次同步振荡的第一标准模型原理解析

第一标准模型采用了一个简单的含串联补偿的单机-无穷大系统结构，通过一个标准500kV输电电力网络，将一台892.3MVA的汽轮发电机接入无穷大系统。发电机及线路参数来源于Navajo工程的真实数据，以此保证能够获得可靠的结果。标准模型提供了详细的参数，方便学者研究次同步振荡问题，研究者还可以自己添加新的实验算例。

（1）模型的网络结构

第一标准模型的单线图及参数如图A-1所示。

图A-1 IEEE次同步振荡第一标准模型系统图

通过对Navajo工程SSR的研究，学者们发现：适当设置一个简单的RLC电路的参数，可以产生与实际工程中严重程度相似的暂态过程及自励磁现象。模型中的电路参数以标幺值表示，基准容量为Navajo-McCullough线路设计输送功率相对应的发电机容量892.4MVA，系统频率为60Hz。电抗正比于频率；电阻为一固定值。无穷大母线接一60Hz的三相理想电压源。模型设置了两个故障点（A和B），并可以装设滤波器。模型中含有两个电容火花间隙：低压火花间隙用于在短路时短路电容，以限制短路电流及释放系统中存储的能量；高压火花间隙用于重新投入电容器时提供保护。在从开始切除故障到电容器重新投入运行一小段时间内，为避免电容器发生二次击穿，低压火花间隙退出运行，除上述情况以外，低压火花间隙均投入使用。在使用中，若以相电压为基准值旁路间隙和重新投入间隙在60Hz下的标幺电压设定值（RMS）已分别取为3.33X_C和5.31X_C。该模型对于系统暂态过程及自励磁现象均适用。

（2）暂态研究中转子数学模型

模型按照轴系暂态扭矩计算的最低要求，电气和机械部分均是对Navajo工程中发电机转子的简化。模型同时假设励磁电压恒定不变，励磁机上的电磁转矩偏差为零。图A-2和A-3分别为用于暂态研究的d轴等效电路，q轴等效电路。图A-4为用于暂态研究的弹性轴系模型。

图A-2 d轴等效电路

图A-3 q轴等效电路

图A-4 轴系6质量块弹簧模型

表A-1和表A-2分别给出了上述等效电路各种参数。该转子模型采用6质量块-弹簧模型，即高压缸（HP）、中压缸（IP）、低压缸（LPA）、低压缸（LPB）、发电机（GEN）和励磁机（EXC）6质量块，轴系的参数由表A-3给出，这里对于暂态研究，认为机械阻尼为零。

表A-1 暂态研究中转子等效电路参数（pu）

表A-2 发电机阻抗值及时间常数（pu）

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表A-3 发电机转子质量块-弹簧模型参数

稳态运行时，所输入的机械转矩在汽轮机HP、IP、LPA和LPB各压力缸上按0.3、0.26、0.22和0.22分配，同时假设励磁机稳态转速为零。

（3）自励磁研究中的转子数学模型

自励磁研究中的转子模型是在暂态的转子模型进行一个简化后得到的，这是因为采用暂态研究所用转子模型后阻抗频率特性难以与制造商提供的数据相吻合。之所以采用两种简单而不同的转子模型，而不采用一种复杂的转子模型，原因是根据研究问题重点的不同，选用简单而合适的模型，可以简化分析。

图A-5和图A-6分别为用于自励磁研究d轴等效电路，q轴等效电路。

图A-5 转子d轴等效电路

图A-6 转子q轴等效电路

表A-4给出了上述等效电路等效参数，需要指出的是，除了x_l、x_ad和x_aq这三个参数与暂态研究中转子模型的参数相同之外，对于不同的振荡模式，其他参数略有变化。表A-5给出了不同次同步特征频率下，等效电路的等效阻抗。

表A-4 用于自励磁研究的发电机等效电路参数（pu）

表A-5 发电机等效电路次同步特征频率下等效阻抗

除了不包含机械阻尼外，用于研究暂态过程的转子质量块模型，同样适用于自励磁研究。这里，对于自励磁研究所采用的模型中，所采用的标幺值与暂态研究模型所采用的标幺值一致，同样假定励磁电压不变，励磁机上电磁转矩变化量为零。

（4）算例

在提出第一标准模型的同时，文献还给出了两个算例，暂态研究算例和自励磁研究算例，目的是验证和比较次同步研究结果的正确性，文献同时指出，研究人员可在第一标准模型的基础上自行添加新的内容，以进行更为复杂的研究。对于这两个算例，这里不做详细阐述，读者可参考这一文献。