（电力系统及其自动化专业论文）hvdc引起的次同步振荡分析及阻尼控制器设计方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着直流输电技术在我国的广泛应用，由直流输电引起的次同步振荡问题越来 越突出，因此，开展由直流输电引起的次同步振荡分析及阻尼控制器设计方法的研 究至关重要。本文在建立某电网复杂交直流系统仿真模型基础上，系统分析了机组 不同出力、电厂开机台数、恒功率负荷和系统接线方式对次同步振荡的影响，并提出规 避次同步振荡的措施和建议。鉴于以往次同步振荡分析模型中未曾考虑过动态负荷的影 响，本文在直流系统的整流侧和逆变侧分别加入负荷模型，研究其对次同步振荡的影响， 结果表明，在分析直流系统次同步振荡问题时，需要考虑整流侧负荷的影响。对于多模 态次同步振荡问题，采用分模态思想和相位补偿方法，设计出基于遗传算法的多模 念附加次同步阻尼控制器。特征值分析结果表明所设计的附加次同步阻尼控制器阻 尼效果良好，能够适应系统运行方式的变化。 关键词：直流输电，次同步振荡，负荷模型，遗传算法，次同步阻尼控制器 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fh v d ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , t h ep r o b l e mo f 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 ) c a u s e db yh v d ci si n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t i nc h i n a t h e r e f o r e ，a n a l y s i so fs s oa n dt h ed a m p i n gc o n t r o l l e rd e s i g na r eo fg r e a ti m p o r t a n c e o nt h e b a s i so ft h es i m u l a t i o nm o d e lo fac o m p l e xa c d cs y s t e m s ，t h ei m p a c to fr e l e v a n to p e r a t i n g p a r a m e t e r so ns s oa r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e di nt h i st h e s i s c o u n t e r m e a s u r e sa r ep r o p o s e dt o a v o i ds s o i nt h el i t e r a t u r e ，t h el o a dm o d e lh a sn o tb e e nc o n s i d e r e di ns s oa n a l y s i s i nt h i s t h e s i s ，t h ei m p a c to fl o a dm o d e lo nt h er e c t i f i e rs i d ea n di n v e r t e rs i d eo ft h ed cs y s t e ma r e s t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a ti tm u s tc o n s i d e rt h ei m p a c to ft h er e c t i f i e r s i d el o a di nt h ea n a l y s i so fs s o f o rt h em u l t i m o d a ls u b s y n c h r o n o u so s c i l l a t i o np r o b l e m ，t h i s t h e s i sd e s i g n sa d d i t i o n a ls u b s y n c h r o n o u sd a m p i n gc o n t r o l l e r ( s o d c ) b a s e do nt h es u b m o d a l a n dp h a s ec o m p e n s a t i o np r i n c i p l e ，u s i n g g e n e t i ca l g o r i t h ma so p t i m i z a t i o na l g o r i t h m e i g e n v a l u ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ea d d i t i o n a ls u b s y n c h r o n o u sd a m p i n gc o n t r o l l e ri s g o o da n dc a na d a p tt h es y s t e mo p e r a t i o nm o d ec h a n g e f a n gj i n y a n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f b it i a n s h u k e yw o r d s ：h v d c ，s u b s y n c h r o n o u so s c i l l a t i o n ，l o a dm o d e l ，g e n e t i ca l g o r i t h m ， d a m p i n gc o n t r o l l e r i i 华北电力人学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题研究背景与意义1 1 2 高压直流系统引起的次同步振荡问题研究现状2 1 2 1h v d c 系统次同步振荡产生机理2 1 2 2h v d c 系统次同步振荡分析方法3 1 2 3h v d c 系统次同步振荡抑制措施5 1 2 4 次同步振荡研究面临的问题6 1 3 论文主要工作6 第二章交直流输电系统次同步振荡分析8 2 1 交直流系统的次同步振荡仿真建模8 2 1 1 电网结构与面临的次同步振荡问题8 2 1 2 时域仿真建模9 2 2 机组不同出力对s s 0 的影响1 0 2 3 开机台数对s s 0 的影响1 2 2 4 恒功率负荷对s s 0 的影响1 3 2 4 1 整流侧负荷的影响1 3 2 4 2 逆变侧负荷的影响1 3 2 5 系统接线方式变化对s s 0 稳定性的影响1 4 2 5 1 强交流接线方式：1 4 2 5 2 弱交流接线方式1 5 2 5 3 孤岛运行方式1 6 2 6 考虑阻尼加入后的s s 0 稳定情况1 6 2 7 小结18 第三章计及负荷模型的h v d c 系统次同步振荡分析1 9 3 1 基于特征值分析法的s s 0 模型1 9 3 2 负荷模型及其线性化方程2 2 3 2 1 静态负荷模型及其线性化方程2 2 3 2 2 动态负荷模型及其线性化方程2 3 3 3 考虑负荷模型的h v d c 系统次同步振荡分析2 5 3 3 1 计算条件2 5 3 3 2 逆变侧不同负荷特性下s s o 分析2 5 3 3 3 整流侧不同负荷特性下s s o 分析2 7 3 4 j 、结2 8 i i i 华北电力大学硕士学位论文 第四章基于遗传算法的次同步振荡阻尼控制器设计2 9 4 1 次同步振荡阻尼控制器结构设计2 9 4 1 1 附加次同步振荡阻尼控制器原理2 9 4 1 2 次同步振荡阻尼控制器控制结构。3 0 4 2 次同步振荡阻尼控制器设计过程31 4 2 1 分析系统模型31 4 2 2 目标函数的确定32 4 2 3 相位补偿时i 臼j 范围的确定3 3 4 2 4 多模态支路滤波器设计3 4 4 3 特征值分析验证3 6 4 3 1 单个支路阻尼控制器参数优化3 6 4 3 2 各模态加入控制后特征值3 8 4 4 ，j 、结3 9 第五章结论与展望4 0 5 1 全文总结4 0 5 2 研究工作展望 4 0 参考文献4 2 致谢4 5 附 录4 6 附录a 4 6 附录b 4 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 3 i v 华北电力大学硕上学位论文 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 建设强健的电网，形成大规模电力系统，是电网发展规律的客观要求，也是大 范围资源优化配置的必然趋势i l aj ，对于保证电力系统安全稳定具有至关重要的作 用。 我国电能资源和用电负荷的分布极不均衡，西部地区的水能、煤炭资源较丰富： 全国可开发水电资源的约2 3 分布在四j i i 、云南、西藏三省区，煤炭现有储量的2 3 分布在山西、陕西、内蒙三省区；而东部沿海和京广铁路以东地区经济发达，用电 负荷约占全国的2 3 ，水电和煤炭等发电能源资源却严重不足。能源产地和需求之 间的矛盾决定了我国要大力发展西电东送、南北互供，以形成全国互联的电网格局。 将西部丰富的水电和煤电资源输送到东部沿海地区的负荷中心，需要进行远距离、 大容量输电。由于直流输宙具有可以限制短路电流、线路造价低、损耗小等优点， 因此直流输电在远距离、大容量输电方面具有不可替代的优势【4 - 7 】。 