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【摘 要】本文通过分析次同步谐振发生的原因，提出了解决的措施，对SSR-DS系统在锦能电厂具体应用进行了详细的介绍，为相关电厂提供经验。
【关键词】次同步谐振；SSR-DS;TSR
随着电力系统的不断扩大，超高压、远距离输电线路和大容量发电机组的投入运行以及为了提高电力系统稳定性和输电能力而采取的线路串联电容补偿和直流输电等措施，除了伴随而来的巨大经济效益外，也给电力系统的安全稳定运行带来了新的问题，电力系统次同步振荡就是其问题之一。
1.神华国华锦能电厂工程概况
神华集团陕西国华锦界能源有限责任公司（以下简称“锦能公司”）地处陕北能源基地，是国内首例真正意义的煤电一体化项目。一、二期工程4×600MW机组输电线路两回，为LGJ-300×6紧凑型线路，经山西忻都开关站接入河北石北变电所，总长度为438公里。
国调中心规定，在不加装串补装置情况下，最大输送功率185万千瓦，不能满足机组满负荷的送出。为解决锦能公司送出受限问题，同时节约投资，节约线路走廊，中国电力工程顾问集团公司研究确定，在输电线路加装串联补偿装置，以确保负荷的送出。
电厂出双回500kV紧凑型线路至忻都，在锦忻线上加装35%的串补，在忻石线上加装35%的串补，串补均加装在忻州开闭所侧。
根据国内外同行业线路加装串联补偿装置的先例，随着线路串联补偿装置的投入运行，将在系统上并发产生次同步谐振（以下简称“SSR”）问题。“SSR”问题的存在对运行中发电机组的影响较大，直接威胁其安全运行。锦能公司在安装了线路串联补偿装置后是否存在该问题，需要分析计算确定。针对这种情况，锦能公司分别委托北京国电华北电力工程公司、清华大学和陕西电力科学研究院，对锦能公司一、二期工程4台机组，多种运行工况下的SSR进行计算研究，得出一致的结论：锦能公司输出线路加装串补装置运行后，会产生较为严重的SSR问题，必须采取抑制措施。
经过各方面的详细论证，锦能公司采用SSR-DS装置补偿的方式来抑制SSR，同时由TSR装置来提供保护。
2.SSR-DS装置的基本原理及其构成
2.1基本原理
本装置主要作用就是用于抑制次同步谐振(SSR)。选取含有原动机扭振模式分量的测量量（发电机转速信号）作为控制器的输入信号，据此控制晶闸管的触发角，改变TCR支路的电流大小，进而微调发电机的输出功率，产生抑制SSR的阻尼转矩，实现抑制SSR的目的。
以转速偏差信号作为控制器的输入信号时，需将TCR中的无功电流调制成与发电机转子速度偏差反相即错相180°。这样，当转速增加时，TCR中的感性电流减小，即TCR吸收的无功功率减小，则发电机机端电压上升，发电机送出的电磁功率增加，对恒定的机械输入，电磁功率的增加将导致转子动能的减小，从而最终导致转子速度的降低。反之，转速减小时TCR感性电流增加，机端电压降低，发电机送出的电磁功率减小，从而使发电机转子加速。而正常运行时，TCR以某一个固定导通角稳定运行，相当于一稳定且连续的无功负荷。因TCR的控制速度快，故可达到抑制次同步振荡的目的。这种抑制SSR 的控制策略与为提高输送能力而加强发电机阻尼的控制策略相似，两者的差别就在于SSR-DS控制器行为的不同，后者的阻尼在惯性频率范围0.1～2 Hz，而前者的阻尼在较高的扭振频率范围5～45Hz。
2.2四套SSR-DS间配合策略
将四台SSR-DS编号为A、B、C、D，其中A、B接在降压变压器531B上，C、D接在降压变压器二上；四台发电机编号为a、b、c、d，四台SSR-DS的控制信号与发电机的转速信号（ωa，ωb，ωc，ωd ）对应关系为一 套SSR-DS对应两台发电机转速的平均信号[A——（ωa+ωb）/2, B——(ωc+ωd)/2, C——(ωa+ωb)/2, D——(ωc+ωd)/2]。
2.3装置的构成
抑制次同步振荡的SSR-DS装置主要由以下几部分组成：
2.3.1发电机测速探头
主要功能测试发电机转子转速。
2.3.2转速转接柜
