（电力系统及其自动化专业论文）电力系统次同步振荡抑制技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 ( 5 ) 针对s v c 装置在抑制次同步振荡方面的应用进行了全面的研究。对s v c 抑制s s o 的基本工作原理、控制策略及容量的估计方法进行了总结。在此基础上， 建立了s v c 的真实时域仿真模型，设计了专门抑制s s o 的比例型控制器，电气阻 尼分析及时域仿真结果均表明s v c 能有效地抑制s s o 。通过具体的工程实例，进 一步验证了s v c 在抑制s s o 方面的有效性。 ( 6 ) 基于d q 同步旋转坐标系下s s s c 的数学模型，提出电压外环电流内环的 双环控制策略。建立了s s s c 的仿真模型，包括具体开关元件及其双环控制器，通 过时域仿真验证了此控制系统的有效性。基于i e e e 次同步谐振第一标准测试系统， 考虑仅由固定电容提供补偿以及其中一部分由s s s c 提供补偿的两种串补方案，通 过电气阻尼分析s s s c 对发电机组次同步阻尼特性的影响。 ( 7 ) 针对由直流输电引起的s s o 问题，分析了其产生的机理，在此基础上对 抑制s s o 的原理进行了深度剖析，提出了根据相位补偿原理设计s s d c 的方法， 这种方法物理概念清晰，实现方便。电气阻尼分析及时域仿真结果表明其能有效 的抑制由直流输电引起的s s o 。 关键词：电力系统，串联电容补偿，直流输电系统，次同步振荡，次同步谐振， 抑制技术，扭振相互作用，复转矩系数，测试信号法，电气阻尼，励磁系统，电 力系统稳定器，附加励磁系统阻尼控制，晶闸管控制串联电容器，静止无功补偿 器，静止同步串联补偿器，次同步阻尼控制器 浙江大学博士学位论文a b s t r c t r e s e a r c ho nt h ec o u n t e r m e a s u r e st o s u b s v n c h r o n o u s0 s c f l l a t i o no fp o w e r s y s t e m s a b s t r a c t w i t l lt h ee x t e n d e di m p l e m e n t a t i o no fw e s t - t o - e a s tp o w e rt r a n s m i s s i o np r o j e c ti n c h i n a , l o n gd i s t a n c ea n dh i g hp o w e rt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ei si m p e r a t i v e i no r d e rt o i m p r o v ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t ya n de n h a n c et h el e v e lo fp o w e rt r a n s f e rc a p a b i l i t yo f e x i s t i n gt r a n s m i s s i o nl i n e s ，s e r i e sc a p a c i t yc o m p e m a t i o ma n dh v d ct r a n s m i s s i o n s y s t e m sw i l lb ew i d e l yu s e di no u re o u n t r y h o w e v e r , 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 a r i s i n gf r o mt h es e r i e sc o m p e n s a t i o n sa n dh v d cb e c o m ean o n - i g n o r dp r o b l e mw h i c h w 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 s oi ti so fd i s t i n c tv a l u eo fe n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o na n dp r a t i c a ls i g n i f i c a n c et om s e a r c ht h ec o u n t e r m e a s u r e st os u b s y n c h r o n o a s o s c i l l a t i o n so ft h ep o w e rs y s t e m s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so i ls e v e r a lt y p i c a ld a m p i n g s o l u t i o n sw i t hn e wi d e a sa n dn e wd e s i g nm e t h o d s b ym e a n so fe l e c t r i c a ld a m p i n g a n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o nv a l i d a t i o n s t h ed a m p i n ge f f e c t so fe a c hs c h e m ea r c r e s p e c t i v e l ys t u d i e d t h em a i nw o r k s a r eo r g a n