内容简介
《机网次同步扭振机理与工程实践》系统论述了电力系统机网次同步扭振机理与工程应用技术。在实际的多机并列运行的复杂电力送出系统中，侧重介绍发电厂侧接入FACTS型装置以机组轴系次同步扭振的原理、实用技术及昀新发展。《机网次同步扭振机理与工程实践》共16章，主要论述了以下四个方面的内容：机网耦合次同步扭振的建模与计算括机组实际复杂结构轴系的等值简化建模方法；机组轴系S-N曲线与暂态扭矩下机组轴系寿命损失计算和分析，TSR整定值与监测系统设计；基于FACTS型装置构建的SSO装置原理、控制策略、参数设计及现场调试技术；SSO装置在各种复杂机网次同步扭振中的选型、系统设计及应用技术。
目录
刘吉臻院士序;杨昆常务副理事长序;前言;□□章绪论pan class="Apple-converted-space">;1.1大型火电机组轴系次同步扭振问题的由来pan class="Apple-converted-space">;1.1.1串补引发的次同步谐振问题pan class="Apple-converted-space">;1.1.□直流输电引起的次同步扭振问题3;1.1.3新能源引起的次同步扭振问题4;1.□大型火电机组轴系次同步扭振问题的基本术语与含义6;1.3大型火电机组轴系次同步扭振的机理分析7;1.3.1串补引起次同步谐振的机理7;1.3.□高压直流输电引起火电机组次同步扭振的机理8;1.3.3新能源发电引发次同步扭振的机理9;1.4国内典型火电机组轴系次同步扭振问题及特点10;1.4.1国内大型火电基地外送系统的次同步扭振问题10;1.4.□锦界电厂一、二期串补送出系统的次同步扭振问题及特点1pan class="Apple-converted-space">;1.4.3呼伦贝尔直流串补外送系统的次同步扭振问题及特点1□;1.4.4锡林郭勒特高压交直流风火联合外送系统次同步扭振问题及特点1□;1.5大型火电机组轴系次同步扭振的危害与技术要求13;1.5.1大型火电机组轴系次同步扭振的危害13;1.5.□大型火电机组轴系次同步扭振的技术要求15;本章主要参考文献16;第□章机网轴系耦合次同步扭振分析18;□.1机网机电耦合振荡模型18;□.1.1机组轴系模型18;□.1.□机组电气模型□pan class="Apple-converted-space">;□.1.3电网电气模型□7;□.1.4高压直流输电模型34;□.1.5机组与电网机电耦合振荡完整模型36;□.□机电耦合电磁暂态数值仿真38;□.□.1时域仿真法原理38;□.□.□算例分析39;□.3特征值分析40;□.3.1特征值分析法原理40;□.3.□算例分析4pan class="Apple-converted-space">;□.4复转矩系数分析4□;□.4.1复转矩系数法原理4□;□.4.□算例分析43;□.5频率扫描44;□.6机组作用系数法45;□.7几种分析方法的比较46;□.8本章小结46;本章主要参考文献47;第3章汽轮发电机组轴系扭振的动力学分析模型与方法48;3.1轴系扭振的集中质量模型分析方法49;3.1.1微元段扭转振动方程49;3.1.□集中质量模型50;3.1.3任意回转体转动惯量的计算方法53;3.1.4规则圆柱形轴段惯量和刚系数的求取54;3.□轴系扭振的连续质量模型分析方法55;3.□.1连续质量模型55;3.□.□连续质量模型的模化方法58;3.3长叶片弯振的分支系统模型64;3.3.1旋转叶片的弯曲振动方程65;3.3.□长叶片弯振的集中质量模型66;3.3.3长叶片弯振的连续质量模型69;3.3.4轴系扭振和叶栅弯振的耦合振动7pan class="Apple-converted-space">;3.4基于有限元数值模型的轴系耦合振动分析方法73;3.4.1轴系耦合振动有限元分析的基本原理73;3.4.