（电力系统及其自动化专业论文）基于阻塞滤波器抑制次同步谐振的研究.pdf

声明尸明 删f f f i f 删川j f i | 洲 y 17 8 5 9 6 3 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于阻塞滤波器抑制次同步谐振的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 刍钮2 日 期： 幽篮：嚣 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 虽缸 日 期：2 鳟i 金：箩 导师签名： 一 华北也力人学硕十学何论文摘要 摘要 次同步谐振s s r ( s u b - s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ) 现象的存在严重威胁到了电 力系统的稳定性，电力系统的发展受到限制。为此，针对托克托电厂遇到的次同步 谐振问题，提出了以阻塞滤波器抑制次同步谐振的方法，但是在托克托电厂阻塞滤 波器实际投入运行过程中，发生了异步自励磁现象。本文首先基于p s c a d e m t d c 搭建了托克托电厂采用阻塞滤波器抑制次同步谐振的仿真平台并研究了证常运行 情况下阻塞滤波器的频率偏移对次同步谐振抑制情况的影响，接着对现场发生的异 步自励磁现象从发电机参数的角度进行深入的理论分析，然后深入分析了托克托电 厂8 拌发电机的现场试验数据，最后仿真与试验结果对比分析了托克托电厂2 撑发电 机的情况，并提出了相应的异步自励磁的解决方案。 关键词：次同步谐振，阻塞滤波器，频率偏移，异步自励磁 a b s t r a c t t h ep h e n o m e n o no fs s r ( s u b - s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ) t h r e a t e n st h es t a b i l i t yo f p o w e rs y s t e ma n dl i m i t si t sd e v e l o p m e n t t u o k e t u op o w e rp l a n ti sb a s e do nt h eb l o c k i n g f i l t e r st om i t i g a t es u b - s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ，b u tt h eg e n e r a t o ro ft u o k e t u op o w e rp l a n t p a r a l l e lo p e r a t i o ni n d u c es e l fe x c i t a t i o nw h e nt h r e e p h a s eb l o c k i n gf i l t e ri sr u n n i n g f i r s t l y , t h es i m u l a t i o nm o d e lo fm i t i g a t i n gs s ru s i n gb l o c k i n gf i l t e rf o rt u o k e t u op o w e r p l a n ti se s t a b l i s h e di np s c a d e m t d cs o f t w a r ea n dc e n t e rf r e q u e n c yo f f s e to fb l o c k i n g f i l t e ri s a n a l y z e d s e c o n d l y , a n a l y z et h ep h e n o m e n o no f s e l fe x c i t a t i o nf r o mt h e p a r a m e t e ro ft h eg e n e r a t o r i nd e p t h t h i r d l y , a n a l y z et h et e s td a t ao f8 j | j g e n e r a t o r a tl a s t b a s i n go nt h e2 群g e n e r a t o rr e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la n dp u tf o r w a r dt h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o nf o rs