（电力系统及其自动化专业论文）pss和svc联合抑制电力系统次同步振荡的研究.pdf

s t u d yo fc o o r d d 悄t e dp s sa n d s v cf o r d a t 讧p 矾gp o 、rs y s t e m s u b s y n c 之o n o u so s c j l a t i o n ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t l l e a s tu n i v e r s i 够 f o rt h ea c a d e m i cd e 铲e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y l in a n s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rj g p i n g s c h 0 0 1o fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s o u t l l e a s tu n i v e r s i 够 n o v e m b e r2 0 0 9 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： 塞掏 日 期：2 旦四：! ! ：l 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 塞襁 导师签名：日期： 摘要 论文题目： 研究生姓名： 导师姓名： 学校： p s s 和s v c 联合抑制电力系统次同步振荡的研究 蛐 整王 东南大学 摘要 由于我国电力工业大容量、远距离、跨区域输电要求的提出，电力系统中交流串补线路、高压 直流输电线路及其它一些有源快速控制装置的应用越来越广泛，在带来巨大经济效益的同时，也可 能激发系统次同步振荡( s s o ) ，给系统的安全稳定运行带来隐患。因此，研究次同步振荡的产生机 理及其抑制措施具有显著的工程价值和现实意义。本文在详细阐述电力系统次同步振荡机理的基础 上，以复转矩系数法为研究方法，研究了含有s v c 的电力系统次同步振荡问题，提出了利用p s s 和s v c 联合抑制次同步振荡的抑制策略。主要研究内容如一f ： ( 1 ) 在评价各分析方法优劣的基础上将复转矩系数法作为本文的主要研究方法，对复转矩系数法的 原理进行了数学描述，给出了复转矩系数法的具体判据以及适用范围，形成了一套适用于分析 次同步振荡问题的具体实现方法，并通过i e e e 次同步谐振第一标准测试系统验证了其正确性。 ( 2 ) 对含有s v c 的系统进行阻尼特性研究，理论分析s v c 对系统电气阻尼的影响，并通过测试信 号法和时域仿真法进行验证。对s v c 进行改造，设计了附加次同步阻尼控制器s s d c ，阐述了 其抑制次同步振荡的原理，以i e e e 次同步谐振第一标准测试系统为例，用复转矩系数法和时 域仿真法验证s s d c 能够有效抑制主谐振点附近的次同步谐振，大大缓解了次同步振荡。 ( 3 ) 研究了p s s 不同输入情况下对电力系统次同步振荡的影响，将传统p s s 抑制低频振荡的机理沿 用到次同步振荡范畴，比较不同输入信号对s s o 的抑制效果后选用以发电机角速度偏差作为改 进p s s 的输入信号来抑制系统s s o ，并通过相位补偿的原理设计p s s ，研究结果表明该改进p s s 能够同时提高所有扭振模式对应的阻尼，同时不影响其抑制低频振荡的功能。 ( 4 ) 根据改进p s s 和s s d c 在抑制s s o 时分别展现出的优势和不足，提出了利用p s s 和s v c 联合 抑制电力系统次同步振荡的方案，用测试信号法计算系统阻尼特性的变化，并通过时域仿真进 行验证，结果表明，两者联合运行抑制次同步振荡能够充分弥补双方的缺陷，在较宽频带内提 高系统阻尼，对串补引起的s s r 和大扰动引起的s s o 均获得理想的抑制效果，且效果优于两 者单独运行。 关键词：次同步振荡；静止无功补偿器；电力系统稳定器；联合抑制；复转矩系数法 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo fc o o r d i n a t e dp s sa n ds v c f o rd 锄p i n gp o w e rs y s t e ms u b s ”c h r o n o u so s c i l i a t i o n n a m e ：l ! 丛塑 s u p e r v i s o r ：! 