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機網次同步扭振抑制機理與工程實踐 版權信息
- ISBN：9787030703842
- 條形碼：9787030703842 ; 978-7-03-070384-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
機網次同步扭振抑制機理與工程實踐 內容簡介
本書系統論述了電力系統機網次同步扭振抑制機理與工程應用技術。在實際的多機并列運行的復雜電力送出系統中，側重介紹發電廠側接入FACTS型裝置以抑制機組軸系次同步扭振的原理、實用技術及昀新發展。全書共16章，主要論述了以下四個方面的內容：機網耦合次同步扭振的建模與計算，包括機組實際復雜結構軸系的等值簡化建模方法；機組軸系S-N曲線與暫態扭矩下機組軸系壽命損失計算和分析，TSR整定值與監測系統設計；基于FACTS型裝置構建的SSO抑制裝置原理、控制策略、參數設計及現場調試技術；SSO抑制裝置在各種復雜機網次同步扭振中的選型、系統設計及應用技術。
機網次同步扭振抑制機理與工程實踐 目錄
目錄
劉吉臻院士序
楊昆常務副理事長序
前言
第1章緒論1
1.1大型火電機組軸系次同步扭振問題的由來1
1.1.1串補引發的次同步諧振問題1
1.1.2直流輸電引起的次同步扭振問題3
1.1.3新能源引起的次同步扭振問題4
1.2大型火電機組軸系次同步扭振問題的基本術語與含義6
1.3大型火電機組軸系次同步扭振的機理分析7
1.3.1串補引起次同步諧振的機理7
1.3.2高壓直流輸電引起火電機組次同步扭振的機理8
1.3.3新能源發電引發次同步扭振的機理9
1.4國內典型火電機組軸系次同步扭振問題及特點10
1.4.1國內大型火電基地外送系統的次同步扭振問題10
1.4.2錦界電廠一、二期串補送出系統的次同步扭振問題及特點11
1.4.3呼倫貝爾直流串補外送系統的次同步扭振問題及特點12
1.4.4錫林郭勒特高壓交直流風火聯合外送系統次同步扭振問題及特點12
1.5大型火電機組軸系次同步扭振的危害與抑制技術要求13
1.5.1大型火電機組軸系次同步扭振的危害13
1.5.2大型火電機組軸系次同步扭振的抑制技術要求15
本章主要參考文獻16
第2章機網軸系耦合次同步扭振分析18
2.1機網機電耦合振蕩模型18
2.1.1機組軸系模型18
2.1.2機組電氣模型21
2.1.3電網電氣模型27
2.1.4高壓直流輸電模型34
2.1.5機組與電網機電耦合振蕩完整模型36
2.2機電耦合電磁暫態數值仿真38
2.2.1時域仿真法原理38
2.2.2算例分析39
2.3特征值分析40
2.3.1特征值分析法原理40
2.3.2算例分析41
2.4復轉矩系數分析42
2.4.1復轉矩系數法原理42
2.4.2算例分析43
2.5頻率掃描44
2.6機組作用系數法45
2.7幾種分析方法的比較46
2.8本章小結46
本章主要參考文獻47
第3章汽輪發電機組軸系扭振的動力學分析模型與方法48
3.1軸系扭振的集中質量模型分析方法49
3.1.1微元段扭轉振動方程49
3.1.2集中質量模型50
3.1.3任意回轉體轉動慣量的計算方法53
3.1.4規則圓柱形軸段慣量和剛性系數的求取54
3.2軸系扭振的連續質量模型分析方法55
3.2.1連續質量模型55
3.2.2連續質量模型的；椒58
3.3長葉片彎振的分支系統模型64
3.3.1旋轉葉片的彎曲振動方程65
3.3.2長葉片彎振的集中質量模型66
3.3.3長葉片彎振的連續質量模型69
3.3.4軸系扭振和葉柵彎振的耦合振動71
3.4基于有限元數值模型的軸系耦合振動分析方法73
3.4.1軸系耦合振動有限元分析的基本原理73
3.4.2汽輪機軸系耦合振動的有限元建模方法76
3.5本章小結79
本章主要參考文獻79
第4章汽輪機組軸系扭振的疲勞強度分析理論與方法81
4.1結構疲勞分析的基本理論81
4.1.1疲勞的基本概念81
4.1.2S-N曲線估計86
4.1.3扭振疲勞損傷100