主要功能是将发电机测速探头的电信号转换成光信号，和发电机转速变化的计算。
2.3.3控制柜
主要功能是它肩负着数据采集、计算，控制算法的实现，输入和输出信号的处理等重要工作，控制晶闸管的触发角，改变TCR支路的电流大小，进而微调发电机的输出功率，产生抑制SSR的阻尼转矩，实现抑制SSR的目的。起到各种保护功能。主要由监控单元，主控单元，采样单元，开关量输入和输出单元，电源单元组成。
2.3.4脉冲柜
主要功能是脉冲柜接收到控制柜给出的晶闸管触发光信号后，进行光电转换，将光信号转换成电信号送给脉冲触发单元，在此形成六路强触发脉冲后送阀组柜分别触发六路晶闸管。与此同时，脉冲触发信号送脉冲检测板，再变换为光信号后反馈给控制柜，供其检测触发脉冲是否正常。主要由脉冲单元，可控硅回报单元，电源单元组成。
2.3.5功率部分
主要功能是晶闸管的角度开通大小，改变TCR支路的电流大小。每个功率单元由四部份组成有六只光控可控硅，热管散热器，阻容保护回路，可控硅回报板。每相由四组功率单元串联组成，每套SSR-DS装置有三相。晶闸管一个重要的参数-断态电压临界上升率du/dt，表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的上升率，则会在无门极信号的情况下开通，即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况，因为晶闸管可以看作是由三个PN结组成。为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压的上升率。因为电路总是存在电感的，所以与电容C串联电阻R可以起到阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因为振荡在电容两端出现过电压损坏晶闸管，同时避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。另外RCJ单元还有取能作用，为击穿检测模块提供工作电压。当某种原因（主要是由触发电路引起，或某个触发脉冲的触发幅值不够或触发回路永久损坏或高压供电系统过电压），没有开通的晶闸管两端电压上升到BOD的动作电压VBO时，BOD击穿，击穿电流通过晶闸管控制极使晶闸管触发导通，所以在晶闸管两端电压未达到额定值时,晶闸管已被触发导通，从而保护了晶闸管。
3.TSR的基本原理及其构成
3.1基本原理
为避免在次同步谐振时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。CSC-812汽轮发电机组轴系扭振保护装置（TSR）对运行中的机组提供了监测与保护功能。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。若总的损耗达到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检修更换就很有必要。当发生次同步谐振故障时，对扭振信号特征进行识别，采用发散判断为主，辅以疲劳累积判断来决定是否切机。
3.2 模态频率
定值计算中，模态频率采用实测频率。 汽轮发电机组机电系统模态频率
3.3 轴系参数
定值计算中，轴系参数采用简单集中质量模型。 汽轮发电机组轴系参数如下表：
汽轮发电机组轴系参数
转化为公制如下表：
汽轮发电机组轴系参数表（公制）
3.4 S-N曲线
定值计算中，S-N曲线如图
高压缸转子S-N曲线
3.5动作特性
模态1峰值为0.47rad/s时达到7＃位置疲劳极限，7582 秒左右跳闸，扭转功率为95.2MW。
模态2峰值为0.29rad/s时达到2＃位置疲劳极限，4382秒左右跳闸，扭转功率为70.68MW。
模态3峰值为0.19rad/s时达到7＃位置疲劳极限，3547秒左右跳闸，扭转功率为95.2MW。
4.结论
SSR-DS系统从09年12月投运以来，运行良好，多次抑制了各种原因导致的次同步谐振，在保证锦能4台机组稳发、满发的基础上为发电机的大州提供了一道有力的安全屏障。由于此系统在国内属首创，还有很多不足之处，所以我们必须更加仔细的研究，已达到更好的控制效果，对其他类似的电厂也会有一个很好的启示作用。