e l f - e x c i t a t i o n m ak a i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f r e nj i a n w e na n dl i up i n g k e yw o r d s ：s u b s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ，b l o c k i n gf i l t e r , c e n t e rf r e q u e n c y o f f s e t ，s e l f - e x c i t a t i o n 华北电力人学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章前言1 1 1 研究背景及意义l 1 2 国内外研究现状及发展趋势2 1 2 1 次同步谐振的分析方法2 1 2 2 次同步谐振的抑制措施3 1 3 托克托电厂情况简介5 1 4 本文主要工作6 第二章阻塞滤波器频率偏移对次同步谐振的影响8 2 1 阻塞滤波器的原理8 2 1 1 阻塞滤波器的设计原则一8 2 1 2 阻塞滤波器简单设计举例8 2 2 阻塞滤波器抑制s s r 原理一9 2 3 频率偏移对抑制效果的理论分析l o 2 4 基于仿真研究偏移阻塞滤波器的中心频率对抑制效果的影响l l 2 5 总结1 4 第三章托克托电厂异步自励磁初步分析1 5 3 1 托克托电厂发电机测量参数对比分析1 5 3 1 1 托克托电厂异步自激情况简介1 5 3 1 2 发电机同步机参数比较1 5 3 2 参数的仿真对比1 6 3 3 托克托电厂异步自励磁初步分析1 8 3 3 1 托克托电厂阻塞滤波器工作原理分析1 8 3 3 2 异步发电机建压原理分析1 9 3 3 3 阻塞滤波器引起自励磁的简单机理分析1 9 3 3 4 阻塞滤波器引起不同频率自励磁的风险分析。2 0 3 4b f 引起自励磁的参数灵敏度分析2 l 3 5 总结。2 4 华北电力人学硕十学何论文目录 第四章托克托电厂8 拌机组试验结果分析2 6 4 1 弓l 言2 6 4 2 机组并网运行状态2 6 4 2 1 机组并网状态，投入三相阻塞滤波器2 6 4 2 2 机组并网，阻塞滤波器二阶串入0 2 q 电阻2 8 4 3 脱网试验3 0 4 3 1 主变高压侧短路，额定转速3 0 4 3 2 主变高压侧短路，转速2 3 5 0 r m i n 3 2 4 4 结论3 3 、 第五章托克托电厂2 撑机组试验分析3 5 5 1 引言3 5 5 2 托克托电厂2 撑机试验结果分析3 5 5 32 i 5 i 机脱网试验部分3 7 5 3 1 主变短路不串电阻3 7 5 3 2 主变短路串电阻3 9 5 3 3 仿真与试验数据对比4 2 5 3 4 总结4 2 5 4 并网试验部分4 2 5 4 1 试验与仿真对比4 2 5 4 2 仿真与试验数据对比4 5 5 4 3 总结。4 6 5 5 本章小结4 6 第六章总结与展望4 8 6 1 主要研究成果4 8 6 2 研究工作展望4 9 参考文献5 0 致谢5 3 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 华北l 【i 力人学硕+ 学何论文 1 1 研究背景及意义 第一章前言 在我国，随着“西电东送”战略的实施和市场化运作的大区互联大电网的逐步 形成，我国电力系统已经进入大机组、超高压、超大规模、远距离、交直流混合输 电的时代。为了提高电力系统的稳定性和远距离高压输电系统的输电能力，通常采 用串联电容补偿l 卜习措施。在电力网络中加入串联电容后，线路的等效电抗随之减小， 输电线路的长度比实际线路的长度减小很多，从经济角度考虑，伴随着巨大的经济 效益。 但是在超高压远距离输电系统中采用串联电容补偿技术后，尤其是大型汽轮发 电机组经串补特别是补偿度较高时线路接入系统时，在某种运行方式或补偿度的情 况下，其谐振频率低于电网的额定频率，称为次同步谐振i 4 - 7 1 ( s u b s y n c h r o n o u s r e s o n a n c e ，缩写为s s r ) 。 s s r 是一种电气机械共振现象，严重时会将发电机轴扭断，即使谐振较低，也 会显著减少轴的机械寿命。次同步谐振产生的原因和造成的影响可以从三个不同的 侧新来加以描述l & l ，即异步发电机效应( i g e ，i n d u c t i o ng e n e r a t o re f f e c t ) 、机电扭 振互作用( t i ，t o r s i o n a li n t e r a c t i o n ) 和暂态力矩放大作用( t a ，t o r q u ea m p l i f i c a t i o n ) 。 