特高压输电对汽轮机组有啥影响？如何应对？

DQZHAN讯：特高压输电对汽轮机组有啥影响？如何应对？

0 引言

当今世界化石能源日趋枯竭、气候环境恶劣、人**炸式增长、人均所占能源急剧减少等成为制约人类可持续发展的瓶颈。因此人类必须寻求突破，在能源技术和互联网技术快速发展的第三次工业**开端，能源互联网技术成为解决能源问题*佳的方式[1]。电能作为能源领域极其重要的一支，实现电能的高质量互联传送是能源互联网技术的重要方向，因此需大力发展特高压输电技术，完成电能的远距离低损耗输送[2]。特高压输电使我国电力系统实现西电东送[3]，完成了电能输送的飞跃式发展。但是特高压输电的接入将会彻底改变输入当地的供用电局面，使电网潮流分布发生了较大的改变，电力供需形势也由相对平衡转为**盈余。

某省 2014 年6 月电网用电量24.267TW˙h，特高压输入电量4.421TW˙h，占全省用电量18.22%。相比之前输入地各电厂出现了汽轮机组利用小时明显下降、旋转备用容量大幅增加等不利状况。表1 是特高压输电接入前后某省电厂的发电情况，很明显接入后的2014 年6 月到8 月内，电厂的发电量和负荷率比2013 年相应月份明显减少，累计调停备用时间明显增多，新增机组容量差别不大，说明发电情况的变化基本是受特高压输电接入的影响。

Li Y 等人[4-5]综述了多相电能传输技术的发展，研究了特高压输电技术问题的解决方案，杨辉旻等人[6-7]讨论了特高压输电对省级电网**稳定的影响，计算了互联电网的总传输能力，设计了通过新型无功补偿的方法以减小电压波动。Moradi H 等人[8-9]提出通过利用反馈线性化控制器、合理避开电压崩溃点、新型电力转换器控制、自动变速控制系统等方法减小电网故障时引起谐波扰动、电压崩溃、频率波动等问题。国内外鲜有学者研究特高压输电的接入对当地汽轮机组的影响，而上述的分析阐明了这种影响不可忽略。

本文首先分析了特高压输电的接入给当地汽轮机组带来很大的一次调频压力，提出一种策略式评估体系;接着阐述了供电局面的改变导致部分汽轮机组低负荷运行，归纳了三点改进措施;然后论述了特高压输电故障下对汽轮机组影响的评估指标，提出一种整体式在线调整体系，同时分析了特高压故障下，易造成机组轴系的扭转振动和弯曲振动;*后探讨了未来的发展方向及展望。

1 特高压输电正常情况下对汽轮机组的影响

1.1 对汽轮机组一次调频的影响

电网频率是电网监测电能质量和**情况的重要指标之一，当系统出现随机负荷波动时，机组通过一次调频快速恢复平衡。一次调频特性是指电网产生随机负荷后，引起电网的频率变化，机组在调节系统的作用下自动快速地增加或减小发电功率，从而限制电网频率变化的特性[10-11]。

在特高压输电接入前，当地电能均由当地电厂产生，所发电量基本都参与一次调频，但在特高压输电接入后，情况有所不同。特高压输电属于远距离、高参数输电，需要保证电压和电流的稳定性，输电参数恒定不变。在随机负荷产生的时候，所占比重很大的特高压输电部分并不参与一次调频，为保证整个电网的稳定性，当地电厂需进行一次调频，即部分负荷参与调频，当地汽轮机组相比原先需承担更重的一次调频任务。

为满足一次调频快速响应和快速回到稳态两个基本条件[12]，根据特高压输电和一次调频的特点，一次调频参数[13]也需做相应调整。本文根据“保**，控频率”的原理，提出一种策略式评估体系以调整一次调频参数值。