【关键词】次同步谐振；SSR-DS;TSR
随着电力系统的不断扩大，超高压、远距离输电线路和大容量发电机组的投入运行以及为了提高电力系统稳定性和输电能力而采取的线路串联电容补偿和直流输电等措施，除了伴随而来的巨大经济效益外，也给电力系统的安全稳定运行带来了新的问题，电力系统次同步振荡就是其问题之一。
1.神华国华锦能电厂工程概况
神华集团陕西国华锦界能源有限责任公司（以下简称“锦能公司”）地处陕北能源基地，是国内首例真正意义的煤电一体化项目。一、二期工程4×600MW机组输电线路两回，为LGJ-300×6紧凑型线路，经山西忻都开关站接入河北石北变电所，总长度为438公里。
国调中心规定，在不加装串补装置情况下，最大输送功率185万千瓦，不能满足机组满负荷的送出。为解决锦能公司送出受限问题，同时节约投资，节约线路走廊，中国电力工程顾问集团公司研究确定，在输电线路加装串联补偿装置，以确保负荷的送出。
电厂出双回500kV紧凑型线路至忻都，在锦忻线上加装35%的串补，在忻石线上加装35%的串补，串补均加装在忻州开闭所侧。
根据国内外同行业线路加装串联补偿装置的先例，随着线路串联补偿装置的投入运行，将在系统上并发产生次同步谐振（以下简称“SSR”）问题。“SSR”问题的存在对运行中发电机组的影响较大，直接威胁其安全运行。锦能公司在安装了线路串联补偿装置后是否存在该问题，需要分析计算确定。针对这种情况，锦能公司分别委托北京国电华北电力工程公司、清华大学和陕西电力科学研究院，对锦能公司一、二期工程4台机组，多种运行工况下的SSR进行计算研究，得出一致的结论：锦能公司输出线路加装串补装置运行后，会产生较为严重的SSR问题，必须采取抑制措施。
经过各方面的详细论证，锦能公司采用SSR-DS装置补偿的方式来抑制SSR，同时由TSR装置来提供保护。
2.SSR-DS装置的基本原理及其构成
2.1基本原理
本装置主要作用就是用于抑制次同步谐振(SSR)。选取含有原动机扭振模式分量的测量量（发电机转速信号）作为控制器的输入信号，据此控制晶闸管的触发角，改变TCR支路的电流大小，进而微调发电机的输出功率，产生抑制SSR的阻尼转矩，实现抑制SSR的目的。
以转速偏差信号作为控制器的输入信号时，需将TCR中的无功电流调制成与发电机转子速度偏差反相即错相180°。这样，当转速增加时，TCR中的感性电流减小，即TCR吸收的无功功率减小，则发电机机端电压上升，发电机送出的电磁功率增加，对恒定的机械输入，电磁功率的增加将导致转子动能的减小，从而最终导致转子速度的降低。反之，转速减小时TCR感性电流增加，机端电压降低，发电机送出的电磁功率减小，从而使发电机转子加速。而正常运行时，TCR以某一个固定导通角稳定运行，相当于一稳定且连续的无功负荷。因TCR的控制速度快，故可达到抑制次同步振荡的目的。这种抑制SSR 的控制策略与为提高输送能力而加强发电机阻尼的控制策略相似，两者的差别就在于SSR-DS控制器行为的不同，后者的阻尼在惯性频率范围0.1～2 Hz，而前者的阻尼在较高的扭振频率范围5～45Hz。
2.2四套SSR-DS间配合策略
将四台SSR-DS编号为A、B、C、D，其中A、B接在降压变压器531B上，C、D接在降压变压器二上；四台发电机编号为a、b、c、d，四台SSR-DS的控制信号与发电机的转速信号（ωa，ωb，ωc，ωd ）对应关系为一 套SSR-DS对应两台发电机转速的平均信号[A——（ωa+ωb）/2, B——(ωc+ωd)/2, C——(ωa+ωb)/2, D——(ωc+ωd)/2]。
2.3装置的构成
抑制次同步振荡的SSR-DS装置主要由以下几部分组成：
2.3.1发电机测速探头
主要功能测试发电机转子转速。
2.3.2转速转接柜
主要功能是将发电机测速探头的电信号转换成光信号，和发电机转速变化的计算。
2.3.3控制柜