对次同步谐振问题，主要关心的是由扭转应力而造成的轴系损坏。轴系损坏可以山 长时i 口j 的低幅值扭振积累所致，也可由短时i 日j 的高幅值扭振所致。 实际上，次同步谐振是电力系统稳定性问题的延伸，当系统发生次同步谐振时， 发电机组( 一般是汽轮发电机组) 的多质量块弹簧轴系将在一个或数个低于额定频率 的模式下发生扭转振荡，与电气网络发生能量交换。在具有串联补偿装置的简单电 力系统等值电路中，如果用x g ，x t ，x l ，x s 分别表示发电机、变压器、输电线路、 受端系统的等值电抗，用x c 表示串联补偿电容器的容抗，则整个系统可能发生电 气谐振的谐振频率标么值如式( 1 1 ) 所示： c o , 2 _ x t 弋x 【+ x 1 + x t ；+ xs 1 l 、 通常，容抗小于输电线的感抗，也小于系统总的感抗，所以这一频率称为次同 步频率( 即低于额定频率) 。 电气系统与轴系机械系统是相互作用的电气系统通过电磁力矩影响机械系 统，机械系统则通过发电机转子的角位移和角速度影响电气系统。频率为( 1 ) 。的定于 谐振电流将产生转速为( i ) 。的旋转磁场，其磁场梢对于发f 乜机转子的转速为毛= 一( o 。 华北电力人学硕十学位论文 ( t o 为转子的转速) 。也就是浼，将产生频率为芎的电磁力矩。如果此时汽轮发电机 转子轴系的一个自然扭振频率( i ) m 等于三，则上述电磁力矩将激起频率为( o m 的扭振； 后者又将在发电机定子中感应出频率为。的电压、电流和电磁力矩。这时，如果系 统的阻尼不够大，就会发生电气系统与机械系统振荡的相互助增现象。在这种情况 下，发电机电磁力矩和轴系质块问的扭矩将不断增长。 一般地讲，如果超高压输电网络中有多处装有串联电容补偿装置，而汽轮发电 机组又山多个转子串接而成，则电气系统中就会有若干个次同步频率，而机械系统 中就会有若干个自然扭振频率。只要前者中有一个频率与后者中的一个频率“互 补”，就可能发生次同步谐振。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 早在2 0 世纪3 0 年代，人们就发现同步发电机再带容性负载或经串联电容补偿 的线路接入系统时，在一定条件下会产生自激，即上面提到的感应发电机效应。1 9 7 0 年和1 9 7 1 年，美国莫哈夫( m o h a v e ) 电厂发生了由于线路串联补偿电容作用造成 的两台大型汽轮发电机组转子大轴损坏的次同步谐振问题。在随后几年的深入研究 中，国际电气电子工程师协会( i e e e ) 于1 9 7 3 年专门成立了一个次同步谐振专题组 ( s s rw o r k i n gg r o u p ) ，最初是组织、协调有关s s r 研究工作的，随着研究的深入， s s r 专题组关心的内容已经拓宽到扭振研究的多个方面。推动了次同步渚振的研究。 下面将介绍次同步谐振的分析方法和抑制措施。 1 2 1 次同步谐振的分析方法 在研究次同步谐振的过程中，主要用到了如下的方法：特征值分析法、频率扫 描法、复转矩系数分析法和时域分析法i i2 2 0 l 。 ( 1 ) 特征值分析法。将发电机电磁关系( p a r k 方程或简化模型) 、轴系模型和电 力系统输电线路模型线性化后通过坐标转换，建立综合的线性系统方程，求出整 体系统的特征根。若特征根具有正实部，则说明在此参数下会出现次同步振荡。该 方法是被广泛用于线性系统分析的一种方法。它的优点是理论严格，分析准确度高， 能够提供准确的振频、衰减因子、模态分布、相关因子和特征根灵敏度等大量有用 的信息。但该方法只能利用近似的线性模型，并由于维数问题，一般仅用于单机系 统。 ( 2 ) 频率扫描法。频率扫描方法能够确定从被研究的发电机中性点向系统观察 的总阻抗及其频率的变化，其电抗过零点即为电气系统的串联谐振点，当它与其它 的电磁暂态程序配合使用时，频率扫描结果能够用柬识别那些从暂态扭矩的角度来 看存在严重危险的系统条件。频率扫描方法对于具有1 0 0 一l5 0 条母线的系统来说 华北电力人学硕十学何论文 也是相对简单的。因此频率扫描方法提供了一个非常简单的方法去识别那些从s s r 的角度柬看存在潜在危险的系统条件。它首先常用于对大量系统方式进行分析，把 可能出现的次同步谐振问题和危险的扭振问题筛选出来，然后再用其它更精确的程 序进行较小范围的分析。因此频率扫描方法并不能代替特征根方法和暂态力矩方 法，可作这些方法的补充。 ( 3 ) 复转矩算法。复转矩系数分析法是c a n a y 于1 9 8 2 年提出的一种用于分析 电力系统次同步谐振的方法，通过在次同步频率范围内对机械复转矩系数和电气复 转矩系数进行频率扫描，根据使机械弹性系数和电气弹性系数之和为零的频率下， 净阻尼系数( 即机械阻尼系数和电气阻尼系数之和) 的诈负来判定系统是否会发生 次同步谐振i l 啦2 l l 。