挝鱼i n g u n i v e 倦i t ) ，：s o u t h e 舔tu n i v e r s i t ) ， a b s t r a c t h lo r d e rt os a t i s 矽t h ed e m 锄do fl a r g e c a p a c i 劬l o n g - d i s t 锄c ea n dc r o s s - r e g i o ni n p o w e r t r a n s m i s s i o ni no u rc o u n t r y ，t l l es e r i e sc a p a c i t o r s 锄dh v d c 订a n s m i s s i o nl i i l e s ，w h i c hc 锄l e a d e n o 彻o u se c o n o m i cb e n e f i t ，w i l lb eu dw i d e l yi np o w e rs y s t e m h o w e v e r t h es u b s _ ：y n c h r o n o u s o s c i l l a t i o n ( s s o ) a r i s i n g f r o mt h e r i e sc a p a c i t o r c o m p e n s a t i o na n dh v d ci sb e c o m i n ga n o n i 星田o r e dp r o b l e mw h i c hw i l lt h r e a t e nt h es a f e t yo ft h ep o w e rs y s t e m s oi ti so fd i s t i n c tv a l u eo f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na 1 1 dp r a c t i c a ls i 印i f i c 锄c e t 0s t u d yt h ep r i n c i p l e 柚ds u p p r e s s i o f s u b s y n c h r o n o u so s c i l l a t i o ni np o w e rs y s t e m s t h i sd i s s e n a t i o nm a i n l yf 0 c u s e so nt h er e s e a r c ho fs s o i n p o w e rs y s t e mi n c l u d i n gs v cb yu s i n gc o m p l e xt o r q u ec o e 衢c i e n tm e t h o d ，a f t e rd e t a i l e d l y i l l u s l ：r a t i n gt h ep r i n c i p l eo fs s o an e wm e t h o du s i n gc o o r d i n a t e dp s sa n ds v ct od 锄ps s oi s p r e s e n t e d t h em a i nw o r k sa r eo r g 卸i z e da sf o n o w s ： ( 1 ) a 舭rv a l u a t i n g l ea d v 锄t a g e s 锄dd i s a d v a n t a g e so fa l lm e t h o d su s e di n 廿l es s o 趴a l y s i s ，t h i s d i s s e r t a t i o nm a k e st l l ec o m p l e xt o r q u ec o e 衔c i e n tm e t h o d 嬲t h em a i nm e t h o di nt h i ss t u d y n d e s c r i b e sm et h e o 叮o fc o m p l e xt o r q u ec o e 币c i e n tm e t h o di nm a t l l e m a t i c s ，g i v e si t sc r i t e r i o n 锄d a p p i i c a b l e 瑚g e ，锄dt h e nf o 加sas p e c i a ll i l i z i n gm e t h o da d a p 忙dt 0t h es s o 柚a l y s i s ，w h i c hi s 印p r o v e dc o 丌e c tb ya p p l i c a t i n gi ni e e ef i r s