抑制次同步谐振措施和方法的分析研究.pdf

科 技 综 述 抑制次同步谐振措施和方 法的分析研 究 武云生 ， 冯建宇 ， 李郑刚 ( 1 ． 陕西电力科 学研究院， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 2 ． 陕西省电力工程咨询勘察设计有限公司， 陕西 西安7 1 0 0 6 5 ： 3 ． 乐 山电业局 ． 四川 乐山6 1 4 0 0 0 ) 1 概述 社会 的迅速发展使获得输电线路的通过权已经 变得 日益困难和昂贵 ．人们对能源的关切以及对能 源价格盘旋上升的忧虑 ，迫使电力公司尽最大可能 努力保持输电系统运行在高效率下串联电容器补 偿是改善系统效益和提高系统传输能力 的有效措 施 ， 当今 电力系统 中， 高压输 电线路串联补偿技术得 到愈来愈多的应用 使用串联补偿技术可以提高输 电能力 ． 但也可能在电网和大型火力发 电厂系统中引 起次同步谐振 ， 影响机组大轴寿命 ． 威胁发电机安全 从单机经升压变再经串联补偿输电线路与远端 无穷大电网相连接 的简单系统( 见 图1 ) ， 就可以说明 次同步谐振的机理 图 1 发 电机 一 变 压 器 经 串联 补 偿输 电线 路 与无穷大受端 系统相联的次同步谐振等值线路 图 图l 中 为发 电机定一 转子漏抗与升压变压器 漏抗之和 ， R 为发 电机定子 、 升压变压器 以及线路 电阻之和 ， l “R 为转子绕组的电阻 ， s 为转差率 ， 为线 路电抗 ， 串补电容容抗。

为了简化分析 ， 假定发 电机为隐极 ， d , q 参数相同 忽略电阻对频率的影响 ， 此等值线路的固有谐振频率为： = ／ 2 耵 = ／ 2 其中， K c= 为线路串补度 由于串补度 小 于1 ， 则 A 小于5 0 Hz 一旦系统发生扰动 ， 在此线路 中将产生 固有频率为 的自振分量 对应于 分量， 由于转子转 速 > O J ， 故转差率5 = < 0 ( 为5 0 H z ) ， 如果粤的 1 e 绝对值大于电阻尺 则此线路将因总电阻为负值而 产生 自激 ， 频率为 的 自振电流将发散增大 称为异步 自励磁或异步发电机效应 频率为 的定子侧 自 振电流， 将在转子绕组中感 应 出 ( 厂 N 一 )频率的转子 电流和产生同样频率的转 矩 ，如果汽轮发 电机转子轴系有一个 固有机械扭振 频率恰好等于 ( 厂 N 一 ) ， 而且 由电气 自激引起 的负 阻 尼超过 了机械轴系统的正阻尼 ，则机械轴系也将 自 激 ，将发生 电气 自激与机械扭振相互促进增强 的类 似于正反馈的作用 ， 使扭振振幅迅速增大 ， 威协发电 机大轴安全 ， 该现象称为电力系统次同步谐振 。

实际带 串补线路的电力系统 ， 远比图1 复杂在 各种工况及故障下 ， 一般存在多个低于5 0 H z 的 自振 频率 ． 而汽轮发电机大轴也有几个低于5 0 H z 的 自振 频率只要其中任何一个电气系统自振频率等于某 一个机械扭振频率的互补频率，且产生的电气负阻 尼超过 了正阻尼 ， 则将发生危险的次同步谐振 收稿 日期 ： 2 0 0 8 — 0 9 — 1 8 作者简介： 武云生( 1 9 6 4 ～ ) ， 男 ， 山西清徐人， 高级工程师， 现任中国电气工程学会高次谐波专委会委员， 陕西省电力公司招标评标专家， 西北 电网公司工程技术专家致力于电力系统电能质量的监测与治理， 电网高次谐波消谐装置的研发， 无功补偿及控制技术等方面的工 作 一 o 3 0— 0 C i 《 L j 《 《 第 藿期 2 抑制次同步谐振的措施 无论发生感应发 电机效应或次同步谐振 ． 都可 能对 电力 系统产生危 害电力 系统 实际是非线性 的 ， 系统 自激( 感应发 电机效应 ) 引起 的 自由振荡 电 流增 大不会趋 向无穷大 ， 是有 限的， 继电保护会动 作 ， 不会造成发 电机损坏等严 重后果 。