从2 0 世纪8 0 年代开始，我国开始建成+ 1 0 0 k v 的舟山直流工程以及葛洲坝上 海南j e + 5 0 0 k v 高压直流输电工程，到2 0 0 7 年为止我国已有1 0 项直流输电工程投 入运行。目前正在建设的特高压直流输电工程有：云南广东直流输电工程和向家坝 上海直流输电工程。计划于2 0 1 2 年建成投运的8 0 0 k v 锦屏一苏南直流输电工程， 额定容量7 2 0 0 m w ，输电距离约2 1 0 0 k m ，这是当今世界上电压等级最高、输送容 量最大和输电距离最远的直流输电工程。这些工程建成投运后，我国将成为世界上 直流输电电压最高的国家1 2 j 。 高压直流输电的快速发展对电力系统的影响问题也越来越突出，其中直流输电 引起电力系统的次同步振荡问题就是其中的一个主要方面。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 ) 是指大型汽轮发电机组经高压直流线路接入系 统时，在某种运行方式下，h v d c 的换流器产生低于同步频率的谐波电流，通过定 电流、定电压控制回路作用，在发电机中产生次同步旋转磁场，其与同步旋转磁场 相互作用产生振荡转矩，在机械与电气系统之间发生振荡，损坏发电机的轴系【3 1 。 h v d c 系统引发的次同步振荡事故最早发生在是美国的s q u a r eb u t t e 电厂【8 】， 随后在美国的c u 、印度的r i h a n dd e l i 、瑞典的f e n n o s k a n 等直流输电工程中，也 表明有或可能存在次同步振荡问题1 9 】。对于次同步振荡问题，国际电力工程界从其 产生的原因、表现形式、影响因素、分析方法、检测预防和控制措施等各个方面进 行了广泛而深入的研究【l o d 。 华北电力火学硕上学位论文 我国由于过去较长一段时间内直流输电工程应用少，输电容量也不大，次同步 振荡并没有成为现实的威胁。我国对次同步振荡问题的研究还处于原理性的探索阶 段，尤其对防治次同步振荡的措施，其工程应用仍几近空白。近年来，随着我国电 网中单机和总装机容量不断扩大、超大规模远距离交直流混合输电逐步在我国得到 应用，电网中潜在的次同步振荡问题开始逐渐引起人们的关注。“西电东送”越来 越多地采用直流输电方式，在这种远距离、传输容量大的输电模式中，直流输电就 有可能引发严重的次同步振荡问题，造成发电机大轴扭振破坏。 为防止不稳定次同步振荡引发严重的轴系扭振事故，电力系统可通过恰当的控 制算法在现有电力系统控制装置上附加控制信号，从而在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，达到抑制次同步振荡的目的【i 引。以往关于抑制次 同步振荡的文献表明 1 2 - 1 6 】，附加控制的结构和采用的算法对抑制振荡的效果有重要 的影响。 因此，对h v d c 引起的次同步振荡问题的研究及设计性能良好的次同步振荡阻 尼控制器，具有重要的理论价值和现实意义。 。 1 2 高压直流系统引起的次同步振荡问题研究现状 1 2 1h v d c 系统次同步振荡产生机理 对于高压直流输电引起的次同步振荡的产生机理，电力系统有不同的解释【l5 。 一种解释是h v d c 系统的次同步振荡由非特征谐波引起的，直流系统两端所连交流 系统的非同步运行时，由于平波电抗器不可能为无穷大，两端交流系统的频率差将 会在直流电流中表现出来，从而产生注入两端交流系统的非特征谐波电流。非特征 谐波中有一部分落在次同步频率范围内，如果非特征谐波电流流入发电机且与轴系 扭振固有频率互补就有可能引发电力系统的次同步振荡问题。 目前电力系统比较认可的是另一种解释，即h v d c 系统与汽轮发电机组之间的 相互扭振作用是由h v d c 的快速控制引起的【8 1 3 ，1 7 棚】。h v d c 系统引起扭振可用图 1 1 加以解释。 口_ u _ u 0 叫厶( ) _ c c c ( c p c ) 啼， 图1 1h v d c 引起的轴系扭振示意图 若与整流站紧密耦合的发电机上受到微小转予机械扰动小扰动面= a s i n p t ，导 2 华北电力人学硕上学位论文 致某一扭振模态的转速趔和转角胡摄动，将引起机端电压幅值u 与相位4 ，的相 应摄动，从而导致换流母线电压幅值与相位的摄动。对应于换流母线电压相位的摄 动，换流阀触发角将产生相同的摄动，从而导致直流电压。和电流4 ，产生摄动， 而对应于换流母线电压幅值的摄动，同样会使直流电压和电流产生摄动。上述两者 的作用将导致直流电压和电流偏离平衡状态，而h v d c 控制将感应这种偏差并加以 快速校正和调整，引起发电机电磁转矩z 的摄动，最终又反馈作用于机组轴系。如 果发电机转速变化与由此引起的电磁转矩变化之间的相位滞后( 包括闭环控制系统 的附加相位滞后) 超过9 0 度，则将形成一种正反馈性质的扭振相互作用，不断助增 摄动幅值，导致轴系扭振失稳。 