4.2汽輪機組軸系扭振疲勞分析方法100
4.2.1基本原理101
4.2.2方法實施及算例103
4.3本章小結107
本章主要參考文獻107
第5章汽輪發電機組軸系扭振保護與扭振特性參數測量方法108
5.1汽輪發電機組軸系的扭應力限值與設計要求108
5.1.1軸系扭振擾動來源及其影響108
5.1.2軸系扭振疲勞的壽命分配原則109
5.1.3嚴重擾動對軸系影響的分析與處理111
5.2汽輪發電機組軸系扭振保護設備及其定值112
5.3汽輪發電機組軸系扭振固有頻率的測量方法114
5.3.1測量要求115
5.3.2軸系扭振固有頻率的試驗測量方法115
5.3.3其他問題116
5.4汽輪發電機組軸系扭振機械阻尼系數測量與數據處理方法116
5.4.1軸系扭振模態阻尼系數的計算方法116
5.4.2汽輪機軸系扭振的電氣阻尼和機械阻尼118
5.5本章小結119
本章主要參考文獻120
第6章汽輪發電機組軸系暫態扭矩特性及作用因素分析121
6.1暫態扭矩放大問題121
6.2影響暫態扭矩放大的因素123
6.2.1串補投運對發電機暫態扭矩的影響123
6.2.2故障位置對發電機暫態扭矩的影響123
6.3故障發生后發電機暫態扭矩變化情況124
6.3.1故障后短期線路電流和發電機暫態扭矩分析124
6.3.2故障后短期暫態扭矩與軸系SSR關系分析126
6.3.3基于STATCOM電流調制的SSR抑制裝置輸出電流分析127
6.3.4故障發生后電流和暫態扭矩定量分析131
6.4本章小結135
本章主要參考文獻135
第7章次同步扭振抑制方法與比較136
7.1抑制次同步扭振的基本原理136
7.2次同步扭振的抑制方法及其效果136
7.2.1基于SVC電流調制的動態穩定器137
7.2.2基于STATCOM電流調制的動態穩定器137
7.2.3調整汽輪發電機組軸系參數137
7.2.4附加勵磁阻尼控制器138
7.2.5阻塞濾波器139
7.2.6改變系統運行方式140
7.2.7可控串補141
7.2.8旁路阻尼濾波器141
7.2.9直流附加次同步阻尼控制器142
7.2.10其他FACTS控制方法142
7.3次同步扭振抑制方法的綜合比較143
7.4網側與機端接入抑制方法的對比145
7.5機端接入兩種方式的比較146
7.6本章小結148
本章主要參考文獻148
第8章基于SVC電流調制的動態穩定器149
8.1SVC工作原理及數學模型149
8.2SSR/SSO-DSⅠ抑制SSO的基本原理155
8.2.1抑制機理155
8.2.2阻尼轉矩分析157
8.2.3SSO-DS抑制SSR容量選擇160
8.3SSR/SSO-DSⅠ控制器結構161
8.3.1控制結構161
8.3.2濾波器設計163
8.4控制器參數設計164
8.4.1系統建模164
8.4.2控制器參數設計的基本原則165
8.4.3控制器參數優化建模165
8.4.4基于GASA的參數優化設計166
8.5算例系統應用與驗證168
8.6本章小結169
本章主要參考文獻169
第9章基于STATCOM電流調制的動態穩定器170
9.1STATCOM的工作原理170
9.2SSR/SSO-DSⅡ抑制SSO的基本原理172
9.2.1控制器接線方式173
9.2.2抑制原理分析173
9.3SSR/SSO-DSⅡ控制器結構175
9.3.1控制器框架176
9.3.2阻尼分析177
9.4控制器參數設計179
9.4.1控制器參數設計說明179
9.4.2阻尼信號控制回路參數設計說明180
9.4.3控制器參數優化建模問題181
9.4.4基于GASA的參數優化方法181
9.5算例系統應用與驗證182
9.6本章小結182
本章主要參考文獻182
第10章次同步扭振在線監測與分析評估系統184
10.1次同步扭振在線監測與分析評估的必要性184
10.2次同步扭振在線監測與分析評估系統的構成184
10.2.1在線監測與分析評估系統的構成184
10.2.2監測系統在實際工程的布局及接線方式184
10.3次同步扭振在線監測與分析評估系統的功能187