1)特高压输电技术实现了****的各地电网机组的互联，整体性得到加强，在一定程度上提高了电网的动态稳定性[14]，电网低频振荡的减少提高了当地汽轮机组的稳定性，在进行一次调频时适当放宽对机组稳定性的要求。

2)在特高压输电接入的现代电力系统中，大机组特别是百万kW 容量机组由于控制系统先进、所发负荷多、效率高，需要承担更多的一次调频任务，随着国内小机组的改造与淘汰，需要重新合理分配各机组间的调频任务，加大大机组的一次调频。

3)一次调频属于小幅度调节，特高压接入后一次调频参数变化不宜过大[15]，过大导致机组的过调节，影响机组**，因此在常规设定值上根据稳定性弱化，调频速度加快的原则小幅度调整。

4)特高压输电交流1000kV 及以上、直流800kV 及以上，输电过程中为保持电网的稳定和减少电路的损耗，一般保持传输值恒定不变[16]，当接入当地电网后，本地机组所占负荷减少，导致当地电网调整的裕度降低。出现非周期性随机波动后，机组调频更为严峻，机组相比以往需加大一次调频力度，以适应随机波动。

据《华东区域发电厂并网运行管理》规定，各大电厂更新的百万kW 容量机组需承担更大的调峰任务和调频任务，以维持电网稳定性和发电经济性。同时规定速度变动率为4%~6%，调频死区为0.05Hz，负荷变化幅度为±6%，可看出一次调频为小幅度调节。以某省为例，特高压输电接入前后的6 月至8 月机组发电量由43.87TW˙h 下降至34.84TW˙h，即发电量降为原来的79.48%，而随机负荷量未变。一次调频均由当地机组发出，为维持频率稳定，一次调频量不变，调频需加大力度。基于上述四点构成的策略式评估体系，对一次调频参数进行简单计算，结果见表2，速度变化率、调频死区、负荷变化幅度的**值仍需进一步深入研究，更好的发挥特高压输电下机组一次调频功能。传统速度变动率为5%，在电力系统频率下降0.05Hz 时，即机组转速下降3r/min，由式1 计算得调节后功率增大2%，特高压接入后发电量为原来的79.48%，但调节后功率增值不变，由此计算新值δ为0.0397%。

传统调频死区为±0.05Hz，假定投入一次调频的机组容量为50%，根据文献[17]所建模型，可克服13%的负荷扰动，特高压接入后发电量为原来的79.48%，即一次调频容量为39.74%，为克服相同的扰动，新调频死区计算为±0.03Hz。传统负荷变化幅度为±6%，特高压接入后发电量为原来的79.48%，调节**值基本不变，则计算出新值为±7.549%，由策略式评估体系可知，一次调频为小幅调节，调节量不宜过大，故设定为±7%。

1.2 对汽轮机组运行特性的影响

特高压输电的接入彻底改变输入当地的供用电局面，电力供需形势也由相对平衡转为**盈余。以某省机组为例，特高压接入当地相当一部分汽轮机组处于低负荷运行状态，带来蒸汽初参数和阀门的节流损失，对汽轮机热耗的影响很大[18]，图1 为300、600、1000MW 汽轮机组性能试验热耗率随负荷变化曲线。和过去较高负荷运行相比，如今出现大范围低负荷运行情况，带来机组经济性下降和**性降低：

1)主汽流量降低，关小阀门开度，节流损失非线性增加，如果维持阀门开度不变，降低蒸汽压力、温度参数，此时机组循环效率降低，经济性下降。

2)随着负荷率的降低，机组循环参数逐步降低，汽轮机通流效率快速下降。

3)当负荷降至50%额定负荷时，机组效率将依次降级至下一档循环参数及容量的机组效率水平。

4)低负荷运行期间，机组厂用电率将大幅度上升，进一步推高机组供电煤耗率。

特高压输电的接入使得相当一部分机组处于低负荷运行状态，有鉴于此，××发电厂#6 机，该型机组为亚临界600MW汽轮机，配置有四只高压调门，省电科院对其进行滑压优化及高压调门调节优化，机组在300 到540MW 负荷区间内变负荷运行时，由原先“两阀半滑压”运行方式调整为“两阀滑压”运行方式，减少高压调门的节流损失，机组热耗率可以降低约0.5%。××发电厂#1 机，该型机组为超临界600MW汽轮机，在辅机优化方面，对驱动给水泵的小汽机优化，在300 到540MW 负荷运行阶段，由于小汽机进汽流量减少而引起的耗差平均值约为0.15%。