但 如果 同时 引发 了发 电机大轴次同步扭振 ， 则不需很 大的 自激 电流， 就可能因激发大幅值次同步机械扭振而造成 电机大轴损坏的严重后果 由于此时 自激 电流不一 定很大 ， 一般继电保 护难以发挥作用 ， 因此必须采 取专门的措施来 防范次 同步谐振主要关注电气的 自持振荡是否将引起机械的 自持扭振 ， 如引起 自持 扭振 ， 则措施应起作用 ， 限制或消除 自持振荡 从 而 抑制机械扭振 的增长例~ l： 1 2 0 世纪7 0 年代初 ， 美国 莫哈维电厂一台7 9 0 MW大机组就发生过2 次大轴 严重损坏2 0 世纪7 0 年代后的几十年内， 研究和使 用过多种抑制次同步谐振措施 目前仍受到关注 的 方法如下 ( 1 )设计 串补输 电线路时 ， 考虑提 高输送能力 的同时应兼顾次同步谐振 ， 选择合理的串补度 ， 减小 可能引起 自激的频率范围， 避开可能产生最严重次 同步谐振的频率 ( 2 ) 在 串补 电容器两端 ( 或部分电容器两端) 并 联可控 电抗器 ， 即将普通 串联补偿装置 改为可控串 联补偿装置 ( T C S C ) 采用适当的控制策略 ， 可 以抑 制次 同步谐振 。

( 3 )在串补电容器上 ， 并联通路阻尼滤波器 ( 如 图2 所示) ， 由， J 、 c 并联后与R串联构成 、 C 并联 回路 调谐到工频 ， 则系统正常运行在工频时． 通路阻尼滤 波器相当于开路 ， 对系统和 串补电容无影响一旦 系统 中发生频率低于工频 的 自激或次 同步谐振 ． 此 低频 自激 电流将通过通路阻尼滤波器 ( 相当于将 电 阻R接人 系统 中) ， 使 系统阻尼增大 ， 抑制系统 自激 振荡和次同步谐振 串补C o L 图2 通路阻尼滤 波器接入原理 图 ( 4 ) 可控硅投切阻尼电阻器 将 图2 中并联L C 回 路改换为可控硅阀 ． 即成为可控硅投切阻尼电阻器 平时可控硅相控阀闭锁 ， 电阻器 无 电流流过 ， 当监 测到次同步振荡电流时 ， 可控硅触发导通 ， 电流流过 使系统阻尼增大 ，从而抑制系统 自持振荡和次 同 步谐振 ( 5 )发电机加装极面阻尼 网其作用相当于增 大系统阻尼 ，有利于减少感应发电机效应和抑制次 同步谐振 ( 6 )励磁 系统阻尼器通过附加的励磁调节环 节调制励磁电流 增大对次 同步扭振的电气阻尼转 矩 ， 以抑制次同步谐振。

( 7 )在发 电机主变高压侧 中性点旁A、 B、 c ? H 串 入阻塞滤波器 极阻塞滤波器的接线原理见 图3 由 n O- 并联谐振 回路组成， 在次同步谐振时近似地相 当 于一个 电阻， 从而可以有效地阻尼次同步谐振 开关 图3 n 级阻塞滤波器单相原理图 ( 8 )将可控硅控制电抗器 ， 并接在需抑制次 同 步谐振 的发 电机的出线上 ．利用可控硅控制电抗器 的功率调制功能，在一定 的输入信号与专门的控制 策略下 ，增大发 电机阻尼力矩 ，从而抑制次同步谐 振 此种专用装置成为动态稳定器 ， 如果再配以电力 滤波器 ， 也可称为S V C ( 9 ) 加装发电机次同步谐振监视记录系统 ， 对发 电机状态进行监视记录，掌握长期运行中大轴的疲 劳程度， 积累资料供运行人员分析判断， 适时控制风 险 ( 1 0 )加装针对发电机次同步谐振的专门继电保 护 必要时切机 以规避风险 以上各种措施中，电厂加装次同步谐振监视记 录系统并加装机轴扭振继电器和次同步谐振电流继 电保护是保护发电机避免次同步谐振损坏的最基 本的安全措施 ， 实施难度不大并有实际运行经验 ， 一 般均需采用。

