复杂交直流互联电力次同步振荡机理概述与仿真研究

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1、复杂交直流互联电力次同步振荡机理概述与仿真研究1绪论1.1研究背景根据IEEE工作组的定义，次同步谐振是指由串补电容引起的汽轮发电机轴系扭振现象[8]，而次同步振荡这个概念的范围更大一些，它还包括由HVDC、PSS以及FACTS装置等电气设备引起的汽轮发电机组的轴系扭振[9]。本文主要采用次同步振荡一词来讨论交直流互联系统中发电机组的轴系扭振问题。目前，我国在次同步振荡方面的研究也已取得了较大的进展，相关研究成果已经在许多实际工程中应用，例如托克托电厂、锦界电厂、伊敏电厂等工程。但多数都是针对交流系统中串补引起的SSR问

2、题，而对于实际复杂交直流互联系统SSO问题的研究却比较少[10]-[13]。呼盟煤电基地送出工程系统是目前国内第一个大规模火电点对网交直流互联送出系统，采用呼辽直流和伊冯交流带串补线路互联送出方式，系统结构比较复杂。由于其送端电网和交流系统耦合较弱，呼辽直流控制器以及伊冯线路串补装置等均可能引起系统的SSO问题[14]-[15]。为了抑制串补可能引起的SSR，伊冯线采用了可控串补装置[16]-[18]（Thyristorcontrolledseriescapacitor，TCSC）；为了抑制直流控制系统可能引发的SSO，

3、呼辽直流系统加装了附加次同步阻尼控制器[19]。但自伊冯串补线路以及呼辽直流系统投运以来，在某些运行方式下，系统仍然容易产生SSO现象，威胁到发电机组和电网的安全稳定运行。为了解决这一问题，伊敏电厂在装设轴系扭振保护装置（torsionalstressrelay，TSR）的基础上进一步采用厂侧机组主动抑制附加励磁阻尼控制装置来抑制SSO。通过现场实验数据显示，系统的SSO趋于稳定，原来出现的等幅振荡被抑制，振幅超标的振荡次数由每天上百次减少为几十次，但SSO问题仍然未能彻底解决。而需要关注的是，呼盟系统新投入的呼伦贝尔电

4、厂（以下简称呼贝电厂）机组却出现了频繁超标的SSO现象。1.2次同步振荡的产生机理由串联电容引起的SSR的机理已经比较明确，可以从感应发电机效应、机电扭振相互作用和暂态力矩放大作用三方面加以描述[22][23]。感应发电机效应是指同步发电机的转子对低于系统同步频率的次同步频率电流的等效电阻呈负值，若这一视在负值电阻大于定子和输电系统在该电气谐振频率下的等效电阻之和时，就会产生电气自激振荡。它只考虑电气系统动态行为的自激现象，与汽轮发电机轴系无关。机电扭振相互作用是指当发电机转子上产生频率为轴系固有扭振频率的振荡时，它将在

5、定子中感应出与该频率互补的电压分量，当该电压分量的频率与电气谐振频率接近，且其产生的次同步转矩与转子转速增量同相位时，它就可能会加剧轴系的扭振，形成次同步谐振过程。暂态扭矩放大是指汽轮发电机轴系在电力系统短路故障等大扰动的作用下，由于机电振荡的相互助增，使得发电机轴系各组成部分之间，在由扰动类型决定的一个或几个自然频率上的相互振荡。2典型单机交直流电力系统SSO阻尼特性分析2.1HVDC对SSO阻尼特性的影响本章主要针对典型单机交直流电力系统的SSO阻尼特性进行分析，建立单机HVDC系统算例，分析HVDC不同运行工况以及

6、不同结构参数对发电机阻尼特性的影响，并进一步分析交直流并联运行时，直流系统与串补线路对阻尼特性的共同作用，为后文实际的复杂交直流互联系统的阻尼特性分析做铺垫。本小节通过测试信号法得到不同工况下发电机组的电气阻尼系数，对比分析HVDC整流侧交流系统强弱、HVDC输送功率大小以及HVDC控制器参数对SSO阻尼特性的影响。该算例的系统频率为50Hz，发电机组G的额定容量为892.4MVA，其参数与IEEE第一基准模型中的发电机参数一致[51]，轴系固有振荡频率分别为15.71Hz、20.21Hz、25.55Hz、32.28Hz

7、和47.46Hz。直流系统为一单极12脉波系统，直流额定输送功率为1000MW及以下时，TSR一般不起动，实际上经过在线监测，此时也有SSO问题，只是起动的幅值较小，没有达到起动定值。通过一段时间的运行数据分析表明，随着直流输送功率的增大，SSO现象也随之严重起来。结论本文利用时域仿真分析法、测试信号法以及机组作用系数法等方法，详细分析了交直流互联电力系统的次同步振荡问题。首先基于典型的单机系统，对交直流互联电力系统中影响系统SSO阻尼特性的因素进行了详细分析，并对直流系统抑制SSO的措施，SSDC控制器的参数设计方法进

8、行了说明。在此基础上，再针对呼盟实际工程系统的SSO问题进行分析，研究引起呼贝电厂频繁超标的低幅振荡问题的原因。本文完成的主要工作及结论如下：（1）本文阐述了次同步振荡的基本概念以及产生机理，描述了呼盟工程系统实际存在的SSO问题及其危害，对比分析了各种SSO分析方法的优缺点，并重点介绍了直流系统SSDC这种抑制措施