tb e n c h m a r km o d e l ( 2 ) s y s t e md 锄p i n gc h a u r a c t e r i s t i cw i t l ls v ci l l c l u d e di sr e s e a r c h e d 锄dt h ei n f l u e n c eo fs v ct 0 也e s y s t e me l e c t r i c a ld a l l l p i n gi sg t u d i e dt h r o u g ht u e r o n i c a l 觚a l y s i sa i l dc o n f i m e db yt e s ts i 印a l m e t h o d 锄dd o m a i ns i m u l a t i o n s u b s y n c h r o n o u sd a n l p i n gc o n t r o l l e ri sd e s i 印e dt 0d a m ps s o t a k i n gi e e ef i r s tb e n c h m a r km o d e la st l l es t l d ym o d e l ，t h ea b i l i 够o fs s d c t oe n h 锄c e 也em a i n r e s o n 锄c ep o i n td 锄p i n ga n da l l e v ia ：c es s oi sv a l i d a t e db yb o t hc o m p l e xt o r q u ec o e 珩c i e n tm e t h o d 卸dt h et i m ed o m a i ns i m u l a t i o n ( 3 ) t 1 1 ei n f l u e n c eo fp s sw i t ld i f r e r e n ti l l p u ts i g n a l st 0s s oi ss t u d i e d g e n e m t o r 柚g u i a rs p e e d d e v i a t i o ni ss e l e c t e da st h ei n p u ts i g n a la r e rc o m p 删t op o w e rd e v i a t i o ns i g n a l t h e n ，i no r d e r t od a m p s s o ，p a r a l l e l c o n 6 9 u r a t i o np s s i sd e s i g n e db a s e do np h a s ec o m p e n s a t i o np r i n c i p l e t h e s i m u i a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i si m p r 0 v e dp s sc a ns i m u l t a i l e o u s l yi m p r 0 ea l lt h et o r s i o n a l v i b 翰t i o nm o d e sd a m p i n g ，w i t h o u ta a e c t i n gi t sd a m p i n gf h n c t i o nt ol o w - f - r e q u e n c yo s c i l l a t i o n s ( 4 ) am e t h o du s i n gp s sa n ds v ct o g e t h e rt 0r e 蛐r a i ns s oi sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h e 佗s p e c t i v e a d v a n t a g e 卸dw e a l ( n e s s e so fp s s 绷ds v c ni sp r 0 v e db yt e s ts i 舯a im e t h o d 锄dt i m ed o m a i n s i m u l a t i o nt h a tt h i sn e wm e t h o u dc 觚m l l yd e m o n s t m t et h ea d v a i l t a g e so fp s s 觚ds v ct 0 c o m p l e t e j yi l l l l i b i ts s oa n di m p r o v et h ee l e 硎c a l d 锄p i n g j na w