次同步振荡与h v d c 系统运行工况、控制方式、控制参数、输送功率、直流线 路参数，以及发电机同直流输电线的耦合紧密程度等因素有关【l 弘2 2 j 。 1 2 2h v d c 系统次同步振荡分析方法 在直流输电系统次同步振荡问题研究中，分析由直流输电引起的次同步振荡问 题的方法有：机组作用系数法、特征值分析法、复转矩系数法、时域仿真法【2 3 。2 7 】。 ( 1 ) 机组作用系数法 机组作用系数法( u n i ti n t e r a c t i o nf a c t o r ，u i f ) 是用来判别系统中哪些机组有发生 次同步振荡的可能性，它是一种“筛选”的方法【2 4 1 。该方法的具体内容为： 直流输电系统整流站与第f 台发电机组之间相互作用的程度可用下式表达： 唧= 等( ，一是 2 式中u i f , 为第f 台发电机组的作用系数；脚为直流输电系统的额定容量，m 暇 s 。为第f 台发电机组的额定容量，m v a ；踞为直流输电系统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f 台发电机组的贡献，同时也不包括交流滤 波器的作用；配m r 为直流输电系统整流站交流母线上包括第f 台发电机组贡献的三 相短路容量。 判别准则：若u 巩 0 1 ，则可以认为第f 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，否则，则需要进行次同步振 荡分析。 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。 ( 2 ) 复转矩系数法 华北电力大学硕十学位论文 复转矩系数法的具体做法为：对系统中的某一发电机转子相对角度万施加一频 率国( 5 0 h z ) 的强nd , 值振荡万，通过计算可以分别得到该发电机电气系统和机 械系统的响应6 z o 、乙，并定义电气复转矩系数和机械复转矩系数为 k 。( ，仞) = a t e l a 6 = k + c o 见 k m ( 功) = 瓦万= e + c o d ( 1 2 ) ( 1 3 ) 其中丘和眈分别称为电气弹性系数和电气阻尼系数；k m 和既分别称为机械 弹性系数和机械阻尼。 通过比较转矩响应中相应的机械和电气阻尼，可知系统在频率为h 时的振荡特 性，判断万能否受到阻尼。当+ 膨= 0 时，表示电气系统与机械系统的弹性转矩 互相平衡。此时，若d 肌+ 眈 o ，一系统稳定。 复转矩系数法不受矩阵维数和系统规模的限制【2 6 1 ，但其将电气、机械部分分割 开来进行分析，无法准确计及机电系统间的互作用。 ( 3 ) 特征值分析法 特征值分析法是把电力系统非线性状态方程在工作点处线性化，形成全系统的 状态方程，求其特征根和特征向量，从而得到明确的数值解，用来说明其物理现象 本质。 对一个具体系统进行特征值分析时，首先建立系统各个元件( 发电机、励磁系统、 输电网络) 详细的数学模型。对于次同步振荡研究还要列写汽轮机组轴系的微分方 程，然后在系统稳定运行点将其线性化，建立状态方程。求解系数矩阵的特征值。 利用特征值的虚部确定频率，实部判断是否稳定；若实部为正，则表明系统不稳定， 有可能发生次同步振荡，若为负，则系统稳定。 这种分析方法的特点是可以提供与动态稳定有关的大量有价值的信息，如衰减 因子、振荡频率、阻尼比、参与因子等，具有明确的物理意义，因此被广泛地应用 于电力系统次同步振荡问题研究中。其缺点是应用于规模大的系统时，容易产生“维 数灾”问题1 2 7 】。 ( 4 ) 时域仿真法 时域仿真法用数值积分的方法逐步求解描述整个系统的微分方程组。它可以详 细模拟发电机、系统控制器，以及各种类型故障、断路器动作等，还可以考虑各种 非线性设备的暂态过程。该方法采用的模型可以是线性的，也可以是非线性的，网 络元件可以采用集中参数模型，也可采用分布参数模型。发电机轴系的质量块弹簧 模型中的轴系可以划分得更细，甚至可以采用分布参数模型。利用该方法，不但能 4 弋 华北电力人学硕士学位论文 对电网中由于小扰动引起的次同步谐振进行分析，还可以对电网大扰动过程( 如故 障、进行重合闸等) 引发的次同步谐振问题进行分析。 时域仿真法可以得到模型中各变量随时间变化的曲线，能够分析由于系统故障 引起的次同步振荡，能够直观地看到在较长的一段时间内各变量的变化情况。既可 以用于大扰动下次同步振荡的研究，也可用于小扰动下次同步振荡的研究。时域仿 真法的缺点是难以鉴别各个扭振模式和阻尼特性，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，在小扰动研究中存在轴系模型阻尼系数转化困难的 问题。 