i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e r t od e s c r i b et h es t r e n g t ho ft 1 1 et o r s i o n a l i n t e r a c t i o n so ft h e t u r b i n e - g e n e r a t o ru n i t s , t o r s i o n a li n t e r a c t i o nf a c t o r ( w ) i sd e f i n e da n di st a k e na sa n i n d e xt oe s t i m a t et h ee x i s t e n c eo ft o r s i o n a li n t e r a c t i o n so fu n i t s b yt i m ed o m a i n s i m u l a t i o nm e t h o d ，t h et o r s i o n a li n t e r a c t i o n so ft u r b i n e g e n e r a t o ru n i t sa r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t es o m ec o n c e p t so nt h et o r s i o n a li n t e r a c t i o n so ft h eu n i t s a n dp r o v i d et h eb a s i sf o rt h er e d u c t i o np r i n c i p l e so fm u l t i - m a c h i n ep o w e rs y s t e m sf o r s s o s t u d y ( 2 ) t h er e a l i z a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o nf i e l do ft h et e s ts i g n a lm e t h o dw h i c hi s t a k e na st h ea n a l y s i sm e t h o do ft h i sd i s s e r t a t i o ni si n t r o d u c e d b a s e do nap r a c t i c a l p r o j e c ti nt u o k e t u op o w e rp l a n t , a l li n t e g r a t e da p p r o a c hc o m b i n i n gt h ec a l c u l a t i o no f e l e c t r i c a ld a m p i n gv e r s u sf r e q u e n c ya n dt i m ed o m a i ns i m u l a t i o ni sa p p l i e di na n a j y z i i i g t h es s rp r o b l e mo ft u o k e t u op o w e rp l a n tc a u s e db yi t ss e r i e sc o m p e n s a t i o n t r a n s m i s s i o ns c h e m e t h ef i n a lr e s u l t sc a nb cu s e da sg u i d a n c et od e s i g nt h es e r i e s c o m p e n s a t i o nt r a n s m i s s i o ns c h e m ef o rt u o k e t u op o w e rp l a n tp h a s ef o u r a n db yt h i s e x a m p l ei ts h o w st h a tt h et e s ts i g l l a lm e t h o di se a s yt oi m p l e m e n ta n ds u i t a b l ef o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ( 3 ) t h es o l u t i o nt om i t i g a t et h es s ob a s e do nt h ee x c i t a t i o ns y s t e mi ss t u d i e di n d e t a i l t h ei n f l u e n c e so fs e v e r a lt y p i c a le x c i t a t i o ns y s t e m sa n dp s sw i t h o u ta n y i l l 浙江大学博士学位论文 a d d i t i o n a ld a m p i n gc o n t r o lo nd a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so fu n i t ss u b s y n c h r o n o u s r e s o n a n c ea r ea n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s e s , am e t h o df o rd a m p i n gs s ob yd e s i g n i n g t h ep h a s ec o m p e n s a t i o nb l o c ko fp s si ss t