次同步振荡机理分析

次同步振荡机理分析
1、次同步振荡原理
交流输电系统中采用串联电容补偿是提高线路输送能力、控制并行线路之间的功率分配和增强电力系统暂态稳定性的一种十分经济的方法。

但是，串联电容补偿可能会引起电力系统的次同步谐振（SSR，SubsynchronousResonance），进而造成汽轮发电机组的轴系损坏。

次同步谐振产生的原因和造成的影响可以从三个不同的侧面来加以描述，即异步发电机效应（IGE，InductionGeneratorEffect）、机电扭振互作用（TI，TorsionalInteraction）和暂态力矩放大作用（TA，TorqueAmplification）。

对次同步谐振问题，主要关心的是由扭转应力而造成的轴系损坏。

轴系损坏可以由长时间的低幅值扭振积累所致，也可由短时间的高幅值扭振所致。

由直流输电引起的汽轮发电机组的轴系扭振与由串联电容补偿引起的汽轮发电机组的轴系扭振在机理上是不一样的，因为前者并不存在谐振回路，故不再称为次同步谐振（SSR），而称为次同步振荡（SSO，SubsynchronousOscillation），使含意更为广泛。

2、次同步振荡种类
由直流输电引起的次同步振荡具有定电流（定功率）控制的直流输电系统所输送的功率是与网络频率无关的，因此直流输电系统对汽轮发电机组的频率振荡不起阻尼作用，对汽轮发电机组的次同步振荡也不起阻尼作用。

但这本身不足以构成次同步振荡不稳定。

产生不稳定的因素只有在一系列不利因素同时作用时，才可能产生次同步振荡不稳定。

这些不利因素包括：
汽轮发电机组与直流输电整流站距离很近；
该汽轮发电机组与交流大电网联系薄弱；
该汽轮发电机组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。

汽轮发电机组与交流大电网之间联系的强弱（可以用联络线的阻抗来表达）起着非常重要的作用。

常规的电力负荷具有随频率而变化的特性，它们对汽轮发电机组的次同步振荡起阻尼作用。

但是，当汽轮发电机组与交流大电网弱联
系时，这个阻尼基本上就不起作用。

此外，当直流输电系统的输送功率大部分由附近的汽轮发电机组供给时，功率振荡就基本上发生在直流输电整流站和附近的汽轮发电机组之间。

如果直流输电系统与附近的汽轮发电机组具有相近的额定容量，情况就比较严重。

由于定电流调节器的放大倍数随控制角α的增加而增加，因此发生次同步振荡的可能性也就相应增加，故对特殊的运行工况必须特别注意，例如当直流输电系统降压运行时应特别注意。

在逆变站附近的汽轮发电机组不会受到可能与直流输电系统相互作用而造成的危害。

因为它们并不向直流输电系统提供任何功率，而只是与逆变站并列运行供电给常规的随频率而变化的负荷。

此外，对于逆变站，至少当它以定直流电压控制方式运行时，每当交流电压有增加时就会引起无功功率消耗增加，或者刚好相反，其特性与常规负荷类似。

理论分析和实际经验表明，SSO基本上只涉及大容量汽轮发电机组，这是由大容量汽轮发电机组的轴系结构特点造成的。

而对于水轮发电机组，通常不必考虑其轴系扭振问题。

3、影响因素
影响研究电力系统次同步振荡问题的数学模型和计算方法的因素至少有3个：
所能提供的原始数据的详细程度和正确性；
所要研究的次同步振荡的类型；
次同步振荡问题研究的目的。

以工程实用的观点，可以把目前使用的分析电力系统次同步振荡问题的方法分为两大类：
一类是用于分析电力系统是否会发生次同步振荡以及哪些机组会发生次同步振荡。

这类方法可以从众多的发电机组中逐机筛选出确实需要进行次同步振荡研究的机组。

因此称这类方法为研究电力系统次同步振荡问题的“筛选法”。

筛选法的特点
这类方法具有如下特点：
所需要的原始数据较少，例如不需要发电机组的轴系参数；
计算方法简单，物理概念明确；
所得结果是近似的，可以作为进一步精确分析次同步振荡问题的基础。

