大型汽轮发电机组次同步谐振/振荡的控制与保护

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在刚刚结束的2016年度国家科学技术奖励大会上，由北方联合电力有限责任公司吴景龙领衔的团队科技成果——“大型汽轮发电机组次同步谐振/振荡的控制与保护技术、装备及应用”，喜获国家科技进步二等奖。

该项目首创了大型汽轮发电机组次同步谐振/振荡的定-转子多模态优化阻尼控制技术和多时间尺度协调扭振保护技术，研制了我国首台附加励磁阻尼控制器、扭振保护装置和国际首台机端次同步阻尼控制器，形成了成套设备生产能力，技术与装备在大型火电工程中实现了集成应用。

小编特摘录了该项目公示材料的部分内容和大家分享，感兴趣的可以一起来了解一下。

项目简介

我国能源分布和消耗的地域不平衡性，使得依托煤炭基地建设大型电站并采用串联电容补偿(简称串补)或高压直流技术实现远距离输电成为我国电力工业发展的突出特点，而大型汽轮发电机组与串补交流/高压直流电网相互作用会引发次同步谐振或次同步振荡(统称“次同步谐振/振荡”)。它的危害极大，轻则导致机组寿命损失，重则造成机组轴系损毁、系统稳定性破坏。国内外均发生过次同步谐振/振荡导致机组大轴损坏的恶性事件，造成了极大的经济社会损失。因此，解决次同步谐振/振荡问题是保障我国西部煤电东输乃至能源战略顺利实施的重大技术挑战。

项目以上都电厂为依托。2004年始，针对其4×600MW机组经串补外送而出现的次同步谐振问题，首次提出附加励磁阻尼控制(简称SEDC)和扭振保护(简称TSR)相结合的解决方案，经三年多技术攻关，研发出SEDC和TSR装备，成功解决了电厂当时的次同步谐振问题。2009年，随着上都电厂三期扩建和华北电网结构变化，等效串补度提高，导致次同步谐振特性恶化，为适应新情况，进一步提出增补机端次同步阻尼控制(简称GTSDC)的方案，再经近三年的技术攻关，于2012年研发出GTSDC装备，与SEDC+TSR构成综合控制-保护系统，彻底解决了上都电厂6×600MW级汽轮机组的次同步谐振和出力受限问题。项目研发的技术和装备随后在绥中、伊敏等接入高压直流电网的大型电厂也得到应用，有效解决了这些工程中的次同步振荡难题。

项目历经八年技术攻关，突破了大型汽轮发电机组次同步谐振/振荡的控制与保护关键技术，首创了汽轮发电机组次同步谐振/振荡的定-转子多模态优化阻尼控制技术、汽轮发电机组扭振的多时间尺度协调保护技术和次同步谐振/振荡控制保护成套设备与集成应用技术，研制了我国首台附加励磁阻尼控制器、扭振保护装置和国际首台机端次同步阻尼控制器，实现了成套装备制造的自主化和国产化；项目技术与装备在大型火电工程中得到集成应用，首次完整解决了大型汽轮机组次同步谐振/振荡的控制与保护难题，打破了国外技术垄断，填补了我国在该领域的技术与装备研发空白。

项目研发的次同步谐振/振荡控制与保护装备在上都电厂投运以来，运行可靠，2013至2015年累计新增销售电量和产品30多亿元、新增利润19多亿元。截止2015年底，项目技术和装备已在我国13个电厂41台大型汽轮发电机组以及英国Hunterston核电站和印度KMPCL电厂得到应用，为国内外大型汽轮发电机组次同步谐振/振荡问题，提供了先进而成熟的解决方案和成套装备。

项目获授权发明专利20项(含2项美国PCT专利)，获软件著作权5项，出版专著1部，发表SCI收录论文18篇、EI收录论文45篇。项目通过了中国电机工程学会组织的技术鉴定。结论认为：整体技术国际先进、关键技术处于国际领先。项目获得2009年度中国电力科学技术一等奖和2013年度内蒙古自治区科技进步一等奖。

推广应用情况

2007年8月始，本项目研发的附加励磁阻尼控制器(简称SEDC)、扭振保护装置(简称TSR)和机端次同步阻尼控制器(简称GTSDC)先后在上都电厂投运，2012年7月在6×600MW级机组上实现整体应用。自投运以来，运行稳定可靠，性能优越，经济效益显著。截止2015年底，项目研发的技术和装备已在国内13个火电厂41台大型汽轮机组，以及英国苏格兰Hunterston核电站1台776.5 MW机组、印度KMPCL电厂1台600MW机组上应用，其中：SEDC 20套，国内市场占有率100%；GTSDC 5套， 国内市场占有率70%；TSR 76套，国内市场占有率74%。