10.3.1監測終端系統的功能187
10.3.2上位監測系統的功能188
10.4次同步扭振在線監測與分析評估系統工程應用案例191
10.4.1案例1191
10.4.2案例2194
10.5本章小結198
第11章動態穩定器的工程調試技術199
11.1次同步扭振的全數字建模及仿真199
11.2基于RTDS的動態穩定器調試試驗200
11.2.1RTDS試驗平臺構成200
11.2.2全數字與數模混合對比仿真試驗200
11.2.3控制參數優化及工況驗證RTDS仿真試驗202
11.2.4RTDS模擬現場調試試驗203
11.3動模試驗203
11.4現場試驗205
11.4.1機組模態頻率測定試驗205
11.4.2參數有效性驗證試驗206
11.5工程調試案例206
11.6本章小結209
第12章汽輪發電機組軸系扭振分析的工程實踐210
12.1扭振特性的分析計算與工程測量比較210
12.1.1不同模型計算方法的模態特性結果213
12.1.2現場實測扭振特性數據與分析214
12.2S-N曲線的類型與選擇220
12.2.1原西屋公司S-N曲線估計方法220
12.2.2某國內制造廠S-N曲線估計方法220
12.2.3直接依據材料手冊查圖表的S-N曲線估算方法221
12.2.4不同方法估算S-N曲線的差異性223
12.3套裝聯軸器的應力集中問題224
12.3.1套裝工藝對聯軸器組件應力分布的影響225
12.3.2旋轉狀態對聯軸器組件應力分布的影響226
12.3.3扭功率對聯軸器組件應力分布的影響227
12.3.4扭功率與聯軸器組件危險部位應力之間的關系228
12.4扭振抑制的效果比較229
12.5軸系扭振監控中的幾個問題231
12.5.1扭振監測點的選擇231
12.5.2扭振保護定值與動作策略232
12.6本章小結233
本章主要參考文獻233
第13章串補送出系統機組軸系次同步扭振的解決方案與工程實踐234
13.1錦界電廠一、二期串補送出系統的次同步諧振問題234
13.1.1錦界電廠一、二期次同步扭振問題的特征值分析235
13.1.2錦界電廠一、二期次同步扭振問題的小擾動時域仿真236
13.1.3錦界電廠一、二期次同步扭振問題的大擾動時域仿真238
13.2錦界電廠一、二期SSR抑制措施的選擇240
13.3抑制次同步扭振同型并列機組非機端對稱接入方式241
13.3.1系統接線對阻尼效果影響分析242
13.3.2SSR-DSⅠ控制信號的選取247
13.3.3SSR-DSⅠ移相補償環節參數選取250
13.4SSR-DSⅠ的應用251
13.4.1SSR-DSⅠ的次同步諧振抑制作用特征值分析251
13.4.2故障擾動時域仿真驗證254
13.5基于SVC電流調制的錦界電廠次同步扭振抑制工程應用方案256
13.5.1典型系統擾動下SVC抑制SSO的作用257
13.5.2SSR-DSⅠ容量及其對SSO抑制效果262
13.6工程應用效果265
13.7本章小結268
本章主要參考文獻268
第14章多機型多模態下各機組軸系次同步扭振綜合抑制方案與工程實踐269
14.1多機型多模態系統269
14.1.1錦
劉吉臻院士序
楊昆常務副理事長序
前言
第1章緒論1
1.1大型火電機組軸系次同步扭振問題的由來1
1.1.1串補引發的次同步諧振問題1
1.1.2直流輸電引起的次同步扭振問題3
1.1.3新能源引起的次同步扭振問題4
1.2大型火電機組軸系次同步扭振問題的基本術語與含義6
1.3大型火電機組軸系次同步扭振的機理分析7
1.3.1串補引起次同步諧振的機理7
1.3.2高壓直流輸電引起火電機組次同步扭振的機理8
1.3.3新能源發電引發次同步扭振的機理9
1.4國內典型火電機組軸系次同步扭振問題及特點10
1.4.1國內大型火電基地外送系統的次同步扭振問題10
1.4.2錦界電廠一、二期串補送出系統的次同步扭振問題及特點11
1.4.3呼倫貝爾直流串補外送系統的次同步扭振問題及特點12
1.4.4錫林郭勒特高壓交直流風火聯合外送系統次同步扭振問題及特點12