u d i e d 皿ee l e c t r i c a ld a m p i n gc a l c u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h i ss c h e m ec a l lm i t i g a t et h es s ot os o m ee x t e n t , b u tt h ed a m p i n g c a p a b i l i t yi sn o ta b s o l u t e f u r t h e rad a m p i n gs c h e m eu s i n gas u p p l e m e n t a r ye x c i t a t i o n d a m p i n gc o n t r o l l e ri sa n a l y z e da n dad e s i g nm e h o db a s e do np h a s ec o m p e n s a t i o ni s p r e s e n t e d t h ee f f e c t i v e n e s so ft h es e d c f o rd a m p i n gt h es s oi sv a l i d a t e db yb o 也t h e e l e c t r i c a ld a m p i n ga n a l y s i sa n dt h et i m ed o m a i ns i m u l a t i o n ( 4 ) t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft c s cc o n s i d e r i n gt h es w i t c h i n gc i r c u i ti sb u i l tb y p s c a d ，e m t d c t h es t u d ys y s t e mi sm o d i f i e df r o mt h ef i r s ti e e es s ob e n c h m a r k m o d e lb yc h a n g i n ga p a r to ft h ef i x e ds e r i e sc a p a c i t o rt ot c s c n ”o p e n - l o o pc o n t r o l a n dt h r e et y p e so fc o s c l o o pc o n t r o li n c l u d i n gc o n s t a n tc u r r e n t , c o n s t a n tp o w e ra n d p o w e ro s c i l l a t i o nd a m p i n gc o n t r o la r er e s p e c t i v e l yc o n s i d e r e d 皿ei m p a c t so ft h e t h y r i s t o re o n d u t i n ga n g l e sa n dt h ec o n t r o lp a r a m e t e r so ft h et c s co nt h ee l e c t r i c a l d a m p i n ga r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o n sp r o v i d et h er e f e r e n c e s f o rt h ed e s i g na n dt h e o p r a t i o no f t h et c s ct oa v o i dt h es s o ( 5 ) ac o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho ns v cf o rd a m p 咄t h es s oi sd e v e l o p e d 1 k b a s i co p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h es v ct od a m pt h es s o 、t h ev a r i o u sc o n t r o ls t r a t e g i e sa n d t h em e t h o do fe s t i m a t i n gt h es i z eo ft h es v ca r ea l li n t r o d u c e di nd e t a i lt h e na s i m u l a t i o nm o d e lo fs v ci sb u i l ta n di t sp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d n e e f f e c t i v e n e s so ft h es v cf o rd a m p i n gt h es s oi sv a l i d a t e db yb o t ht h ee l e c t r i c a l d a m p i n ga n a l y s i sa n dt h et i m ed o m a i ns i m u l a t i o n f u r t h e rad e t a i l e dp r a c t i c a lp r o j e c ti s s t u d i e dt 0e x h i b i tt h ee f f c t i v e n e s so f t h es v cf o rd a m p i n g t h es s o ( 6 ) t h