【正文】 第四卷第三期 IEEE 能 量 轉(zhuǎn) 換 匯 刊 1989 年 9 月 IEEE Transactions on Energy Conversion 基于移相器的次同步振蕩阻尼 凱鑫 1 , Gee L. Kusic2 （ 1. IEEE 會(huì)員 Ratelco 電子公司 , 華盛頓 西雅圖 商業(yè)街 1260, 98109。 高級(jí)會(huì) 員， 匹茲堡大學(xué) 電氣工程系，賓夕法尼亞州 匹茲堡市 15261） 摘要： 大型汽輪發(fā)電機(jī)中的次同步振蕩現(xiàn)象是汽輪發(fā)電機(jī)軸系和電力網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)電容補(bǔ)償相互作用的結(jié)果。在這篇文章中將會(huì)介紹一種抑制次同步振蕩的方法，這種方法 使用晶閘管控制的移相 器 調(diào)制發(fā)電機(jī) 的 有功功率 。另一種新的值得推薦的控制方法是以 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和 /或模態(tài)速度偏差為移相 器的 控制信號(hào) 。網(wǎng)絡(luò)中合理布置移相器來(lái)有效抑制次同步振蕩也已經(jīng)被研究，人們通過(guò)使用 一 種 特征值分析方法來(lái)研究這種方法的 有效性。結(jié)果表明，當(dāng)移相器使用合適的控制信號(hào)和有一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆胖梅轿粫r(shí)，所有 IEEE 第二基準(zhǔn)下的系統(tǒng) — 1 的扭轉(zhuǎn)模式都能夠被成功抑制。 為了驗(yàn)證分析結(jié)果，在第二個(gè) IEEE SSR 的研究基準(zhǔn) 上運(yùn)用 詳細(xì)的非線性發(fā)電機(jī)模型 進(jìn)行了數(shù)字式計(jì)算機(jī)的研究。 關(guān)鍵詞 ： 次同步振蕩；模態(tài)速度；移相器；阻尼因子；串聯(lián)電容補(bǔ)償 0 引言 相對(duì)其它方法而言，電力系統(tǒng)中串聯(lián)電容補(bǔ)償是一種經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的方式，它可以提供更好的傳輸容量，穩(wěn)定性及運(yùn)行特性。然而，串聯(lián)電容器的出現(xiàn)使得電力系統(tǒng)次同步振蕩現(xiàn)象呈上升趨勢(shì) [1,2]。 除了串聯(lián)電容器以為，系統(tǒng)中還存在著其它的次同步振蕩源諸如高壓直流輸電系統(tǒng)或電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等 [3]。次同步振蕩能引起汽輪發(fā)電機(jī)組件軸系疲勞，這種疲勞直接縮減了汽輪機(jī)軸承的使用壽命。此外，在某些情況下，振蕩還可能導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)定子軸承嚴(yán)重?fù)p壞。在70 年代早期，莫哈維電廠的一起次同步振蕩事件就造成了汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的損壞 [4]。從那時(shí)起這個(gè)問(wèn)題開(kāi)始受到學(xué)術(shù)界 [5,6,7]的極大關(guān)注，并且新的分析方法不斷得以推出。 當(dāng)一個(gè)進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾娏ο到y(tǒng)的自然頻率和汽輪發(fā)電機(jī)組的扭轉(zhuǎn)模態(tài)相互作用時(shí)，就會(huì)發(fā)生次同步振蕩效應(yīng)，由此生成一部分與轉(zhuǎn)子速度偏差同相的次同步轉(zhuǎn)矩 [3]。這個(gè)轉(zhuǎn)矩將推動(dòng)轉(zhuǎn)子振蕩并且使振蕩幅度隨 時(shí)間成倍增長(zhǎng)。人們已經(jīng)提出了一些通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)際的潮流來(lái)抑制次同步振蕩的方法，（ 89 WM 0266 EC 該文章受到美國(guó)電力工程學(xué)會(huì)下的美國(guó)能源發(fā)展和發(fā)電委員會(huì)的推薦和批準(zhǔn)，并于 1989 在 IEEE/PES 冬季會(huì)議上得以陳述，時(shí)間是 1989 年 1 月 29日至 2 月 3 日，在紐約。 