1.5大型火電機組軸系次同步扭振的危害與抑制技術要求13
1.5.1大型火電機組軸系次同步扭振的危害13
1.5.2大型火電機組軸系次同步扭振的抑制技術要求15
本章主要參考文獻16
第2章機網軸系耦合次同步扭振分析18
2.1機網機電耦合振蕩模型18
2.1.1機組軸系模型18
2.1.2機組電氣模型21
2.1.3電網電氣模型27
2.1.4高壓直流輸電模型34
2.1.5機組與電網機電耦合振蕩完整模型36
2.2機電耦合電磁暫態數值仿真38
2.2.1時域仿真法原理38
2.2.2算例分析39
2.3特征值分析40
2.3.1特征值分析法原理40
2.3.2算例分析41
2.4復轉矩系數分析42
2.4.1復轉矩系數法原理42
2.4.2算例分析43
2.5頻率掃描44
2.6機組作用系數法45
2.7幾種分析方法的比較46
2.8本章小結46
本章主要參考文獻47
第3章汽輪發電機組軸系扭振的動力學分析模型與方法48
3.1軸系扭振的集中質量模型分析方法49
3.1.1微元段扭轉振動方程49
3.1.2集中質量模型50
3.1.3任意回轉體轉動慣量的計算方法53
3.1.4規則圓柱形軸段慣量和剛性系數的求取54
3.2軸系扭振的連續質量模型分析方法55
3.2.1連續質量模型55
3.2.2連續質量模型的；椒58
3.3長葉片彎振的分支系統模型64
3.3.1旋轉葉片的彎曲振動方程65
3.3.2長葉片彎振的集中質量模型66
3.3.3長葉片彎振的連續質量模型69
3.3.4軸系扭振和葉柵彎振的耦合振動71
3.4基于有限元數值模型的軸系耦合振動分析方法73
3.4.1軸系耦合振動有限元分析的基本原理73
3.4.2汽輪機軸系耦合振動的有限元建模方法76
3.5本章小結79
本章主要參考文獻79
第4章汽輪機組軸系扭振的疲勞強度分析理論與方法81
4.1結構疲勞分析的基本理論81
4.1.1疲勞的基本概念81
4.1.2S-N曲線估計86
4.1.3扭振疲勞損傷100
4.2汽輪機組軸系扭振疲勞分析方法100
4.2.1基本原理101
4.2.2方法實施及算例103
4.3本章小結107
本章主要參考文獻107
第5章汽輪發電機組軸系扭振保護與扭振特性參數測量方法108
5.1汽輪發電機組軸系的扭應力限值與設計要求108
5.1.1軸系扭振擾動來源及其影響108
5.1.2軸系扭振疲勞的壽命分配原則109
5.1.3嚴重擾動對軸系影響的分析與處理111
5.2汽輪發電機組軸系扭振保護設備及其定值112
5.3汽輪發電機組軸系扭振固有頻率的測量方法114
5.3.1測量要求115
5.3.2軸系扭振固有頻率的試驗測量方法115
5.3.3其他問題116
5.4汽輪發電機組軸系扭振機械阻尼系數測量與數據處理方法116
5.4.1軸系扭振模態阻尼系數的計算方法116
5.4.2汽輪機軸系扭振的電氣阻尼和機械阻尼118
5.5本章小結119
本章主要參考文獻120
第6章汽輪發電機組軸系暫態扭矩特性及作用因素分析121
6.1暫態扭矩放大問題121
6.2影響暫態扭矩放大的因素123
6.2.1串補投運對發電機暫態扭矩的影響123
6.2.2故障位置對發電機暫態扭矩的影響123
6.3故障發生后發電機暫態扭矩變化情況124
6.3.1故障后短期線路電流和發電機暫態扭矩分析124
6.3.2故障后短期暫態扭矩與軸系SSR關系分析126
6.3.3基于STATCOM電流調制的SSR抑制裝置輸出電流分析127
6.3.4故障發生后電流和暫態扭矩定量分析131
6.4本章小結135
本章主要參考文獻135
第7章次同步扭振抑制方法與比較136
7.1抑制次同步扭振的基本原理136
7.2次同步扭振的抑制方法及其效果136
7.2.1基于SVC電流調制的動態穩定器137
7.2.2基于STATCOM電流調制的動態穩定器137
7.2.3調整汽輪發電機組軸系參數137
7.2.4附加勵磁阻尼控制器138
7.2.5阻塞濾波器139
7.2.6改變系統運行方式140
7.2.7可控串補141
7.2.8旁路阻尼濾波器141
7.2.9直流附加次同步阻尼控制器142