由于此方法计算量较小，不但成为分析具有串联电容补偿的复杂 电力系统次同步谐振的主要方法之，而且被推广应用于分析由静止无功补偿装 置、高压直流输电和电力系统稳定器等引发的次同步谐振。然而，迄今为止，除了 从物理概念上应用阻尼转矩对于振荡的影响来进行解释以外，复转矩系数法在理论 上并无严格的证明。 ( 4 ) 时域分析法。数字时域仿真可用于分析包括次同步谐振等在内的各种机 网相互作用问题。它采用逐步数值积分来求解描述整个系统的微分方程组( 线性或 非线性) 。该方法可以详细考虑发电机、轴系、控制器等模型，精确模拟线路丌关 操作、各种类型的故障、断路器的动作等，特别是还可以考虑各种非线性没备的暂 态过程，因此，它是用于研究暂念扭矩放大作用的主要方法。 1 2 2 次同步谐振的抑制措施 从美国莫哈夫( m o h a v e ) 电厂在不到一年的时l 日j 罩发生两次大轴扭坏的事故， 学术界和电力工程界掀起了对s s r 问题的研究热潮，已经提出了一系列的抑制s s r 的措施。同时由于国内的远距离、超高压、远距离输电的要求，针对s s r 的问题国 内也做了相关的研究并进行了相应的试验1 2 卜2 引。 1 ) 阻塞滤波器 阻塞滤波器是由若干个高品质因数值的并联谐振滤波器串联而成。它串接在发 电机主变高压侧绕组的中性点侧或出线侧，每相接一只。其作用在于阻止次同步电 气谐振电流分量进入发电机内，使它不至于同机组轴系某一扭振模式，即某。低阶 固有扭振频率产生联系，从而抑制次同步振荡的发尘。该装置主要用于抑制机电扭 振互作用和暂念力矩放人，对异步发电机效应不起作用。该方案是针对机组设计的 在电厂采取的预防s s r 问题的主动措施，是解决机组s s r 最直接有效的措施。该 方案美国的n a v a j o 电厂已成功运行3 0 多年，在托克托电厂币处于实施阶段，预计 在2 0 0 8 年投入运行。该方案是能够最有效地预防抑制机网复合j 乓振、暂态扭钳i 放 3 华北电力人学硕十学位论文 大和异步自励磁各种形式的s s r ，同时，该方案采用常规的电感电容，针对有问题 的发电机分别进行，安全可靠、适应性好，但投资大。 2 ) 可控串补( t c s c ) 可控串补又称为晶闸管控制的串联电容器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c t o r , t c s c ) ，近年来在串补的基础上发展起来的柔性交流输电设备。 t c s c 通过改变晶闸管s c r 触发角口，可以改变流过旁路电感的电流，从而 改变t c s c 的电抗，以期达到控制调节电力系统其他的物理量如电流、电压、有功、 无功等。t c s c 可以抑制和阻尼次同步谐振( s s r ) ，因而可以将串补和可控串补用 于存在s s r 的地方，或者进一步地提高补偿度。可控串补是在电网侧实施的预防抑 制s s r 措施，该方案可以采用部分固定串补加部分可控串补的方案来降低投资，可 以在不恶化s s r 问题的情况下提高串补度和输电能力，如果固定和可控串补组合方 式及控制系统设计合理可以较有效地预防抑制机网复合共振、暂态扭矩放大及异步 自励磁等各种形式的s s r 问题，缺点是效果在很大程度上决定于控制器，投资同样 较高，控制器可能需要根据系统的变化进行修改或者调整。 3 ) 滤波串补( 旁路阻尼滤波器) 滤波器包含一个与一个电感和电容的并联回路相串联的阻尼电阻，该滤波器再 与每相的串联电容器相并联。并联的电感和电容回路被设计成在工频下呈现很大的 阻抗这样在i f 常运行情况下，滤波器不输送工频电流，因此由滤波器中的电阻造 成的有功损失就很小。在次同步频率下，滤波器的阻抗明显减小，从而起到旁路次 同步电流的作用。i ；方案对感应发电机效应有很好的抑制作用。该方案中所需的电 容器和电抗器因电压等级高，投资也较高，目自 还没有实际投运的工程。该方案同 样可以采用部分固定串补和部分滤波串补组合以降低工程投资，如果组合方案合理 同样可以解决复合共振、暂念扭矩放大和异步励磁各种形式的s s r 问题。 4 ) 动态稳定器( s v c ) 图l l 示意了动态稳定器的接线图，包括接到被保护的发电机机端的由晶闸 管控制的电抗器。次同步谐振的抑制是通过能反应测量到的发电机转子角度的振荡 去控制晶闸管的触发角，从而改变发电机的无功出力阻尼谐振。在无转子振荡的情 况下，动态稳定器作为连续的无功负荷运行。该措施主要是通过控制来实现对s s r 的阻尼，如果安装在发电机机端也可以按机配置，可以根据需要来设计和选择s v c 的容量以达到需要的效果，可以较有效地预防抑制机网复合共振及异步自励磁形式 的s s r 问题，但对暂念扭矩放大的作用相对有限，投资相对较高。 