常见抑制方法：次同步振荡优化

在1970年与1971年美国Mohave电厂发生次同步振荡之后，国际上进行了大量的研究，先后提出了装设发电机极面阻尼绕组、阻塞滤波器（Blocking Filter，BF）、晶闸管控制串联电容器（Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC）、附加励磁阻尼控制器（Supplementary Excitation Damping Controller，SEDC）、SSR动态稳定器等抑制措施^[29]。

对这些措施可以有多种分类方法，根据次同步控制功能在装置中的地位，可以分为次同步控制装置与次同步辅助控制两类，前者是专门为抑制次同步振荡配备的装置，平时不承担系统的其他调节功能，其抑制能力受到的限制较少；而后者是在HVDC、励磁系统等装置中增加次同步振荡的辅助控制环节，一般为阻尼控制器，其运行不应该影响装置原有基本功能，因而在一定程度上限制了其抑制次同步振荡的能力。

根据抑制次同步振荡的机理，可以分为避开谐振点、提高阻尼、阻断次同步电气量三种类型，其包含的具体抑制措施及特点如表1-3所示。根据这种分类方式，基于电压源型换流器（Voltage Sourced Converter，VSC）可以采用阻尼、滤波（阻断次同步电气量）两种方式实现对次同步振荡的抑制，这时候它们应该属于两种控制装置或者同一装置的两种控制功能，可见，根据作用机理分类能够清楚地表明抑制措施的基本原理，因此下面按照这种分类体系对其中的部分措施进行简要介绍。

表1-3 常见抑制方法及特点

1.4.3.1 避开谐振点的方法

由串联补偿装置引起的次同步振荡问题的本质是由于电气部分谐振点与机械部分谐振点频率互补，因而可以通过避开谐振点的方法来抑制，包括改变系统运行方式、使用晶闸管控制串联电容器等措施。

1.改变系统运行方式

改变系统运行方式是在实际系统运行中通过避开不安全的运行方式来避免次同步振荡的发生，如切除串联电容器，降低机组出力，切除发电机组等，它是投资成本较低的一种抑制措施。

2.串联型FACTS装置

在串联电容器两端并联由晶闸管控制的电抗器就构成了晶闸管控制串联电容器（TC-SC），可以在相当广的范围内快速平滑地调节串联的电抗值，从而调节等效补偿电容值^[30，31]，在保持常规串联补偿提高输送能力和暂态稳定极限功能的同时，还可以抑制次同步谐振。

TCSC的晶闸管每半个工频周期导通一次，对次同步电流产生斩波作用，可以使得装置在次同步频率下呈现感抗和电阻效应，使系统偏离可能引起机电谐振的自然频率。还可以通过设计适当的TCSC触发控制算法，使其在次同步频率下呈现出更强的感性，从而进一步抑制次同步振荡。当线路中串联电容器的补偿度较高时，将其中一定比例的电容器改为TCSC，通常可以明显改变整体的次同步阻抗特性，从而避免次同步振荡。不过，这种次同步阻抗效应与TCSC导通角的大小、同步方式等都有密切关系，如果控制运行点不合适，仍然有可能产生次同步振荡^[32-51]。

同样的，其他串联型FACTS装置如门极关断晶闸管控制串联电容器（GTO Thyristor Controlled Series Capacitor，GCSC）、静止同步串联补偿器（Static Synchronous Series Compen-sator，SSSC）等，也可以帮助系统避开谐振点，它们采用不同的器件和电路拓扑结构，其运行和控制方式与TCSC不同，在次同步等效阻抗上也不同于TCSC。由于这些装置造价更高，技术也不如TCSC成熟，目前还没有应用于次同步振荡抑制的工程实例。

1.4.3.2 提高电气阻尼的方法

次同步振荡是一种典型的振荡失稳现象，如果能够增加对振荡模态的阻尼，就能够实现对次同步振荡现象的缓解和抑制。附加励磁阻尼控制器（SEDC）、直流附加次同步阻尼控制器（Supplementary Subsynchronous Damping Controller，SSDC）和SSR动态稳定器都属于这类控制装置，其控制原理也基本相同，都是通过检测次同步振荡信号，经过适当的移相和增益后，利用装置本身调节或者注入相应的电气量，即可在发电机转子上产生阻尼转矩，最终抑制次同步振荡。

1.附加励磁阻尼控制器

附加励磁阻尼控制器是附加在现有励磁调节器上的，让励磁调节器产生一个与发电机转子振荡信号一致的电压分量，在定子中产生次同步电流，形成电磁阻尼转矩，从而抑制次同步振荡^[52]。

SEDC的特点是：体积小，只有一面保护屏那么大，可以与其他电气保护屏或励磁屏一起放置；与发电机保护、线路保护等相互独立，互不影响；投资少。但是，由于SEDC通过励磁绕组产生作用，其动态响应速度较慢，增益较小，同时与PSS、自动电压调节器（Au-tomatic Voltage Regulator，AVR）之间容易产生相互干扰，对小扰动的抑制效果较好，而大扰动下的抑制效果难以保证。因此，SEDC主要适合于次同步谐振风险不大的系统，或者作为SSR辅助抑制措施。(www.xing528.com)

2.直流附加次同步阻尼控制器

前面已经介绍，高压直流输电整流站很容易引起附近的发电机组发生次同步振荡，其原因是由于HVDC控制系统引起的负阻尼作用，因此抑制HVDC引起SSO的最经济的措施就是在直流控制系统中加入一个辅助控制环节，称之为附加次同步阻尼控制器（SSDC），产生一个额外的正阻尼，从而达到抑制SSO的目的。