□汽轮机轴系耦合振动的有限元建模方法76;3.5本章小结79;本章主要参考文献79;第4章汽轮机组轴系扭振的疲劳强度分析理论与方法8pan class="Apple-converted-space">;4.1结构疲劳分析的基本理论8pan class="Apple-converted-space">;4.1.1疲劳的基本概念8pan class="Apple-converted-space">;4.1.□S-N曲线估计86;4.1.3扭振疲劳损伤100;4.□汽轮机组轴系扭振疲劳分析方法100;4.□.1基本原理10pan class="Apple-converted-space">;4.□.□方法实施及算例103;4.3本章小结107;本章主要参考文献107;第5章汽轮发电机组轴系扭振保护与扭振特参数测量方法108;5.1汽轮发电机组轴系的扭应力限值与设计要求108;5.1.1轴系扭振扰动来源及其影响108;5.1.□轴系扭振疲劳的寿命分配原则109;5.1.3严重扰动对轴系影响的分析与处理11pan class="Apple-converted-space">;5.□汽轮发电机组轴系扭振保护设备及其定值11□;5.3汽轮发电机组轴系扭振固有频率的测量方法114;5.3.1测量要求115;5.3.□轴系扭振固有频率的试验测量方法115;5.3.3其他问题116;5.4汽轮发电机组轴系扭振机械阻尼系数测量与数据法116;5.4.1轴系扭振模态阻尼系数的计算方法116;5.4.□汽轮机轴系扭振的电气阻尼和机械阻尼118;5.5本章小结119;本章主要参考文献1□0;第6章汽轮发电机组轴系暂态扭矩特及作用因素分析1□pan class="Apple-converted-space">;6.1暂态扭矩放大问题1□pan class="Apple-converted-space">;6.□影响暂态扭矩放大的因素1□3;6.□.1串补投运对发电机暂态扭矩的影响1□3;6.□.□故障位置对发电机暂态扭矩的影响1□3;6.3故障发电机暂态扭矩□化情况1□4;6.3.1故障后短期线路电流和发电机暂态扭矩分析1□4;6.3.□故障后短期暂态扭矩与轴系SSR关系分析1□6;6.3.3基于STAT电流调制的SSR装置输出电流分析1□7;6.3.4故障发生后电流和暂态扭矩定量分析13pan class="Apple-converted-space">;6.4本章小结135;本章主要参考文献135;第7章次同步扭振方法与比较136;7.1次同步扭振的基本原理136;7.□次同步扭振的方法及其效果136;7.□.1基于SVC电流调制的动态稳定器137;7.□.□基于STAT电流调制的动态稳定器137;7.□.3调整汽轮发电机组轴系参数137;7.□.4附加励磁阻尼控制器138;7.□.5阻塞滤波器139;7.□.6改□系统运行方式140;7.□.7可控串补14pan class="Apple-converted-space">;7.□.8旁路阻尼滤波器14pan class="Apple-converted-space">;7.□.9直流附加次同步阻尼控制器14□;7.□.10其他FACTS控制方法14□;7.3次同步扭振方法的综合比较143;7.4网侧与机端接入方法的对比145;7.5机端接入两种方式的比较146;7.6本章小结148;本章主要参考文献148;第8章基于SVC电流调制的动态稳定器149;8.1SVC工作原理及数学模型149;8.□SSR/SSO-DSⅠSSO的基本原理155;8.□.1机理155;8.□.□阻尼转矩分析157;8.□.3SSO-DSSSR容量选择160;8.3SSR/SSO-DSⅠ控制器结构16pan class="Apple-converted-space">;8.3.1控制结构16pan class="Apple-converted-space">;8.3.□滤波器设计163;8.4控制器参数设计164;8.4.1系统建模164;8.4.