1 2 3h v d c 系统次同步振荡抑制措施 由h v d c 系统引起次同步振荡的机理可知，抑制h v d c 系统次同步振荡必须 要消除直流系统控制的快速变化产生的负阻尼。因此，为了抑制次同步振荡，理论 上可以采取两方面的对策【3 , 2 4 , 2 9 ： ( 1 ) 通过在直流系统的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。采用一次对策来抑制 s s o ，其价格昂贵，设备可靠性要求高，且一般无源装置需要调谐，受系统运行方 式影响较大。并且当抑制多个扭振模式时，设备设计及其参数整定较为复杂。 ( 2 ) 通过附加次同步振荡阻尼控制器( s u b s y n c h r o n o u so s c i l l a t i o nd a m p i n g c o n t r o l l e r ，s o d c ) 。s o d c 以能够反映次同步振荡分量的信号作为输入信号，通过适 当的放大和移相，作为直流输电系统控制器的附加控制信号，在发电机的电磁力矩 中产生一个阻尼次同步振荡的电气阻尼力矩增量，达到抑制次同步振荡的目的。通 过二次系统抑制s s o 的方法的优点是价格便宜、能耗小、控制效果良好，可靠性一 般比一次设备要高。采用二次对策抑制s s o 的本质是通过提供对扭振模式的阻尼来 抑制s s o 。 文献 2 2 对于直流输电及其控制系统引起的次同步振荡，可通过适当选择其控 制参数以避免发生次同步振荡。文献【l3 】基于经典自动控制理论，设计了一种基于 最佳相位补偿和模态分离的s o d c 设计方法。文献 1 4 】将利用h v d c 的附加控制抑 制电力系统次同步振荡问题转化为控制器参数设计中的极大值极小值问题，使所设 计的h v d c 附加次同步振荡阻尼控制器具有适应电力系统运行条件变化的能力。文 献 2 8 在交流系统的励磁输入端加入多模态附加控制信号，设计了多模态次同步谐 振控制器。文献【1 2 ，2 9 】以发电机转速偏差信号作为输入信号，采用相位补偿的方法 设计次同步振荡阻尼控制器。文献 1 6 ，3 0 1 研究了带串联电容补偿的交直流电力系统 的s s o 问题，分别基于传递函数的伯德图和基于模态控制理论设计s o d c 。 华北电力大学硕上学位论文 1 2 4 次同步振荡研究面临的问题 s s o 问题分析方法如特征值分析法、复转矩系数法、时域仿真法目前已有很多 理论成果，但是在实际工程中，特别是特高压直流工程系统比较复杂，在对其进行 次同步振荡分析时，直流系统的数学模型建立相当困难，因此复转矩系数法和特征 值分析等理论方法很难应用了s s o 问题的分析中，时域仿真法成为分析s s o 问题 时使用最广泛的方法。利用仿真软件对双极直流系统进行s s o 分析，从而揭示双极 直流系统的s s o 的现象，这对于特高压直流实际工程及理论研究有着非常重要的意 义。 电力系统是由电源、输电网络和受端负荷组成的，因此在对电力系统进行分析 时，需要考虑这三方面的影响。目前电力系统的分析计算中，电源( 发电机) 、输电 网络( 线路) 的计算模型比较成熟，负荷建模的发展则相对比较缓慢。以往在分析电 力系统次同步振荡问题时，通常的做法是将待研究的发电机详细建模，其余的发电 机和受端系统等值成电压源 1 0 , 2 4 j 。但在直流系统中，负荷的动态特性对直流系统的 稳定性影响较大【3 l ，3 2 j ，文献 2 3 考虑在直流系统的逆变侧加入不同性质的负荷，仿 真结果表明模拟负荷会使谐振点的电气负阻尼略微增大。因此如果不考虑负荷模 型，有可能会使所得结果与系统实际情况不相一致，或偏乐观，或偏保守 3 1 - 3 7 ，从 而构成系统的潜在危险或造成不必要的投资。 利用经典控制方法设计的次同步振荡阻尼控制器适用于一种运行条件或直流 系统的一种控制方式，若运行条件或控制方式变化时，有可能产生负阻尼【l4 1 。并且 利用传统控制方法设计s o d c ，当运行条件发生变化时，则需要改变控制器的参数， 从而导致设计复杂。因此，设计能够适应运行条件变化的次同步振荡阻尼控制器， 对于抑制各种运行条件下可能发生的次同步振荡具有很重要的理论和现实意义。 1 3 论文主要工作 本文针对h v d c 引起的次同步振荡问题，研究了交直流系统次同步振荡的影响 因素，并在此基础上考虑了负荷模型对分析次同步振荡的影响，设计了次同步阻尼 控制器。具体内容如下： ( 1 ) 在建立某电网详细仿真模型基础上，利用机组作用系数法筛选需要进行次 同步振荡分析的发电机组，并通过仿真研究直流双极投运时的机组出力、开机台数、 恒功率负荷、系统接线方式等对次同步振荡的影响，总结了影响h v d c 系统次同步 振荡的因素，并提出了规避建议。这对于研究和规避因机电扭振互作用引发的次同 步振荡、分析不同运行方式下次同步振荡的特性、提高大机组和大电网的可靠性和 经济性都具有重要的实际价值。 