7.2.10其他FACTS控制方法142
7.3次同步扭振抑制方法的綜合比較143
7.4網側與機端接入抑制方法的對比145
7.5機端接入兩種方式的比較146
7.6本章小結148
本章主要參考文獻148
第8章基于SVC電流調制的動態穩定器149
8.1SVC工作原理及數學模型149
8.2SSR/SSO-DSⅠ抑制SSO的基本原理155
8.2.1抑制機理155
8.2.2阻尼轉矩分析157
8.2.3SSO-DS抑制SSR容量選擇160
8.3SSR/SSO-DSⅠ控制器結構161
8.3.1控制結構161
8.3.2濾波器設計163
8.4控制器參數設計164
8.4.1系統建模164
8.4.2控制器參數設計的基本原則165
8.4.3控制器參數優化建模165
8.4.4基于GASA的參數優化設計166
8.5算例系統應用與驗證168
8.6本章小結169
本章主要參考文獻169
第9章基于STATCOM電流調制的動態穩定器170
9.1STATCOM的工作原理170
9.2SSR/SSO-DSⅡ抑制SSO的基本原理172
9.2.1控制器接線方式173
9.2.2抑制原理分析173
9.3SSR/SSO-DSⅡ控制器結構175
9.3.1控制器框架176
9.3.2阻尼分析177
9.4控制器參數設計179
9.4.1控制器參數設計說明179
9.4.2阻尼信號控制回路參數設計說明180
9.4.3控制器參數優化建模問題181
9.4.4基于GASA的參數優化方法181
9.5算例系統應用與驗證182
9.6本章小結182
本章主要參考文獻182
第10章次同步扭振在線監測與分析評估系統184
10.1次同步扭振在線監測與分析評估的必要性184
10.2次同步扭振在線監測與分析評估系統的構成184
10.2.1在線監測與分析評估系統的構成184
10.2.2監測系統在實際工程的布局及接線方式184
10.3次同步扭振在線監測與分析評估系統的功能187
10.3.1監測終端系統的功能187
10.3.2上位監測系統的功能188
10.4次同步扭振在線監測與分析評估系統工程應用案例191
10.4.1案例1191
10.4.2案例2194
10.5本章小結198
第11章動態穩定器的工程調試技術199
11.1次同步扭振的全數字建模及仿真199
11.2基于RTDS的動態穩定器調試試驗200
11.2.1RTDS試驗平臺構成200
11.2.2全數字與數模混合對比仿真試驗200
11.2.3控制參數優化及工況驗證RTDS仿真試驗202
11.2.4RTDS模擬現場調試試驗203
11.3動模試驗203
11.4現場試驗205
11.4.1機組模態頻率測定試驗205
11.4.2參數有效性驗證試驗206
11.5工程調試案例206
11.6本章小結209
第12章汽輪發電機組軸系扭振分析的工程實踐210
12.1扭振特性的分析計算與工程測量比較210
12.1.1不同模型計算方法的模態特性結果213
12.1.2現場實測扭振特性數據與分析214
12.2S-N曲線的類型與選擇220
12.2.1原西屋公司S-N曲線估計方法220
12.2.2某國內制造廠S-N曲線估計方法220
12.2.3直接依據材料手冊查圖表的S-N曲線估算方法221
12.2.4不同方法估算S-N曲線的差異性223
12.3套裝聯軸器的應力集中問題224
12.3.1套裝工藝對聯軸器組件應力分布的影響225
12.3.2旋轉狀態對聯軸器組件應力分布的影響226
12.3.3扭功率對聯軸器組件應力分布的影響227
12.3.4扭功率與聯軸器組件危險部位應力之間的關系228
12.4扭振抑制的效果比較229
12.5軸系扭振監控中的幾個問題231
12.5.1扭振監測點的選擇231
12.5.2扭振保護定值與動作策略232
12.6本章小結233
本章主要參考文獻233
第13章串補送出系統機組軸系次同步扭振的解決方案與工程實踐234
13.1錦界電廠一、二期串補送出系統的次同步諧振問題234
13.1.1錦界電廠一、二期次同步扭振問題的特征值分析235
