CN105098769B - 一种能够抑制次同步谐振的发电系统中旁路阻尼滤波器的参数整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够抑制次同步谐振的发电系统中旁路阻尼滤波器的参数整定方法，其通过确定BDF的电容和电感参数，使目标发电机电气负阻尼达到极小值的频率避开低频振荡模式的频率(通常低于2Hz)和机组轴系各扭振模式的特征频率；通过确定BDF的阻尼电阻值使电气负阻尼的极小值在合理范围内。本发明参数整定方法可使配置BDF后系统电气负阻尼极小值出现的频率避开轴系各扭振频率和低频振荡频率，同时保证该极小值的幅值处在合适范围内，从而达到抑制扭转相互作用的效果。此外，BDF的阻尼电阻能够显著消耗暂态下次同步电流的能量，即消耗次同步频率范围内振荡的能量，故本发明参数整定方法进而抑制了暂态扭矩的放大。

Description

一种能够抑制次同步谐振的发电系统中旁路阻尼滤波器的参 数整定方法

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种能够抑制次同步谐振的发电系统中旁路阻尼滤波器的参数整定方法。

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，引起次同步谐振，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(如阻塞滤波器)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，也能够减缓次同步谐振的发生，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。

旁路阻尼滤波器(Bypass Damping Filter，BDF)是一种抑制电力系统次同步振荡的滤波装置，通常并联在串联补偿电容器的两端，其结构如图1中虚线框所示。在工频下，BDF的电容和电感被调谐成并联谐振，具有很大的阻抗，因此在稳态下BDF流过的电流为很小，不影响系统的稳态运行。在暂态下，由于BDF的电容和电感所形成的并联结构在次同步频率范围内的阻抗显著下降，次同步电流经由BDF而被旁路。在这一过程中，BDF的阻尼电阻对次同步电流具有抑制作用。

次同步谐振的含义通常包括三个方面，即感应发电机效应(Induction GeneratorEffect)、扭转相互作用(Torsional Interaction)和暂态扭矩放大(Transient TorqueAmplification)。BDF通常被认为仅对感应发电机效应有作用，原因在于次同步频率范围内同步发电机可当作感应发电机处理，具有一定的负电阻，而BDF的阻尼电阻能够对该负电阻进行补偿。但到目前为止，BDF对于扭转相互作用和暂态扭矩放大作用的抑制效果并未得到充分认识，尚未有相应方法对BDF的参数进行整定，使之具有抑制扭转相互作用和暂态扭矩放大的能力。

发明内容

针对现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种能够抑制次同步谐振的发电系统中旁路阻尼滤波器的参数整定方法，除能抑制感应发电机效应外，还能够抑制扭转相互作用和暂态扭矩放大，从而提高了旁路阻尼滤波器对次同步谐振的抑制效果。