em a t h e m a t i cm o d e lo fs s s ci nd qr e f e r e n c ef l a m ei sf o u n d e da n da d o u b l e l o o pc o n t r o li n c l u d i n ga ni n n e rl o o pa d o p t i n gc u r r e n tc o n t r o la n da no u t e rl o o pa d o p t i n g v o l t a g ec o n t r o li sa d o p t e dt oe o n l r o lt h ei n v e r t e ro f t h es s s c ad e t a l l e dm o d e lo f t h e s s s ci n e l u d i n gi t ss w i t c h i n gc i r c u i ta n di t sc o n t r o l l e ri sb u i l t 耵1 ee f f e e t i v e n e s so ft h e c o n t r o ls y s t e mi sv f l i d a t e db yl h es i m u l a t i o n s t h e nt h ei e e ef i r s tb e n c h m a r km o d e l w i t has s s ca sap a r to ft h et o t a lc o m p e n s a t i o nj sc o n s i d e r e da n dt h ei n f l u e n e e so ft h e s s s co nt h es u b s y n c h r o n o u sd a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ci n v e s t i g a t e d ( 7 ) a i m i n ga tt h es s op r o b l e ma r i s i n gf r o mh v d c ，i t sm e c h a n i s mi sa n a l y z e d a n dt h ep r i n c i p l eo fd a m p i n gt h es u b s y n c h r o n o u so s c i l l a t i o n si se x p o u n d e d t h e na m e t h o do fd e s i g n i n gt h es s d cf o ra nh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nt h ep h a s e c o m p e n s a t i o ni sp r e s e n t e d t 1 1 i sm e t h o di so fc l e a rp h y s i c a lc o n c e p ta n dc a nb e v 浙江大学博士学位论文a b s l r c t i m p l e m e n t e de a s i l y t h ee l e c t r i c a ld a m p i n ga n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o w t h a tt h ed e s i g n e ds s d cc a ne f f e c t i v e l yd a m pt h es s o a r i s i n gf r o mh v d c k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m s ，s e r i e sc a p a c i t o rc o m p e n s a t i o n , h v d c ，s 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 u b s y n c h r o n o u sr e s o n a f l c e ，d a m p i n gt e c h n o l o g y , t o r s i o n a li n t e r a c t i o n , c o m p l e xt o r q u ec o e f f i c i e n t , t e s ts i g n a lm e 山o d ，d e c t r i c a ld a m p i n g ，e x c i t a t i o ns y s t e m , p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r , s u p p l e m e n t a r ye x c i t a t i o nd a m p i n gc o n t r o l ，t h y r i s t o r - c o n l r o l l e d s e r i e s c a p a c i t o r , s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r , s t a t i cs y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r , s u b s y n c h r o n o u sd a m p i n gc o n 缸o l l e r v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 