6 华北电力大学硕十学位论文 ( 2 ) 针对以往分析次同步振荡问题时，在h v d c 系统中未曾考虑动态负荷模型 影响的问题，首先建立了不考虑动态负荷模型的h v d c 系统线性化方程；然后，分 析了h v d c 系统考虑动态负荷模型的必要性，并建立了动态负荷的线性化模型：最 后，在h v d c 系统的整流侧和逆变侧考虑包含动态负荷的综合负荷模型后，利用特 征值分析法分析，研究负荷模型对次同步振荡的影响。 ( 3 ) 对于次同步阻尼控制器的设计问题，详细论述了附加次同步阻尼控制器原 理和设计思路，采用了基于遗传算法作为控制器的优化算法。以某一交直流系统为 例，阐述了次同步振荡阻尼控制器的目标函数、滤波器的设计和相位补偿时间范围 的确定过程，最后利用遗传算法进行优化，得到一组控制参数，用特征值分析程序 对所设计的控制器的有效性进行验证。 7 华北电力人学硕士学位论文 第二章交直流输电系统次同步振荡分析 直流输电系统引起次同步振荡问题的大量分析结果表明，直流系统的某些运行 方式可能会对发电机产生次同步振荡影响【2 0 2 2 】。本章建立了某电网交直流系统的详 细仿真模型，在此仿真模型中的某变电站加入四台6 0 0 m w 的发电机组，研究直流 系统中的机组出力、开机台数、恒功率负荷和系统接线方式对机组的次同步振荡影 响，为理论分析s s o 和多模态次同步振荡阻尼控制器的设计奠定基础。 2 1 交直流系统的次同步振荡仿真建模 2 1 1 电网结构与面临的次同步振荡问题 某直流输电工程电压等级为8 0 0 k v ，输电规模为5 0 0 0 m w , 额定电流为 3 1 2 5 k a ，送端换流站通过5 0 0 k v 双回交流线路与主网5 0 0 k v 变电站相连，x w 水电 厂通过5 0 0 k v 线路向c x 站送电，c x z d 直流系统的c x 换流站附近的电网结构 如图2 1 所示。 d l c p 图2 1 某电网次同步振荡仿真研究等值图 此系统直流输送容量较大，直流系统的运行方式变化时有可能引起功率大的变 化，因此需要研究此系统的次同步振荡问题。水电厂中的水轮机组的轴系黏性作用 较大，水轮发电机组不存在次同步振荡l 口- j 题【2 3 1 ，因此不需要考虑x w 电厂的次同步 振荡问题。汽轮机组由于轴系的机械阻尼在系统的某些运行条件下可能会小于电气 负阻尼，因此需要考虑火电厂中汽轮机组的次同步振荡问题。在图2 1 的h p 变电 站上加入4 x 6 0 0 m w 发电机组，发电机组通过5 0 0 k v 的双回交流输电线路直接连接 到c x 换流站，直流输电系统与这些机组之间的耦合作用将通过u i f 分析来判定是 否作为次同步振荡研究的重点。 直流输电系统与汽轮发电机组之间发生次同步振荡的危险性与交流系统的强 弱、直流输电的输送功率和运行方式有关：与外部交流系统的联系越弱，发生次同 步振荡的可能性就越大【2 3 1 。考虑到与外部交流系统联系程度及直流不同的投运极数 情况，分别在单极和双极两种投运时，选择电力系统典型的四种接线方式，计算这 四种运行方式下的机组作用系数以判别待研机组是否会发生次同步振荡。 方式一：c x 换流站与h p 站双回线路运行。 方式二：弱交流系统接线：c x 换流站与h p 站双回断开一回运行。 方式三：h p 站与d l 站之问的双回交流线路断开运行。 方式四：h p 站与c p 站之间的双回交流线路断开运行。 方式一是强交流接线方式，方式二、三、四是弱交流接线方式。表2 1 列出了直 流双极投运时，发电机组在不同运行方式下的机组作用系数值。 表2 1 直流不同极投运时各种运行方式下的u i f 值 由表2 1 司知： 1 ) 双极投运时计算的u i f 值要大于单极投运，即本系统在双极投运时发生次同 步振荡的可能性较大。 2 1 双极投运时，机组在弱交流系统接线方式运行时的u i f 大于或者接近0 1 。 在直流双极投运时，加入h p 站的四台发电机组与直流系统之间有发生扭振互作用 的危险，因此有必要进行时域仿真方法进行详细分析。 因此，根据以上的u i f 值，有必要针对严重的运行方式，即双极运行条件下各 种运行方式进行次同步振荡研究，以下的分析都是基于双极投运进行的仿真研究。 2 1 2 时域仿真建模 利用时域仿真法分析系统的次同步振荡问题时，必须要建立系统详细的电磁暂 态模型，p s c a d 电磁暂态仿真软件由于可以很好地模拟交直流电力系统的各种元 件，因此本章采用p s c a d 电磁暂态仿真程序对此系统进行时域仿真。时域仿真法 9 华北电力大学硕士学位论文 确定在哪些运行条件下，电力系统的扰动会引起c x z d 直流输电系统中发电机组 的次同步振荡问题。p s c a d 仿真软件中所建立的模型包括： ( 1 ) 4 台汽轮发电机组的详细电磁暂态模型。