13.1.2錦界電廠一、二期次同步扭振問題的小擾動時域仿真236
13.1.3錦界電廠一、二期次同步扭振問題的大擾動時域仿真238
13.2錦界電廠一、二期SSR抑制措施的選擇240
13.3抑制次同步扭振同型并列機組非機端對稱接入方式241
13.3.1系統接線對阻尼效果影響分析242
13.3.2SSR-DSⅠ控制信號的選取247
13.3.3SSR-DSⅠ移相補償環節參數選取250
13.4SSR-DSⅠ的應用251
13.4.1SSR-DSⅠ的次同步諧振抑制作用特征值分析251
13.4.2故障擾動時域仿真驗證254
13.5基于SVC電流調制的錦界電廠次同步扭振抑制工程應用方案256
13.5.1典型系統擾動下SVC抑制SSO的作用257
13.5.2SSR-DSⅠ容量及其對SSO抑制效果262
13.6工程應用效果265
13.7本章小結268
本章主要參考文獻268
第14章多機型多模態下各機組軸系次同步扭振綜合抑制方案與工程實踐269
14.1多機型多模態系統269
14.1.1錦
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機網次同步扭振抑制機理與工程實踐 節選
第1章緒論 1.1大型火電機組軸系次同步扭振問題的由來 人們對大型火電機組軸系次同步扭振問題的認識源于 1970年和 1971年發生在美國 Mohave電廠串聯電容器補償(以下簡稱串補)送出系統的兩次機組大軸嚴重損壞事故。后來工程上又發現直流輸電和某些控制裝置也會引發火電機組軸系次同步扭振問題。 1.1.1 串補引發的次同步諧振問題 美國 Mohave電廠在 1970年 12月和 1971年 10月，先后發生兩起嚴重的機組大軸損壞事故。兩次事故幾乎是在相同的運行工況下由相同的線路跳閘事故引發，且線路電流中出現了 30.5Hz的分量。研究發現，事故是由于串聯補償系統發生電氣諧振時，電氣系統與汽輪發電機組大軸之間通過機電耦合相互作用，激發了軸系扭振(Hall and Hodges，1976)。 Mohave電廠 500kV送出系統結構如圖 1-1所示。兩起事故發生時，Mohave電廠僅有一臺發電機運行，該發電機所帶負荷大約為 300MW，在 Mohave至 Lugo的 500kV輸電線路上，8組串補中的 7組投入運行。兩次事故均起源于在 Eldorado變電站保護裝置跳開 Mohave—Eldorado 500kV輸電線路。Eldorado變電站處的線路斷開后，運行人員發現在 Mohave控制室內有閃光出現。這時，發電機負荷功率穩定，勵磁電壓和勵磁電流也穩定正常。閃光持續了 1~2min，隨后運行人員感覺到控制室地板震動，從儀表上觀察到高壓發電機的勵磁電流從正常值 1220A跳變到全量程的 4000A。接著監控系統相繼發出振動過大、高壓發電機勵磁系統接地短路和負序保護動作等警報。在這種狀況下，由于繼電保護和自動裝置未能切除發電機，因此立即采用了人工停機的措施，使發電機和勵磁機在主汽門關閉 15s后解列。 圖 1-1 Mohave電廠 500kV送出系統結構圖 1mi=1.609344km；HP-高壓缸；LP-低壓缸 兩起事故的現象： (1)線路電流的振蕩曲線顯示在兩起事故中電流均含有 30.5Hz的分量。 (2)發電機和交流勵磁機轉子之間的連接處持續振動摩擦。 (3)中壓缸轉子兩端之間的連接處持續振動摩擦。 (4)電刷、刷握和匯流環表面無損。在這兩起事故中用戶沒有受到影響，但在振蕩過程中，距 Mohave電廠 175mi和 222mi的 Lugo變電站和 Vincent變電站檢測到了 500kV電壓的波動，持續了大約 1min。 第二次事故發生后，研究人員提出了這樣一種假設，即 Mohave電廠發電機的感應發電機效應引起的電氣系統自勵磁與電力系統中的 30.5Hz諧振頻率產生了耦合，導致在這個頻率上的持續振蕩。但按照感應發電機效應的假設，應該得到這樣的結論：投入的串補單元越多，在較高次同步電氣頻率上的感應發電機效應的負阻值就越大，從而次同步諧振就越容易持續下去。