i d e r b r o a d b a n d k e yw o r d s ：s u b s y n c h r o n o u so s c i l l a t i o n ( s s o ) ；贼i cv a rc o m p e n s a t r o r ( s v c ) ；p o w e rs y s t e m s t a b i l i z e r ( p s s ) ；j o i n ts u p p s s i o n ；c o m p l e xt o r q u ec o e f 酊c i e n tm e t h o d n 目录 4 3 1 配置滤波器前s t l a 励磁系统和p s s 的相位滞后特性4 7 4 3 2 含低通滤波器的p s s 对次同步振荡阻尼的影响4 8 4 4 设计改进p s s 以抑制次同步振荡4 9 4 4 1p s s 抑制次同步振荡的机理4 9 4 4 2p s s 相位补偿环节的设计5 0 4 4 3 改进p s s 结构的设计5l 4 5 时域仿真验证5 5 4 6 本章小结5 6 第五章p s s 和s v c 联合抑制次同步振荡 5 1 引言5 7 5 2 改进p s s 和s v c 对次同步振荡的联合抑制5 7 5 2 1 待研系统5 7 5 2 2 改进p s s 参数的设计5 7 5 2 3p s s 和s v c 对次同步振荡的联合抑制5 9 5 3p s s 和s v c 的协调问题6 2 5 4 本章小结6 2 第六章结论与展望 6 1 结论“ 6 2 展望。6 5 致谢 参考文献 附录am e e 次同步谐振第一标准测试系统的结构与参数 6 6 6 7 7 l a 1 电气参数。7 l a 2 机械轴系参数7 l 作者在攻读硕士学位期间完成的学术论文 v 摘要。 a b s t r a c t 目录 i 1第一章绪论。 1 1 课题背景和研究意义1 1 2 次同步振荡的产生机理2 1 3 课题研究现状。3 1 3 1 次同步振荡的分析方法3 1 3 2p s s 抑制次同步振荡的发展6 1 3 3s v c 抑制次同步振荡的发展7 1 4 本文主要工作9 第二章复转矩系数法在次同步振荡中的应用l o 2 1 引言10 2 2 复转矩系数法的原理1 0 2 2 1 单机对固定频率电源系统1 0 2 2 1 多机系统1 1 2 3 复转矩系数法的具体实现1 2 2 3 1 机械阻尼系数的求取1 2 2 3 2 电气阻尼系数的求取1 3 2 4 算例分析1 4 2 4 1 待研系统。1 4 2 4 2 复转矩系数法结果及分析。1 5 2 4 3 时域仿真验证17 2 5 本章小结1 9 第三章利用s v c 抑制电力系统次同步振荡2 0 3 1 弓l 言。2 0 3 2s v c 对电力系统阻尼的影响2 0 3 2 1 含s v c 的电力系统p h i l l i p s h e 丘酌n 模型2 0 3 2 2s v c 对系统阻尼转矩的影响2 3 3 2 3 仿真验证2 4 3 3 设计s s d c 抑制次同步振荡2 7 3 3 1s s d c 抑制次同步振荡的机理2 7 3 3 2s s d c 对系统阻尼的作用分析2 9 3 4s s d c 抑制次同步振荡的效果分析。3 0 3 5s v c 控制器参数改变对抑制次同步振荡的影响3 8 3 6 本章小结4 0 第四章利用p s s 抑制电力系统次同步振荡4 l 4 1 引言。4 l 4 2 传统p s s 对发电机组次同步阻尼特性的影响4 l 4 2 1 待研系统4 l 4 2 2 仿真分析4 4 4 3 引入低通滤波器改善p s s 对次同步振荡阻尼的影响4 7 第一章绪论 1 1 课题背景和研究意义 第一章绪论 我国东部经济发达，西部电力蕴藏丰富，随着用电负荷的迅速增涨，“西电东送” 格局的形成，我国电网的输送容量也不断增大，输电距离不断加长。然而提高远距离、 重载、跨区间交流输电系统的传输容量又通常受到其暂稳极限的限制。串联补偿技术是 一种提高稳定极限的经济有效的手段。加入串联电容后，线路的等效电抗随之减少，输 电线路的电气长度比实际线路长度减小很多。按小干扰稳定性原理，输电线路的传输容 量与其电抗成反比，因此与补偿度( 即容抗和感抗之比) 成正比例地增加。采用串联电 容补偿可以减少输电线的回路数，从而减少占用的输电走廊和耕地，不管对于走廊困难 的山区和经济发达的地区都显得十分必要【lj 。串补输电技术从1 9 世纪2 0 年代末便开始 应用1 2 川，随着电力系统电压等级的不断提升以及输配电技术的发展，串补技术已经在 全世界范围内得到应用，技术也日臻成熟。