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 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多艮、巾凡 签字日期： 2 刃7 年9 月穸曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：弓妖帆 导师签名 签字日期：2 印7 年穸月夕目 錾友 签字隰却年穸月夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：浙江省电力公司 通讯地址：杭州市黄龙路8 号浙江省电力公司 电话：1 3 5 7 5 4 5 9 7 0 1 邮编：3 1 0 0 0 7 浙江大学博士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 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。 次同步振荡问题的最早讨论始于1 9 3 7 年，经过几十年的不断探索和研究，对 次同步振荡产生的原因和机理已有清晰的认识1 1 捌，究其产生的机理，我们可以将 其分为两大方面的问题。 一是交流输电系统中由串联电容补偿引起的电力系统次同步谐振问题。电气 谐振回路的存在是此现象发生的条件。根据次同步谐振产生的原因和造成的影响， 可以从三个方面加以描述，即异步发电机效应( i n d u c t i o n g e n e r a t o r e i f e c t ，i g e ) 、 机电扭振互作用( t o r s i o n a li n t e r a c t i o n , t i ) 和暂态力矩放大作用( t o r q u e a m p l i f i c a t i o n , t a ) 1 3 a , 5 】。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，轴系损坏可以由长时间的低幅值扭振积累所致，也可以由短时间的高幅 值扭振所致p j 。 另一方面是由装置引起的次同步振荡问题。最初发现m ，d c 及其控制系统会 引起汽轮发电机组的轴系扭振，随后发现其他如电力系统稳定器( p s s ) 、静止无 功补偿器( s v c ) 、汽轮机高速电液调速系统、电机调速用换流器等有源快速控制 装置在一定条件下均可能引起汽轮发电机组次同步振荡。一般地说，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问题则被统称为“装置引起的次同步振荡”。因 这里不存在谐振回路，故不再称为次同步谐振( s u b s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ，s s r ) ， 而称之为次同步振荡( 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 ) ，从而使得含义更为广泛。 我国地域辽阔，能源分布及负荷发展极不平衡，水利资源主要集中在西南数 省，煤炭资源主要集中在山西、陕西和内蒙西部，而负荷则主要集中在东部沿海 地区，因此远距离大容量输电势在必行。但与发达国家相比，我国的电网线路输 送能力明显偏低。我国目前正处在5 0 0 k v 网络初步形成、2 2 0 k v 电网逐步改造实 现分区运行的发展阶段，电网运行中存在的主要问题是输送容量较低。受暂稳极 限限制，5 0 0 k v 长距离送电线路输送能力在6 0 万1 0 0 万千瓦，与国外相比有4 0 万8 0 万千瓦的差距，短期内很难完全消除。而这些差距成为电力送出的掣肘。目 浙江大学博士学位论文第一章绪论 前，国家电网公司系统有约4 0 个电厂送出系统受阻，如我国内蒙古的托克托、上 都电厂，陕西的锦界电厂，东北的伊敏电厂等，此外华东约有1 0 余家电厂会在汛 期出现电厂送出受阻情况，总计受阻容量约9 4 5 万千瓦1 6 j 。克服此问题，解决方案 有二：一是提高现有电网输送能力，二是新建线路。我国目前大中城市的空中输 电走廊已没有发展余地，唯有大力提高电网输送能力。交流输电线路的串联电容 补偿，对于提高交流输电线路输送能力、控制并行线路之间的功率分配和增强电 力系统暂态稳定性等是一种经济而有效的手段。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、江苏徐卅l 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。在今后互联电网的建设中， 串联电容补偿势必将得到更加广泛的应用。但是电网中大容量火电机组也将不断 增多，而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非常容易引发次同步振荡。因此，解决次同步振荡问 题成为推广应用串补电容的技术关键问题之一。 另一方面，直流输电技术以其技术上、经济上的独特优势，在远距离大容量 输电和全国联网两个方面对我国电力工业的发展起到十分重要的作用。目前，直 流输电技术己在我国得到广泛的应用。根据规划，在未来2 0 年中，南方电网将会 出现7 条或更多直流输电线路，华东电网也将出现7 条或更多直流输电线路，华 中电网将会出现近1 0 条直流输电线路【5 l 。随着大批直流输电工程的陆续投入，由 此引发的直流输电系统s s o 问题以及其他直流安全稳定问题就成了重中之重。因 此，研究由直流输电引起的次同步振荡问题同样具有重要意义。 1 2 次同步振荡的抑制措施 1 2 1 由交流线路串联电容补偿引起的s s o 的抑制措施 自1 9 7 0 年和1 9 7 1 年美国m o h a v e 电站先后发生两次次同步谐振事故而引起发 电机组大轴严重损坏后，有关科技工程界以及i e e e 次同步谐振工作组，就对次同 步振荡问题进行了大量的研究，提出了各种抑制发电机次同步振荡的措施。