由于高压直流输电装置响应速度快、容量大，通过SSDC一般能够较好地抑制SSO，国内天广直流、呼辽直流等HVDC工程都安装了SSDC，取得了较好的效果。SSDC在信号选取、控制方法、滤波器设计方面都有多种方案，主要设计要求包括：在各种运行方式下都能为附近汽轮发电机提供足够正阻尼；有一定的增益和相位裕度，不会影响直流控制系统的正常工作；不会影响直流系统的暂态响应特性；不能放大特征谐波和非特征谐波；输入信号为能够方便获取的本地信号；不能传递多个直流整流站或逆变站之间的电气影响作用。本书的第7章将对此进行详细介绍。

3.基于FACTS技术的主动阻尼控制

电力电子技术的快速动作特性和波形调制能力使其在用于次同步振荡抑制的装置中脱颖而出。其中应用最为广泛的是FACTS装置，包括前面提到的串联型FACTS装置，如NGH、TCSC、GCSC、SSSC等^[53-56]，以及并联型FACTS装置，如静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）^[57，58]、静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STAT-COM）^[59-63]等。它们的主要功能是在工频下快速调节系统的基波潮流，从而达到提高系统输送能力和稳定性的目的。而在次同步频率下，这些装置往往具有两面性。受接入系统特性和所采用控制策略不同的影响，它们可能阻尼次同步振荡，也可能提供负的电气阻尼而加剧系统的振荡。

为了改善FACTS装置在次同步频率下的阻尼特性，并对其附近存在SSO问题的发电机组的振荡具有主动阻尼的作用，研究者采用在FACTS装置主要控制功能的基础上附加次同步阻尼控制环节的方式来抑制SSO。这种控制方式选取含有发电机轴系扭振频率或互补频率的检测量作为输入信号，通过反馈控制来调节装置可控的系统电气参量，进而改变发电机的电磁功率，起到阻尼次同步振荡的作用。

对于串联型FACTS装置，TCSC和GCSC的附加次同步阻尼控制都是通过调节其串入系统的等效阻抗来产生相应的次同步电流，而SSSC则是通过附加次同步阻尼控制调节及其接入系统的电压幅值和相位，形成可控的次同步电压，进而产生相应的次同步电流。

对于并联型FACTS装置，IEEE次同步谐振工作组将基于SVC拓扑结构的次同步振荡动态稳定器推荐为次同步谐振抑制措施之一，它主要由晶闸管控制电抗器（TCR）构成。当检测到次同步振荡信号时，通过适当的移相和比例放大，实现装置的等效电纳调制，向系统注入次同步电流，从而产生阻尼转矩抑制次同步振荡；STATCOM也可以作为次同步振荡动态稳定器，相对于SVC，其控制方式更灵活，响应速度更快，在相同容量下的效果一般也好于SVC，而且大大减小了占地面积，并且随着全控型器件制造工艺的逐渐成熟，两者在投资方面的差异也逐渐减小。

实际上，并联型FACTS装置还可以通过滤波方式抑制次同步振荡，这时候应该属于下一节介绍的阻断次同步电气量的方法。也就是说，采用同样的拓扑结构可以构成传统的静止同步补偿器（STATCOM）或有源滤波器（Active PowerFilter，APF），也可以设计成专用的次同步振荡阻尼装置或次同步滤波装置。虽然现在很多文献仍然将用于次同步振荡抑制的电压源型逆变器称为STATCOM，但是实际上前面所述四种场合的电压源型逆变器应该属于不同的装置或者同一装置的不同功能。

本书将在第5章和第6章对上述提到的几种FACTS装置在抑制次同步振荡中的原理和应用进行详细介绍。

1.4.3.3 阻断次同步电气量的方法

由于次同步振荡是由电网与发电机及其转子之间的相互作用产生的，除了增加阻尼能力之外，通过阻断相应的次同步电气量，也能有效抑制次同步振荡，这类方法包括阻塞滤波器、旁路滤波器等。

1.阻塞滤波器

阻塞滤波器是在发电机升压变压器中串入LC并联阻塞滤波器，其在次同步频率下呈现无穷大阻抗，而对工频下呈低阻抗，阻断和削弱机械和电气系统的相互作用，从而抑制次同步振荡。这种方法在原理上并不复杂，但是在应用上存在很多困难，主要是：抑制多模态SSO时，每个并联回路需要在对应次同步频率下形成并联谐振，同时对工频形成串联谐振，设计和调整困难，参数要求严格，并要求品质因数高；对频率十分敏感，当外界温度变化、运行温升导致元件参数变化，以及系统运行频率变化时，都会使阻塞效果变差；由于串联接入线路中，不论是系统还是装置自身故障，都将严重影响系统和设备安全；占地大；投资大；运行维护困难、成本高。因为上述的缺点，严重制约了阻塞滤波器的应用。

2.旁路滤波器

旁路滤波器由LC并联谐振电路串联一个电阻组成，这一滤波器再与线路串联电容器并联。其中的LC并联谐振电路被设计成在工频下具有高阻抗，这样在正常的运行状况下，滤波器中几乎没有工频电流，因此滤波器中的电阻消耗的有功功率就很小。同时，滤波器在次同步频率下的阻抗很小，旁路和阻尼了次同步电流，减小了电网侧与发电机及其转子的相互作用，从而起到抑制次同步振荡的作用。

由于同样是通过电路调谐实现滤波，与阻塞滤波器相类似的，也存在参数整定困难、容易失谐等问题。这种方法所需的电容器和电抗器电压等级高，因此投资也高，目前还没有实际投运的工程。