5 ) 辅助励磁阻尼控制( s e d c ) 该措施是卉：发f 乜机组的励磁系统中增加一个附加的增加s s r 阻尼的控制以达到 4 华北电力人学硕卜学位论文 预防和抑制s s r 的目的，该措施必须针对机组分别配置，可以较有效地预防和抑制 不太严重的机网复合共振及异步自励磁形式的s s r 问题，投资相财较低，但因它在 本来通过直流电流的励磁系统中增加相应频率的交流控制信号，受励磁回路的限 制，对于严重的s s r 问题作用有限，同时对暂念扭矩放大的作用也有限。 址l i i i i 竹的“! 制 系统 图卜l 动态稳定器接线示意幽 6 ) 轴系扭矩保护( t s r ) t s r ( 轴系扭矩保护装置) 是连续监视汽轮发电机轴系扭振，并且当轴系扭振 疲劳损害达到事先没定的水平时能够提供跳闸命令的保护装置。t s r 应该说是发电 机组的后备措施和最后一道防线，不是一个预防抑制s s r 的措施，在存在s s r 问 题的机组上均应该安装这种保护以保证设备的安全。t s r 动作几率较低，当各种没 有考虑到的或超出设计范围的特殊运行方式出现时，发电机组力一发生次同步谐 振，t s r 动作以保证机组安全。 1 3 托克托电厂情况简介 托克托电厂位于内蒙古自治区呼和浩特市，总装机容量4 8 0 万k w 。托克托电 厂是华北电网西电东送的主力电厂，以托源安双回、托源霸双回单独送电通道向京 津唐电网送电。随着串补技术在5 0 0 k v 电网的推广应用，为满足托克托电厂四期电 力送出，提高现有四回输电通道的输送能力和稳定极限，托源四回线、源安双回线、 源霸双回线分别在浑源丌闭站加装串联补偿电容器组。浑源加装串补后，尤其托电 至浑源丌闭站通过长距离线路向电网送电，次同步谐振问题变得突出，影响到电网、 电厂安全稳定运行。为了抑制在投入串补之后托克托电厂发电机组产生的次同步谐 振现象，经过计算分析，托克托电厂机组中可能存在次同步谐振问题，需要在托克 托电厂机组主变中性点处加装阻塞滤波器，并加装扭矩应力继电保护装置( t s r ) 。 托克托电厂绛串补送j ：的次同步谐振解决方案，采用阻塞滤波器方案是经过多方多 s 华北l l l 力人学硕十学何论文 年的长期研究，经过国外多个公司和专家进行多次技术交流和研讨一致决定的方 案。 托克托电厂阻塞滤波器是在升压变压器高压绕组中性点侧每相增加阻塞滤波 器，该阻塞滤波器含l c 并联谐振回路，以阻塞配合固有扭振频率所对应的电流， 从而防止复合共振、减轻暂态扭矩放大。在电网故障的时候为限制过电压需在滤波 器上加装m o v ，并且滤波器的设计应能适应电容器故障、电网拓扑结构和操作条 件以及电网频率、环境温度的变化等情况。该方案是针对机组设计的在电厂采取的 预防s s r 问题的主动措施，是解决机组s s r 最直接有效的措施，阻塞滤波器方案 在美国的n a v a j o 电厂已成功运行3 0 多年。 然而，在托克托电厂投入阻塞滤波器的过程中，托克托电厂发电机机组产生了 异步自激磁现象。当发生异步自励磁时，同步发电机定子电流中的次同步频率( 即 定子回路电感和电容的谐振频率) 分量，是靠同步发电机对此分量发出的异步功率 来维持的，是一种单纯的电气谐振。在此谐振频率下，同步发电机相当于一台异步 发电机，它提供了振荡时所需要的能量。这种自激方式通常又称为“异步发电机效应” 或“感应发电机效应( i n d u c t i o ng e n e r a t o re f i e c t ) ”。 1 4 本文主要工作 本文结合我国电网发展的实际情况，针对电力系统次同步谐振问题，提出了多 种抑制技术，重点介绍了内蒙古托克托电厂遇到的次同步谐振问题以及采用阻塞滤 波器抑制次同步谐振的方案，并基于国际著名电磁暂态仿真软件p s c a d e m t d c 研 究了阻塞滤波器频率偏移对次同步谐振的影响以及发电机参数变化对托克托电厂 异步自励磁现象的影响，进一步研究了托克托电厂8 抖发电机的相关试验数据，最后 通过试验结果与仿真结果的对比分析了托克托电厂2 拌发电机的情况。本文的工作主 要包括以下内容： ( 1 ) 研究了阻塞滤波器中心频率偏移对机组扭振抑制效果的影响，并基于 p s c a d e m t d c 搭建了托克托电厂采用阻塞滤波器抑制次同步谐振的仿真平台，在 此平台上对阻塞滤波器中心频率偏移进行了仿真分析，结果发现：单台机阻塞滤波 器的频率发生小范围偏移，对次同步谐振的抑制效果影响不大，但如果多台机组的 阻塞滤波器郜发生中心频率偏移，就会导致转速差收敛速度缓慢甚至发散，从而显 著影响次同步谐振的抑制效果。最后，通过大量的仿真对比确定了能保证抑制效果 的中心频率偏移的范围。 ( 2 ) 明确了阻塞滤波器导致自励磁的电路原理，进一步通过托电原厂参数、 p o w e r t e c h 公司、g e 公司、华北电科院实测参数的比较发现电科院所测参数更接近 试验情况最后基于p s c a d e m t d c 仿真的基础卜研究了发电机参数的变化对异步f 1 6 华北电力人学硕十学位论文 励磁的影响程度。 ( 3 ) 对托克托电厂8 # 发电机进行试验结果分析中发现，8 # 机并网状态下投入 三相阻塞滤波器产生了2 7 h z 和3 8 5 h z 左右的频率。两个频率的谐振均发散，其中 2 7 h z 分量发散速度较快；在阻塞滤波器二阶电抗器回路串入o 2q 电阻后，2 7 h z 的 电气谐振频率收敛，3 8 5 t t z 的谐振频率发散；在8 # 机主变高压侧短路、励磁回路 短路情况下进行三相阻塞滤波器投入试验，2 7 h z 分量发敞较快并率先达到饱和，而 后3 8 5 h z 分量才出现比较明显的振荡发散过程。 ( 4 ) 对托克托电厂2 # 发电机试验结果进行分析的基础上，并进行了相应的仿 真结果对比，对比结果发现：脱网运行，对于产生的2 9 h z 的谐振分量，仿真中串 入的电阻阻值要比现场试验中串入的电阻阻值大一些j 能抑制2 9 t i z 的谐振分量； 并网运行时，对于产生的2 9 h z 的谐振分量，仿真中串入的电阻阻值同样要比现场 试验中串入的电阻阻值大一些才能抑制2 9j t z 的谐振分量。 华北l 毡力人学硕十学何论文 第二章阻塞滤波器频率偏移对次同步谐振的影响 2 1 阻塞滤波器的原理 2 1 1 阻塞滤波器的设计原则 阻塞滤波器是针对某一台发电机使用的，应根据发电机参数及串补电网参数来 设计阻塞滤波器参数。需要知道发电机轴系低于5 0 h z 的各固有扭振频率f m 。也可 根据汽轮发电机大轴各等值集中质量与各轴段刚度算出。然后算出对应的互补频率 f m 。一般低f5 0 h z 的固有扭振频率有5 个，即m 5 首先需要根据发电机参数，计 算出在每一个次同步谐振频率下，发电机负电阻效应的等值转子电阻值，然后按下 列原则设计阻塞滤波器参数。 1 ) 按需要阻尼的汽轮发电机组大轴的固有谐振模式个数，确定阻塞滤波器串 联级数。 2 ) 每一级并联回路，针对汽轮发电机组大轴某一固有振荡模式起阻尼作用。 3 ) 阻尼滤波器串入主变5 0 0 k v 侧中性点旁a 、b 、c 三相中后，应对变压器及 整个电网系统运行性能影响极小可以忽略不计。 4 ) 每一级并联谐振回路在其谐振频率下的品质因数q 是最重要的性能参数。 品质因数越高，谐振时的阻尼越大，工频时的阻抗越小，但造价越高。应通过大量 计算合理选定，在保证必要的阻尼特性的同时兼顾经济性。 5 ) 阻塞滤波器应有足够的容量，能承受正常运行时的工频电流以及系统故障 时的短路电流，还应能承受抑制次同步谐振时流过的次同步谐振电流。 2 1 2 阻塞滤波器简单设计举例 首先设计每一级并联回路参数，给定允许的频率偏差范围，设定一个品质因数， 按照满足谐振阻尼的要求，可算出每一级的l 、c 参数。各级参数确定后，可按各 级串联组成完整的n 级阻塞滤波器，计算其等值阻抗。随频率变化的复数可以分解 为实部和虚部。实部即相当于电阻，反应阻尼能力，而复数的绝对值即为阻抗的大 小，反应对变压器绕组术端电位的影响。可在增加发电机次同步谐振计算子程序并 作相应修改后的谐波潮流程序上进行计算。 按照小扰动方式并考虑与有关保护的配合，计算在各次同步模式f 阻塞滤波器 承受负荷值，初步确定各元件( 电容器组、电抗器等) 的容量。然后需要在大二t 二扰 3 华北l u 力人学硕卜学f 市论文 引起次同步谐振工况下，校核计算各容量及阻尼性能。 针对单台发电机经升压主变连接串补输电线路，受端支线故障短路，切除故障 后激发次同步频率系统振荡这一工况，使用仿真程序计算阻塞滤波器抑制自激振荡 ( 感应发电机效应) 的效果以及其承受的电流电压负荷。为简化计算，按文献口介 绍，发电机采用隐极机对称模型。 2 2 阻塞滤波器抑制s s r 原理 阻塞滤波器串接在发电机升压变压器高压绕组中性点侧或出线侧，变压器每相 接一个阻塞滤波器。图2 一l 是一个三阶阻塞滤波器的结构图，该阻塞滤波器包含一 个零阶电抗和三个l c 并联谐振回路，零阶电抗是为确保阻塞滤波器整体呈感性， l c 并联谐振回路对应了发电机组次同步固有扭振频率，从而防止复合共振、消除 异步自励磁并减轻暂态扭矩放大的可能性。在电网故障的时候为限制过电压需在滤 波器上加装金属氧化物避雷器m o v ，并且滤波器的设计应能适应电容器故障、电 网拓扑结构和操作条件以及电网频率、环境温度的变化等情况。 图2 1二阶阻塞滤波结构幽 阻塞滤波器的参数根据发电机组轴系扭振模态频率、发电机参数及串补电网参 数进行设计，设计阻塞滤波器的并联回路串联级数。