电力系统次同步振荡分析

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1、电力系统次同步振荡（Power system synchronization oscillation）产生机理和条件次同步震荡基本概念：大型汽轮发电机组的转子轴系具有弹性，由于机械和电气的相互作用，在特定条件下会自发振荡。输电线路的串联电容补偿、直流输电、 电力系统稳定器的不当加装，发电机励磁系统、可控硅控制系统、电液调节系统的反馈作用等，均有可能诱发、导致次同步振荡（ SSO ）现象。有时也发生在发电机非同期并列或系统发生不对称短路等大扰动后的暂态过程中。根据次同步谐振产生的原因可从4个方面加以描述：1）感应发电机效应：假设发电机转子以常速旋转，由于转子的转速高于由次同步电流分量引起的旋转磁

2、场的转速，在次同步频率下从电枢终端看去转子电阻呈负值。当这个视在负值电阻超过电枢和电网在次同步频率下的等效电阻的总和时，就会发生电气自振荡，这种自激振荡认为是由过电压和过电流引起的。2） 扭转相互作用： 设发电机转子在一个扭转频率fm下发生振荡， fm能导出电枢电压分量频率fem，其表达式为 fem=fo+fm ，当其中的次同步频率分量接近电气谐振频率fer 时，电枢电流产生一个磁场，该磁场能产生使发电机转子振荡加强的转矩，这使次同步电压分量导致的次同步转矩得以维持。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。电气和机械系统之间的相互

3、作用就被认为是扭转相互作用。3）暂态力矩放大作用：当系统发生干扰时，电磁转矩就会施加于发电机转子上，使发电机轴段承受转矩压力。串联电容补偿输电系统中的干扰，会造成在fo-fer频率下的电磁转矩振荡。如果此频率接近于任何转子段的自然振荡频率fn ，会导致转子转矩远远大于无串补系统的三相故障转矩，这是由电气和机械自然频率之间的振荡引起的，称为暂态转矩放大效应。4）由电气装置引起的次同步振荡：最初发现 HVDC 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（PSS ）、静止无功补偿器（SVC ）、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

4、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统称为“装置引起的次同步振荡”。归纳成两类次同步震荡产生原因分析：交流输电产生次同步震荡的原因分析输电系统为了提高输电能力和增加瞬态稳定性，有时在电网中串联补偿电容，使整个电网形成R-L-C 回路，此回路将发生次同步谐振。次同步谐振是电力系统的一种运行状态，在这种状态下，电气系统与汽轮发电机组以低于同步频率的某个或多个网机（电网或电机）联合系统的自然振荡频率交换能量。由次同步谐振导致的感应发电机效应，可能出现负阻尼，使次同步电气振荡不衰减或增强

5、。当次同步电气振荡频率e f 与机组轴系某阶扭振固有频率n f 互相耦合，即e n N f + f = f （ N f 为工频），将产生次同步机电谐振。直流输电产生次同步振荡的原因分析高压直流输电（HVDC ） 引起 SSO 的原因在于直流控制器的作用。发电机转子上微小的机械扰动，将引起换相电压尤其是其相位的变化。在等间隔触发的HVDC 系统中，换相电压相位的偏移，会引起触发角发生等量的偏移，从而使直流电压、电流及功率偏离正常工作点。HVDC 闭环控制系统会对这种偏离做出响应而影响到直流输送功率，并最终反馈到机组轴系，造成发电机电磁转矩的摄动Te。如果发电机电磁转矩摄动量与发电机转速变化量W

6、之间的相角差超过了90，就会出现负阻尼，是否会出现SSO 决定于相应频率下的机械阻尼与电气负阻尼的相对大小。影响电气阻尼的因素较多，如发电机与直流系统耦合的紧密程度，直流功率水平、触发角的大小、直流控制器的特性以及直流线路的参数等。由直流输电引起的汽轮发电机组的轴系扭振与由串联电容补偿引起的汽轮发电机组的轴系扭振在机理上是不一样的，因为前者并不存在谐振回路，故不再称为次同步谐振（SSR ） ，而称为次同步振荡（SSO ） ，使含意更为广泛。危害危害：出现次同步震荡后，轴系中产生很大扭矩，在严重情况下可能导致大轴出现裂纹甚至断裂，或因反复承受较大扭矩造成疲劳累积，使轴承寿命降低产生历史： 次同步

7、振荡是电力系统中的一个专用术语。关于次同步振荡问题的最早讨论始于1937年，但直到 1971年，有关轴系扭振的问题皆被忽略。1970年12月和 1971年10月，美国 Mohave电站先后两次因次同步谐振而引起发电机组大轴损坏。事故分析：两次事故都是断开该电厂两回500KV 线路中的一回时开始发生，在控制室内，运行人员发现，闪光信号延续约两分钟，控制室内地板震动，转子电流表由正常的1220A上升到满刻度4000A，同时发出了转子接地.负序继电器动作与异常震动的信号，运行人员立即手动停机，发电机解列。发电机滑环间以及滑环对轴发生延续20 秒的弧光放电， 滑环间的轴被烧损， 深约 1 英寸。发电机

8、与励磁机间及中压缸两侧的靠轮皆因强烈震动而损坏。从此以后，高电压远距离交流输电中加装串联补偿电容器引发次同步振荡的问题进入世界电力科学的研究领域，成为目前困扰电力发展的科研难题之一。由直流输电引起的汽轮发电机组的次同步振荡问题，1977年首先在美国 SquareButte直流输电工程调试时被发现。后来，在美国的CU、IPP，印度的 Rihand-Deli,瑞典的 Fenno-Skan等高压直流输电工程中，都表明有或可能导致次同步振荡。抑制对策：由于次同步震荡的危害，应通过对sso进行准确分析和计算，采取监视，防止，保护和抑制措施。两类分析方法：筛选法：用于分析电力系统是否会发生次同步振荡以及哪

