CN102983801A - 一种具有自抑制次同步振荡能力的发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自抑制次同步振荡能力的发电机，包括主轴，主轴上安装有极对数为n的IMDU，IMDU连接有变频装置，n为大于1的自然数；变频装置用于向IMDU提供三相倍频交流电。本发明通过提高IMDU的额定频率，使其在次同步频率范围内的电气阻尼显著提高，尤其是在次同步频率范围的高频段，IMDU的电气阻尼往往可以提高数十倍之多；故本发明无需提高IMDU容量，即可较好地抑制次同步振荡，大大降低系统成本，简化了其安装和运行维护，使其应用范围得以扩展。

Description

一种具有自抑制次同步振荡能力的发电机

技术领域

本发明属于电力系统稳定控制技术领域，具体涉及一种具有自抑制次同步振荡能力的发电机。

背景技术

在远距离输电线路中使用串联补偿电容，是提高电力系统输电容量和暂态稳定性的有效方法，在我国大容量电厂的送出线路中得到广泛应用，如内蒙古托克托电厂、陕西锦界电厂和东北的伊敏电厂等。但是串联补偿电容的使用可能导致发电机轴系扭振，引起次同步振荡，从而严重危害发电机的安全。

为了解决这一问题，学术界和工程界做了许多工作来研究对策和解决方法。如对发电机励磁系统添加用于抑制次同步振荡的附加控制信号，在系统中加装滤波装置等。基于晶闸管的柔性交流输电控制装置只要控制整定得当，也能够减缓次同步振荡的发生。但是以上装置的参数设计方法比较复杂，且其效果对系统运行情况变化较为敏感。此外，以上提到的柔性交流输电装置(FACTS)由于采用晶闸管的控制，会向系统注入一定量的谐波；同时由于晶闸管每个周波投切一次，其暂态响应时间仍比较慢。

感应电机阻尼器(IMDU)是一种较为新颖的抑制电力系统次同步振荡的装置，其主要思想是在被保护的发电机轴系上加装一台感应电机，该电机的额定转速和发电机轴系的额定转速相同。在稳态情况下，该电机由于转差率为0，几乎不消耗功率，转子上也没有电磁转矩。当轴系发生振荡时，该电机的转子转速也相应偏离了额定转速，此时转差率不再为0，该电机产生了电磁转矩。这一电磁转矩可以看作是感应电机向发电机轴系提供的附加转矩，可用于抑制轴系的振荡。作为一种抑制次同步振荡的装置，IMDU具有易安装维护、效果可靠、通用性强等优点，具有较好的应用前景。

假定IMDU的转速偏差按正弦规律振荡，频率为λ，则可将其用一个相量表示，记为

此时，相应的电磁转矩将以相同频率按正弦规律振荡，取轴系制动转矩方向为电磁转矩的正方向，并也将其用相量表示，记为

定义IMDU在频率λ处的电气阻尼为：

$D_{e\left(\mathrm{IMDU}\right)}\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}_{e\left(\mathrm{IMDU}\right)}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r\left(\mathrm{\λ}\right)}\right)$

由IMDU的电气阻尼的定义可知，当D_e(IMDU)(λ)＞0时，和

两向量的夹角-90°＜α＜90°，此时，电磁转矩对转子转速的振荡起抑制作用，表明IMDU对抑制系统次同步振荡是有效的。反之，电磁转矩对转子的转速振荡反而起助增作用。同时，由D_e(IMDU)(λ)的定义可知，其数值越大，表明对于同样的转子振荡幅度IMDU将提供更大的阻尼转矩，因此其抑制振荡的效果更好。当实际系统发生次同步振荡时，转子的转速偏差信号往往包含着数个不同频率的正弦分量，这些分量的频率一般都低于电网运行频率，因此称为次同步频率。由此可见，提高IMDU抑制次同步振荡有效性的关键问题，就是提高其在整个次同步频率范围内的电气阻尼。

在现有技术方案中，IMDU都是通过来自电网的电源直接供电，因此，其额定频率为电网的运行频率。在这种情况下，对于一个具有典型参数的IMDU，其在次同步频率范围内的电气阻尼如图1所示。观察图1可见，在较低频率处，该IMDU的电气阻尼相对而言是较大的，然而，随着转子振荡频率λ的提高，该IMDU的电气阻尼随之快速下降，在32Hz处，其电气阻尼只有0.2pu，不及低频处的百分之一。需要指出的是，图1中所示的电气阻尼为标幺值，是以IMDU自身容量作为基准容量的。因此，电气阻尼的实际值也会随IMDU的容量而变化。这意味着，由于该IMDU在次同步频率范围内的高频段电气阻尼标幺值非常小，因此，为了有效抑制系统的次同步振荡，提升其电气阻尼，可采用增加IMDU容量的方式，但这将大大提高成本，限制了IMDU的适用范围。