阻塞滤波器的品质因数q 是设 计阻塞滤波器的关键环节，q 值对谐振特性是有影响的，q 值越高，选择性越好， 但同时也应注意保真度而不能无限制的提高q 值。图2 2 是阻塞滤波器的频率特性 曲线，阻抗可分解为实部和虚部。实部相当于电阻，反映阻尼能力。存图中的三个 谐振频率点附近，阻塞滤波器表现为高阻抗以抑制次同步谐振。当谐振电流流经阻 塞滤波器时，在阻塞滤波器的中心频率附近将以高抗的形式将谐振f 乜流滤除。但外 界条件的变化以及发电机本身参数的不确定性，都会使阿l 塞滤波器的中心频率发生 9 华j 匕电力人学硕t 学何论文 偏移，因此频率偏移对阻塞滤波器抑制次同步谐振的的影响将成为一个值得关注的 问题。 图2 - 2 阻塞滤波器的频率特性 2 3 频率偏移对抑制效果的理论分析 次同步谐振存在于交流网络中，交流网络中的潮流具有两个分量：一个是频率 为工频厶的分量，另一个是频率为电气谐振频率的分遣。出于电网扰动等原因， 在线路及发电机的定子中产生频率为正的电流分量，定子中的电流分量就会在转子 上产生频率为石一的扭矩；若轴系的某一自然扭振频率力与定子回路的电磁振荡 频率z 互补，即满足石z + 厶时，轴系将发生机械共振，在发电机转子上产生频率 为厶的振荡分量，并将在定子绕组中引起频率为( 磊一兀) 的次同步电流分量，这样 就形成电气共振与机械共振之j 日j 的相互激励。倘若此激励能抵偿或者高于机械和电 磁振荡中的各种阻尼和电阻中的功率损耗，即系统对于该激励是负阻尼的，振荡就 可以维持下去甚至发散，从而在系统中形成次同步谐振1 2 9 ：3 4 1 。 根据汽轮发电机低于工频的自然扭振频率兀推算出电气系统对应互补的次同步 频率z = 石一乃。阻塞滤波器通过抑制电气系统中的次同步谐振频率兀来达到抑制 次同步谐振的效果。但是，在外界环境的干扰或阻塞滤波器的调谐不准的情况下都 可能会使阻塞滤波器的中心频率发生频移。 阻塞滤波器相当于一个带阻滤波器，下面从带阻滤波器的角度出发分析阻塞滤 波器的中心频率的小范围偏移对抑制效果的影响。 用b 表示带阻滤波器的阻频段，可得： 肛z 一石= 吾 c2 1 ) 式中，c 表示滤波器的中心频率。q 表示滤波器的晶质因数。i ，表示谐振 i o 华北电力大学硕十学位论文 曲线的带阻宽度。 据式( 2 - 1 ) ，在不改变阻塞滤波器的q 值的情况下，改变阻塞滤波器的中心频 率f ，只是相当于使阻塞滤波器的阻频段发生了一定的位移。向左( 或向右) 偏移 阻塞滤波器某一阶的频率会使阻塞滤波器这一阶的滤波频率整体向左( 或向右) 平 移一定的距离。如图2 3 所示，实线的中点尼为阻塞滤波器原有中心频率，虚线 的中点，；为阻塞滤波器偏移后的中心频率，偏移频率曲线和原有中心频率曲线相交， 图中的阴影部分就是原有中心频率和偏移后中心频率的公共区域，即阻塞滤波器的 中心频率偏移的越大，离阻塞滤波器的中心频率越远，对机组扭振的抑制效果越差。 z 0 je ，t f 图2 - 3 阻塞滤波器中心频率偏移图 2 4 基于仿真研究偏移阻塞滤波器的中心频率对抑制效果的影响 本文易托克托电厂阻塞滤波器为例进行研究。虽然在试验中发生了 现象，但。髭：以厂家发电机组铭牌上的参数进行仿真是不发生异步自励磁 此，基于：阿：克托电厂机组铭牌上的参数研究阻塞滤波器频率频移对抑制 效果的影i聒l 。 表2 - 1 ：托克托电厂l - 4 撑机组阻塞滤波器各阶谐振频率值 轴系模态一阶 二阶 机组固有扭振频率 3 8 9 3 h z 2 5 4 2h z 表2 - 2 ：托克托电厂5 8 # 机组阻塞滤波器各阶谐振频率值 轴系模态一阶二阶 三阶 机组固有扭振频率 3 7 3 3 h z 2 4 2 7 h z 2 0 4 9 h z l l 异步自励磁 现象的。因 次同步谐振 之后很快收敛。将托克托电厂8 j f j 发电机阻塞滤波器的二阶模态中心频率提高 0 5 9 7 h z 至2 4 8 6 7 h z ，低压缸的转速信号如图2 - 6 所示。图2 - 6 与图2 5 低压缸转速 信号均收敛，但频率偏移后的低压缸转速信号与频率未发生偏移的低压缸转速信号 相比收敛速度偏慢。可见，阻塞滤波器的频率偏移越大，对于次同步谐振的抑制效 果越差，由于机组之间的正阻尼使频率偏移的机组运行稳定。 将托克托电厂5 8 撑机组阻塞滤波器的二阶频率均提高o 5 9 7 h z 至2 4 8 6 7 h z ，8 撑 机的低压缸平均转速信号如图 号已经不再收敛，甚至有发散 得很差。 图2 - 6 2 0 4 0 6 08 01 0 01 2 01 4 0 图2 75 8 撑机阻塞滤波器二阶频率偏移0 5 9 7 h z 情况下8 撑机组低压缸转速信号 因此可以得出：如果一台机组的阻塞滤波器的某阶频率偏移一个相对小的范 围，由于机组间存在的相互阻尼，对阻塞滤波器的抑制效果影响不大；如果几台机 组的阻塞滤波器同一阶频率同时偏移一定的范围，会使阻塞滤波器的抑制效果变得 很差。