但是實際情況并非這樣，在兩次軸系事故中，當斷開 Mohave— Eldorado 500kV線路引發次同步諧振時，Mohave—Lugo 500kV線路上有 7組串補投入運行(圖 1-1)。但是在第二次事故前有六次在偶然的情況下斷開了 Mohave—Eldorado 500 kV線路，同時 Mohave—Lugo 500kV線路上有 8組串補投入運行，在這些情況下，并沒有發生系統的振蕩。 進一步對 Mohave的事故調查發現，30.5Hz次同步電流流入 Mohave電廠發電機電樞會在發電機轉子上產生一個“滑差頻率”即 29.5(60–30.5)Hz的扭矩分量。如果這個扭矩分量的頻率與汽輪發電機組軸系的固有頻率 (自然頻率 )接近，則會激發起軸系的扭振并形成共振現象，如果系統的阻尼較小而持續有該頻率的扭矩輸入能量則軸系扭振幅值會越來越大，直至軸系被破壞。 圖 1-2即為 Mohave電廠機組軸系的扭振模態特性，該圖表明該軸系的前三階模態頻率分別為 26.7Hz、30.1Hz和 56.1Hz，其中一階扭振有一個節點，機頭機尾扭振相位相差 180°，二階扭振有兩個節點，機頭機尾扭振相位相同，三階扭振有兩個節點，機頭機尾扭振相位相差 180°且振幅相差較大。 軸系扭振模態和電氣諧振模式之間存在相互作用，稱為扭轉相互作用。這種扭轉相互作用就是 Mohave電廠機組持續振蕩和導致發電機組軸系損壞的直接原因。在這種相互作用下，電網持續輸入與軸系扭振頻率滿足特定關系的能量導致軸系也發生了大幅扭振。Mohave電廠第二次事故后的次同步諧振(subsynchronous resonance，SSR)試驗表明，機組 30.1Hz的第二扭轉模態與兩次事故中均出現的 29.5Hz扭振轉矩頻率非常接近。 研究表明，具有串補的系統在遭受某些特定擾動的情況下，會產生對并網運行的汽輪發電機組軸系有害的暫態扭矩。發生在 Mohave —Eldorado 500kV輸電線路靠近 Eldorado側的短路故障就是這樣的擾動。該短路故障在 Mohave—Lugo回路上產生的短路電流還沒有達到令該回路串補的間隙保護動作的水平。當故障在電流過零點被切除時刻，串補的儲能達到*大值，由此會產生幅值很大的次同步頻率電流，該電流將流過該回路和 Mohave電廠發電機組。 圖 1-2 Mohave電廠機組軸系的扭振模態特性 CEN-發電機； EXC-勵磁機 1.1.2 直流輸電引起的次同步扭振問題 由高壓直流(high voltage direct current，HVDC)輸電引發汽輪發電機組的次同步扭振 (subsynchronous oscillation，SSO)現象，于 1977年首先在美國 Square Butte高壓直流輸電系統換流站的一次試驗中被發現，系統結構如圖 1-3所示(Bahrman et al.，1980)。該系統包括一條直流線路，額定電壓和額定輸送功率分別為 ±250kV和 500MW。其整流側采用定電流控制，逆變側采用定電壓控制，送端鄰近處有兩臺汽輪發電機組，向距離 750km的 Minnesota供電。為了提高低頻區振蕩阻尼，直流線路的控制系統中設置了附加頻率控制(frequency sensitive power control，FSPC)。然而正是 FSPC導致了 Milton Young電站額定功率為 438MW的機組的**扭振模態被激勵，發生振蕩；如果切除一條鄰近的 230kV線路，即便 FSPC不投運，該模態也同樣發生失穩。 圖 1-3 Square Butte系統結構圖 這是**起有關 HVDC輸電引發汽輪發電機組軸系扭振的報道，這篇報道引起了各國學者對這一問題的密切關注。后來，在美國的 CU、IPP，印度的 Rihand-Deli，瑞典的 Fenno-Skan等 HVDC輸電工程中，都發現了直流輸電有可能引發鄰近火電機組次同步扭振的問題。 1.1.3 新能源引起的次同步扭振問題 2015年，在我國新疆哈密地區風火聯合經特高壓直流送出基地發生了風電振蕩導致火電機組扭振保護動作跳機的事故，引起了人們對于新能源與火電聯合運行系統中新能源發電對火電機組次同步扭振問題影響的高度關注。