发电机采用基于派克方程的六阶 模型；由于发电机在不同的运行方式下的机械阻尼是不同的，因此阻尼参数 采用最保守的情况，即零机械阻尼进行计算，在此情况下，可将等幅振荡情 况认作收敛。 ( 2 ) 汽轮机组轴系模型。汽轮机轴系包括高压缸和低压缸两个缸； ( 3 ) x w 水轮机组详细电磁暂态模型。直流换流站附近的机组动态特性对直流 系统的运行又影响，因此需要建立水轮机组模型。 ( 4 ) 励磁系统和调速系统模型。 ( 5 ) 5 0 0 k v 交流线路。h p 、d l 和z d 变电站所连接的交流系统采用具有一定 短路阻抗的等值电源模拟。 ( 6 ) + 8 0 0 k v 直流系统模型。直流系统j 下常运行时，整流站定电流控制，逆变站 定电压控制。 在p s c a d 仿真软件中建立z + _ 8 0 0 k v 交直流系统详细的仿真模型如图2 2 所示。 1 5 0 m h l5 8 2 【o h m 】 訇南 l 一+ j t 【m 竺三 障 n 1 ， m 崔r l 图2 - 2 + 8 0 0 k v 特高压直流输电系统结构 2 2 机组不同出力对s s 0 的影响 进行s s o 分析时，如果同一电厂中的发电机组机械轴系完全相同，电气耦合完 全对称，则可以将其等值为一台机组，等效时仅需将等效机组的容量设定为所要进 行等效的所有机组的容量之和。由h v d c 引起的次同步振荡机理可知，次同步振荡 的产生是由发电机和直流系统之间的耦合作用引起的。机组出力不同，相当于等效 后的发电机组与直流系统之间的耦合作用不同，因此需要考虑机组出力不同对s s o 的影响。 1 0 由 m h ，导几 8 ， 5 华北电力大学硕士学位论文 本文对于机组出力问题，考虑两种情况：发电厂内的并联机组出力相同和并联 机组出力不同。考虑并联机组出力相同的情况，针对机组的最小出力( 额定出力的 5 0 ) 、额定出力( 即1 0 0 出力) 情况进行仿真计算。考虑并联机组出力不同的情 况，由于可能出现的组合较多，不可能对其进行逐一的仿真计算，故仅针对实际运 行中可能出现的一种比较严重的出力组合进行仿真计算，其中两台机组6 0 出力， 另两台机组最小出力( 额定出力的5 0 ) ，即6 0 + 5 0 出力运行。 利用p s c a d e m t d c 仿真软件进行时域下的仿真，设置条件分别为机组5 0 出力、1 0 0 出力、6 0 + 5 0 出力三种运行工况。在h p c x 线路靠近h p 站附近3 s 时设置三相短路故障，故障持续时间0 1 秒，3 1 秒故障线路切除。通过仿真，依次 给出了汽轮机组高压缸和低压缸之间、低压缸和发电机质块之间的扭矩曲线。考察 在大扰动下机组轴系之间的扭振曲线，如图2 3 、2 4 所示。 15 1 l 0 5 e 0 ；舶 1 2 l ， l。 024681 01 21 4t 6侣2 0 t i ) 图2 - 3 机组出力为1 0 0 的轴系扭振曲线 一o2468 1 0 1 2 1 61 82 0 t ( 5 ) 图2 - 4 机组出力为5 0 的轴系扭振曲线 由图2 3 可知，当机组1 0 0 出力、在零阻尼条件下发生大扰动后，发电机高 压缸和低压缸之间的轴系扭振有放大的现象。图2 - 4 是4 台机组都是5 0 t 白力，扰 动后轴系没有发生扭振放大现象，在零阻尼情况下，轴系做等幅振荡。 山- 山岫- - 恤l 山i l j - 0 “_ _ - 上u - “i - 止山 _一 7 t 1 _ _ 丌一r r 1 州_ - 呵_ _ f r f _ t 一”_ 呵呵i 叮呷 图2 - 6 两台机出力为5 0 的轴系扭振曲线 瓣一 华北电力大学硕- 1 j 学位论文 由上可知，在零阻尼条件下，机组出力水平大时，与直流系统之间的耦合作用 大，电力系统的三相短路故障容易激发轴系的扭振，从而可能会引起机组的次同步 振荡问题。 2 3 开机台数对s s o 的影响 考察电厂机组不同的开机方式对机组次同步振荡的影响。研究在系统其它运行 条件不变，h p c x 线路发生三相短路时，不同的开机台数对发电机轴系之间的扭振 情况。 在h p c p 线路靠近h p 站附近3 s 时设置三相短路故障，故障持续时间o 1 秒， 3 1 秒故障线路切除。通过仿真，依次给出了汽轮机组高压缸和低压缸之间的扭矩、 低压缸和发电机质块之间的扭矩。在大扰动下机组轴系之间的扭振曲线，如图2 7 、 2 8 所示。 j - - - 一- 一- 1l l - - - j 一，_ ”，一t ，一 d 1 5 1 l o s e 0 艄 图2 7 两台机1 0 0 出力的机组轴系扭振曲线 煅 缪嬲 一。驴：一i t1 嬲t 燃。t 。t 甥 r 。 