这类方法的典型代表有用于分析串联电容补偿引起的次同步谐振问题的“频率扫描分析法”和用于研究由直流输电引起的次同步振荡问题的“机组作用系数法”。

复转矩系数法、特征值分析法和时域仿真法
另一类方法可以比较精确和定量地研究次同步振荡的详细特性。

这类方法的典型代表是“复转矩系数法”、“特征值分析法”和“时域仿真法”。

这类方法的共同特点是需要较详细和精确的原始数据，如发电机组的轴系参数，直流输电系统控制器的结构和参数等。

采用“特征值分析法”和“时域仿真法”，所能研究的网络规模不能太大，通常需要对实际网络作一定的简化后才能进行分析。

由于一座新电厂机组的轴系参数或一个新直流输电工程控制系统的结构和参数在规划阶段是很少能准确知道的。

因此，在规划阶段，采用此类方法进行实际的计算和分析是比较困难的。

根据上述对次同步振荡问题分析方法的分类，对电力系统次同步振荡问题的研究一般也可分两步进行。

第一步，用“筛选法”筛选出需要进行次同步振荡研究的机组，这一步通常在系统规划阶段进行；第二步，在取得详细和精确参数的前提下用“复转矩系数法”或“特征值分析法”或“时域仿真法”进一步研究该问题，并提出和校核可能的预防及控制措施。

频率扫描分析法
频率扫描分析法是一种近似的线性方法，利用该方法可以筛选出具有潜在SSR问题的系统条件，同时可以确认不对SSR问题起作用的系统部分。

频率扫描分析法的具体做法为：需要研究的相关系统用正序网来模拟；除待研究的发电机之外的网络中的其它发电机用次暂态电抗等值电路来模拟；待研究的发电机用图1中的虚线部分来模拟，其中的电阻和电感随频率而变化。

频率扫描法针对某一特定的频率，计算从待研究的发电机转子后向系统侧看进去的等效阻抗，即从图1的端口N向系统侧看进去的等值阻抗，通常称该等值阻抗为SSR等值阻抗。

频率扫描法计算的结果可以得到两条曲线，一条是SSR
等值阻抗的实部（SSR等值电阻）随频率而变化的曲线，另一条是SSR等值阻抗的虚部（SSR等值电抗）随频率而变化的曲线。

根据这两条曲线，可对次同步谐
振的三个方面问题(即异步发电机效应、机电扭振互作用和暂态力矩放大)作出初步的估计。

频率扫描法也许是确定是否存在异步发电机效应的最好方法。

如果SSR等值电抗等于零或接近于零所对应的频率点上的SSR等值电阻小于零，则可以确认存在异步发电机效应。

而等值电阻负值的大小则决定着电气振荡发散的速度。

该电气振荡并不意味着会引起轴系的负阻尼振荡，但对电气设备而言，可能是不能容忍的。

如果已经知道机组机械系统的参数(如固有扭振频率及其固有机械阻尼)，则采用频率扫描法还能对机电扭振互作用及暂态力矩放大作用进行分析。

机电扭振互作用可以使轴系中的弱阻尼扭振模式不稳定，而对应频率下的SSR等值导纳的大小直接与该扭振模式的负阻尼相关，因此可以通过频率扫描法进行估计。

频率扫描法也可用来确定是否存在暂态力矩放大作用。

如果SSR等值电抗达到极小值的频率点与机组的固有扭振频率接近互补，就有可能存在暂态力矩放大作用。

在这种情况下，就应该用EMTP程序作进一步的研究。

同样，如果等值电抗达到极小值的频率点与机组的固有扭振互补频率相差大于3Hz，则可以排除暂态力矩放大作用。

SSR的分析通常从频率扫描开始，因为它是一种最省力而有效的方法。

利用频率扫描程序分析多种系统结构和多种串联补偿度的SSR问题所需要的成本比采用其它模型要低得多。

对用频率扫描法已确认的SSR问题，其严重程度还需要通过其它模型来加以校核。