此外，作为一种感应电机，IMDU抑制次同步振荡的效果和其机端电压也有很大关系。假定IMDU的机端电压幅值由额定值(1pu)降低至kpu(k＜1)，此时，经计算分析，IMDU的电气阻尼将降低为机端电压为1pu时的k²倍，从而其抑制次同步振荡的有效性受到了制约；不同IMDU机端电压幅值对应的电气阻尼如图2所示。在现有技术方案中，IMDU都是直接连接到发电机出口母线上的。这样一来，当附近发生诸如接地短路等故障时，IMDU的机端电压幅值会相应有较大下降，但是故障时也恰是最容易产生严重次同步振荡问题的时刻，因此IMDU的效果受到了进一步限制。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种具有自抑制次同步振荡能力的发电机，具有较好抑制次同步振荡的效果。

一种具有自抑制次同步振荡能力的发电机，包括主轴；所述的主轴上安装有极对数为n的IMDU，所述的IMDU连接有变频装置，n为大于1的自然数；所述的变频装置用于向IMDU提供三相倍频交流电。

所述的三相倍频交流电为频率为50nHz的三相交流电。

所述的变频装置包括整流器和逆变器；

所述的整流器将三相工频交流电转换为直流电后提供给逆变器；

所述的逆变器将直流电转换成三相倍频交流电后提供给IMDU。

优选地，所述的逆变器的直流侧并联有电容；能够维持恒定的直流电压，相应的其输出的三相交流电压的幅值在外部系统受到较大扰动时也可以保持相对恒定，使IMDU的机端电压幅值可稳定在额定值的±5％范围内。

所述的逆变器交流侧的三相输出端子与IMDU定子上的三相绕组对应连接。所述的IMDU的转子为鼠笼式结构，其额定转速与发电机主轴的额定转速相同。

对于额定频率为电网运行频率的IMDU而言，在较低振荡频率处，该IMDU的电气阻尼相对而言是较大的，然而，随着转子振荡频率的提高，IMDU的电气阻尼随之快速下降。针对这样一种规律可知，提高IMDU电气阻尼的方法可以通过降低相应的转子振荡频率实现。虽然转子次同步振荡频率的实际值是无法改变的，但是，由于在计算电气阻尼的过程中，转子振荡频率是以标幺值来表示的，因此，对于相同的转子振荡频率的实际值，只要能提高基准频率的值，就可以起到降低其标幺值的效果，从而对应于该频率的IMDU的电气阻尼也就相应得到了提高，考虑到标幺值的基准频率正是IMDU的额定供电频率，故可以得出结论，提高IMDU的额定供电频率，可以有效提高IMDU在转子次同步振荡频率范围内的电气阻尼。IMDU的额定频率与额定转速的关系如下：

$n_N=\frac{f_N*60}{p}$

其中，n_N为IMDU的额定转速(单位为转/分)，f_N为IMDU的额定频率，p为IMDU的极对数；由于IMDU的额定转速是固定的，和发电机主轴额定转速相同，故如欲提高IMDU的供电频率(即额定频率)，则需相应增加IMDU的极对数。

本发明通过提高IMDU的额定频率，可使其在次同步频率范围内的电气阻尼显著提高，尤其是在次同步频率范围的高频段，IMDU的电气阻尼可以提高数十倍之多；故本发明无需提高IMDU容量，即可较好地抑制次同步振荡，大大降低系统成本，简化了其安装和运行维护，使其应用范围得以扩展。

附图说明

图1为极对数为1的IMDU在次同步频率范围内的电气阻尼示意图。

图2为不同机端电压幅值下IMDU在次同步频率范围内的电气阻尼示意图。

图3为极对数为6的IMDU在次同步频率范围内的电气阻尼示意图。

图4为本发明发电机的结构示意图。

图5为本发明发电机测试系统的示意图。

图6为未应用IMDU的发电机发生次同步振荡后轴系上各段转矩的示意图。

图7为安装一对极IMDU的发电机发生次同步振荡后轴系上各段转矩的示意图。

图8为安装六对极IMDU的发电机发生次同步振荡后轴系上各段转矩的示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关机理进行详细说明。

表1所示为一组典型的鼠笼式IMDU参数，其额定频率为电网运行频率，定子绕组为一对极；经计算该IMDU在次同步频率范围内的电气阻尼如图1所示。需要注意的是，图1中所示的电气阻尼为标幺值，是以IMDU自身容量作为基准容量的；因此，电气阻尼的实际值也会随IMDU的容量而变化。