我国目前已有多项串补工程投运，如甘肃成 碧线2 2 0 k v 可控串补工程、江苏徐州投产的三堡串补工程，南方电网中天广( 天生桥 至广州) 一、二回5 0 0 k v 交流输电线路的广西苹果串补工程及贵广( 贵阳至广州) 5 0 0 k v 交流输电线路的广西河池串补工程等。这些串补工程的相继投运，为电力企业带来了巨 大的经济和社会效益。 但是，串补输电网络( 包括发电机、变压器、线路、串联电容器等部件) 将形成一 个电气谐振回路，如果这一电气谐振回路的固有频率与汽轮发电机组轴系扭振固有频率 互补时( 其和等于同步频率) ，就会因网机耦合而彼此互激，发生次同步谐振【5 j ( s u b s y n c h r o n o u sr e s o n a i l c e ，s s r ) 问题。2 0 世纪7 0 年代初，美国南加利福尼亚的 m o h a v e 发电厂在不到一年的时间内两次发生次同步谐振事故【6 1 ，导致汽轮发电机大轴 损坏，造成重大损失，从而引起电力工程界和学术界对次同步谐振的广泛关注。研究表 明，正是串联补偿电容产生的s s r 造成了m o h a v e 机组的损坏【7 1 。近年来，随着大功率 机组和远距离、超高压输电系统的投入运行，国内外陆续生了多起扭振造成的机组严重 损毁的重大事故，这些事故所涉及的机组包括单机容量为5 0 0 m w 以上容量的火电机组 以及9 0 0 m w 的核电机组，造成了巨大的经济损失。次同步谐振问题问题已被公认是影 响大机组和大电网安全经济运行的一个重要因素，成为发展大电网和大机组所急需解决 的关键技术问题。国际上已经形成共识，串补输电工程必须经过谨慎规划，乃至采取必 要的抑制措施，以避免发生次同步谐振事故。 2 0 世纪7 0 年代以来，在电力电子技术迅速发展的推动下，静止无功补偿装置( s t a t i c 、kc o m p e n s a t o r ，s v c ) 问世。s v c 的基本特点之一是响应快，它能快速向节点提供容 性无功，使稳态方式下节点的无功功率平衡状态维持在较高电压水平，以提高电压储备 能力、输电线路的输送能力；故障时能使节点，尤其是关键节点获得强有力的电压支撑， 防止电压稳定破坏。由于它具有能够快速向电网提供无功的作用，在高电压、大容量、 东南大学硕士学位论文 长距离输电大电网中的应用得到迅速发展，到2 1 世纪初，全世界已有3 0 0 多套s v c 在 输配电系统中安全运行【8 l 。为提高电网的安全、稳定和经济运行水平，国家电网公司于 2 0 0 4 年8 月2 4 日以 2 0 0 4 4 3 7 号文发布了国家电网公司电力系统无功补偿配置技 术原则。该文规定了系统中无功补偿配置的基本原则，明确了5 0 0 ( 3 3 0 ) l 及以下 各电压等级变电站( 包括电力用户) 的无功补偿要求，其中第五条规定：“受端系统应 有足够的无功备用容量。当受端系统存在电压稳定问题时，应通过技术经济比较，考虑 在受端系统的枢纽变电站配置动态无功补偿装置。 1 9 j 随着大容量、高电压、长距离的国家统一电网的发展，提升电力系统安全优质经济 运行水平、提高电网输送能力的工作日益重要，给s v c 的生产、应用和发展开辟了广 阔的前景。而次同步振荡问题在含有s v c 这类非线性元件的电力系统中将变得更加复 杂。研究s v c 的出现对次同步振荡产生的影响以及含有s v c 系统中次同步振荡的抑制 策略具有重要的现实意义和经济价值。 1 2 次同步振荡的产生机理 根据i e e e 工作组的定义，次同步谐振( s u b s y l l c h r o n o u sr e s o n a l l c e ，s s r ) 是指电 力系统的一种不正常运行状态，在这种运行状态下，电气系统和汽轮发电机组以低于系 统同步频率的某个或多个振荡频率交换显著的能量，从而危害汽轮发电机轴系安全的动 态过程。次同步振荡( s u b s ) ，i l c h r o n o u so s c i l l a t i o n ，s s o ) 比次同步谐振概念的范围要大 一些，它在更广的范围内研究机电耦合系统的相互作用，即汽轮发电机组和诸如p s s 、 h v d c 以及f a c t s 装置等电气设备之间的相互作用。 次同步振荡的研究主要包括以下四个方面的内容： ( 1 ) 感应发电机效应 感应发电机效应是由系统中的串补电容引起的。设串补电容补偿度为七，若发电机 等值次暂态电抗x 。彤 哦三( o 为工频) ，则l c 电路发生电谐振的角频率近似为 。，：1 二：靠矗 蛾，即谐振频率为次同步频率。设电网中有此频率的电扰动，由于同 0 l c 、 步电机转子以o 同步速旋转，对于定子中频率为盯的电流分量而言相当于一台异步电 机转子。因此同步机相当于一台异步发电机，从而可向电网提供维持。