□控制器参数设计的基本原则165;8.4.3控制器参数优化建模165;8.4.4基于GASA的参数优化设计166;8.5算例系统应用与验证168;8.6本章小结169;本章主要参考文献169;第9章基于STAT电流调制的动态稳定器170;9.1STAT的工作原理170;9.□SSR/SSO-DSⅡSSO的基本原理17□;9.□.1控制器接线方式173;9.□.□原理分析173;9.3SSR/SSO-DSⅡ控制器结构175;9.3.1控制器框架176;9.3.□阻尼分析177;9.4控制器参数设计179;9.4.1控制器参数设计说明179;9.4.□阻尼信号控制回路参数设计说明180;9.4.3控制器参数优化建模问题18pan class="Apple-converted-space">;9.4.4基于GASA的参数优化方法18pan class="Apple-converted-space">;9.5算例系统应用与验证18□;9.6本章小结18□;本章主要参考文献18□;□□0章次同步扭振在线监测与分析评估系统184;10.1次同步扭振在线监测与分析评估的必要184;10.□次同步扭振在线监测与分析评估系统的构成184;10.□.1在线监测与分析评估系统的构成184;10.□.□监测系统在实际工程的布□及接线方式184;10.3次同步扭振在线监测与分析评估系统能187;10.3.1监测□□系统能187;10.3.□上位监测系统能188;10.4次同步扭振在线监测与分析评估系统工程应用案例19pan class="Apple-converted-space">;10.4.1案例119pan class="Apple-converted-space">;10.4.□案例□194;10.5本章小结198;□□1章动态稳定器的工程调试技术199;11.1次同步扭振的全数字建模及仿真199;11.□基于RTDS的动态稳定器调试试验□00;11.□.1RTDS试台构成□00;11.□.□全数字与数模混合对比仿真试验□00;11.□.3控制参数优化及工况验证RTDS仿真试验□0□;11.□.4RTDS模拟现场调试试验□03;11.3动模试验□03;11.4现场试验□05;11.4.1机组模态频率测定试验□05;11.4.□参数有效验证试验□06;11.5工程调试案例□06;11.6本章小结□09;□□□章汽轮发电机组轴系扭振分析的工程实践□10;1□.1扭振特的分析计算与工程测量比较□10;1□.1.1不同模型计算方法的模态特结果□13;1□.1.□现场实测扭振特数据与分析□14;1□.□S-N曲线的类型与选择□□0;1□.□.1原西屋公司S-N曲线估计方法□□0;1□.□.□某国内制造厂S-N曲线估计方法□□0;1□.□.3直接依据材料手册查图表的S-N曲线估算方法□□pan class="Apple-converted-space">;1□.□.4不同方法估算S-N曲线的差异□□3;1□.3套装联轴器的应力集中问题□□4;1□.3.1套装工艺对联轴器组件应力分布的影响□□5;1□.3.□旋转状态对联轴器组件应力分布的影响□□6;1□.3.3率对联轴器组件应力分布的影响□□7;1□.3.4率与联轴器组件危险部位应力之间的关系□□8;1□.4扭振的效果比较□□9;1□.5轴系扭振监控中的几个问题□3pan class="Apple-converted-space">;1□.5.1扭振监测点的选择□3pan class="Apple-converted-space">;1□.5.□扭振保护定值与动作策略□3□;1□.6本章小结□33;本章主要参考文献□33;□□3章串补送出系统机组轴系次同步扭振的解决方案与工程实践□34;13.1锦界电厂一、二期串补送出系统的次同步谐振问题□34;13.1.1锦界电厂一、二期次同步扭振问题的特征值分析□35;13.1.□锦界电厂一、二期次同步扭振问题的小扰动时域仿真□36;13.1.3锦界电厂一、二期次同步扭振问题的大扰动时域仿真□38;13.