为了提高汽轮机组的经济性和**性，更好的指导机组低负荷运行，总结两点措施：

1)推广应用机组低负荷滑压优化及高压调门调节优化，推行机组增效改造。

2)开展辅机低负荷节能降耗改造与运行调整，优化辅机运行方式，降低厂用电率。

2 特高压输电故障情况下对汽轮机组的影响

2.1 特高压输电故障的评估指标

相比以前的输配电，特高压输电传输参数非常高，若出现故障，当地电网出现剧烈波动，从而对汽轮机组造成重大影响，一旦出现机组解列运行，则会进一步加大电网故障，恶性循环[19]，因此必须研究特高压输电故障时对汽轮机组的影响。在此之前，需给出故障的评估指标，运行人员可根据指标变化情况，估计机组的运行**状况。

考察特高压输电故障对汽轮机组的影响程度可从二个方面着手。1)特高压输电一旦产生故障，当地电网出现剧烈波动，造成机组机端电压和频率的波动，机组励磁系统和调速系统会对此做出反应，调整电压和频率以平抑变化。因此，可将机端电压和频率波动作为影响机组的两个评估指标。2)特高压输电故障引起的暂态扭矩冲击作用，对机组轴系的**性会产生不利影响，其对轴系影响的*直接表现是可能会引起较大的轴系扭应力，造成疲劳寿命损耗[20]。因此，可将表征轴系扭振强度的疲劳寿命损耗作为评估指标。

根据上述分析，构建以电压偏差、频率偏差、疲劳寿命损耗为评估要素的模型，以尽可能减少特高压故障对机组的影响为目标，提出一种整体式在线调整体系，如图2 所示。通过测量元件在线测量电压、频率、疲劳寿命损耗情况，与额定值相比计算出相应偏差值，超过正常值范围但在可控范围内即发出报警，及时调整机组运行方式，以减少弯扭应力。如某电厂采用的运行方式，尽量避免机组输出的有功功率发生士0.5MW 突变量的线路切合操作。若超出可控范围则考虑机组解列运行，以防事故进一步扩大。根据发电厂商及独立调度机构ISO(Independent systemoperator)机组检修规定，轴系疲劳达一定程度即可合理安排机组检修，在保证**的基础上实现经济*大化。机组检修之后需对额定值调整修改，实时更新机组健康状况。

为了传递扭矩，机组沿轴长会有一定的扭转变形，形成一定的扭转角分布;特高压输电容量大，一旦故障，电网产生剧烈波动，机组机械力矩和蒸汽驱动力矩由于惯性变化不大，但电磁阻力矩会急剧增减，扭矩失去平衡，机组的调节系统迅速调整汽轮机的参数以求恢复平衡，保持转速稳定和功率平衡，这个调节过程会使机组轴系产生扭转振动[21]，轴系损坏，甚至导致汽轮机组无法运行。特高压输电故障下对轴系扭振的影响可归纳为以下四点：

1)线路开关切合操作对轴系扭振的影响。

电网短路电流比较大，特高压输电系统庞大，输电线上会发生各种类型短路，此时不论重合闸是否成功，都会引起位于故障点附近的汽轮机组轴系扭振。在切合时间操作条件配合特别不利的情况下，仅一次高速自动重合闸，就有可能造成轴系的严重损坏[22]。