，分量的能量， 若此能量足够大且大于电阻r 的损耗就能使振荡持续下去【l o 】。 由感应发电机效应引起的次同步振荡属于电力系统电气自激振荡。 ( 2 ) 机电扭振互作用 当系统的电气谐振频率和发电机轴系的自然扭振频率成一定关系时，还可能发生由 于发电机轴系和电网络间的相互作用而引起轴系扭振不稳定，造成轴系破坏，通常称之 为“机电扭振互作用”。 设发电机转子在一个扭转频率磊下发生振荡，磊能导出电枢电压分量频率石，其表 达式为石= 石士厶，当其中的次同步频率分量接近于电气谐振频率厶时，使得电枢电流 2 第一章绪论 产生一个磁场，该磁场能产生使发电机转子振荡加强的转矩，这就使由次同步电压分量 导致的次同步转矩将得以维持。如果次同步频率分量和转子转速增量的相位相同，而且 等于或超过转子固有机械阻尼转矩时，就会使轴系的扭振加剧【1 1 】。 由机电扭振互作用引起的次同步振荡属于电力系统机电振荡。 ( 3 ) 暂态力矩放大作用 电力系统在发生故障、进行重合闸及非同期合闸时，会出现严重的过渡过程，发电 机的暂态电量中可能会含有频率和轴系自然扭振频率互补的分量。若系统在此频率下电 气阻尼很小，则轴系可能在相应的电磁力矩下产生较大幅度的振荡。此时，即使跳开发 电机出口开关，轴系仍将在弱阻尼下作缓慢衰减的扭振，而造成疲劳损伤，影响轴系的 寿命。这一作用通常称为“暂态力矩放大”作用。 在有串联补偿电容的系统中，当电气谐振频率疋和机械轴系扭振自然频率互补 ( 厶t 石1 ) 时，很容易在大扰动下激发电气谐振频率磊下的幅值很大的电流成分，并造 成频率为( 1 _ 石) 的暂态电磁力矩，引起轴系扭振【l 。其后果比无串补电容的电力系统 在同样大扰动下相应的后果严重得多。 与由小干扰引起的机电扭振互作用不同，暂态力矩放大作用是由大干扰激发，但其 引发的次同步振荡也属于电力系统机电振荡。 ( 4 ) 由电气装置引起的次同步振荡 2 0 世纪7 0 时代末发现h v d c 及其控制系统会引起汽轮发电机组的轴系扭振，随后 发现其它有源快速控制装置，如电力系统稳定器( p s s ) 、静止无功补偿器( s v c ) 、汽 轮机高速电液调速系统以及电机调速用换流器等，在一定条件下均可引起汽轮发电机组 轴系扭振。一般的说，任何对次同步频率范围内的功率和速度变化响应灵敏的装置，都 是潜在的次同步振荡激发源，而由此引起的发电机组次同步扭振现象被统称为“装置引 起的次同步振荡”【1 0 ，1 2 j 。 电力系统稳定器( p s s ) 在电力系统的稳定运行中占有特殊重要的地位，p s s 对系 统低频振荡模态( 振荡频率为o 1 2 0 h z ) 虽然能够提供良好阻尼，但也可能引发轴系 扭振模态的次同步振荡，其原因是它可能将对应于轴系次同步扭振模态频率的一个或者 多个振荡信号注入发电机励磁绕组。在高压直流输电系统中，由于换流器能产生较宽频 带的电流，故h v d c 也可能通过定电流、定电压和定直流功率等控制回路激发汽轮发 电机组轴系扭振。 1 3 课题研究现状 1 3 1 次同步振荡的分析方法 次同步振荡问题一般有以下几种分析方法： ( 1 ) 频率扫描分析法 频率扫描分析法是一种近似的线性方法，利用该方法可以筛选出具有潜在s s o 问 题的系统条件，同时可以确认不对s s o 问题起作用的系统部分【1 3 ，1 4 1 。频率扫描分析法的 东南大学硕士学位论文 具体做法为：需要研究的相关系统用正序网来模拟；除待研究的发电机之外的网络中的 其它发电机用次暂态电抗等值电路来模拟；待研究的发电机用图1 1 ( b ) 中的虚线左侧部 分来模拟，其中的电阻和电感随频率而变化。频率扫描法针对某一特定的频率，计算从 待研究的发电机转子后向系统侧看进去的等效阻抗，通常称该等值阻抗为s s o 等值阻 抗。频率扫描法计算的结果可以得到两条曲线，一条是s s o 等值阻抗的实部( s s o 等 值电阻) 随频率而变化的曲线，另一条是s s o 等值阻抗的虚部( s s o 等值电抗) 随频 率而变化的曲线。根据这两条曲线，可对次同步谐振的三个方面问题( 即异步发电机效 应、机电扭振互作用和暂态力矩放大) 作出初步的估计。 s s o 的分析通常从频率扫描开始，因为它是一种最省力而有效的方法。利用频率扫 描程序分析多种系统结构和多种串联补偿度的s s o 问题所需要的成本比采用其它模型 要低得多。但该方法存在以下缺点：因为其理论基础是线性系统的叠加原理，因此如果 系统中含有h v d c 换流装置或f a c t s 设备等非线性元件时，该方法就将遇到困难；同 时，该方法没能考虑到运行工况以及控制器动态对s s o 的影响，难以用于分析机电扭 振作用引起的轴系扭振问题；而且，作为s s o 问题分析中的重要元件，同步发电机的 模型被简化，因此会影响最终的分析精度。 ( 2 ) 机组作用系数法 对于一个规划好了的直流输电系统，估计其是否会引起次同步振荡问题，相对来说 是比较简单的。i e c 9 1 9 3 标准提出了一种定量的筛选工具，用来表征发电机组与直流输 电系统相互作用的强弱。这种方法称为机组作用系数法( u i l i ti n t e r a c t i o n f a c t o r ，u i f ) 。 该方法的具体内容为： 直流输电整流站与第i 台发电机组之间相互作用的程度可用下式表达【1 2 ，1 3 ，1 5 1 啷= 等”岛) ( 1 - 1 ) 式中，叫e 为第i 台发电机组的作用系数；脱为直流输电系统的额定容量；s 为第i 台发电机组的额定容量；踞为直流输电整流站交流母线上的三相短路容量，计算该短 路容量时不包括第i 台发电机组的贡献，同时也不包括交流滤波器的作用；跏7 为直流 输电整流站交流母线上包括第i 台发电机组贡献的三相短路容量，计算该短路容量时不 包括交流滤波器的作用。 判别准则为：若卅e o 1 ，则可以认为第i 台发电机组与直流输电系统之间没有显 著的相互作用，不需要对次同步振荡问题作进步的研究。 ( 3 ) 特征值分析法 利用系统在小扰动下的线性化模型，可以计算出系统的各个特征值、对应的特征矢 量及相关因子。据此可以分析轴系扭振模式及其阻尼特性，以及轴系质量块的扭振幅度 和相位的相对关系；可以找出与扭振模式强相关的质量块，以便进行监测；可以对扭振 模式，特别是有次同步振荡危险的模式，进行灵敏度分析，以便采取有效的预防对策 【l o ，l l ，1 6 j o 特征值分析法的优点是可以得到上述大量有用的信息，容易分析对策实施前后的特 4 第一章绪论 征值变化情况，与线性控制理论相结合还可用于设计控制器以抑制次同步振荡，除了暂 态力矩放大作用之外，其它的次同步振荡问题均可进行分析。但特征值分析法有“维数 灾 的问题，随着现代电力系统规模的日益增大，该问题越来越严重。其次是在处理 h v d c 引起的s s o 问题或含有f a c t s 装置的系统s s o 问题时存在局限性，其原因是 难以建立一套在次同步和超同步频率范围内皆适用的h v d c 或f a c t s 的小扰动模型。 此外，特征值分析法只能得到若干孤立频率点( 特征值相应频率处) 的电气阻尼特性， 而无法得到电气阻尼随频率变化的全貌，因而不利于抑制对策的确定。一般工程中可将 系统作简化后用特征值分析法进行分析。 ( 4 ) 复转矩系数法 复转矩系数法这个概念是1 9 8 2 年由i m c a n a y ( b b c 公司) 最先提出的，该方法在 次同步频率范围内对轴系机械复转矩系数及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) 的正负来判定系统是否会发生次同步振荡。复转矩系数法适用于机电扭振互 作用和装置引起的次同步振荡的分析，可以得到电气阻尼系数随频率变化的全貌，物理 透明度大，可以分析各参数变化对电气阻尼特性曲线的影响，有利于采取s s o 的对策： 此外还可以考虑到各种控制系统的动态过程及运行工况对次同步振荡的影响。在待研机 组轴系参数不齐全时，该方法相对于特征值分析法具有一定的优越性。 ( 5 ) 时域仿真法 所谓时域仿真法就是用数值积分的方法一步一步地求解描述整个系统的微分方程 组。这种方法可以详细地模拟发电机、系统控制器以及系统故障、开关动作等各种网络 操作。时域仿真法的现成程序最典型的有e m t p 、e m t d c 等电磁暂态仿真类软件以及 n e t o m a c 等电磁暂态、机电暂态集成仿真类软件【1 7 j 。 时域仿真法的优势是可以得到各变量随时间变化的曲线，可以计及各种非线性因素 的作用，既可用于大扰动下次同步振荡的研究，也可用于小扰动下次同步振荡的研究， 同时它是研究暂态力矩放大作用的基本工具。缺点是难以鉴别各个扭振模式和阻尼特 性，对次同步振荡产生的机理、影响因素及预防对策不容易提供信息，且在用于小扰动 下次同步振荡的研究时，存在两个困难：需要很长的仿真时间来确定转矩或转速的变 化率以便确定振荡是否稳定，这在实用中有时是不可能做到的；轴系模型用的是质量 弹簧模型，需要输入质量块的机械阻尼系数和弹簧块的材料阻尼系数，而目前机械 阻尼测得的是模态下的阻尼，将它转化为质量一弹簧模型下的阻尼是有困难的。 ( 6 ) p r o n y 分析方法 p r o n y 方法是用指数函数的线性组合来拟合等间隔采样数据的方法，可以从中分析 出信号的频率、衰减因子、幅值和相位【l 引。其最大的优点就是既可以对仿真结果进行分 析，又可以对实时测量数据进行分析。