这些 抑制措施大体上可以分为四类1 7 】： ( 1 ) 阻尼和滤波 ( 2 ) 继电保护及监测保护 ( 3 ) 系统开关操作和机组切除 ( 4 ) 发电机组和系统的改造 浙江大学博士学位论文第一章绪论 1 。2 1 1 阻尼和滤波 ( 1 ) 静态阻塞滤波器【4 j 4 1 l 静态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， 即某一低阶固有扭振频率产生联系，从而抑制次同步振荡的发生。该装置主要用 于抑制机电扭振互作用和暂态力矩放大，对异步发电机效应不起作用。 ( 2 ) 旁路阻尼滤波：i 器： 4 , 7 , 1 1 , 1 2 1 旁路阻尼滤波器是由并联的电感电容和一串联的阻尼电阻组成，它与输电线 路的串补电容并联，每相串补电容并接一套旁路阻尼滤波器。选择各元件的参数 使得其在工频时有很大的阻抗，不会影响系统的正常运行。而在次同步频率范围 内，并联电感电容的组合电抗降低，阻尼电阻起作用，产生相当有效的正电阻， 抵消发电机中对应于次同步电流的视在负阻尼。旁路阻尼滤波器主要用于抑制异 步发电机效应，其对机电扭振互作用以及暂态力矩放大作用不大。 ( 3 ) 动态滤波器【4 7 ，1 1 】 动态滤波器是种向系统串入电压源或注入电流的电力电子装置，有点类似 有源滤波器，一旦监测到系统中出现次同步振荡的电流流过时，即按监测到的次 同步电压或电流幅值与相位，产生一个与之大小相等相位相反的电压或电流，通 过变压器耦合方式，注入到该系统线路中，以抵制或减小此次同步频率振荡电流。 动态滤波器主要用于抑制机电扭振互作用，对异步发电机效应和暂态力矩放大不 起作用。虽然理论分析和试验研究都表明这种装置的可行性，但它需要非常复杂 的控制系统和一个独立的电源，造价昂贵，迄今尚无运行实例。 ( 4 ) 附加励磁系统阻尼控制【7 1 o 1 3 1 7 】 附加励磁系统阻尼控制是通过二次设备实现对次同步振荡的抑制，其本质是 通过提供对扭振模式的阻尼来抑制次同步振荡，它与用p s s 抑制低频振荡有相似 之处，其以发电机转速偏差为输入，对之作适当的移相及放大，通过对励磁系统 的附加控制使发电机的电磁转矩中产生阻尼次同步振荡的电气阻尼转矩增量，将 扭振互作用所产生的次同步振荡降至较低的水平。附加励磁阻尼控制是在能量低 的一侧实现控制，因此投资大大减少。 ( 5 ) 静止无功补偿装置( s v c ) ? , 1 s - 2 3 抑制次同步振荡的s v c 在早期的研究中又称为动态稳定器，由三相晶闸管控 制电抗器组成，并接在需要抑制次同步振荡的发电机出线上，晶闸管控制电抗器 通过合理的调制方式，根据发电机转速偏差来调制发电机的输出功率，以产生相 应的阻尼转矩，从而抑制次同步振荡。 浙江大学博士学位论文第一章绪论 ( 6 ) 可控串联补偿装置( t c s c ) 【2 睨9 】 基本的晶闸管控制串联电容器是由一个串联电容器与一个晶闸管控制电抗器 并联组成，串联在输电线路中，它可以说是与并联装置s v c 相应的串联接法的对 偶装置，它最初是被用来缓解区域间的低频振荡，在近些年来，开始成为抑制次 同步振荡的热门方案。国际上已发表不少文章，研究了t c s c 抑制次同步振荡的 控制策略，研究表明，使用适当的控制策略可以达到抑制次同步振荡的作用。目 前在美国、巴西、瑞典等地已有多套可控串补装置投入运行，现场试验表明其确 有抑制次同步振荡的能力，并且还具有抑制大干扰下暂态力矩放大作用的能力。 ( 7 ) 其他f a c t s 装置【3 0 】 随着电力电子器件的快速发展，不断产生许多新型的输电用f a c t s 装置。 f a c t s 装置由于大量采用电力电子器件，因此具有较高的系统响应速度，使得其 在抑制次同步振荡方面能发挥重要作用。目前，除s v c 及t c s c 外，其他f a c t s 装置，如静止同步补偿器( s t a t c o m ) 【3 ”、统一潮流控制器( u p f c ) 3 2 1 、静止 同步串联补偿器( s s s c ) 【3 3 ，3 4 1 等都已有相关文献对其在抑制次同步振荡方面的能 力进行过报道。 1 2 1 。2 继电保护及监测保护 ( 1 ) 继电保护装置m ，9 3 5 1 典型的继电保护装置主要有两种，一种是扭振继电器，它的作用是当检测到 汽轮发电机轴系的机械扭转应力过大时，将该机组解列，主要用来防止扭转相互 作用。另一种是电枢电流继电器，它对电枢电流的次同步频率分量非常敏感，当 系统持续出现次同步振荡时，将该发电机组与系统解列，使其免受异步电动机效 应和扭转相互作用的破坏。由于时间滞后及判断困难( 难于快速且准确地判断) ， 因此抑制次同步振荡的继电保护装置对抑制大干扰下暂态力矩放大无明显作用。 继电保护装置作为后备保护装置，通常与其它措施一起配套设置。 ( 2 ) 扭振监测装置 7 ，8 , 3 6 , 3 7 】 对发电机的大轴进行监视记录，积累资料，了解长期运行中大轴的疲劳程度， 提供给运行人员分析判断，适时控制风险。 1 2 1 。3 系统开关操作和枫组切除 ( 1 ) 系统开关操作【7 j 8 】 当现有系统结构可能会导致发电机次同步振荡时，通过将被保护的机组切换 到未补偿线路上或是将串联补偿电容切除，从而将可能发生次同步振荡的机组与 串联电容隔离，以防止次同步振荡的发生。这种方法只对机电扭振互作用和异步 发电机效应有效。 ( 2 ) 机组切除” 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 这种措施需要事先测算好在何处何种故障将引起超过限额的暂态扭矩，预先 安装好通讯启动信号通路，确遇此类故障时，在通讯信号下以最快的速度解列机 组。 1 2 1 4 发电机纽和系统豹改避豫1 发电机加装极面阻尼绕组是这类措施中最为典型的方法。