与国内外相关技术的比较

(1) 附加励磁阻尼控制器。国际上仅美国GE公司提供同类技术，比较而言，本项目研发的附加励磁阻尼控制技术具有如下独有优势：

• 控制参数采用多模态、全工况优化设计，适用多机组和所有运行方式；
  
• 控制输出范围达到励磁顶值，可充分利用励磁系统容量，实现最佳控制效果；
  
• 兼容性好，适应GE、ABB、南瑞电控等国内外各类型励磁调节器。
  

(2) 机端次同步阻尼控制器。与国内外此前基于晶闸管控制电抗器或静止无功补偿器（简称SVC）的控制技术相比，优势十分明显：

• 基于IGBT全控器件，比晶闸管控制响应速度快，控制精度高，技术先进；
  
• 输出同等次同步控制能量情况下， 装备等效容量节省50%、占地节省80%、平均损耗降低80%（以100MVA的SVC为例， 按半载平均损耗0.5%计算，年损耗电量达438万度），装备投资和运行成本低；
  
• 不产生其他的谐波污染。
  

(3) 布置在电厂的次同步振荡抑制技术还有美国GE公司于上世纪70年代发明的阻塞滤波器，目前在国内托克托电厂应用。其单机装备的投资、占地面积、损耗和投资超过为本项目技术的5倍、5倍和8倍。更不利的是，阻塞滤波器在参数设计不合理情况下易引发异步自励磁风险，GE公司为托克托电厂设计的阻塞滤波器曾在首次投运过程中引发严重的异步自励磁，导致机组跳闸、项目停顿。

(4) 次同步振荡保护系统。此前仅美国GE公司提供针对单机的扭应力振继电器； 比较而言，本项目技术的独特优点包括：

• 扭振检测精度高(1/3×106 vs 1/1000000 倍额定转速)；
  
• 多时间尺度保护判据，特别综合机端电气量检测和轴系扭振变化特征构成快速动作判据；
  
• 多机组协调保护策略，采用协调主站实现多台机组扭振保护的优化出口，将扭振保护切机对电网的影响降到最小；
  
• GE公司扭振继电器仅在本项目研发技术投运前于国内2个电厂投运，而本项目装备投运后，再无进口次同步振荡保护装备；
  
• 在上都电厂1/2号机上同时装设了本项目研发的保护装备和GE公司的扭振继电器，在发生严重次同步谐振危及机组轴系安全时，本项目保护装备的动作正确率100%，而GE公司的保护未有任何警示和动作记录。
  

项目的主要完成人

• 吴景龙，北方联合电力有限责任公司教授级高工
• 郭锡玖，北方联合电力有限责任公司教授级高工
• 谢小荣，清华大学副教授
• 张涛，北京四方继保自动化股份有限公司教授级高工
• 李向良，北方联合电力有限责任公司高级工程师
• 薛惠民，北方联合电力有限责任公司教授级高工
• 蒋晓荣，华北电网有限公司高工
• 毕天姝，华北电力大学教授
• 梁志福，内蒙古上都发电有限责任公司教授级高工
• 刘平，华北电力科学研究院有限责任公司高级工程师
• 焦邵华，北京四方继保自动化股份有限公司教授级高工
• 高洵，华北电网有限公司高级工程师
• 刘全，北京四方继保自动化股份有限公司教授级高工
• 刘雨平，北方联合电力有限责任公司高级工程师
• 赵永林，内蒙古上都发电有限责任公司教授级高工
  

推荐单位意见

依托煤炭基地建设大型电站并采用串联电容补偿（即串补）或高压直流技术实现远距离输电是我国电力工业发展的突出特点，而串补交流和高压直流输电引发的次同步谐振/振荡会严重威胁汽轮发电机组轴系安全和电网稳定。该项目针对这一重大技术问题，依托上都电厂实际工程，产学研用相结合，历时八年攻关，成功解决了大型汽轮发电机组复杂多模态次同步谐振/振荡的控制与保护难题。

该项目首创了大型汽轮发电机组次同步谐振/振荡的定-转子多模态优化阻尼控制技术和多时间尺度协调扭振保护技术，研制了我国首台附加励磁阻尼控制器、扭振保护装置和国际首台机端次同步阻尼控制器，形成了成套设备生产能力，技术与装备在大型火电工程中实现了集成应用，打破国外技术垄断，填补了我国在该技术领域的空白，整体技术国际先进水平，关键技术处于国际领先。

项目形成了自主知识产权的专有技术，已授权发明专利 20 项，获软件著作权 5 项，出版专著 1 部，发表 SCI 收录论文 18 篇、EI 收录论文 45 篇。项目技术与装备在上都电厂实现整体应用，2013 至 2015 年累计新增销售电量和产品 30 多亿元、新增利润 19 多亿元。截止 2015 年底，所研发的技术和装备已在我国 13 个大型火电厂以及英国 Hunterston 核电站和印度 KMPCL 电厂得到应用。该项目解决了电力工业中次同步谐振/振荡重大技术难题，保障了电力生产安全，具有重要的经济社会效益和广阔的应用前景。

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本文内容整理自内蒙古自治区科技厅网站

李明振

有一帮专家在研究一个振动问题，看来振动问题在快速发展中