扭振相互作用在交直流系统中的应用优化

HVDC激发的系统次同步振荡与线路串联电容器引起的次同步谐振的机理不一样，虽然从本质上讲，两种现象都属于机电扭振相互作用，但是区别在于串联电容器与系统参数之间存在着的电气谐振构成了扰动源，而HVDC与汽轮发电机组之间的扭振相互作用是由HVDC的快速（电流/功率）控制引起的。

当系统受到扰动后，发电机组都将按照轴系的自然振荡频率出现扭振运动，并在交流系统中产生相应的次同步和超同步分量，而系统对于超同步分量往往具有正的阻尼特性。本节将主要分析扭振相互作用中的次同步分量。受激发的轴系次同步扭振通过定子、转子磁场的相对运动在发电机的电枢绕组上产生与轴系扭振频率互补的次同步感应电压，而该扰动电压会在发电机定子及交流网络中产生相应频率的扰动电流。如果感应扰动电压产生的扰动电流助增了初始的次同步电流，而该次同步扰动电压、电流形成的稳定电磁力矩足以维持轴系的扭振，最终就会形成正反馈的轴系次同步振荡。

在分析系统振荡时，可以把整个动力系统分解为如图7-7所示的电气部分和机械部分，此两部分之间通过发电机组的电枢电磁场和调速系统进行耦合。轴系运动过程中的蒸汽摩擦、油膜粘滞、风阻、结构阻尼等作用使得机组的机械阻尼为正。当由于电气部分形成的负阻尼超过正的机械阻尼时，系统在该模态频率下的振荡就是发散的，如果不采取适当的抑制措施，会危及系统的稳定和轴系的安全运行。

在分析由HVDC引起的电气负阻尼大小时，需要详细地分析交直流系统状态量的变化过程。对于直流输电系统来讲，外部所有扰动引起的变化都是通过换流器的触发延迟角的改变而起作用。对于等间隔触发控制的换流器，外部的电压扰动表现为换流母线电压幅值和相位的改变而引起触发延迟角的偏移^[8]。电压扰动引起的换流器触发延迟角前移的对比分析如图7-8所示。

图7-7 HVDC与发电机组扭振相互作用框图

图7-8 交流电压扰动引起触发延迟角变化

HVDC换流器触发延迟角的改变会引起直流电压、电流的波动，如果该扰动电流处于如图7-9所示的直流电流闭环控制系统的低通频带内，则会受到控制系统的相位和幅值的调制，最终在直流端产生相应频率的功率扰动。图中I_order为HVDC运行时的直流指令值；K_p+K_I/s为直流控制系统的PI环节；f（R，I）为HVDC整流、逆变整体系统的传递函数；为直流电流测量环节的传递函数。(www.xing528.com)

图7-9所示的直流电流闭环控制系统具有低通滤波的特性，只有较低频率的直流电流扰动能通过，一般而言，其通频带为0～20Hz。而汽轮发电机组轴系的几个自然振荡频率也刚好在该频段内，因此，由高压直流输电系统引起的电力系统次同步振荡一般表现为较低频率模态的振荡问题。

如上所述的HVDC引发SSO的机理可以用如图7-10所示的交直流系统状态量的变化和相互作用的过程来表示和分析^[9]。

图7-9 直流电流闭环控制系统

图7-10 HVDC引发SSO的机理状态量变化过程

当系统有扰动发生时，汽轮发电机组轴系将按照其自然扭振频率进行扭转振荡，发电机转子转速扰动引起机端电压幅值U和相位θ_U的变化，该电压扰动经过交流输电网传递到整流站换流母线上，在既定的直流控制方式和运行工况下，HVDC的触发延迟角会因为交流电压有效值和相位的变化而出现扰动Δα。触发延迟角的扰动量作用于换流器，从而引起直流电压波动ΔU_d，该电压波动产生的直流电流纹波，经过电流互感器送入直流电流闭环控制系统中，如果幅值被放大且相位被不恰当调制，整流侧发电机组相应的次同步频带呈现负阻尼。