为了防止多次发生次同步谐振的积累 效应而降低大轴寿命和避免跳闸解列还需同时采 用其它抑制次同步谐振措施予之相互配合，尽可能 在次 同步谐振初期予以抑制而不跳闸解列 ，维持系 统正常运行 科 技 综 述 - r o 了 0 — 0 《∽ f ．《 《 科 技 综 述 3 静态阻塞滤波器参数设计原则 静态阻塞滤波器是针对某一 台发电机使用的 ， 应根据发电机参数及串补电网参数来设计阻塞滤波 器参数 需要知道发 电机轴系低于5 0 H z 各扭振固有 频觏 也可根据汽轮发电机大轴各等值集中质量 与各轴段刚度算f 然后算出对应的互补频' 一 '-f ro ( =5 0 - f , ) 一般有5 个低于5 0 H z 的固有频率 ． 1 l m≤5 首先需根据电机参数 ． 计算 出在每一个次同步谐振 频率下 ， 发电机负电阻效应的等值转子 电阻值 ． 然后 按下列原则设计阻塞滤波器参数 ( 1 )按需要阻尼的汽轮发电机组大轴 的固有谐 振模式个数 ， 确定阻塞滤波器 串联级数 ( 2 )每一级并联 回路 ， 针对汽轮发 电机组大轴 某一固有振荡模式起阻尼作用 ( 3 )阻尼滤波器串入主变5 0 0 k V 侧中性点旁A、 B、 C 三相中后 ，应对变压器及整个电网系统运行性 能影响极小可 以忽略不计。

( 4 )每一级并联谐振 回路在其谐振频率下的品 质因数 ，是最重要的性能参数 品质因数越高， 谐振 时的阻尼越大 ， ～ f 频时的阻抗越小， 但造价越高应 通过大量计算合理选定 ， 在保证必要的阻尼特性 的 同时兼顾经济性 ( 5 )阻塞滤波器应有足够的容量 ， 能承受正常 运行时的工频电流 以及系统故障时的短路 电流 ， 还 应能承受抑制 次同步谐振时流过 的次 同步谐振 电 流 4 简单设计 举例 首先设计每一级并联 回路参数 ， 给定允许的频 率偏差范围． 设定一个品质 因数 ． 按照满足谐振阻尼 要求 ， 可算 出每一级的 、 c 参数． ．各级参数确定后 ， 可按各级串联组成完整的橱更 阻塞滤波器 计算其等 值阻抗随频率变化的复数 ， 可分解为实部与虚部 实部即相 当于电阻， 反映阻尼能力 ， 而复数的绝对值 即为阻抗的大小，反映对变压器绕组末端 电位 的影 响可在增加发电机次同步谐振计算子程序并作相 应修改后 的谐波潮流程序上进行计算 对于某种有5 个可能的次同步谐振模式机组的例子 拟采用 的5 级 静态阻塞滤波器 的阻尼 电阻一 频率 曲线与阻抗一 频 率曲线示例见图4 和图5 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 _ 毒 ≯ 。

j ■ 曩 毫 “ 曩 ⋯1 0 j j _ ll 从 U - 、 J l 0 2 O 3 O 4 0 5 O ， ／HZ 图4阻尼 电阻一 频率 曲线 ¨¨ 浯0 囊 麓 ． i 1 1 ， 誊 ≯ 一 一 ． ／ ， 一 一 1t l 一 - -一， 曛 li 一一 蠢 董謦 ≮ 0 1 0 2 O 3 O 4 0 5 0 ∥HZ 圈 5阻 抗 绝对 值 一 频 率 曲线 按照小扰动方式并考虑与有关保护的配合 ， 计 算在各次同步谐振模式下阻塞滤波器承受 负荷值 ． 初步确定各元件 ( 电容器组 、 电抗器等) 的容量 然后 需要在大干扰引起次 同步谐振工况下 ，校核计算各 容量及阻尼性能 针对单 台发 电机经升压主变连接带串补长输电 线路 ， 受端支线故 障短路 ， 切除故障后激发次同步频 率系统 自振这一工况 ，使用数字仿真程序计算了阻 塞滤波器抑制 自激振荡( 感应发 电机效应 ) 的效果以 及其承受的电流电压负荷 为简化计算 ， 按有关文献 介绍 ， 对发电机采用了隐极式对称模型。

图6 为阻塞 滤波器准确调谐次同步谐振频率时 ，线路次同步频 率振荡 电流得到抑制 ， 逐渐减小 图7 为将阻塞滤波 器调谐频率偏离次同步谐振频率时 ，由于阻塞滤波 器未能发挥作用 ，次 同步谐振 电流未能得到有效抑 制 2 0 0 0 。