電力系統(tǒng)次同步振蕩

1、第8章 HVDC引發(fā)SSO的機(jī)理及抑制8.1 概述由HVDC輸電系統(tǒng)引起電力系統(tǒng)SSO的原因可以歸納為三種情況：（1） 與HVDC的輔助控制器相關(guān)；（2） 與HVDC系統(tǒng)的不正常運(yùn)行方式相關(guān)；（3） 與HVDC系統(tǒng)的電流控制器相關(guān)。第一種情況可以通過改造輔助控制器來消除隱患，第二種情況盡管難以預(yù)測(cè)，但在實(shí)際工程中很少碰到，可以通過規(guī)范系統(tǒng)的運(yùn)行來解決，第三種情況較為常見，可以通過在HVDC控制器中做些改變加以解決，如加入SSDC。本文重點(diǎn)討論由HVDC電流控制器引發(fā)的SSO問題。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，次同步振蕩基本上只涉及汽輪發(fā)電機(jī)組，尤其是30萬千瓦以上的大容量機(jī)組。水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的慣量比汽輪機(jī)要

2、大得多，且水輪機(jī)的水輪上具有黏性阻尼，故其轉(zhuǎn)子的固有阻尼很高，不易發(fā)生次同步振蕩。對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組，HVDC系統(tǒng)也只有在一系列不利因素同時(shí)作用時(shí),才可能產(chǎn)生次同步振蕩不穩(wěn)定。這些不利因素主要包括：（1）汽輪發(fā)電機(jī)組與直流輸電整流站之間的距離很近；（2）該汽輪發(fā)電機(jī)組與交流大電網(wǎng)的聯(lián)系很薄弱；（3）該汽輪發(fā)電機(jī)組的額定功率與HVDC系統(tǒng)輸送的額定功率在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上。其中，汽輪發(fā)電機(jī)組與交流系統(tǒng)大電網(wǎng)之間聯(lián)系的強(qiáng)弱對(duì)其能否發(fā)生次同步振蕩起著非常重要的作用。常規(guī)電力負(fù)荷的特性隨頻率而變化，它們對(duì)發(fā)電機(jī)組次同步振蕩有一定的阻尼作用，但當(dāng)發(fā)電機(jī)與大電網(wǎng)的聯(lián)系較弱時(shí)，這個(gè)阻尼基本上不起作用。此外，若HV

3、DC系統(tǒng)所輸送的功率大部分由附近的汽輪發(fā)電機(jī)組供應(yīng)，則功率振蕩通常發(fā)生在整流站和這些發(fā)電機(jī)組之間，當(dāng)HVDC的額定功率與附近發(fā)電機(jī)組的額定容量相差不大時(shí)，振蕩情況較嚴(yán)重。在逆變站附近的汽輪發(fā)電機(jī)組一般不會(huì)發(fā)生次同步振蕩，因?yàn)樗鼈儾⒉幌蛑绷鬏旊娤到y(tǒng)提供有功功率,而只是與逆變站并列運(yùn)行，向常規(guī)負(fù)荷供電。HVDC系統(tǒng)中的次同步振蕩與HVDC運(yùn)行工況、控制方式、控制參數(shù)、輸送功率、直流線路參數(shù)，以及發(fā)電機(jī)同直流輸電線的耦合程度等因素有關(guān)。8.2 次同步電氣量在交直流側(cè)間的傳遞關(guān)系分析HVDC換流器具有離散采樣和調(diào)制的特性，可以用開關(guān)函數(shù)法對(duì)其進(jìn)行分析。對(duì)換流器進(jìn)行開關(guān)函數(shù)分析后，可以得到系統(tǒng)的次同步電

4、氣量在發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子、交流網(wǎng)絡(luò)、HVDC直流側(cè)系統(tǒng)之間的相互傳遞關(guān)系。當(dāng)交流側(cè)電壓中有頻率為m的次同步分量時(shí)，經(jīng)過換流器調(diào)制作用后在直流電壓中將存在顯著的頻率為(0-m)的分量，其中0為系統(tǒng)的額定頻率；反之，當(dāng)直流電流中存在次同步頻率為r的紋波分量時(shí)，經(jīng)過換流器調(diào)制作用后在交流側(cè)相電流中將存在顯著的頻率為(0±r)的分量。發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子與交流網(wǎng)絡(luò)的次同步分量是通過定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)子上頻率為s的擾動(dòng)會(huì)在定子側(cè)感應(yīng)出與s互補(bǔ)的次同步(0-s)分量和超同步(0+s)分量。對(duì)于超同步分量，系統(tǒng)往往具有正的阻尼特性，一般不會(huì)引起振蕩；但對(duì)于次同步分量則易形成負(fù)阻尼，從而引發(fā)軸系的次

