电力系统次同步振荡分析

电力系统次同步振荡（Power system

synchronization oscillation）

➢产生机理和条件

次同步震荡基本概念：大型汽轮发电机组的转子轴系具有弹性，由于机械和电气的相互作用，

在特定条件下会自发振荡。输电线路的串联电容补偿、直流输电、电力系统稳定器的不当加装，

发电机励磁系统、可控硅控制系统、电液调节系统的反馈作用等，均有可能诱发、导致次同步

振荡（SSO）现象。有时也发生在发电机非同期并列或系统发生不对称短路等大扰动后的暂态过

程中。

根据次同步谐振产生的原因可从4个方面加以描述：

1）感应发电机效应：假设发电机转子以常速旋转，由于转子的转速高于由次同步电流分量引起

的旋转磁场的转速，在次同步频率下从电枢终端看去转子电阻呈负值。当这个视在负值电阻超

过电枢和电网在次同步频率下的等效电阻的总和时，就会发生电气自振荡，这种自激振荡认为

是由过电压和过电流引起的。

2）扭转相互作用：设发电机转子在一个扭转频率fm下发生振荡，fm能导出电枢电压分量频率fem，其表达式为fem=fo+fm，当其中的次同步频率分量接近电气谐振频率fer时，电枢电流产生一个

磁场，该磁场能产生使发电机转子振荡加强的转矩，这使次同步电压分量导致的次同步转矩得

以维持。如果次同步频率分量和转子转速增量的相位相同，而且等于或超过转子固有机械阻尼

转矩时，就会使轴系的扭振加剧。电气和机械系统之间的相互作用就被认为是扭转相互作用。

3）暂态力矩放大作用：当系统发生干扰时，电磁转矩就会施加于发电机转子上，使发电机轴段

承受转矩压力。串联电容补偿输电系统中的干扰，会造成在fo-fer频率下的电磁转矩振荡。如

果此频率接近于任何转子段的自然振荡频率fn，会导致转子转矩远远大于无串补系统的三相故

障转矩，这是由电气和机械自然频率之间的振荡引起的，称为暂态转矩放大效应。

4）由电气装置引起的次同步振荡：最初发现HVDC及其控制系统会引起汽轮发电机组的轴系扭振，

随后发现其他如电力系统稳定器（PSS）、静止无功补偿器（SVC）、汽轮机高速电液调速系统、

电机调速用换流器等有源快速控制装置在一定条件下均可能引起汽轮发电机组次同步振荡。一

般地说，任何对次同步频率范围内的功率和速度变化响应灵敏的装置，都是潜在的次同步振荡

激发源，而由此引起的发电机组次同步扭振问题统称为“装置引起的次同步振荡”。

归纳成两类次同步震荡产生原因分析：

●交流输电产生次同步震荡的原因分析

输电系统为了提高输电能力和增加瞬态稳定性，有时在电网中串联补偿电容，使整个电网形成

R-L-C 回路，此回路将发生次同步谐振。次同步谐振是电力系统的一种运行状态，在这种状态下，

电气系统与汽轮发电机组以低于同步频率的某个或多个网机（电网或电机）联合系统的自然振

荡频率交换能量。由次同步谐振导致的感应发电机效应，可能出现负阻尼，使次同步电气振荡

不衰减或增强。当次同步电气振荡频率e f 与机组轴系某阶扭振固有频率n f 互相耦合，即

e n N

f + f = f （N f 为工频），将产生次同步机电谐振。

●直流输电产生次同步振荡的原因分析

高压直流输电（HVDC）引起SSO 的原因在于直流控制器的作用。发电机转子上微小的机械扰动，

将引起换相电压尤其是其相位的变化。在等间隔触发的HVDC 系统中，换相电压相位的偏移，

会引起触发角发生等量的偏移，从而使直流电压、电流及功率偏离正常工作点。HVDC 闭环控制

系统会对这种偏离做出响应而影响到直流输送功率，并最终反馈到机组轴系，造成发电机电磁

转矩的摄动△Te。如果发电机电磁转矩摄动量与发电机转速变化量△W 之间的相角差超过了

90°，就会出现负阻尼，是否会出现SSO 决定于相应频率下的机械阻尼与电气负阻尼的相对大

小。影响电气阻尼的因素较多，如发电机与直流系统耦合的紧密程度，直流功率水平、触发角

的大小、直流控制器的特性以及直流线路的参数等。

●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），使含意更为广泛。

➢危害

危害：出现次同步震荡后，轴系中产生很大扭矩，在严重情况下可能导致大轴出现裂纹甚至断

裂，或因反复承受较大扭矩造成疲劳累积，使轴承寿命降低

产生历史：次同步振荡是电力系统中的一个专用术语。关于次同步振荡问题的最早讨论始于1937

年，但直到1971年，有关轴系扭振的问题皆被忽略。1970年12月和1971年10月，美国Mohave电

站先后两次因次同步谐振而引起发电机组大轴损坏。

事故分析：两次事故都是断开该电厂两回500KV 线路中的一回时开始发生，在控制室内，运行

人员发现，闪光信号延续约两分钟，控制室内地板震动，转子电流表由正常的1220A上升到满刻

度4000A，同时发出了转子接地.负序继电器动作与异常震动的信号，运行人员立即手动停机，发

电机解列。发电机滑环间以及滑环对轴发生延续20 秒的弧光放电，滑环间的轴被烧损，深约1 英

寸。发电机与励磁机间及中压缸两侧的靠被轮皆因强烈震动而损坏。

从此以后，高电压远距离交流输电中加装串联补偿电容器引发次同步振荡的问题进入世界电力

科学的研究领域，成为目前困扰电力发展的科研难题之一。由直流输电引起的汽轮发电机组的

次同步振荡问题，1977年首先在美国SquareButte直流输电工程调试时被发现。后来，在美国的

CU、IPP，印度的Rihand-Deli,瑞典的Fenno-Skan等高压直流输电工程中，都表明有或可能导致次

同步振荡。

➢抑制对策：

由于次同步震荡的危害，应通过对sso进行准确分析和计算，采取监视，防止，保护和抑制措施。

两类分析方法：

●筛选法：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。

筛选法特点：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。