9、些机组 会发生次同步振荡。这类方法可以从众多的发电机组中逐机筛选 出确实需要进行次同步振荡研究的机组。筛选法特点：所需要的原始数据较少，例如不需要发电机组的 轴系参数；计算方法简单， 物理概念明确； 所得结果是近似的， 可以作为进一步精确分析次同步振荡问题的基础。典型代表：用于分析串联电容补偿引起的次同步谐振问题的 “频率扫描分析法”和用于研究由直流输电引起的次同步振荡 问题的“机组作用系数法”。另一类方法可以比较精确和定量地研究次同步振荡的详细特性。 这类方法的典型代表是“复转矩系数法”、“特征值分析法”和 “时域仿真法”。这类方法的共同特点是需要较详细和精确的原 始数据，如发电机组的轴系参

10、数，直流输电系统控制器的结构和 参数等。采用“特征值分析法”和“时域仿真法”，所能研究的 网络规模不能太大，通常需要对实际网络作一定的简化后才能进 行分析。由于一座新电厂机组的轴系参数或一个新直流输电工程 控制系统的结构和参数在规划阶段是很少能准确知道的。因此， 在规划阶段，采用此类方法进行实际的计算和分析是比较困难的。次同步震荡分析步骤：第一步，用“筛选法”筛选出需要进行次同步振 荡研究的机组，这一步通常在系统规划阶段进行；第二步，在取得详细 和精确参数的前提下用“复转矩系数法”或“特征值分析法”或“时域 仿真法”进一步研究该问题，并提出和校核可能的预防及控制措施。分析方法：1.频率扫描分析

11、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 SSR 问题的系统条件， 同时可以确认不对SSR 问题起作用的系统部分。频率扫描分析法的具体做法3,4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 中的虚线部分来模拟， 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，即从图 1 的端口 N向系统侧看进去的等值阻抗，通常称该等值阻抗为SSR 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SSR 等值阻抗的实部（SSR 等值电

12、阻）随频率而变化的曲线，另一条是SSR 等值阻抗的虚部（ SSR 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。图1异步发电机效应的等值电路Fig.1Equivalent circuit for induction generator effecct 频率扫描法也许是确定是否存在异步发电机效应的最好方法。如果SSR 等值电 抗等于零或接近于零所对应的频率点上的SSR 等值电阻小于零，则可以确认存在异步发电机效应。而等值电阻负值的大小则决定着电气振荡发散的速度。该电气振荡 并不意味着会引起轴系的负阻尼

13、振荡，但对电气设备而言，可能是不能容忍的。如果已经知道机组机械系统的参数(如固有扭振频率及其固有机械阻尼)，则采用频率 扫描法还能对机电扭振互作用及暂态力矩放大作用进行分析。 机电扭振互作用可以使轴系中的弱阻尼扭振模式不稳定，而对应频率下的SSR等值导纳的大小直接与该扭振模式的负阻尼相关，因此可以通过频率扫描法进行估 计。频率扫描法也可用来确定是否存在暂态力矩放大作用。如果SSR等值电抗达到 极小值的频率点与机组的固有扭振频率接近互补，就有可能存在暂态力矩放大作用。 在这种情况下，就应该用EMTP 程序作进一步的研究。同样，如果等值电抗达到极小值的频率点与机组的固有扭振互补频率相差大于3Hz，

14、则可以排除暂态力矩放大 作用。SSR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SSR 问题所需要的成本比采用其 它模型要低得多。对用频率扫描法已确认的SSR 问题，其严重程度还需要通过其它模型来加以校核。 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。 IEC 919-3 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（UIF，Unit Interaction Factor） 。 该方法的具体内容为5 ：直流输

15、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) 式中UIFi为第i台发电机组的作用系数；SHVDC 为直流输电系统的额定容量，MW；Si为第i台发电机组的额定容量， MVA；SCi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； STOT 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：若 UIFi0.1 ，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一步的研究。从式(1)可见，若，则 UIF

16、i 0 。的条件是 SCiSCTOT ，也就是说，当 SCiSCTOT时，UIFi就会很小。根据短路电流水平研究 的经验知道： 当某机组离整流站电气距离很远时，SCiSCTOT；当交流系统联系紧 密，系统容量很大时，也有SCiSCTOT。值得指出的是，用来计算机组作用系数的公式只适用于联接于同一母线上的所 有发电机组各不相同的情况，此时，各发电机组具有不同的固有扭振频率，一发电机组上的扭振不对另一发电机组的扭振产生作用。但如果联接于同一母线上的几台 发电机组是相同的， 例如一个电厂具有几台相同的发电机组，则在扭振激励作用下， 几台发电机组将有相同的扭振响应，它们便不再是独立的了。因此在分析扭振相互作用时，须将这几台相同的发电机组当作一等值机组来处理，该等值机组的容量就 等于这几台发电机组容量之和，然后再用上述公式来计算该等值机组的UIF2 。作为一种用于筛选的方法，机组作用系数法用于研究由直流输电引起的次同步 振荡问题是非常简单而有效的。它所需要的原始数据很少，不需要知道直流输电控 制系统的特性， 也不需要发电机组的轴系参数。式(1)中的SHVDC 和