□锦界电厂一、二期SSR措施的选择□40;13.3次同步扭振同型并列机组非机端对称接入方式□4pan class="Apple-converted-space">;13.3.1系统接线对阻尼效果影响分析□4□;13.3.□SSR-DSⅠ控制信号的选取□47;13.3.3SSR-DSⅠ移相补偿环节参数选取□50;13.4SSR-DSⅠ的应用□5pan class="Apple-converted-space">;13.4.1SSR-DSⅠ的次同步谐振作用特征值分析□5pan class="Apple-converted-space">;13.4.□故障扰动时域仿真验证□54;13.5基于SVC电流调制的锦界电厂次同步扭振工程应用方案□56;13.5.1典型系统扰动下SVCSSO的作用□57;13.5.□SSR-DSⅠ容量及其对SSO效果□6□;13.6工程应用效果□65;13.7本章小结□68;本章主要参考文献□68;□□4章多机型多模态下各机组轴系次同步扭振综合方案与工程实践□69;14.1多机型多模态系统□69;14.1.1锦
摘要与插图
1.1大型火电机组轴系次同步扭振问题的由来;
人们对大型火电机组轴系次同步扭振问题的认识源于 1970年和 1971年发生在美国 Mohave电厂串联电容器补偿(以下简称串补)送出系统的两次机组大轴严重损坏事故。后来工程上又发现直流输电和某些控制装置也会引发火电机组轴系次同步扭振问题。;
1.1.1 串补引发的次同步谐振问题;
美国 Mohave电厂在 1970年 1□月和 1971年 10月，先后发生两起严重的机组大轴损坏事故。两次事故几乎是在相同的运行工况下由相同的线路跳闸事故引发，且线路电流中出现了 30.5Hz的分量。研究发现，事故是由于串联补偿系统发生电气谐振时，电气系统与汽轮发电机组大轴之间通过机电耦合相互作用，激发了轴系扭振(Hall and Hodges，1976)。;
Mohave电厂 500kV送出系统结构如图 1-1所示。两起事故发生时，Mohave电厂仅有一台发电机运行，该发电机所带负荷大约为 300MW，在 Mohave Lugo的 500kV输电线路上，8组串补中的 7组投入运行。两次事故均起源于在 Eldorado□电站保护装置跳开 Mohave—Eldorado 500kV输电线路。Eldorado□电站处的线路断开后，运行人员发现在 Mohave控制室内有闪光出现。这时，发电机负率稳定，励磁电压和励磁电流也稳定正常。闪光持续了 1~□min，随后运行人员感觉到控制室地板震动，从仪表上观察到高压发电机的励磁电流从正常值 1□□0A跳□到全量程的 4000A。接着监控系统相继发出振动过大、高压发电机励磁系统接地短路和负序保护动作等警报。在这种状况下，由于继电保护和自动装置未能切除发电机，因此立即采用了人工停机的措施，使发电机和励磁机在主汽门关闭 后解列。;
图 1-1 Mohave电厂 500kV送出系统结构图 1mi=1.609344km；HP-高压缸；LP-低压缸;
两起事故的现象：;
(1)线路电流的振荡曲线显示在两起事故中电流均含有 30.5Hz的分量。;
(□)发电机和交流励磁机转子之间的连接处持续振动摩擦。;
(3)中压缸转子两端之间的连接处持续振动摩擦。;
(4)电刷、刷握和汇流环表面无损。在这两起事故中用户没有受到影响，但在振荡过程中，距 Mohave电厂 175mi和 □□□mi的 Lugo□电站和 Vincent□电站检测到了 500kV电压的波动，持续了大约 1min。;
次事故发生后，研究人员提出了这样一种假设，即 Mohave电厂发电机的感应发电机效应引起的电气系统自励磁与电力系统中的 30.5Hz谐振频率产生了耦合，导致在这个频率上的持续振荡。但按照感应发电机效应的假设，应该得到这样的结论：投入的串补单元越多，在较高次同步电气频率上的感应发电机效应的负阻值越大，从而次同步谐振越容易持续下去。但是实际情况并非这样，在两次轴系事故中，当断开 Mohave— Eldorado 500kV线路引发次同步谐振时，Mohave—Lugo 500kV线路上有 7组串补投入运行(图 1-1)。但是在次事故前有六次在偶然的情况下断开了 Mohave—Eldorado 500 kV线路，同时 Mohave—Lugo 500kV线路上有 8组串补投入运行，在这些情况下，并没有发生系统的振荡。;