表1

参数名称	标幺值
		定子电阻(Rs)	0.0436
定子漏抗(Ls)	0.0436
		励磁电抗(Lm)	1.997
转子电阻(Rr)	0.0212
		转子电抗(Lr)	0.031

观察图1可以看到，在频率较低处，IMDU具有较高的电气阻尼，但随着频率的上升，其电气阻尼将快速下降，在32Hz处，其电气阻尼只有0.2pu，不及低频处的百分之一。如此小的电气阻尼意味着有效抑制系统次同步振荡所需的IMDU容量将非常大；这将大大提高成本，从而使IMDU的应用范围受到极大限制。

改变IMDU的各参数取值，可以改变其电气阻尼。然而，当采用标幺值表示时，IMDU参数的合理取值范围往往是不大的。因此，仅通过调整IMDU参数，其电气阻尼提高的空间是比较有限的。

由IMDU在低频处具有较大电气阻尼这一现象带来启发，提高IMDU电气阻尼的方法可以通过降低相应的转子振荡频率实现。虽然转子次同步振荡频率的实际值是无法改变的，但是，由于在计算电气阻尼的过程中，转子振荡频率是以标幺值来表示的，因此，对于相同的转子振荡频率的实际值，只要能提高基准频率的值，就可以起到降低其标幺值的效果，从而对应于该频率的IMDU的电气阻尼也就相应得到了提高，考虑到标幺值的基准频率正是IMDU的额定供电频率，故可以得出结论，提高IMDU的额定供电频率，可以有效提高IMDU在转子次同步振荡频率范围内的电气阻尼。

由于IMDU是随其安装于的发电机轴系一同旋转，其额定转速是固定的，为发电机轴系的额定转速。而IMDU的额定频率与额定转速的关系如下：

$n_N=\frac{f_N*60}{p}$

其中，n_N为IMDU的额定转速(单位为转/分)，f_N为IMDU的额定频率，p为IMDU的极对数。

因此，要提高IMDU的额定频率，唯一的办法是提高其极对数。故本实施方式提出一种具有自抑制次同步振荡能力的发电机，如图4所示；其包括主轴；主轴上安装有极对数为6的IMDU，IMDU的转子为鼠笼式结构，其额定转速与发电机主轴的额定转速相同。

IMDU连接有变频装置，变频装置与电网相连，其用于向IMDU提供三相倍频交流电(300Hz)；变频装置包括整流器和逆变器；其中：整流器将三相工频交流电转换为直流电后提供给逆变器；逆变器将直流电转换成三相倍频交流电后提供给IMDU。

IMDU定子绕组为6对极，转子的额定转速为3000转/分，则其额定频率为300Hz，若IMDU各参数的标幺值仍为表1所示，可计算得到此IMDU在次同步频率范围内的电气阻尼如图3所示。

观察图3可见，通过提高IMDU的额定频率，其在次同步频率范围内特别是高频段的电气阻尼得到了显著的提高。这意味着，此IMDU无需提升容量，即可较好地抑制次同步振荡。

除了参数和频率以外，机端电压也对IMDU的电气阻尼有较大影响。计算分析表明，IMDU的电气阻尼同机端电压幅值的平方成正比。IMDU在不同机端电压时的电气阻尼如图2所示，可见，随着机端电压的下降，IMDU的电气阻尼也将大大下降。

考虑到这一点，为保证IMDU在系统受到各种扰动时的有效性，本实施方式中逆变器的直流侧并联有电容，交流侧的三相输出端子与IMDU定子上的三相绕组对应连接；直流侧的大电容能够维持相对稳定的电压，使IMDU的机端电压幅值可稳定在额定值的±5％范围内，且波形基本无畸变，从而保证IMDU抑制次同步振荡的效果。

以下基于IEEE次同步谐振第一标准测试系统来验证本实施方式抑制次同步振荡的有效性。测试系统接线如图5所示。发电机通过串联补偿线路接入无穷大系统。发电机额定容量为892.4MVA，有功出力0.9pu.。发电机原动机输入功率恒定，励磁简化为恒励磁电压控制。线路的总串补度取为50％，发电机轴系加装了IMDU。

发电机轴系模型由6部分组成，分别为高压缸(HP)、中压缸(IP)、两个低压缸(LPA和LPB)、发电机加IMDU(G+IMDU)和励磁机(EXC)。由于IMDU的容量相对较小，因此其和发电机可以合起来当作一个质量块对待。假定轴系每个振荡模态的衰减因子为0.05s^-1(对于发电机重载情况来说，这一估计是极为保守的)。

