1、第 8 章 HVDC 引發 SSO 的機理及抑制8.1 概述由 HVDC 輸電系統引起電力系統 SSO 的原因可以歸納為三種情況：（ 1） 與 HVDC 的輔助控制器相關；（ 2） 與 HVDC 系統的不正常運行方式相關；（ 3） 與 HVDC 系統的電流控制器相關。第一種情況可以通過改造輔助控制器來消除隱患， 第二種情況盡管難以預測， 但在實際 工程中很少碰到， 可以通過規范系統的運行來解決， 第三種情況較為常見， 可以通過在 HVDC 控制器中做些改變加以解決， 如加入 SSDC。本文重點討論由 HVDC 電流控制器引發的 SSO 問題。實際經驗表明，次同步振蕩基本上只涉及汽輪發電機組，尤

2、其是30 萬千瓦以上的大容量機組。 水輪發電機組轉子的慣量比汽輪機要大得多， 且水輪機的水輪上具有黏性阻尼， 故 其轉子的固有阻尼很高，不易發生次同步振蕩。對于汽輪發電機組，HVDC 系統也只有在一系列不利因素同時作用時 ,才可能產生次同步振蕩不穩定。這些不利因素主要包括：（1）汽輪發電機組與直流輸電整流站之間的距離很近；（2）該汽輪發電機組與交流大電網的聯系很薄弱；（ 3）該汽輪發電機組的額定功率與 HVDC 系統輸送的額定功率在同一個數量級上。 其中，汽輪發電機組與交流系統大電網之間聯系的強弱對其能否發生次同步振蕩起著非 常重要的作用。 常規電力負荷的特性隨頻率而變化， 它們對發電機組次同

3、步振蕩有一定的阻 尼作用，但當發電機與大電網的聯系較弱時，這個阻尼基本上不起作用。此外，若 HVDC 系統所輸送的功率大部分由附近的汽輪發電機組供應， 則功率振蕩通常發生在整流站和這些 發電機組之間，當 HVDC 的額定功率與附近發電機組的額定容量相差不大時，振蕩情況較 嚴重。在逆變站附近的汽輪發電機組一般不會發生次同步振蕩， 因為它們并不向直流輸電系統 提供有功功率 ,而只是與逆變站并列運行，向常規負荷供電。HVDC 系統中的次同步振蕩與HVDC 運行工況、控制方式、控制參數、輸送功率、直流線路參數，以及發電機同直流輸 電線的耦合程度等因素有關。8.2 次同步電氣量在交直流側間的傳遞關系分析

4、HVDC 換流器具有離散采樣和調制的特性，可以用開關函數法對其進行分析。對換流 器進行開關函數分析后，可以得到系統的次同步電氣量在發電機組轉子、交流網絡、 HVDC 直流側系統之間的相互傳遞關系。當交流側電壓中有頻率為 m 的次同步分量時，經過換流器調制作用后在直流電壓中將 存在顯著的頻率為 （ 0-m）的分量，其中 0 為系統的額定頻率；反之，當直流電流中存在次 同步頻率為 r 的紋波分量時，經過換流器調制作用后在交流側相電流中將存在顯著的頻率 為（ 0r）的分量。發電機組轉子與交流網絡的次同步分量是通過定、 轉子磁場的相對運動產生的。 轉子上 頻率為 s的擾動會在定子側感應出與 s互補的次

5、同步 （ 0-s）分量和超同步 （ 0+s）分量。 對于超同步分量， 系統往往具有正的阻尼特性， 一般不會引起振蕩； 但對于次同步分量則易形 成負阻尼，從而引發軸系的次同步振蕩。綜上所述， 在分析由 HVDC 輸電系統引起的 SSO 時，可以認為發電機轉子上頻率為 s 的擾動在定子側感應出頻率為 ( 0-s)的次同步分量， 該次同步分量經電網絡傳輸到直流輸電 系統的換流母線側，頻率為 ( 0-s)的交流電壓分量在直流側電壓中產生頻率為( 0-( 0-s)的電壓紋波分量和直流紋波電流， 也就是說，發電機轉子上的小擾動在經過交流網絡傳播后， 將在直流側感應出與轉子小擾動同頻率的電壓分量。當然， 該

6、紋波電流在交流網絡中就又會感應出 ( 0-s) 的次同步電流分量。 這就是狀態量的次同步分量在系統各個環節間的相互傳遞 過程和頻率變換關系。 如果后產生的擾動電流助增了初始的次同步電流， 且擾動電壓、 電流 形成的穩定電磁力矩足以維持軸系的扭振，系統中就會形成正反饋的軸系次同步振蕩。8.3 高壓直流輸電系統的扭振相互作用分析 HVDC 系統引發的次同步振蕩時，可以把整個動力系統分解為電氣部分和機械部 分，兩部分通過發電機組的電樞磁場和調速系統進行耦合。 軸系運動過程中的蒸汽摩擦、 油 膜粘滯、風阻、 結構阻尼等作用使得機組的機械阻尼為正。若電氣部分形成的阻尼為負，且 其值超過了正的機械阻尼，

7、則系統在該振蕩模態下的振蕩是發散的， 如果不采取適當的抑制 措施，則會損壞發電機軸系，甚至導致系統失穩。分析由 HVDC 系統引起的電氣負阻尼時，需要詳細地分析交直流系統狀態量的變化過 程。本文以圖 8-1 所示的簡化 HVDC 系統模型為例分析 HVDC 引發 SSO 時系統狀態量的變 化過程，狀態量的變化過程見圖8-2。若與整流站緊密耦合的發電機上轉子機械角速度有微小擾動 ，則將引起機端電壓 (即圖 8-1 中的整流站換流母線電壓 U U )的幅值 U 和相位 U 發生變化，且該電壓的擾動會經過交流輸電網傳遞到整流站換流母線上。現代的HVDC系統中換流器普遍采用等間隔觸發方式， 因此換流母