一步对 Mohave的事故调查发现，30.5Hz次同步电流流入 Mohave电厂发电机电枢会在发电机转子上产生一个“滑差频率”即 □9.5(60–30.5)Hz的扭矩分量。如果这个扭矩分量的频率与汽轮发电机组轴系的固有频率 (自然频率 )，则会激发起轴系的扭振并形成共振现象，如果系统的阻尼较小而持续有该频率的扭矩输入能量则轴系扭振幅值会越来越大，直轴系被破坏。;
图 1-□即为 Mohave电厂机组轴系的扭振模态特，该图表明该轴系的前三阶模态频率分别为 □6.7Hz、30.1Hz和 56.1Hz，其中一阶扭振有一个节点，机头机尾扭振相位相差 180°，二阶扭振有两个节点，机头机尾扭振相位相同，三阶扭振有两个节点，机头机尾扭振相位相差 180°且振幅相差较大。;
轴系扭振模态和电气谐振模式之间存在相互作用，称为扭转相互作用。这种扭转相互作用是 Mohave电厂机组持续振荡和导致发电机组轴系损坏的直接原因。在这种相互作用下，电网持续输入与轴系扭振频率满足特定关系的能量导致轴系也发生了大幅扭振。Mohave电厂次事故后的次同步谐振(synchronous resonance，SSR)试验表明，机组 30.1Hz的扭转模态与两次事故中均出现的 □9.5Hz扭振转矩频率。;
研究表明，具有串补的系统在遭受某些特定扰动的情况下，会产生对并网运行的汽轮发电机组轴系有害的暂态扭矩。发生在 Mohave —Eldorado 500kV输电线路 Eldorado侧的短路故障是这样的扰动。该短路故障在 Mohave—Lugo回路上产生的短路电流还没有达到令该回路串补的间隙保护动作的。当故障在电流过零点被切除时刻，串补的储能达到*大值，由此会产生幅值很大的次同步频率电流，该电流将流过该回路和 Mohave电厂发电机组。;
图 1-□ Mohave电厂机组轴系的扭振模态特 CEN-发电机； EXC-励磁机;
1.1.□ 直流输电引起的次同步扭振问题;
由高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电引发电机组的次同步扭振 (synchronous oscillation，SSO)现象，于 1977年首先在美国 Square Butte高压直流输电系统换流站的一次试验中被发现，系统结构如图 1-3所示(Bahrman et al.，1980)。该系括线路，额定电压和额定输率分别为 ±□50kV和 500MW。其整流侧采用定电流控制，逆□侧采用定电压控制，送端处有两台汽轮发电机组，向距离 750km的 Minnesota供电。为了提高低频区振荡阻尼，直流线路的控制系统中设置了附加频率控制(frequency sensitive power control，FSPC)。然而正是 FSPC导致了 Milton Young电站额率为 438MW的机组的□□扭振模态被激励，发生振荡；如果切除一条的 □30kV线路，即便 FSPC不投运，该模态也同样发生失稳。;
图 1-3 Square Butte系统结构图;
这是□□起有关 HVDC输电引发电机组轴系扭振的报道，这篇报道引起了各国学者对这一问题的密切关注。后来，在美国的 CU、IPP，印度的 Rihand-Deli，□□的 Fenno-Skan等 HVDC输电工程中，都发现了直流输电有可能引发火电机组次同步扭振的问题。;
1.1.3 新能源引起的次同步扭振问题;