一种能够抑制次同步谐振的发电系统中旁路阻尼滤波器的参数整定方法，包括如下步骤：

(1)根据系统中发电机的轴系参数计算出轴系各扭振模式的特征频率，并取发电机低频振荡模式的频率范围为0～2Hz；

(2)设定配置BDF后发电机电气负阻尼达到极小值对应的频率标幺值并使其避开上述低频振荡模式的频率范围以及各扭振模式的特征频率；

(3)根据所述的频率标幺值通过以下公式计算BDF中电容及电感在工频下的阻抗标幺值X_BDF：

其中，X_L为系统在工频下的感抗标幺值(包括发电机次暂态电抗、变压器漏抗、输电线路电抗和受端等值电抗)，X_C为串补电容器在工频下的容抗标幺值；

(4)根据所述的阻抗标幺值X_BDF计算BDF中电容和电感的实际物理参数；

(5)计算未配置BDF时发电机电气负阻尼的极小值

(6)根据所述的频率标幺值和阻抗标幺值X_BDF，计算配置BDF后发电机电气负阻尼的极小值

(7)通过调节BDF中的阻尼电阻使所述的极小值处于合理范围内，从而确定出该阻尼电阻的实际物理参数。

优选地，所述的频率标幺值设定为2Hz至扭振模式最低特征频率区间内正中间频率对应的标幺值；能够更好的避开发电机的低频振荡模式和扭振模式。

进一步地，所述的步骤(4)中通过以下公式计算BDF中电容和电感的实际物理参数：

其中：f₀为工频频率，Z_B为系统的阻抗基准值，C_BDF为BDF中电容的容值，L_BDF为BDF中电感的感值。

进一步地，所述的步骤(5)中通过以下公式计算未配置BDF时发电机电气负阻尼的极小值

其中：ψ₀为发电机的气隙磁链标幺值(简化计算时可取1.0pu)，R为系统的电阻标幺值。

进一步地，所述的步骤(6)中通过以下公式计算配置BDF后发电机电气负阻尼的极小值

其中：ψ₀为发电机的气隙磁链标幺值，R为系统的电阻标幺值，R_BDF为BDF中阻尼电阻的阻值。

进一步地，所述的步骤(7)中通过调节BDF中的阻尼电阻使极小值处于以下合理范围内：

本发明参数整定方法可使配置BDF后系统电气负阻尼极小值出现的频率避开轴系各扭振频率和低频振荡频率，同时保证该极小值的幅值处在合适范围内，从而达到抑制扭转相互作用的效果。此外，BDF的阻尼电阻能够显著消耗暂态下次同步电流的能量，即消耗次同步频率范围内振荡的能量，故本发明参数整定方法进而抑制了暂态扭矩的放大。

综上，使用本发明参数整定方法对BDF进行配置，能够抑制扭转相互作用和暂态扭矩放大，相比于传统上认为BDF仅能抑制感应发电机效应，本发明方法提高了BDF对次同步谐振的抑制效果。

附图说明

图1为旁路阻尼滤波器的配置结构示意图。

图2为配置了BDF的发电系统次同步振荡的标准模型示意图；图中，X_d″为发电机次暂态电抗，X_T为变压器漏抗，X_Line为传输线路电抗，R为传输线路电阻，X_C为线路的串补电容容抗，X_S为受端系统等值电抗。

图3为串补度40％工况下配置BDF和未配置BDF条件下电气负阻尼对比示意图。

图4(a)为串补度40％工况下未配置BDF时轴系LPB-GEN段(低压缸B-发电机段)在故障下的扭矩响应示意图。

图4(b)为串补度40％工况下配置BDF后轴系LPB-GEN段在故障下的扭矩响应示意图。

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进行详细说明。

图2所示的为配置了BDF的IEEE次同步振荡第一标准模型(额定频率60Hz)，串补度设置为40％(X_C＝0.20pu)，其余电气参数均已标示在图上(系统阻抗基准值Z_B为325.55Ω)。BDF的具体配置结构如图1所示。

本实施方式中汽轮发电机组轴系共有5个扭振模式，特征频率由低到高依次为15.71Hz、20.21Hz、25.55Hz、32.28Hz和47.46Hz。考虑低频振荡模式的频率范围为0～2Hz，取配置BDF后电气负阻尼极小值出现的频率介于低频振荡模式(2Hz)至具有最低特征频率的扭振模式(15.71Hz)之间，即8.5Hz(0.1417pu)。需要说明的是，电气负阻尼极小值出现的目标频率的选取方法包括但不局限于本实施例所选取的方法。

根据本发明BDF电容和电感的配置方法，其在工频下的电抗值(X_BDF)可按如下公式进行计算：

式中，X_L为系统工频下的感抗标幺值，包括发电机次暂态电抗、变压器漏抗、输电线路电抗和等值系统电抗，即X_L＝0.869pu；X_C为串补电容在工频下的容抗标幺值，即X_C＝0.20pu。X_BDF的计算结果及相应的电容电感参数如表1所示：

表1

串补度	40％
			0.1039
电感/mH	89.754
		电容/uF	78.394

根据本发明BDF阻尼电阻配置方法，配置BDF后电气负阻尼极小值相对于未配置BDF时电气负阻尼极小值应满足如下关系：

未配置BDF时电气负阻尼极小值按照如下公式进行计算，其中发电机气隙磁链标幺值ψ₀取1.17pu；

故配置BDF后电气负阻尼的极小值应满足 事实上，可取BDF阻尼电阻R_BDF＝15Ω(0.0461pu)，则可按如下公式进行计算：

配置BDF后电气负阻尼极小值满足上述关系。

对于上述串补度40％所对应的工况，分别测试其在配置BDF和未配置BDF条件下的电气负阻尼，如图3所示，需要说明的是图3右下角的子图为配置BDF后电气负阻尼在5～12Hz范围内的局部放大。图3的结果显示，在未配置BDF的条件下，电气负阻尼集中在25～35Hz之间，较容易激发特征频率为25.55Hz和32.28Hz的扭振模式；在按照本实施方式配置BDF后，电气负阻尼均移动到了8.5Hz附近，避开了机组轴系所有的扭振模式和低频振荡模式，从而能够对轴系扭转相互作用进行抑制；同时需注意到配置BDF后电气负阻尼的极小值大约为未配置BDF时电气负阻尼极小值的一半。