1988 年 9 月 1 日提交了手稿，于 1989 年 1 月 19 日印刷） 這些方法包括使用動(dòng)態(tài)電感，電阻模塊以及利用傳輸電流反饋控制來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出功率。移相器也可以用來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率以及給扭轉(zhuǎn)模態(tài)提供補(bǔ)充性的阻尼 [10]。 這篇文章進(jìn)一步 研究了移相器基于 IEEE第二個(gè) SSR基準(zhǔn)的系統(tǒng) — 模態(tài)下抑制次同步振蕩的效果。這項(xiàng)研究表明，除了發(fā)電機(jī)速度偏差量可以作為移相器的控制信號(hào)外，模態(tài)速度傳感可以為相關(guān)的模態(tài)振蕩提供明顯的正阻尼作用。 在電力網(wǎng)絡(luò)里移相器的放置方式能夠影響功率的調(diào)節(jié)。事實(shí)表明，一個(gè)移相器提供的補(bǔ)充性阻尼效果不僅是網(wǎng)絡(luò)放置方式所起的作用，而且也依賴于電容器的補(bǔ)償水平。就基于簡(jiǎn)單的 IEEE 第二基準(zhǔn)下的系統(tǒng) — 1 網(wǎng)絡(luò)而言，發(fā)電機(jī)端子和其它輸電線路上的移相器的放置方式正在被人們研究和比較。 1 分析 發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng) IEEE 第二基準(zhǔn)模 態(tài)下的系統(tǒng) — 1 可以被用來(lái)分析和計(jì)算機(jī)仿真研究 [11]。如圖一所示這個(gè)系統(tǒng)包含有一個(gè)兩極，容量為 600MVA，極端電壓為 22KV 的汽輪發(fā)電機(jī)組，這個(gè)發(fā)電機(jī)組通過(guò)一個(gè)三線網(wǎng)絡(luò)連接到無(wú)窮大系統(tǒng)，三線網(wǎng)絡(luò)中的兩條平行輸電線中的一條是串聯(lián)電容器補(bǔ)償。圖一中標(biāo)出了移相器可能放置的幾個(gè)地方，串聯(lián)補(bǔ)償是按線路電抗的百分比設(shè)計(jì)并且也只能離散化調(diào)節(jié)改變補(bǔ)償量。 圖 1: 系統(tǒng) — 1 網(wǎng)絡(luò) 汽輪發(fā)電機(jī)的軸包含四個(gè)模塊：勵(lì)磁機(jī)（ EXC),，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子（ GEN），一個(gè)低壓缸（ LP）和一個(gè)高壓缸（ HP）。這個(gè)軸系在頻率 ， 和 處有三個(gè)扭轉(zhuǎn)模態(tài)。最后一個(gè)扭轉(zhuǎn)模態(tài)對(duì)于其特征值來(lái)說(shuō)有一個(gè)很小的實(shí)部，因此它的時(shí)間衰減率（或增加率）是微不足道的，所以這種模態(tài)阻尼是可以忽略的[11]。前兩種模態(tài)對(duì)于串聯(lián)補(bǔ)償是不穩(wěn)定的，在這種分析中要用到一種“全模態(tài)”模型，這里一種扭簧質(zhì)量模型被用來(lái)描述軸系。帕克的兩軸模型 [12]被用來(lái)描述發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)。一個(gè)阻尼繞組和一個(gè)勵(lì)磁繞組表示轉(zhuǎn)子電路的 d 軸，而兩個(gè)阻尼繞組表示 q 軸，變壓器和傳輸線路由集總參數(shù)表示，系統(tǒng)中所有數(shù)值是以標(biāo)幺值的形式給定 [11]。 圖二所示是一幅相移電路， 它的輸出是 Φ 且輸入是 Δω，控制信號(hào)由方程（ 1）中的傳輸函數(shù)描述。 圖 2：一種移相器的結(jié)構(gòu) Φ= TSG?1 Δω 這里 Δω是控制信號(hào)。 G 作為控制器的增益，是受移相器中晶閘管的額定值限制的；并且 T 作為控制器的時(shí)間常數(shù)，是由控制電路決定的。皮特虎茲先生是西屋電氣公司的一名研究人員，他建議對(duì)于現(xiàn)有設(shè)備來(lái)說(shuō)，移相器的角度改變范圍應(yīng)該小于 6 度或 弧度。在分