第1章 绪 论1.1 课题的背景和意义随着串补技术的广泛应用，电厂大机组台数和类型的增多以及电网互联情况的日趋复杂，SSR的影响因素也急剧增加，潜在的风险也逐步增大1-6。采用传统的抑制方案需要增加机组切机台数才能有效的抑制SSR，已不能完全满足工程要求，因此需要寻求新的解决办法来减少切机台数来抑制SSR发散。基于此，本文以上都电厂出现的次同步谐振问题为研究对象进行抑制方案的研究7-15：目前课题组已对上都电厂串补输电系统一二期工程研究中所采用SEDC+TSR的方式来抑制SSR进行了深入研究，现场试验验证了该方案的有效性。而对上都电厂远期工程的SSR风险评估发现，采用SEDC+TSR的方式进行SSR抑制，在一些SSR风险比较严重的工况和扰动情况下，由于SEDC受到容量限制等问题，需要TSR进行多台机组的切除才能实现SSR的有效抑制。之前的抑制措施无法满足上都电厂串补输电系统三期工程的SSR抑制切机需求，经过研究决定采用SEDC+GTSDC+TSR三者协调作用的方案来抑制SSR减少机组的切机台数，然后通过特征值分析和大量的时域仿真证明了方法的有效性，但是只要当SEDC和GTSDC参数恰当的时候才能有效的抑制SSR；相反，若参数不合适还会起到帮助发散的作用，所以如何协调二者的参数是能否起到有效抑制作用的关键问题。本文也是基于这一点提出了SEDC和GTSDC参数优化设计的方法，可以减少切机台数抑制SSR问题。对同类次同步谐振的研究也有很强的指导和借鉴意义。1.2 次同步谐振问题研究现状由串补而引起的次同步谐振问题，国内外学者进行了大量的研究和工程实践，国际电气电子工程师协会专门成立了次同步谐振问题研究小组，对SSR的研究起到了关键的推动作用16-25。国内的专家也进行了大量SSR问题的研究，总结和归纳出了很多研究成果。1.2.1 SSR产生机理与分析方法次同步谐振的产生机理可从以下三个方面加以解释22-27：（1）感应发电机效应（2）机电扭振互作用（3）暂态力矩放大作用感应发电机效应和机电扭振互作用属于小扰动稳定，常用线性化模型和小扰动分析方法（如特征分析法、复数力矩系数法）加以研究；而暂态力矩放大作用常出现在大扰动的情况下，会造成发电机轴系较大的扭振，属于大扰动下的强非线性，通常采用电磁暂态程序仿真分析。基于SSR产生的不同机理和它们的特点以及研究问题的需要，其分析方法主要归为以下四种，详见参考文献28-32。简要解释如下：（1）特征值分析法：是一种适用于小扰动的线性化分析方法。（2）时域仿真法：是一种适用于大打扰的的分析方法。（3）频率扫描法：若在某一频率下电抗值突然发生变化，可以判断谐振频率，详见参考文献31-32。（4）复转矩系数法：是一种需要通过计算电气阻尼和机型阻尼相结合的判断方法，详见参考文献31-32。1.2.2 SSR抑制措施次同步谐振的抑制方法主要可以分为以下三大类33-35，第一类是保护设备，其中包括扭振继电器（TMR）,电枢电流继电器（ACR），扭应力继电器（TSR）；第二类是滤波设备，其中包括阻塞滤波器，线路滤波器，旁路阻尼滤波器和动态滤波器。第三类是阻尼设备包括NGH阻尼器，附加励磁阻尼控制器（SEDC），电力系统稳定器(PSS)，晶闸管可控串联补偿器（TCSC），静止无功补偿（SVC）, 静止同步补偿器(STATCOM)。它们在工程上都已经投入使用，具体的典型保护和抑制措施如下表11所示。表11 抑制次同步谐振的工程实例发电厂机组容量/MVA 输电线路电压等级/kVSSR抑制和保护措施Mohave2*909500阻塞滤波器、扭振继电器、SEDCNavajo3*892500扭振继电器、阻塞滤波器、SEDCLimburger4*590345扭振继电器、SEDCSan Juan2*4102*617345扭振继电器、静止无功补偿器（停用）Boardman1*590500扭振继电器，TCSC 托克托8*600500阻塞滤波器、扭应力继电器上都2*600500附加阻尼控制器、扭应力继电器锦界4*600500静止无功补偿器、扭应力继电器对主要的抑制次同步谐振的方法介绍如下：（1）扭应力继电器扭应力继电器（Torsional Stress Relay，TSR）36-37。利用测量扭应力传感器，对汽轮机轴系进行实时的监控，它是根据扭振模式振动值与设置的给定值相比，当检测到轴系发出的危险信号时就发出跳闸信号，然后依据扭振模式不稳定判据以及疲劳寿命损失判据两个逻辑来对机组进行跳闸操作Error! Reference source not found.。TSR的主要目标是控制保护机组与相应系统中的断路器起到隔离的作用。目前在国内的比如托克托电厂、锦界电厂、上都电厂等都采用了TSR对可能出现SSR的情况进行有效的保护。（2）阻塞滤波器滤波器主要分为三类32：静态阻塞滤波器、旁路阻尼滤波器和动态滤波器。静态阻塞滤波器又称阻塞滤波器（Blocking Filter，BF）：它是一个高品质因数的三相多阶阻波器，主要由电感和电容并联组成。阻塞滤波器接入系统后，与扭振固有频率的互补频率形成并联谐振，从而呈现高阻抗，阻止对应频率的次同步电流，进而隔断机电联系，有效抑制SSR。而其它两类滤波器的原理与静态滤波器基本相同。主要应用在机电扭振互作用的情况。（3）静止无功补偿装置静止无功补偿（Static Var Compensator，SVC）抑制SSR的主要方式是在其常规控制上施加一个抑制机组扭振的附加控制装置Error! Reference source not found.。主要应用在由机电扭振互作用引起的SSR问题。