即如果一台发电机的阻塞滤波器的频率调谐不准，对抑制次同步谐振的效果 影响不大；多台发电机阻塞滤波器的频率调谐不准，对次同步谐振的抑制效果将变 1 3 1 4 华北电力入学硕卜学何论文 第三章托克托电厂异步自励磁初步分析 3 1 托克托电厂发电机测量参数对比分析 3 1 1 托克托电厂异步自激情况简介 2 0 0 8 年4 月2 l 同，根据g e 公司制定的阻塞滤波器调试试验方案，在进行阻塞 滤波器无串补条件下的在线试验中，托克托电厂l 号机组投入阻塞滤波器时，机组 跳机。经过分析认为l 号机组产生了频率约2 9 h z 的异步自励磁，2 9 h z 频率下系统 总电气阻尼为负值，因此投入阻塞滤波器时发生异步自激。 为进一步明确谐振产生的机理和条件，验证其他机组是否存在相似的谐振问题， 我院提出进行3 撑机组的异步自励磁试验。试验结果表明，在3 拌机组阻塞滤波器投 入、转子转速在3 0 0 0 转秒，机组也发生了2 9 h z 的异步自励磁。 通过进行仿真分析，原厂参数代入仿真模型，机组没有发生异步自励磁现象。 调整x q 至原厂参数的约2 倍后，仿真显示机组发生异步自励磁，因此g e 公司提出 托克托电厂提供的原厂参数与实际电机参数存在一定误差。因此建议重新测量机组 参数。 因此在2 0 0 8 年6 月和2 0 0 8 年l l ， 山华北电科院对托克托电厂l 撑一8 撑机组进 行机组参数测试试验，并且华北电科院、加拿大p o w e r t e c h 公司、g e 公司对试验数 据进行处理，各得出一组参数。 对原厂参数、华北电科院参数、p o w e r t e c h 公司参数、g e 公司参数进行分析比 对，参数之l 日j 存在一定的差别。 3 1 2 发电机同步机参数比较 将托托克托电厂l 撑、3 拌、8 j f | f 机组的原厂参数、p o w e r t e c h 公司、g e 公司、华北 电科院实测的参数进行比较，同步机的参数中x d 、x a 主要表征同步机在稳态运行时 的参数，x d ”、x 。”主要表征同步机在电磁暂念时的参数，每个机组的j 组参数在这四 个参数中最大的误差分别为2 5 3 、2 0 8 、2 0 8 。机组暂念电抗参数即x d 、x q ， 每个机组的最大误差分别为3 9 、8 2 、8 2 ，了r 路时f u j 常数每个机组的最大误差 分别为4 4 、3 9 、3 9 ，短路时问常数每个机组的最大误差分别为7 8 、8 4 、 9 6 。 表3 1 所示为托克托电厂l 撑机原厂参数、p o w e r t e c h 公司实测参数、g e 公司实 测参数、华北电科院实测参数比较。将表3 1 中p o w e r t e c h 实测参数、g e 实测参数、 华北电力人学硕十j ! ；f ：何论文 华北电科院参数与原厂参数比较，x d 、x q 的最大偏移分别为11 2 、1 3 2 、2 5 4 ， 暂念电抗参数x d 、x q 的最大偏移分别为7 7 、2 3 3 。6 3 1 ，次暂念电抗参数x d ”、 x q ”最大偏移分为0 、4 2 、1 3 1 。 表3 1 托克托l 乜厂l 拌机原厂参数、p o w e r t e c h 公司、g e 公司、华北电科院实测参数比较 g e n l 原厂参数 p o w e r t e c hg e华北电科院 x i o 1 50 150 1 5o 1 5 x d 1 9 62 1 821 9 9 x d 0 2 6 o 2 80 2 50 2 8 x d 0 2 30 2 30 2 40 2 t a o ( s ) 8 29 18 98 5 t e o ( s ) 0 0 40 0 4o 0 30 0 5 x q 1 9 61 9 21 71 5 6 x q 0 4 60 4 20 60 7 5 x q 0 2 30 2 30 2 4 0 - 2 t q o ( s ) ll l0 9 t q o ”( s ) o 0 90 0 50 0 50 0 8 通过比对发现，p o w e r t e c h 实测参数与原厂参数比较接近，g e 实测参数、北电科 院参数与原j 一参数相差比较大，其中尤其以华北电科院实测参数与原厂参数相差最大。 同时，这四组参数在表征同步机的稳念运行的相差不大，但次暂念电抗、暂念电抗、 短路时间常数这些参数相差比较大，说明用这三组参数在表征机组稳念运行特性时 都还是比较准确的，用这些参数来表征同步机在异步运行时的性能是否准确，有待 迸一步分析。 3 2 参数的仿真对比 根据表一所示的托克托电厂l 拌机原厂参数、p o w e r t