隔黼删稀葡怖i 树 0246 81 01 21 41 61 82 0 t ( s ) 图2 - 8 四台机1 0 0 出力的机组轴系扭振曲线 由图2 7 可知，开两台机时机组的轴系没有发生扭振变化。由图2 8 可知，若 忽略轴系机械阻尼，开四台机时，发生大扰动后，发电机高压缸和低压缸之间的轴 系扭振有放大的现象。因此，当系统发生大扰动时，机组开机台数越多，发生次同 步振荡的可能性越大。 电厂开机台数的多少相当于增大或减小电厂的出力水平，因此，当开机台数大 时，机组与直流系统之间的耦合作用也就越强，在系统发生大的扰动时，就可能会 发生次同步振荡。 综上分析仿真结果可知，若忽略轴系机械阻尼，机组开机台数越多，当系统发 生三相短路故障时，扰动引发次同步振荡的可能性就越大 1 2 华北电力大学硕十学位论文 2 4 恒功率负荷对s s o 的影响 换流站附近的动态特性对直流系统影响很大，在某些运行方式，当直流系统电 压降低时，换流站附近的无功装蜀就会因为电压的下降而缺乏无功，此时，无功装 置就会吸收系统中的无功，从而造成电压的进一步降低，导致直流系统的运行方式 发生变化。换流站附近的负荷可以影响无功的变化，因此，分析直流系统的次同步 振荡需要考察负荷的影响。 考虑到模拟电力系统的负荷必须涉及有功、无功功率及p s a c d 仿真软件本身 自带的功率负荷元件，设定负荷水平为1 0 0 0 m v a 、2 0 0 0 m v a 两种情况，且负荷为 恒功率模型。仿真中以正常工况下四台机组1 0 0 出力为例，分别在换流站的整流 侧和逆变侧考虑加入不同水平的负荷。 在5 0 0 k vh p 变电站附近设置三相短路故障，考虑系统在直流系统的不同端的 不同水平负荷对机组次同步振荡的影响。 2 4 1 整流侧负荷的影响 图2 - 9 加入1 0 0 0 m v a 负荷的机组扭振曲线 o24681 01 21 41 81 82 0 0 2 4681 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 t ( 0 ) 图2 1 0 加入2 0 0 0 m v a 负荷的机组扭振曲线 由图2 - 9 、图2 1 0 可见，在整流侧考虑负荷时，忽略机组的机械阻尼时，系统 的扰动会引起发电机组的次同步振荡现象。并且负荷水平不同，对发电机轴系之间 的扭振影响情况也不同。2 0 0 0 m v a 负荷时的轴系扭振要比1 0 0 0 m v a 的扭振要强些， 即负荷水平越高，发生次同步振荡的可能性就越大。 因此，若忽略机组的机械阻尼时，当系统发生三相短路故障时，整流侧换流站 附近的恒功率负荷对次同步振荡有影响，并且当负荷水平越高，机组发生次同步振 荡的可能性就越大。 2 4 2 逆变侧负荷的影响 厂卜l 一 2 ， o 一 之 eqvf_ltdh 一瀚一 一憋。黼一 一爨鳓 蕊惭一 一嬲硝 一 瓣 褫一 华北电力大学硕士学位论文 - - 一u 一1 n - 一一r ，- 一1 一 - 讪- - - 山山山“j - j - 一- - t - i 恤l n _ 一 1 1 甲r 丌”1 。r h l n ，印。_ 1 1 r - r - r _ r r _ p - - 町几_ _ 一i - _ r l 图2 1 1 逆变侧加入1 0 0 0 m v a 负荷的发电机 扭振曲线 厂 ：卜糊渊槲黼渊 _ 2 【i 一一一一一 图2 一1 2 逆变侧加入2 0 0 0 m v a 负荷的发电机 扭振曲线 由图2 1 1 、图2 1 2 可见，在逆变侧加入负荷后，对机组的轴系扭振不产生影响， 并且负荷水平不同，对轴系扭振情况的影响基本相同，不会发生次同步振荡。 因此，若忽略轴系机械阻尼，当系统发生大扰动时，整流侧换流站附近的负荷 水平越高，机组发生次同步振荡的可能性越大，不同的负荷水平对次同步振荡的影 响不同。逆变侧是否考虑负荷对次同步振荡没有影响。 2 5 系统接线方式变化对s s 0 稳定性的影响 直流输电系统与汽轮发电机组之间发生次同步振荡的危险性与交流系统的强 弱、直流输电的输送功率运行模式等密切相关【23 1 。与外部交流系统的联系越弱，发 生次同步振荡的可能性越大。因此，分析以下三种系统结构：孤岛运行方式、弱交 流系统连接方式和强交流系统连接方式。孤岛运行方式是指4 台发电机组、x w 电 厂和c x 换流站形成一个孤立系统，h p 站连接d l 和c p 的5 0 0 k v 交流线路全部断 开；弱交流连接方式是指c x 换流站与h p 站仅通过一回5 0 0 k v 交流线路连接；强 交流连接方式是指h p 站和c x 换流站之间的两回5 0 0 k v 交流线路全部连接。 2 5 1 强交流接线方式 在强交流连接运行方式下设置故障同上，在h p c p 5 0 0 k v 交流线路靠近h p 站 设置三相短路故障：3 0 s 线路发生三相短路故障，故障持续0 1 s 后断路器动作，分 析轴系的扭振情况。 华