8、線電壓的相角偏移會導致換流閥觸發角 作相同角度的偏移，記為 。觸發角的改變以及換相電壓幅值的變化，都會引起直流母 線電壓 U d的攝動，而 U d的攝動會引起直流電流 Id 的變化，并進而導致直流功率的變化 Pd 。HVDC 的定電流控制器會迅速對 Id 的變化作出響應，并實施相應的調整動作，從而 阻礙直流功率的變化， 使之最終為 Pd 。 Pd 通過交流網絡的傳遞最終反映到汽輪發電機 側，表現為發電機電氣力矩的變化，即造成發電機電氣力矩的攝動Te ，而 Te的變化又會引起發電機轉速的變化， 進一步引起機端電壓的變化， 如此形成一個閉環。 如果發電機轉速 偏移量 與電氣轉矩變化量 Te 之間的

9、相角差超過 90，則將形成一種正反饋性質的扭 振相互作用， Te 會助增初始擾動，即出現負阻尼， 一旦該負阻尼超過發電機組軸系所提供 的正的機械阻尼，就出現 HVDC 控制系統引起的軸系扭振不穩定。XTIacacIdUd圖 8-1 簡化 HVDC 系統模型UUd Id定電流 IdIacU（ Pd）控制（ Pd ）ac負阻尼e圖 8-2 HVDC 引發 SSO 時系統狀態量變化過程由以上分析可知，系統是否會出現 SSO 決定于相應頻率下的機械阻尼與電氣負阻尼的 相對大小。 影響電氣阻尼的因素較多， 如發電機與直流系統耦合的緊密程度， 直流功率水平、 觸發角的大小、直流控制器的特性以及直流線路的參

10、數等。直流電流閉環控制系統具有低通濾波特性， 只有較低頻率的直流電流擾動能通過， 其通 頻帶一般為 040Hz ，因此由 HVDC 系統引起的 SSO 一般為較低頻率模態的振蕩問題。8.4 交直流電力系統次同步電氣阻尼特性交直流電力系統的次同步振蕩阻尼特性受到發電機與 HVDC 的耦合程度、直流功率水 平、系統的運行控制方式、觸發角以及控制器參數等的影響。（ 1）發電機與 HVDC 的耦合程度對阻尼特性的影響如圖 8-3所示，設發電機 G經 Z1和HVDC 整流站相連，而系統 S經 Z2與整流站連接， 則當 Z 1Z 2,即發電機和 HVDC 弱連接時，發電機的電壓攝動由Z1和 Z 2分壓，使

11、換流站母線電壓攝動極小，而且該攝動引起的直流電流攝動，經由Z1和 Z2 分流，在發電機支路引起電流攝動也極小， 從而發電機支路只有微小的電磁力矩攝動， 故不易引起扭振不穩定， 反之 亦然。圖 8-3 發電機與 HVDC 的連接圖美國 EPRI 研究報告提出的實用指標 UIF 可以用來評估直流輸電和發電機耦合的緊密程 度。（ 2）直流功率水平對阻尼特性的影響在本質上， 電力系統次同步振蕩是系統的功率振蕩， 發電機組的次同步振蕩阻尼特性必 然與直流系統的功率水平有密切的關系。 當輸送的功率越大， 發電機組與 HVDC 的耦合作 用越強，發電機組的負阻尼越嚴重。此外，阻尼特性還與 HVDC 換流站的

12、無功補償有關。若 HVDC 所需的無功功率由換流 站的無功補償裝置提供，則可以減弱交直流間的耦合，有利于緩解 HVDC 引起的 SSO。（ 3）觸發角對阻尼特性的影響直流輸電的運行控制最后都要作用于整流側換流器的觸發滯后角和逆變側換流器的觸 發超前角， 而直流電壓與換流器的觸發角之間存在著明顯的非線性關系。 由交直流側諧波的 相互傳遞和轉換可以得到換流器的觸發角的大小必然影響系統的次同步振蕩的電氣阻尼特 性。（4）直流系統控制器參數對阻尼特性的影響 對次同步振蕩而言，相比于 HVDC 系統的其他控制方式，整流側定功率控制、逆變側 定熄弧角控制時更容易產生扭振。8.5 SSDC 抑制 SSO的原

13、理基于前文所述 HVDC 引發 SSO的機理， HVDC 整流側的汽輪發電機發生軸系扭振不穩 定振蕩的直接原因是發電機轉速偏移量 與電氣轉矩變化量 Te 之間的相角差大于 90 。 由此可以以發電機的轉速偏差 為輸入信號， 經過適當的比例放大與移相環節， 將輸出信 號通過定電流控制回路提供一個附加的電磁轉矩Te ，使得其與 Te 的合成矢量 Te 與的相角差小于 90 （如圖 8-4 所示），則系統最終會有一個正的阻尼轉矩，這就是 SSDC 的設計思路。為達到最佳的抑制效果，應使Te 與同相位。圖 8-4 電氣轉矩的向量關系圖SSDC 抑制 SSO 時需要向發電機組提供一個足夠大的正阻尼力矩才能平息發電機發散 的轉速振蕩，因此 SSDC 的控制策略為：當發電機轉速增加時，在 SSDC 的作用下 HVDC 的直流電流參考值增大