加装极面绕组后， 等值的发电机转子电阻减小，从而减小了次同步频率下发电机的负阻尼，有利于 抑制异步发电机效应，但它对于其他原因引起的s s o 不起作用。此措施需在发电 机制造时期及时实施。 在以上各类措施中，各种措施和装置的动态特性各异，对于小扰动下的次同 步振荡或大扰动下的暂态扭矩，其作用效果也有所不同，常常需要同时采用2 3 中以上措施。而在这四类措施当中，阻尼和滤波这类措施在现今的研究及应用中 占有极大比重，一般作为抑制次同步振荡的主要手段。 1 2 2 由直流输电引起的s s o 的抑制措施【5 3 9 舯川 与串联电容引起的发电机组的次同步振荡相比，由直流输电引起的次同步振 荡问题比较容易解决。通常在直流输电控制器中做一点小的改变就可以解决。如 对于由直流输电辅助控制引起的s s o 问题，只要在辅助控制器中加入陷波滤波器， 将输入信号中不稳定的扭振频率分量滤除，就可消除辅助控制器带来的不稳定影 响。此外，还可采用与附加励磁系统阻尼控制相似的对策，即利用次同步阻尼控 制器( s u b s y n c h r o n o u s d a m p i n g c o n n o l l c r , s s d c ) 。s s d c 以发电机转速偏差为输入 信号，对之作适当的处理( 如放大和相位补偿) ，产生一个控制信号，作为直流输 电控制系统的附加控制信号，最终使发电机的电磁力矩中产生一个阻尼次同步振 荡的电气阻尼力矩增量，达到抑制s s o 的目的。 1 3 次同步振荡问题的分析方法 影响研究电力系统次同步振荡问题的数学模型和计算方法的因素至少有3 个 【4 2 】： ( 1 ) 所要研究的次同步振荡的类型：是异步发电机效应，还是机电扭振互作用 或是暂态力矩放大作用或装置引起的次同步振荡等； ( 2 ) 次同步振荡问题分析的目的：是分析判断发生s s o 的可能性，还是考虑采 取的对策与参数整定或为确定校验控制方案等； ( 3 ) 所能提供的原始数据的详细程度和正确性。 浙江大学博士学位论文第一章绪论 目前，已提出的次同步振荡的计算分析方法很多，各有其优缺点和运用范围， 几种典型的分析方法分述如下。 1 3 1 特征值分析法【3 j 2 3 】 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。 特征值分析法的优点是可以得到上述大量有用的信息，分析准确度高，物理 透明度大，易进行控制对策研究，并可校验控制对策施加前后特征值的变化，只 要形成系统线性化状态方程就可调用特征值分析的通用软件包进行分析，可适用 于除暂态力矩放大作用外的各种次同步振荡问题。但特征值分析法有以下缺点。 系统状态方程形成较困难，且有“维数灾”的问题，特征值的矩阵阶数高，难以 适应多机电力系统的情况。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。 1 3 2 频率扫描分析法 3 , 4 , 4 2 a 4 频率扫描法是一种近似的线性方法，利用该方法分析问题时，需将研究的相 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他发电机用次暂态 电抗等值电路来模拟。针对某一特定频率，计算从待研究的发电机转子后向系统 看进去的等效阻抗，通常称该等值阻抗为s s o 等值阻抗。频率扫描法的计算结果 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) 随频率变化的曲线。根 据这两条曲线，可以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) 作出初步估计。 频率扫描法对于分析含串补电容系统中异步发电机效应引起的次同步谐振问 题十分有效。它适用于大系统，且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：即没能考虑到运行工况变化及控制器动态特性对s s o 的影响，难以分析机 电扭振互作用引起的轴系扭振问题；在应用叠加原理分析时，扰动频率分量( 叠 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 加量) 和工频分量的相互作用和影响都被忽略掉了；同时同步电机采用近似模型， 会影响分析的精度。 1 3 3 复转矩系数法 3 , 4 a 2 , 4 5 a 6 1 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( 见0 ) ) 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定的优越性。该方法的缺点是：只 适用于单机对无穷大系统。 1 3 4 时域仿真法 2 】 时域仿真可用于分析包括次同步振荡在内的各种机网相互作用问题。它采用 逐步数值积分的方法求解描述整个系统的微分方程组。采用的数学模型可以是线 性的，也可以是非线性的。该方法可以详细考虑发电机、轴系、各种电力系统控 制器的模型，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 、p s c a d 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。 时域仿真法的优点是可以得到各变量随时间变化的曲线，可适用于电力系统 在各种大扰动下的暂态分析，是分析暂态力矩放大作用引起的s s o 的主要工具。 该方法的缺点是难以鉴别各个扭振模式及阻尼特性，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。此外，由于仿真中机组轴系使用的是弹簧 一质量块模型，需要输入质量块的机械阻尼系数和弹簧块的弹性系数，而目前机 械阻尼测得的是模态下的阻尼，将它转化为弹簧一质量块模型下