5、同步振蕩。綜上所述，在分析由HVDC輸電系統(tǒng)引起的SSO時(shí)，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上頻率為s的擾動(dòng)在定子側(cè)感應(yīng)出頻率為(0-s)的次同步分量，該次同步分量經(jīng)電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街绷鬏旊娤到y(tǒng)的換流母線側(cè)，頻率為(0-s)的交流電壓分量在直流側(cè)電壓中產(chǎn)生頻率為(0-(0-s)的電壓紋波分量和直流紋波電流，也就是說，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的小擾動(dòng)在經(jīng)過交流網(wǎng)絡(luò)傳播后，將在直流側(cè)感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子小擾動(dòng)同頻率的電壓分量。當(dāng)然，該紋波電流在交流網(wǎng)絡(luò)中就又會(huì)感應(yīng)出(0-s)的次同步電流分量。這就是狀態(tài)量的次同步分量在系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)間的相互傳遞過程和頻率變換關(guān)系。如果后產(chǎn)生的擾動(dòng)電流助增了初始的次同步電流，且擾動(dòng)電壓、電流形成的穩(wěn)定電磁

6、力矩足以維持軸系的扭振，系統(tǒng)中就會(huì)形成正反饋的軸系次同步振蕩。8.3 高壓直流輸電系統(tǒng)的扭振相互作用分析HVDC系統(tǒng)引發(fā)的次同步振蕩時(shí)，可以把整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)分解為電氣部分和機(jī)械部分，兩部分通過發(fā)電機(jī)組的電樞磁場(chǎng)和調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行耦合。軸系運(yùn)動(dòng)過程中的蒸汽摩擦、油膜粘滯、風(fēng)阻、結(jié)構(gòu)阻尼等作用使得機(jī)組的機(jī)械阻尼為正。若電氣部分形成的阻尼為負(fù)，且其值超過了正的機(jī)械阻尼，則系統(tǒng)在該振蕩模態(tài)下的振蕩是發(fā)散的，如果不采取適當(dāng)?shù)囊种拼胧?，則會(huì)損壞發(fā)電機(jī)軸系，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。分析由HVDC系統(tǒng)引起的電氣負(fù)阻尼時(shí)，需要詳細(xì)地分析交直流系統(tǒng)狀態(tài)量的變化過程。本文以圖8-1所示的簡(jiǎn)化HVDC系統(tǒng)模型為例分析HVDC引發(fā)

7、SSO時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)量的變化過程，狀態(tài)量的變化過程見圖8-2。若與整流站緊密耦合的發(fā)電機(jī)上轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度有微小擾動(dòng)，則將引起機(jī)端電壓(即圖8-1中的整流站換流母線電壓)的幅值U和相位U發(fā)生變化，且該電壓的擾動(dòng)會(huì)經(jīng)過交流輸電網(wǎng)傳遞到整流站換流母線上?，F(xiàn)代的HVDC系統(tǒng)中換流器普遍采用等間隔觸發(fā)方式，因此換流母線電壓的相角偏移會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流閥觸發(fā)角作相同角度的偏移，記為。觸發(fā)角的改變以及換相電壓幅值的變化，都會(huì)引起直流母線電壓的攝動(dòng)，而的攝動(dòng)會(huì)引起直流電流的變化，并進(jìn)而導(dǎo)致直流功率的變化。HVDC的定電流控制器會(huì)迅速對(duì)的變化作出響應(yīng)，并實(shí)施相應(yīng)的調(diào)整動(dòng)作，從而阻礙直流功率的變化，使之最終為。通過交流網(wǎng)絡(luò)的

8、傳遞最終反映到汽輪發(fā)電機(jī)側(cè)，表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)電氣力矩的變化，即造成發(fā)電機(jī)電氣力矩的攝動(dòng)，而的變化又會(huì)引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，進(jìn)一步引起機(jī)端電壓的變化，如此形成一個(gè)閉環(huán)。如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移量與電氣轉(zhuǎn)矩變化量之間的相角差超過90°，則將形成一種正反饋性質(zhì)的扭振相互作用，會(huì)助增初始擾動(dòng)，即出現(xiàn)負(fù)阻尼，一旦該負(fù)阻尼超過發(fā)電機(jī)組軸系所提供的正的機(jī)械阻尼，就出現(xiàn)HVDC控制系統(tǒng)引起的軸系扭振不穩(wěn)定。圖8-1 簡(jiǎn)化HVDC系統(tǒng)模型圖8-2 HVDC引發(fā)SSO時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)量變化過程由以上分析可知，系統(tǒng)是否會(huì)出現(xiàn)SSO決定于相應(yīng)頻率下的機(jī)械阻尼與電氣負(fù)阻尼的相對(duì)大小。影響電氣阻尼的因素較多，如發(fā)電機(jī)與直流系統(tǒng)