□015年，在我国□□哈密地区风火联合经特高压直流送出基地发生了风电振荡导致火电机组扭振保护动作跳机的事故，引起了人们对于新能源与火电联合运行系统中新能源发电对火电机组次同步扭振问题影响的高度关注。□□哈密地区有两个火电厂装机 (4× 660MW+□×660MW)经哈密南—郑州±800kV特高压直流输电工程(以下简称天中直流)外送，哈密北部 18个风电场共计 1500MW的装机经过 35kV/110kV/□□0kV多电压等级汇聚到 750kV系统，系统结构如图 1-4(a)所示。;
□015年 7月 1日，该地区发生次同步频率率振荡，图 1-4(b)为某风电率振荡录波，振荡波及两个火电厂，录波分析发现振荡电含按工频对称的次同步频率和超同步频率分量，次同步频率在 17~□3Hz□化，超同步频率在 83~77Hz范围□化，如图 1-4(c)所示。图 1-4(c)中，黑色和灰色虚线分别标示火电厂 M和 N的机组某个扭振模态对应的工频互补频率。电厂扭振录波表明，在电流振荡频率与黑线和灰线相同的时间段，M电厂和 N电厂均有对应扭振模态被激发的录波，其中， 11:50~11:55 M电厂机组扭振 (模态 3，30.76Hz)持 6min，导致*终在运行的三台机组各自扭振保护动作跳闸。;
图 1-4 □□哈密风火联合外送系统次同步扭振现象;
以风电和光伏发电为代表的新能源发电大量通过电力电子□流器并网，由于装置控制特，其在系统运行条件下会发生电气振荡，振荡频率涵盖数赫兹到数百赫兹的次、超同步频段，这已经成为电力系统振荡的新问题和研究领域。 □015年，在我国□□地区某风火联合经特高压直流送出基地发生的风电振荡导致火电机组扭振保护动作跳机的事故，引起了人们对于新能源与火电联合运行系统中，风电新能源发电对火电机组次同步扭振问题的影响的高度关注。;
1.□大型火电机组轴系次同步扭振问题的基本术语与含义;
根据 IEEE工作组提出的定义，SSR是专指具有串补的输电系统中，电气谐振产生的次同步频率电流在汽轮发电机组轴系上产生与轴系自然扭振频率的电磁转矩，激励机组轴系各轴段 (质量块 )相互之间发生扭振，从而导致机网通过次同步频率电气振荡分量耦合相互作用的问题。其与串联补偿电气谐振相关，因此称次同步谐振。SSO专指汽轮发电机组轴系与直流输电、柔交流输电(flexible alternating current transmission， FACTS)装置、发电机附加励磁控制等电气设备之间的机网耦合相互作用。因为 SSR和 SSO问题均表现为火电机组轴系次同步扭振与电网次同步频率电压、电流之间的耦合相互作用，学术界和工程界逐渐趋于统一采用 SSO。;
根据 IEEE工作组的研究报告，次同步扭振问题主括以下四个方面的内容。;
1. 感应发电机效应;
感应发电机效应 (inductive generator effect，IGE)源于同步发电机的转子对次同步频率电流所表现出的视在负阻特。由于转子的旋转速度高于定子次同步电流分量产生的次同步旋转磁场的转速，所以从定子端来看，转子对次同步电流的等效电阻呈负值。当这一视在负阻大于定子和输电系统在该电气谐振频率下的等效电阻之和时，会产生电气自激振荡，这是感应发电机效应。感应发电机效应属于只考虑电气系统动态行为的自激现象，与汽轮发电机组轴系无关，因此，单纯的感应发电机效应不会导致轴系扭振现象的发生。;
□. 扭转相互作用;
扭转相互作用 (torsional interaction，TI)是指汽轮发电机组轴系扭振动态与系统电气部分之间的相互作用。系统中小的扰动会激发系统电气和机械部分的所有自然模态，发电机轴系会按照自然角频率ωm 出现扭转振荡，发电机转子轴段的扭转振荡会在定子绕组感生角频率为ω0-ωm (ω0为发电机同步转速对应的角频率 )的次同步电压和电流分量，当该角频率与电气谐振角频率ωen时，会激发电气谐振，相应的定子电流产生的旋转磁势在发电机转子上产生轴系自然角频率ωm 的转矩，使得扭转振荡持续甚是发散。;
3.暂态扭矩放大;
当电力系统发生大扰动 (如各种短路、线路开关的频繁操作、发电机的非同期并网 )时，将在发电机组轴系上产生暂态扭矩扰动，引起轴系扭振。串补系统中，暂态扭矩中……