建立发电机系统的状态空间方程：

$\stackrel{\·}{x}=f\left(x\right)$

并将其在稳定运行点附近线性化得到：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{x}=\mathrm{A\Δx}$

其中：

$A=\left[\begin{array}{ccc}\frac{{\∂f}_1}{{\∂x}_1}& \·\·\·& \frac{{\∂f}_1}{{\∂x}_n}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ \frac{{\∂f}_n}{{\∂x}_1}& \·\·\·& \frac{{\∂f}_n}{{\∂x}_n}\end{array}\right]$

此时，求取A的所有特征值；系统小信号稳定的充要条件为A的所有特征值的实部小于零。

应用特征值分析法，求取了以下三种情况下的系统特征值。

情况一：系统未应用IMDU；

情况二：发电机轴系加装了一对极、额定频率为电网工频的IMDU，IMDU的容量为发电机的5％；

情况三：发电机轴系加装了六对极、额定频率为六倍工频的IMDU，IMDU的容量为发电机的5％。

三种情况的特征值如表2所示；为节约篇幅，表2只列出了和轴系振荡模式有关的特征值，未列的特征值的实部均小于零，不再详细考察。

表2

模式	情况一	情况二	情况三
				1	-0.0374±j99.43	-0.1223±j98.65	-0.2667±j98.56
2	-0.0464±j127.1	-0.0508±j127.0	-0.0682±j127.0
				3	0.0819±j161.0	0.0583±j160.5	-0.0237±j160.4
4	-0.0248±j202.7	-0.0276±j201.5	-0.1542±j201.5
				5	-0.0500±j298.2	-0.0500±j298.2	-0.0500±j298.2

通过表2可以看到，对于情况一，当系统未加装IMDU时，由于线路串联补偿电容的影响，模式3对应的特征值实部大于零，表明系统此时是不稳定的。对于情况二，当发电机轴系加装了一对极、5％发电机容量的IMDU时，模式3对应的特征值实部仍然是大于零的，表明此时IMDU无法有效抑制系统的次同步振荡。对于情况三，发电机轴系加装了六对极IMDU，其容量仍为发电机容量的5％。这时，系统的全部特征值的实部都小于零，表明该IMDU的应用可使系统的次同步振荡得到有效抑制。

以上分析表明，通过提高IMDU的额定频率，可以有效提高其电气阻尼，降低其抑制系统次同步振荡所需的容量。

以下通过详细模型暂态时域仿真进一步验证上述分析。系统进入稳态后，在无穷大母线侧，即图5中F点发生三相接地短路故障，持续0.075s后切除。三种情况下轴系各段扭矩如图6～8所示。由此可见，当发电机轴系不加装IMDU时，系统受大扰动后各轴段转矩振荡是逐渐发散的。当发电机轴系加装了一对极、额定频率为电网运行频率、5％发电机容量的IMDU时，系统受大扰动后各轴段的转矩振荡仍然是发散的，表明IMDU尚不能有效抑制系统的次同步振荡。对于情况三，发电机轴系加装了六对极、额定频率为六倍电网频率的IMDU，其容量仍为发电机容量的5％，在这种情况下，系统受大扰动后，各轴段的转矩振荡是收敛的，证明了高频IMDU抑制次同步振荡的有效性；暂态时域仿真的结果和上述特征值分析的结果是一致的。

Claims (6)

1.一种具有自抑制次同步振荡能力的发电机，包括主轴；其特征在于：所述的主轴上安装有极对数为n的IMDU，所述的IMDU连接有变频装置，n为大于1的自然数；所述的变频装置用于向IMDU提供三相倍频交流电。

2.根据权利要求1所述的具有自抑制次同步振荡能力的发电机，其特征在于：所述的变频装置包括整流器和逆变器；所述的整流器将三相工频交流电转换为直流电后提供给逆变器，所述的逆变器将直流电转换成三相倍频交流电后提供给IMDU。

3.根据权利要求2所述的具有自抑制次同步振荡能力的发电机，其特征在于：所述的逆变器的直流侧并联有电容。

4.根据权利要求2所述的具有自抑制次同步振荡能力的发电机，其特征在于：所述的逆变器交流侧的三相输出端子与IMDU定子上的三相绕组对应连接。

5.根据权利要求1所述的具有自抑制次同步振荡能力的发电机，其特征在于：所述的IMDU的转子为鼠笼式结构。

6.根据权利要求1所述的具有自抑制次同步振荡能力的发电机，其特征在于：所述的主轴上安装有极对数为6的IMDU。

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