2)发电厂近距离短路并切除对轴系扭振的影响。

特高压输电接入后，若发电厂近距离短路，一方面电磁阻力矩急剧下降，以振荡形式出现的暂态电磁转矩将激发起整个轴系的扭转振动。另一方面，机组轴系加速，致使发电机的定子电压系统与电网电压系统之间出现相位差并逐渐增大。相位差将使发电机产生一个冲击性的暂态电磁转矩，并将使轴系在短路期内已激发起的扭振基础上，再产生一个新的扭转振动。当这两种扭振发生叠加，可能产生颇高的扭振应力。

3)特高压输电负序电流对轴系扭振的影响。

特高压输电接入的当地电网负序电流比较大，其可由三相负荷不平衡、不对称短路、断线故障等产生，负序电流相当于外力源，因此由负序电流产生的轴系扭振就有别于上述的自激扭振，称为“强迫扭振”[23]。

4)次同步震荡对轴系扭振的影响。

次同步震荡是机电系统的一种自激震荡状态，即电网在低于系统同步的一个或几个频率下与汽轮发电机进行能量交换[24]。为保证特高压输电的稳定和无功功率的补充，需要大量使用串补电容[25]，易发生次同步震荡。

若由于某种扰动使发电机转速发生轻微变化，引起发电机端电压发生轻微变化。机端电压这种变化经换流器升压后，将导致换流器交流侧电压和直流侧电压发生变化，又将引起交流电流即发电机定子电流发生变化，并经气隙作用到发电机转子上，引起转矩发生变化，从而产生轴系扭振[26]。由于特高压输电中定电流或定功率控制系统的带宽一般为10~30Hz，而汽轮机组轴系低阶扭振固有频率通常又处在这个频率范围之内，这样就为诱发次同步共振奠定了基础。

机组发生扭振的同时，还会产生弯振[23]。在考虑汽轮机组轴系振动时，仅仅考虑扭转振动是不**的，特高压输电的情况下，电路中大量使用串补电容，此时如果发生故障扰动，轴系的弯振会达到一定数量级，不可忽略。特别的，当轴系存在不平衡时，弯振和扭振之间存在明显的耦合关系，其耦合振动是一种非线性的自激振动，可能会引起弯扭共振，造成巨大的**隐患。

3 结论

在能源互联网技术迅速发展的潮流下，研究发展特高压输电已成必然趋势，其对机组的影响问题亦日益严峻。为实现特高压输电和汽轮机组的协调发展，研究人员还有大量研究任务，至少包含以下方面。

1)规范电力市场秩序。特高压输电真正实现了西电东送，南北互联的电网系统，省级间互联实现了能源共享，但同时也带来了各省输电容量不均衡、原先调峰运行考核不适用等问题，急需建立合理的跨省输电容量计划管理与平衡机制，修改现行的调峰运行考核办法，送点端应参与受端电网的调峰考核。

2)建立统一机网数学模型。特高压输电应用加强了省级间电力系统互联，真正形成了大电力系统，之前的电网单独模型及机组单独模型已经不能满足现代电力系统的研究，急需发展统一机网模型，为**的理论分析提供技术基础。

3)研究大型机组的低负荷运行。随着特高压输电的接入，部分机组不可避免的出现低负荷运行状况，出现效率下降、**性降低的现象，因此必须研究汽轮机组如何在低负荷运行下保持一定的效率，制定机组合理启停方案，同时让受端发电企业增加外来电消纳的灵活性，如替代发电、厂级调度、错峰检修，合理减少低负荷运行几率。

4)减少弯扭振动。由于特高压输电的高电压高电流特性及电力系统互联现象，当特高压输电发生故障时，机组的弯扭振动非常明显，忽略会致使机组出现极大应力损耗，甚至引起机组故障。因此，正确分析特高压故障下机组弯扭程度，合理安排机组运行方式，制定机组检修方案成为必须。

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