HVDC系统引起的次同步振荡研究

宋杨呈祥

摘 要：在高压直流输电系统中，由高度非线性的高压直流换流设备引起的次同步振荡（SSO），产生低于工频的有功振荡，引起汽轮发电机大轴疲劳、断裂和电气不稳定。随着电力系统中建立起越来越多的高压直流输电工程，分析和控制次同步振荡相关问题已经成为电力系统设计和运行中极为关注的问题。本文推导了SSO产生的机理，提出数字时域仿真结合Prony或TLS-ESPRIT算法是SSO较好的分析方法，论述了SSO的抑制措施。

关键词：次同步振荡 高压直流输电 阻尼特性

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（b）-0067-02

高压直流输电系统在远距离、大功率输电，地下、海底电缆输电，系统非同步联络等方面具有显著优势。但HVDC系统因其快速的功率控制，易造成汽轮发电机组弹性轴系和交直流系统相互作用，引发次同步振荡（SSO）。

传统交流輸电系统为提高输送能力和系统暂态性能，常采用串联电容补偿。当线路电感和补偿电容构成的LC电气谐振频率和发电机轴系自然扭振频率有互补或近似互补关系时，系统受到扰动容易在发电机和输电系统间产生低于同步频率的大规模功率交换，使发电机轴系受损，这就是次同步谐振。而HVDC系统发电机和输电系统间振荡互补而引起的发电机轴系扭振，是由于换流站的引入，不再是因为串联补偿电容，因而称作次同步振荡。1977年，在对Square Butte±250kV的HVDC系统调试时，第一次观察到SSO现象。随后，加拿大Nelson、美国CU、瑞典Fenno-Skan、中国葛-上等直流工程相继给出了可能发生SSO的报告。

1 HVDC产生SSO的机理

HVDC系统中大容量汽轮发电机单机容量、功率密度不断增大，其轴系长度加长，轴系截面积相对下降。整个轴系不能再被视为转动的刚体，而是由多块转子组成的两端自由的弹簧质量块系统（见图1）。

下面以两质块轴系为例，分析扭振的基本原理。设双质块轴系中质块轴动惯性时间常数、转速、转子角分别为M1，M2，ω1，ω2和δ1，δ2，并设质块运动中无机械阻尼，质块连接处的弹性系数为K12，则在无外力作用时，两个质块各自自由运动标幺值方程为：

（1）

将上式线性化，并化为矩阵形式的偏差方程，则：

（2）

上述微分方程的特征方程为：

（3）

设λ=p2，则上式为：

（4）

解上式可得：

（5）

从而

（6）

式中，K=K12，M=M1M2/（M1+M2）。

由式（6）可知，在两质块轴系数学模型的极点中，根p3，4是一对共轭复根，反映了轴系一旦遭受扰动，该扰动消失后两个质块可能相对做频率为ωn的扭转振荡，在有阻尼的情况下，扭振将不断衰减。

HVDC系统传输功率与电网频率无关，其对汽轮机频率振荡不起阻尼作用，因而对汽轮机的次同步振荡也不起阻尼作用，当在下列一系列不利因素同时发生时，就有可能产生次同步振荡，这些不利因素包括：

（1）汽轮机与直流输电整流站电气距离很近。

（2）汽轮机与交流网络联系薄弱。

（3）汽轮机的额定功率与直流输电输送的额定功率在同一个数量级上。

2 HVDC系统SSO的分析方法

传统的SSO分析方法基于线性化系统模型，通常包括：特征根分析法、扫频-等值阻抗法、扫频-复数力矩系数法、扫频-多变量奈奎斯特判据法等。当考虑电力系统设备的强非线性和耦合性时，通常采用电磁暂态程序进行数字时域仿真，再通过Prony或TLS-ESPRIT算法对得到的时域仿真结果进行分析。仿真法研究不同扰动情况下的SSO问题，可以将耦合严重、过程复杂的振荡问题用清楚、直观的变量随时间的变化曲线体现出来。虽然从曲线上没法直接得到各元件参数和所选用控制方法对SSO影响的情况，但是通过Prony或TLS-ESPRIT等算法可以得到SSO分析中关心的振荡频率、阻尼比和特征值等重要参数。

3 SSO的抑制措施

SSO控制器是保护发电机免受危害的有效措施，通常分为两类：一类是对一次设备进行优化，通过在发电机出口加装无功补偿设备或阻塞滤波器来控制SSO的产生，或采用传统的极面阻尼器；另一类是对控制策略优化抑制SSO，其本质是通过提供对扭转振荡模拟的阻尼来抑制SSO，它与用PSS抑制低频振荡有相似之处。

4 结语

在HVDC系统或混合交直流并联系统中，由于非线性换流设备的大规模应用，使得系统内发电机易发生次同步振荡（SSO）。发电机次同步振荡的发生：一方面是由于大容量汽轮发电机组的轴系具有区别于传统发电机刚性轴系，而表现为弹簧质量块系统的特点；另一方面也是最主要的原因是由于HVDC依靠非线性的换流元件快速的功率控制，导致发电机负阻尼特性而引起的。HVDC系统的SSO问题，由于HVDC中含有换流元件系统具有非线性、耦合等特点，研究方法和传统交流输电系统有所不同；但一般性的研究可采用直观、简单的数字时域仿真法。HVDC系统中SSO问题的抑制措施，一般采用通过二次设备（即控制装置）提供对扭转振荡模式的阻尼来抑制SSO。目前，最有效的SSO抑制装置是SSO阻尼控制器。

参考文献

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