新疆哈密地區有兩個火電廠裝機 (4× 660MW+2×660MW)經哈密南—鄭州±800kV特高壓直流輸電工程(以下簡稱天中直流)外送，哈密北部 18個風電場共計 1500MW的裝機經過 35kV/110kV/220kV多電壓等級匯聚到 750kV系統，系統結構如圖 1-4(a)所示。 2015年 7月 1日，該地區發生次同步頻率的功率振蕩，圖 1-4(b)為某風電場功率振蕩錄波，振蕩波及兩個火電廠，錄波分析發現振蕩電流包含按工頻對稱的次同步頻率和超同步頻率分量，次同步頻率在 17~23Hz變化，超同步頻率在 83~77Hz范圍變化，如圖 1-4(c)所示。圖 1-4(c)中，黑色和灰色虛線分別標示火電廠 M和 N的機組某個扭振模態對應的工頻互補頻率。電廠扭振錄波表明，在電流振蕩頻率與黑線和灰線相同的時間段，M電廠和 N電廠均有對應扭振模態被激發的錄波，其中， 11:50~11:55 M電廠機組扭振 (模態 3，30.76Hz)持續近 6min，導致*終在運行的三臺機組各自扭振保護動作跳閘。 圖 1-4 新疆哈密風火聯合外送系統次同步扭振現象 以風電和光伏發電為代表的新能源發電大量通過電力電子變流器并網，由于裝置控制特性，其在一定系統運行條件下會發生電氣振蕩，振蕩頻率涵蓋數赫茲到數百赫茲的次、超同步頻段，這已經成為電力系統振蕩的新問題和研究領域。 2015年，在我國新疆地區某風火聯合經特高壓直流送出基地發生的風電振蕩導致火電機組扭振保護動作跳機的事故，引起了人們對于新能源與火電聯合運行系統中，風電新能源發電對火電機組次同步扭振問題的影響的高度關注。 1.2大型火電機組軸系次同步扭振問題的基本術語與含義 根據 IEEE工作組提出的定義，SSR是專指具有串補的輸電系統中，電氣諧振產生的次同步頻率電流在汽輪發電機組軸系上產生與軸系自然扭振頻率相近的電磁轉矩，激勵機組軸系各軸段 (質量塊 )相互之間發生扭振，從而導致機網通過次同步頻率電氣振蕩分量耦合相互作用的問題。其與串聯補償電氣諧振相關，因此稱次同步諧振。SSO專指汽輪發電機組軸系與直流輸電、柔性交流輸電(flexible alternating current transmission， FACTS)裝置、發電機附加勵磁控制等電氣設備之間的機網耦合相互作用。因為 SSR和 SSO問題均表現為火電機組軸系次同步扭振與電網次同步頻率電壓、電流之間的耦合相互作用，學術界和工程界逐漸趨于統一采用 SSO。 根據 IEEE工作組的研究報告，次同步扭振問題主要包括以下四個方面的內容。 1. 感應發電機效應 感應發電機效應 (inductive generator effect，IGE)源于同步發電機的轉子對次同步頻率電流所表現出的視在負阻特性。由于轉子的旋轉速度高于定子次同步電流分量產生的次同步旋轉磁場的轉速，所以從定子端來看，轉子對次同步電流的等效電阻呈負值。當這一視在負阻大于定子和輸電系統在該電氣諧振頻率下的等效電阻之和時，就會產生電氣自激振蕩，這就是感應發電機效應。感應發電機效應屬于只考慮電氣系統動態行為的自激現象，與汽輪發電機組軸系無關，因此，單純的感應發電機效應不會導致軸系扭振現象的發生。 2. 扭轉相互作用 扭轉相互作用 (torsional interaction，TI)是指汽輪發電機組軸系扭振動態與系統電氣部分之間的相互作用。系統中小的擾動會激發系統電氣和機械部分的所有自然模態，發電機軸系會按照自然角頻率ωm 出現扭轉振蕩，發電機轉子軸段的扭轉振蕩會在定子繞組感生角頻率為ω0-ωm (ω0為發電機同步轉速對應的角頻率 )的次同步電壓和電流分量，當該角頻率與電氣諧振角頻率ωen接近時，會激發電氣諧振，相應的定子電流產生的旋轉磁勢在發電機轉子上產生接近軸系自然角頻率ωm 的轉矩，使得扭轉振蕩持續甚至是發散。 3.暫態扭矩放大 當電力系統發生大擾動 (如各種短路、線路開關的頻繁操作、發電機的非同期并網 )時，將在發電機組軸系上產生暫態扭矩擾動，引起軸系扭振。串補系統中，暫態扭矩中
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