它的优点在于抑制效果良好，造价便宜，但是有谐波特性差、响应速度慢而且占地面积大等缺点（4）晶闸管可控串联补偿器晶闸管可控串联补偿器（Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC）是由电容器和晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）并联共同组成的。其缺点在于：由于TCSC属于一次设备，投入成本较高，反馈信号由于安装地点远离机组，难以获取，且存在非特征谐波的问题。其优点在于能够代替固定串补，但是投资成本较高而且存在非特性谐波问题。（5）附加励磁阻尼控制器附加励磁阻尼控制器（Supplementary Excitation Damping Controller， SEDC）的基本原理如图11所示Error! Reference source not found.。SEDC是一个附加在励磁调节器上的阻尼控制环节，主要由前置信号处理，带通滤波器，比例移相，限幅环节等部分构成。采用汽轮机高压缸转速信号作为反馈输入信号。只有SEDC的参数恰当才能对SSR起到抑制作用。图11 SEDC控制器图（6）静止同步补偿器利用静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）来进行SSR的抑制成为一个重要的研究热点44-52。其基本思路是：基于扫频复转矩系数的分析方法，STATCOM的次同步阻尼控制采用能反映机组轴系扭振的机械或电信号作为反馈，通过调节输出电流进而改变全系统的电器阻尼系数，使得其和机械阻尼系数大于零Error! Reference source not found.，即可抑制SSR。STATCOM的优势在于：它与SVC相比具有更高的响应速度而且在地面积比SVC要小；没有容量的限制，具有良好的输出特性；并且可以并联接入电网，投资成本比较低。1.3 本文主要工作本文首先介绍目前次同步谐振问题的研究现状，分别对次同步谐振产生的机理，分析方法和抑制措施进行了叙述。以上都电厂SSR问题为工程研究背景，简要描述了一二期工程中所采用的抑制方法 “SEDC+TSR”，分析了它的优点和不足。随着三期工程机组的投运又出现了新的SSR问题，经过研究在原来抑制方案的基础上在机端设置GTSDC作为增强方案来抑制多模态的SSR问题解决SEDC容量不足的问题，即提出了 “SEDC+GTSDC+TSR” 这一新的抑制方案。然后从SEDC和GTSDC协调抑制SSR的机理出发，说明了两者之间的区别。对SEDC和GTSDC协调抑制次同步谐振的机理进行了深入研究，详细阐述了工程计算过程中所用到的各种模型和传递函数的数学表达式，推导出SEDC和GTSDC投运后网络的总体系统模型。说明了GTSDC投入时会对SSR会起到抑制作用，但是只有在SEDC和GTSDC参数恰当时才能更有效，针对所研究问题的特点，采用遗传退火算法对其进行参数优化。先对遗传算法和退火算法做了简单的介绍，分析了它们不同的技术特点和各自存在的不足之处，然后说明了遗传和退火相结合计算此类问题的合理性和高效性。分别采用了特征值分析和时域仿真法验证了SEDC+GTSDC协调抑制SSR的有效性。同时阐述了这种优化方法的通用性。最后在上述优化方法的基础上，结合上都三期工程进行工程应用。通过大量的时域仿真结果表明：原先“SEDC+TSR”的控制策略需要TSR切除多台机的才能实现SSR收敛的工况，在增设GTSDC装置后，即“GTSDC+SEDC+TSR”协调控制作用下，在相同的运行方式和故障情况下可以减少机组的切机数量，甚至在某些情况下可以不需要切机就能达到抑制SSR的效果。并且研究了承德西线路投运后对SSR问题的影响及其抑制方案。第2章 SEDC+GTSDC机理研究及其建模分析2.1 SEDC与GTSDC协调机理研究SEDC与GTSDC是依据不同的机理对SSR进行抑制的，分别在转子侧和定子侧实施控制。SEDC通过调节励磁注入次同步电压、电流信号属于发电机转子侧的控制措施，GTSDC等通过电网侧注入次同步电流信号属于发电机定子侧控制措施，两方面的措施都是都是通过改变机组轴系的次同步扭矩关系来调节机组轴系扭振特性的。而电磁扭矩作为次同步扭矩关系中重要的一部分，其表达式为： （2-1）基于机组的Park方程模型，忽略阻尼绕组电流变化等一些次要因素，电磁扭矩可进一步表示为： （2-2）对于汽轮发电机， 或，则 （2-3）式中：代表定子电流的工频分量，代表次同步频率分量；代表转子电流的直流分量，代表次同步频率分量；上式说明电磁转矩主要包括两部分，其中：对应工频扭矩，为机组输出正常功率的基础扭矩；对应次同步频率扭矩，是决定轴系次同步谐振的作用力；而主要由两部分构成，一部分是转子电流波动量与定子电流工频分量相互作用产生的，而另一部分是由定子电流波动量与转子直流量相互作用产生的。抑制次同步谐振的关键是控制好。从上式可见，通过适当调节转子和定子电流的波动量即可达到这一目标。SEDC是通过在常规励磁调节器输出上附加次同步频率的励磁电压、进而产生对应的励磁电流来实现SSR抑制的，属于转子侧设备；GTSDC并联在发电机定子侧，基于可控电力电子技术向机组定子侧注入次同步频率电流以达到抑制SSR的效果，属于定子侧设备。GTSDC与SEDC之间是一种相互配合和补充的关系，它们构成一套基于定、转子协调控制的SSR整体抑制方法Error! Reference source not found.，如图21所示。SE