其中对实时测量数据的分析，可以在未知系统模 型的状况下，得到降阶的传递函数，这在控制器设计有很重要的意义，例如可以用于 p s s 参数整定，h v d c 小信号调制的参数设定等i l 州。 p r o n y 分析法是用一组衰减余弦信号分量之和来估计原始信号的方法，其中每个 东南大学硕士学位论文 衰减余弦信号包括频率、幅值、阻尼因子和初相位4 个要素。当电力系统因故障引起暂 态过程时，暂态信号经常是随时间快速衰减的，还可能包含很强的非周期衰减分量。 基于p r o n y 算法的时域分析方法可以直接分析电网实测量，不受模型阶数和电网规 模的限制，克服了传统特征值分析法和复转矩系数法的局限性【2 0 1 。于是运用p r o n y 分析 法研究辨识系统的次同步振荡的振荡频率及阻尼特性，以此为依据，对复转矩系数法分 析的结果进行验证，确保系统分析的有效性。 1 3 2p s s 抑制次同步振荡的发展 自从m o h a v e 发电厂在不到一年的时间内先后两次经历s s r 引起的汽轮发电机组大 轴损坏事故之后，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 系列预防和抑制s s r 的措施，这些措施涉及到励磁控制、继电保护、扭振监测、阻尼 控制、设计规范与运行规程等多个方面【2 1 2 引。 在众多针对轴系扭振的措施中，通过同步发电机励磁系统来实现轴系扭振的反馈控 制，已被公认为是一种最为简单、经济和有效的方法。这主要是出于以下考虑：同步发 电机实现电能和机械能转换过程，是扭振机械系统和电气系统之间的枢纽元件，对扭振 特性有着重要影响；同步发电机及其励磁系统是大型汽轮发电机组不可缺少的组成部 分，且在被控制的低电压和低能量一侧；同步发电机及其励磁系统由电磁元件组成，响 应速度快，且没有机械磨损问题；扭振励磁控制具有控制效果好、能够快速适应系统负 荷和扰动激励频率的变化等潜在的优越性【2 0 】。 使用励磁控制系统抑制轴系扭振最早在1 9 7 5 年提出【2 5 】，该设想提出以后，受到了 国内外学者的广泛关注，文献【2 6 2 9 】研究了s s r 反馈信号的获取，文献【3 0 】基于传统的 电力系统稳定器( p s s ) ，利用特征根方法设计p s s 各环节参数以实现对扭振的抑制， 该控制器又称为稳定控制电路( s c c ) 。文献【3 1 】提出了抑制轴系扭振的改进型电力系统 稳定器的设计原则一一分离模态设计原则，针对不同扭振模态分别设计其附加控制回 路。据可查资料，国外仅美国g e 公司在2 0 世纪7 0 年代中后期分别在n a v 匈。电厂和 j i mb r i d g e r 电厂实施了2 例工程，但相关的技术细节没有公开的资料可供参考。 近年来，次同步振荡问题也受到了国内学者的广泛关注，文献【3 2 】采用时域仿真 实现的复转矩系数法，测试信号法，以a c 认型、a c 2 a 型以及s t 忪型3 种标准的励 磁系统和i e e e 单通道的电力系统稳定为研究对象，分析了它们对发电机组次同步谐振 阻尼特性的影响。文献 3 3 】根据励磁系统的相位滞后特性，对p s s 的相位补偿环节进 行设计，利用多个串联的超前滞后环节补偿低频段及次同步频段的相位，从而实现缓解 次同步谐振的目的。文献【3 4 】基于阻尼特性分析对抑制次同步振荡的附加励磁系统阻 尼控制器( s e d c ) 进行了详细研究。结果表明，s e d c 在不采用带通滤波器的方式下， 将转速偏差经适当移相及放大，通过对励磁电压的调节，可以提供足够的阻尼转矩抑制 次同步谐振；采用带通滤波器可大大提高通带频率对应的电气阻尼，同时对多个模态采 用带通滤波，可以同时提高各个扭振频率处的电气阻尼，有利于次同步谐振的抑制。北 方电力公司、清华大学、四方公司合作，自主研发了国产附加励磁阻尼控制装置，并于 6 第一章绪论 2 0 0 8 年1 0 月3 1 日在华能北方公司上都电厂试验成功。至此，我国在长距离点对网输 电线路加装串补装置后，抑制次同步谐振技术上获得重大突破，标志着我国在该领域的 技术已处于世界领先水平。与此同时，发表了s e d c 关键技术、运行工况、对发电机励 磁影响等相关文献【3 5 。弱】，为励磁控制系统抑制次同步振荡的研究提供了巨大的参考价 值。文献 3 5 】以上都电厂串补输电工程( 二期) 为例，阐述多模态s s r 的发生机理， 分析采用附加励磁阻尼控制( s e d c ) 抑制多模态s s r 的基本原理及其相对于其他措施 的特点和优势，并重点探讨s e d c 研发中面临的关键技术问题及其解决思路，为中国自 主研发和应用s e d c 设备解决s s r 问题奠定基础。文献 3 6 】在上都电厂4 号机上进行 了附加励磁阻尼控制( s e d c ) 提高次同步扭振阻尼的现场试验，介绍了试验的