主要功能是它肩负着数据采集、计算，控制算法的实现，输入和输出信号的处理等重要工作，控制晶闸管的触发角，改变TCR支路的电流大小，进而微调发电机的输出功率，产生抑制SSR的阻尼转矩，实现抑制SSR的目的。起到各种保护功能。主要由监控单元，主控单元，采样单元，开关量输入和输出单元，电源单元组成。
2.3.4脉冲柜
主要功能是脉冲柜接收到控制柜给出的晶闸管触发光信号后，进行光电转换，将光信号转换成电信号送给脉冲触发单元，在此形成六路强触发脉冲后送阀组柜分别触发六路晶闸管。与此同时，脉冲触发信号送脉冲检测板，再变换为光信号后反馈给控制柜，供其检测触发脉冲是否正常。主要由脉冲单元，可控硅回报单元，电源单元组成。
2.3.5功率部分
主要功能是晶闸管的角度开通大小，改变TCR支路的电流大小。每个功率单元由四部份组成有六只光控可控硅，热管散热器，阻容保护回路，可控硅回报板。每相由四组功率单元串联组成，每套SSR-DS装置有三相。晶闸管一个重要的参数-断态电压临界上升率du/dt，表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的上升率，则会在无门极信号的情况下开通，即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况，因为晶闸管可以看作是由三个PN结组成。为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压的上升率。因为电路总是存在电感的，所以与电容C串联电阻R可以起到阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因为振荡在电容两端出现过电压损坏晶闸管，同时避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。另外RCJ单元还有取能作用，为击穿检测模块提供工作电压。当某种原因（主要是由触发电路引起，或某个触发脉冲的触发幅值不够或触发回路永久损坏或高压供电系统过电压），没有开通的晶闸管两端电压上升到BOD的动作电压VBO时，BOD击穿，击穿电流通过晶闸管控制极使晶闸管触发导通，所以在晶闸管两端电压未达到额定值时,晶闸管已被触发导通，从而保护了晶闸管。
3.TSR的基本原理及其构成
3.1基本原理
为避免在次同步谐振时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。CSC-812汽轮发电机组轴系扭振保护装置（TSR）对运行中的机组提供了监测与保护功能。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。若总的损耗达到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检修更换就很有必要。当发生次同步谐振故障时，对扭振信号特征进行识别，采用发散判断为主，辅以疲劳累积判断来决定是否切机。
3.2 模态频率
定值计算中，模态频率采用实测频率。 汽轮发电机组机电系统模态频率
3.3 轴系参数
定值计算中，轴系参数采用简单集中质量模型。 汽轮发电机组轴系参数如下表：
汽轮发电机组轴系参数
转化为公制如下表：
汽轮发电机组轴系参数表（公制）
3.4 S-N曲线
定值计算中，S-N曲线如图
高压缸转子S-N曲线
3.5动作特性
模态1峰值为0.47rad/s时达到7＃位置疲劳极限，7582 秒左右跳闸，扭转功率为95.2MW。
模态2峰值为0.29rad/s时达到2＃位置疲劳极限，4382秒左右跳闸，扭转功率为70.68MW。
模态3峰值为0.19rad/s时达到7＃位置疲劳极限，3547秒左右跳闸，扭转功率为95.2MW。
4.结论
SSR-DS系统从09年12月投运以来，运行良好，多次抑制了各种原因导致的次同步谐振，在保证锦能4台机组稳发、满发的基础上为发电机的大州提供了一道有力的安全屏障。由于此系统在国内属首创，还有很多不足之处，所以我们必须更加仔细的研究，已达到更好的控制效果，对其他类似的电厂也会有一个很好的启示作用。