对系统进行时域仿真，以便更好说明本发明BDF参数整定方法对轴系扭转相互作用和暂态扭矩放大的抑制作用。在图2母线B处施加三相短路故障，故障清除时间0.1s。暂态下轴系LPB-GEN段的扭矩响应如图4所示，其中图4(a)为未配置BDF的扭矩响应情况，图4(b)为配置了BDF的扭矩响应情况。

图4(a)表明，在未配置BDF情况下，轴系LPB-GEN段的扭转相互作用被显著激发，扭矩快速发散，这将不利于轴系的稳定运行；图4(b)表明，在按照实施方式配置BDF后，轴系LPB-GEN段的扭矩收敛很快，这代表该轴段的扭转相互作用被显著抑制。此外，图4(a)和图4(b)对比可看出，配置BDF后轴系暂态下的扭矩显著减小，这说明按照本发明参数整定方法配置的BDF，不但能够抑制轴系的扭转相互作用，还能够显著抑制轴系暂态扭矩放大。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种能够抑制次同步谐振的发电系统中旁路阻尼滤波器的参数整定方法，包括如下步骤：

(1)根据系统中发电机的轴系参数计算出轴系各扭振模式的特征频率，并取发电机低频振荡模式的频率范围为0～2Hz；

(2)设定配置旁路阻尼滤波器后发电机电气负阻尼达到极小值对应的频率标幺值并使其避开上述低频振荡模式的频率范围以及各扭振模式的特征频率；

(3)根据所述的频率标幺值通过以下公式计算旁路阻尼滤波器中电容及电感在工频下的阻抗标幺值X_BDF：

$X_{BDF}=\frac{X_C(X_L-X_C)}{f_e^{*2}{X}_L-X_C}-X_C$

$f_e^{*}=1-f_m^{*}$

其中，X_L为系统在工频下的感抗标幺值，X_C为串补电容器在工频下的容抗标幺值；

(4)根据所述的阻抗标幺值X_BDF计算旁路阻尼滤波器中电容和电感的实际物理参数；

(5)计算未配置旁路阻尼滤波器时发电机电气负阻尼的极小值

(6)根据所述的频率标幺值和阻抗标幺值X_BDF，计算配置旁路阻尼滤波器后发电机电气负阻尼的极小值

(7)通过调节旁路阻尼滤波器中的阻尼电阻使所述的极小值处于合理范围内，从而确定出该阻尼电阻的实际物理参数。

2.根据权利要求1所述的参数整定方法，其特征在于：所述的频率标幺值设定为2Hz至扭振模式最低特征频率区间内正中间频率对应的标幺值。

3.根据权利要求1所述的参数整定方法，其特征在于：所述的步骤(4)中通过以下公式计算旁路阻尼滤波器中电容和电感的实际物理参数：

$C_{BDF}=\frac{1}{2{\mathrm{\πf}}_0{Z}_B{X}_{BDF}}\×{10}^6\mathrm{\μ}F$

$L_{BDF}=\frac{Z_B{X}_{BDF}}{2{\mathrm{\πf}}_0}\×{10}^{3}mH$

其中：f₀为工频频率，Z_B为系统的阻抗基准值，C_BDF为旁路阻尼滤波器中电容的容值，L_BDF为旁路阻尼滤波器中电感的感值。

4.根据权利要求1所述的参数整定方法，其特征在于：所述的步骤(5)中通过以下公式计算未配置旁路阻尼滤波器时发电机电气负阻尼的极小值

$D_{e\left(min\right)}^0=-{\mathrm{\ψ}}_0^2\frac{1-f_m^0}{2f_m^0}\frac{1}{R}$

$f_m^0=1-\sqrt{X_C/X_L}$

其中：ψ₀为发电机的气隙磁链标幺值，R为系统的电阻标幺值。

5.根据权利要求1所述的参数整定方法，其特征在于：所述的步骤(6)中通过以下公式计算配置旁路阻尼滤波器后发电机电气负阻尼的极小值

$D_{e\left(min\right)}^{BDF}=-{\mathrm{\ψ}}_0^2\frac{1-f_m^{*}}{2f_m^{*}}\frac{1}{R^{*}}$

$R^{*}=R+\frac{R_{BDF}{X}_C^2}{f_e^{*2}{R}_{BDF}^2+{\[k_f^{*}{f}_e^{*}{X}_{BDF}-X_C\]}^2}$

其中：ψ₀为发电机的气隙磁链标幺值，R为系统的电阻标幺值，R_BDF为旁路阻尼滤波器中阻尼电阻的阻值。

6.根据权利要求1所述的参数整定方法，其特征在于：所述的步骤(7)中通过调节旁路阻尼滤波器中的阻尼电阻使极小值处于以下合理范围内：

$D_{e\left(min\right)}^0<D_{e\left(min\right)}^{BDF}<D_{e\left(min\right)}^0/2.$