阻塞滤波器：设计与应用分析

9.4.1.1 阻塞滤波器抑制SSO的机理

阻塞滤波器包括1个零阶电抗和多个（对应于阻塞的SSO模态数）高品质因数值的并联谐振LC滤波器，如图9-10所示。每一级并联谐振LC滤波器对应轴系的一个扭振模式，其中心频率与该轴系的扭振频率互补。恰当选择滤波器的参数，使其在与轴系扭振互补的频率发生并联谐振，从而对外部系统呈现高阻抗。因此，可以阻止该扭振模式对应的次同步电流分量流入发电机内，进而削弱机械和电气系统间的相互作用，达到抑制SSO的目的。串接的零阶电抗，主要是为了保证阻塞滤波器在工频情况下发生串联谐振，因此将其接入系统不会对系统的正常运行产生不利的影响。在电网故障的时候为限制过电压需在滤波器上加装金属氧化物限压器（MOV）。阻塞滤波器串接在发电机升压变压器出口或中性点与高压侧线圈之间，每相接一组，两者并无本质区别。

图9-10 阻塞滤波器

阻塞滤波器能够有效地抑制扭转相互作用和暂态扭矩放大作用，主要优点是结构简单，但是其存在以下一些缺点^[17]：

1）抑制多模态SSO时，每个并联回路需要在对应频率下形成谐振，同时对工频形成串联谐振，参数要求严格，并要求品质因数高，设计和调整困难。

2）阻塞滤波器参数设计不当时会引发异步自励磁，从而导致系统失稳。

3）外界温度、运行温升导致元件参数变化以及系统运行频率变化，都会使阻塞滤波器中心频率偏移，使得阻塞效果变差。

4）串入线路与中性点间，不论是系统还是装置自身故障，都将严重威胁系统和设备安全。

5）运行维护困难、成本高，阻塞频率的定期测试、预防性试验等工作量大。

现场运行经验表明，阻塞滤波器能够有效地抑制SSO，但在某些情况下会引起发电机的异步自励磁。下面对其机理进行分析。

9.4.1.2 阻塞滤波器引发异步自励磁的分析

从电路特性来看，异步自励磁现象可以认为是纯电气的参数谐振。在此谐振频率下，同步发电机相当于一台异步发电机，定子自励磁电流分量产生的空间磁场与转子之间存在转速差，即异步运行。在自励磁频率下，发电机向电网输出的功率，提供了振荡时所需要的能量，导致自励磁。这种自激方式通常又称为“异步发电机效应”或“感应发电机效应”。

按照异步发电机的理论，同步发电机的等效异步发电机电路如图9-11所示，其中，X_s、X_r、R_s和R_r分别为定子、转子绕组漏抗及电阻，s为转差率，其值为s=（ω_er-ω_r）/ω_er，其中ω_er为自励磁频率，ω_r为转子频率。

采用测试信号法或者理论分析可以求得Z（p）的值，令Z（p）jω=R_eq+jX_eq。在谐振点即X_eq=0时，若其对应的等效电阻R_eq≤0，则系统将发生自励磁。

图9-11 自励磁等效电路图

阻塞滤波器引起自励磁现象的机理是：机网和阻塞滤波器参数“匹配”引起的次同步频率范围的异步谐振自激现象。如图9-13所示，阻塞滤波器阻抗的频域是非线性的，在谐振频率右侧呈强容性特征，与机网参数形成串联谐振，而如果对应的R_eq小于0，则会导致自激发散。

下面基于IEEE第一标准模型，对此进行仿真分析。其中发电机和轴系参数均采用呼伦贝尔电厂实际参数，其轴系振荡模式为18.7Hz和23.6Hz。所设计的阻塞滤波器结构和参数如图9-12所示，其中第一、二级阻塞滤波器的中心频率分别设置为31.3Hz和26.4Hz，分别用来阻塞轴系18.7Hz和23.6Hz扭振所产生的次同步电流分量。

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图9-12 单相阻塞滤波器结构和参数

所设计的阻塞滤波器的阻抗特性如图9-13所示，其在与轴系扭振模式互补的31.3Hz和26.4Hz为高阻抗形式。此外，每个中心频率的右侧电抗呈容性，当阻塞滤波器投入后，有可能发生电气谐振，从而引发异步发电机效应。

图9-13 阻塞滤波器阻抗特性

采用测试信号法，仿真计算得到发电机的等效阻抗如图9-14所示。可以看出，随着频率的增大，发电机的负电阻幅值逐渐增大，阻尼能力变弱。

图9-14 发电机等效阻抗特性

未投入阻塞滤波器前，线路侧的等效阻抗特性如图9-15所示。

投入阻塞滤波器后，可计算得到包括发电机在内的整个系统的等效阻抗Z（p），如图9-16所示。可以看出，由于阻塞滤波器在其中心频率右侧呈强容性，其与原有系统发生串联谐振的点共有三处，其中电气谐振点1和2处，所对应的电阻R_eq＞0，系统呈现正阻尼。电气谐振点3对应的频率为36.73Hz，其对应的R_eq＜0，约为-0.6Ω，电气阻尼为负，此时系统会发生自励磁现象。

图9-15 未投入阻塞滤波器前线路侧等效阻抗

图9-16 投入阻塞滤波器后系统的等效阻抗

投入阻塞滤波器后，在10s时刻对系统电流进行FFT（快速傅里叶变换）分析。由图9-17可以看出，与轴系互补的31.3Hz和26.4Hz的频率分量得到了有效的抑制，但存在36.73Hz的次同步电流，该电流即为自励磁形成的次同步分量，由于对应的R_eq绝对值较小，它对系统的影响并不是很明显。

图9-17 投入阻塞滤波器后系统电流的频谱图

由以上分析可知，当阻塞滤波器参数设置不合理时，可能引起系统的自励磁现象，导致系统失稳。因此，在阻塞滤波器设计中，要考虑其谐振和阻尼特性，防止在其他频率点引发新的自励磁。

阻塞滤波器早在20世纪70年代在美国Mohave和Navajo电厂得到成功应用，我国的托克托电厂在2008年也投入运行^[17]。