9、耦合的緊密程度，直流功率水平、觸發(fā)角的大小、直流控制器的特性以及直流線路的參數(shù)等。直流電流閉環(huán)控制系統(tǒng)具有低通濾波特性，只有較低頻率的直流電流擾動(dòng)能通過，其通頻帶一般為040Hz，因此由HVDC系統(tǒng)引起的SSO一般為較低頻率模態(tài)的振蕩問題。8.4 交直流電力系統(tǒng)次同步電氣阻尼特性交直流電力系統(tǒng)的次同步振蕩阻尼特性受到發(fā)電機(jī)與HVDC的耦合程度、直流功率水平、系統(tǒng)的運(yùn)行控制方式、觸發(fā)角以及控制器參數(shù)等的影響。 （1）發(fā)電機(jī)與HVDC的耦合程度對(duì)阻尼特性的影響如圖8-3所示，設(shè)發(fā)電機(jī)G經(jīng)Z1和HVDC整流站相連，而系統(tǒng)S經(jīng)Z2與整流站連接，則當(dāng)Z1>>Z2,即發(fā)電機(jī)和HVDC弱連接時(shí)，

10、發(fā)電機(jī)的電壓攝動(dòng)由Z1和Z2分壓，使換流站母線電壓攝動(dòng)極小，而且該攝動(dòng)引起的直流電流攝動(dòng)，經(jīng)由Z1和Z2分流，在發(fā)電機(jī)支路引起電流攝動(dòng)也極小，從而發(fā)電機(jī)支路只有微小的電磁力矩?cái)z動(dòng)，故不易引起扭振不穩(wěn)定，反之亦然。圖8-3 發(fā)電機(jī)與HVDC的連接圖美國EPRI研究報(bào)告提出的實(shí)用指標(biāo)UIF可以用來評(píng)估直流輸電和發(fā)電機(jī)耦合的緊密程度。（2）直流功率水平對(duì)阻尼特性的影響在本質(zhì)上，電力系統(tǒng)次同步振蕩是系統(tǒng)的功率振蕩，發(fā)電機(jī)組的次同步振蕩阻尼特性必然與直流系統(tǒng)的功率水平有密切的關(guān)系。當(dāng)輸送的功率越大，發(fā)電機(jī)組與 HVDC 的耦合作用越強(qiáng)，發(fā)電機(jī)組的負(fù)阻尼越嚴(yán)重。此外，阻尼特性還與HVDC換流站的無功補(bǔ)償有

11、關(guān)。若HVDC所需的無功功率由換流站的無功補(bǔ)償裝置提供，則可以減弱交直流間的耦合，有利于緩解HVDC引起的SSO。（3）觸發(fā)角對(duì)阻尼特性的影響直流輸電的運(yùn)行控制最后都要作用于整流側(cè)換流器的觸發(fā)滯后角和逆變側(cè)換流器的觸發(fā)超前角，而直流電壓與換流器的觸發(fā)角之間存在著明顯的非線性關(guān)系。由交直流側(cè)諧波的相互傳遞和轉(zhuǎn)換可以得到換流器的觸發(fā)角的大小必然影響系統(tǒng)的次同步振蕩的電氣阻尼特性。（4）直流系統(tǒng)控制器參數(shù)對(duì)阻尼特性的影響對(duì)次同步振蕩而言，相比于HVDC系統(tǒng)的其他控制方式，整流側(cè)定功率控制、逆變側(cè)定熄弧角控制時(shí)更容易產(chǎn)生扭振。8.5 SSDC抑制SSO的原理基于前文所述HVDC引發(fā)SSO的機(jī)理，HVD

12、C整流側(cè)的汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生軸系扭振不穩(wěn)定振蕩的直接原因是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移量與電氣轉(zhuǎn)矩變化量之間的相角差大于90°。由此可以以發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差為輸入信號(hào)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋壤糯笈c移相環(huán)節(jié)，將輸出信號(hào)通過定電流控制回路提供一個(gè)附加的電磁轉(zhuǎn)矩，使得其與的合成矢量與的相角差小于90°（如圖8-4所示），則系統(tǒng)最終會(huì)有一個(gè)正的阻尼轉(zhuǎn)矩，這就是SSDC的設(shè)計(jì)思路。為達(dá)到最佳的抑制效果，應(yīng)使與同相位。圖8-4 電氣轉(zhuǎn)矩的向量關(guān)系圖SSDC抑制SSO時(shí)需要向發(fā)電機(jī)組提供一個(gè)足夠大的正阻尼力矩才能平息發(fā)電機(jī)發(fā)散的轉(zhuǎn)速振蕩，因此SSDC的控制策略為：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，在SSDC的作用下HVDC的直流電流參考值增大，由于