；而且在机组并网以后，DEH控制系统的控制回路在次同步频率上表现出一定的衰减作用，因此，在现有的控制回路中附加次同步振荡控制信号后，该信号对原有的DEH控制系统不会产生明显影响。
为了能够保证原有DEH控制调节功能与新增加的次同步振荡附加控制功能相互独立，使附加控制过程中产生的次同步频率信号对原有调速控制输入信号的影响降低到最小，可以在调速系统的输入信号之前设计加装合适的低通滤波器。
6 存在的问题及改进措施6.1 高频信号干扰伺服阀
作为1个复杂的机、电、液综合精密元件，电液伺服阀的故障率在DEH故障中占比较高，而DEH控制信号也常会引发伺服阀故障。DEH控制信号中的高频干扰信号会使伺服阀处在1种低幅高频的振动状态，大大缩短电液伺服阀工作寿命。另外，伺服阀长时间处于振动状态会造成内漏增加，引起弹簧管刚度降低或产生机械疲劳，调节过程中主阀芯高频振动会对流量控制产生干扰，影响汽轮机调节功能，严重时甚至造成伺服阀失效，汽门摆动或全开全关。因此，在附加次同步振荡抑制信号时一定要避免产生高频信息，以减轻对伺服阀的损害。
6.2 对调节汽阀本体造成伤害通过DEH来抑制次同步振荡的过程中，次同步谐振频率范围内的信号对调节汽阀本体也可能造成机械损伤。因此，在工程实际应用中，需要尽可能避免伺服阀在控制系统作用下的振动现象[6]。可以考虑改进电液伺服阀本体的机械结构、固有频率以及频率特性，使得伺服阀具有较宽的频率范围而允许次同步频率信号通过；另外，也可以采用高频响电液伺服阀。
6.3 电液伺服阀的频宽不足次同步振荡的谐振频率在50 Hz以下，为了抑制次同步振荡而使用的控制信号频率也在50 Hz以下。DEH系统中所采用的电液伺服阀的频宽常因型号不同而不同，如果电液伺服阀的频宽达不到50Hz，而通过DEH来抑制次同步振荡时，可能出现不能对机组轴系所有模态进行抑制的情况。
6.4 模态频率与电液伺服阀的固有频率相同或相近通常以幅频特性为-3 dB时所对应的频率作为电液伺服阀的频宽，因电液伺服阀的固有频率也在此范围内，可能出现机组轴系的某一模态频率与电液伺服阀的固有频率接近甚至相同而不能够抑制该模态下发生扭振的现象。因此，应尽量避免使机组模态频率接近伺服阀的固有频率。
6.5 抑制能力和效果尚需进一步研究从仿真结果可以看出，在阀门开度发生变化到轴系功率输入完成这一阶段，次同步振荡附加控制虽然对于高频信号的衰减作用比较明显，但次同步调节输出信号在通过汽轮机本体后所产生的次同步扭矩大小（即抑制轴系次同步振荡的能力）和效果仍需进一步研究。
7 结论通过建立汽轮发电机组调速系统各个环节的数学模型，科学分析其频率响应特性，得出以下结论：
（1） 现有调速系统的组成结构及控制环节、控制策略对次同步谐振频率信号都有一定衰减和相移滞后作用；
（2） 利用调速系统的附加控制可以实现对次同步振荡的抑制，但需要对现有调速系统的相关回路进行相应改进；
（3） 为了能够达到工程实际应用程度，还需对控制回路、控制策略、控制阀本体特性等方面进行深入的研究。
| [1] | IEEE Sub-synchronous Resonance Working Croup.Readers guide to Sub-synchronous resonance[J].IEEE Transactions On Power Systems,1992,7(1):150-157. |
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| [3] | 姜万录,张建成.电液伺服阀动态特性测试及其小波消噪处理[J].传感技术学报,2002,15(3):243-247. |
| [4] | 戴义平,赵婷,高林.发电机参与电网一次调频的特性研究[J].中国电力,2006,39(11):31-40. |
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