第06章电力系统次同步振荡和励磁分析

浅谈考虑大规模风电外送的电力系统次同步振荡问题

随着三北地区大规模风电基地的建设，使得大规模远距离外送风电成为必然。串联补偿技术可以有效地提高线路的输送容量，减少输电损耗，但也由此引发次同步谐振问题。由于风电系统的结构复杂，传统抑制火电外送系统的次同步谐振方法并不完全适用，因此，大规模风电外送系统的次同步振荡成为亟待解决的问题。

标签：次同步振荡，串联补偿技术，风电外送

1 电力系统次同步振荡问题概述

中国风电基地主要集中在三北地区，这些风电基地大多位置较偏，受电力负荷小等因素限制，风电消纳能力有限，大规模风电必须通过外送至其他区域电网消纳。因此，这种资源和负荷中心的逆向分布，使得大规模、远距离外送风电成为必然趋势。对于大规模风电外送系统，串联补偿技术可以在提高系统稳定性的基础上有效地增加线路的输送容量，减少输电损耗。但当输电线路串联电容补偿后，处于平衡状态的电力系统受到扰动时，电力网络与汽轮发电机组彼此互激，以一个或多个低于同步频率的自然频率交换数量可观的能量，从而使汽轮发电机的轴系断裂，这种现象称为次同步谐振（subsynchrous resonance，SSR）。

近年来，随着串联电容补偿的广泛应用，次同步谐振问题发生得更加频繁，造成的危害也更加严重。因此，在广泛采用串补技术增加输电容量的同时，避免由此引发的SSR是一个迫切需要解决的问题。由此看来，分析电力系统SSR现象和抑制电力系统SSR的产生具有重要的理论指导意义和现实意义。

2 串联补偿技术中的次同步谐振产生机理

大规模风电外送中的串联补偿技术应用越来越广泛，这里主要讨论交流输电系统中由串联电容补偿引起的次同步谐振问题。通过对含有串补电容的单机无穷大的输电线路来阐述串补电容引起SSR的原理，如下图所示。

频率为fe的发电机定子谐振电流会产生转速为的旋转磁场，此磁场相对于发电机转子的转速为，转子将受到频率为的交变力矩作用，当接近或等于发电机轴系的任一自然振荡频率fm时，就会发生电气-机械共振现象，即次同步谐振。次同步谐振是由电气谐振引起的机械振荡，实质上是电网和汽轮发电机轴之间进行能量交换所产生的。可见，次同步谐振发生的条件为。

间谐波引起电力系统次同步振荡——工程实例、机理、作用形式及应对措施

金维刚;刘会金;李智敏

【期刊名称】《电力系统保护与控制》

【年(卷),期】2010(038)009

【摘要】例举分析了两个由间谐波引起电力系统次同步振荡的工程实例.应用调制理论分析了两交流侧额定频率相同的异步HVDC系统产生间谐波的机理;指出间谐波的频率如果与汽轮机转子轴系自然频率相匹配,并且具有一定的幅值,就可能激发次同步振荡,这就是间谐波引起电力系统次同步振荡的机理.归纳了间谐波引起电力系统次同步振荡的两种作用形式,第一种作用形式表现为剧烈的轴系扭振,第二种则可以称为轴系的长期累积疲劳寿命损耗;对两种作用形式的激发条件和特点进行了分析;同时指出,第二种作用形式普遍存在并且对汽轮机轴系的危害甚至比三相对地故障更严重.探讨了间谐波引起次同步振荡的应对措施.

【总页数】6页(P31-36)

【作者】金维刚;刘会金;李智敏

【作者单位】武汉大学电气工程学院,湖北,武汉,430072;武汉大学电气工程学院,湖北,武汉,430072;三门峡供电公司,河南,三门峡,472000

【正文语种】中文

【中图分类】TM71

【相关文献】 1.交、直流电力系统的次同步振荡问题分析方法与应对措施 [J], 杨文超;宋畅;卓华;林惊涛;薛成勇

2.基于间谐波的低压配电线路次同步振荡机理分析 [J], 栾乐;崔屹平;许中;朱明星;高敏

3.风电场接入引发电力系统次同步振荡机理综述 [J], 陈晨;杜文娟;王海风

4.汽轮机调速系统引起电力系统共振机理低频振荡扰动分析 [J], 韩志勇;徐衍会;李志强;李莹;武朝强

5.风电参与的电力系统次同步振荡机理研究综述和展望 [J], 薛安成;付潇宇;乔登科;王永杰;王嘉伟

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含大规模风电电力系统次同步振荡特性分析

含大规模风电电力系统次同步振荡特性分析报告

摘要：

本报告主要介绍了含大规模风电电力系统次同步振荡特性分析。在电力系统中，风电并网后会引入次同步振荡，对电网稳定性造成威胁。所以，理解、研究风电电力系统的次同步振荡特性是非常必要的。该报告首先介绍了风电电力系统特性和次同步振荡的形成机理，然后利用动态等值模型和状态空间法分析了风电电力系统的次同步振荡特性。最后结合实例分析了次同步振荡的影响及防范措施。

一、引言

随着风力发电技术的发展和普及，大规模风电电力系统在全球范围内得到了广泛的应用。风能是一种较为清洁的可再生能源，其并网后对电力系统的稳定性和可靠性会产生直接的影响。大规模风电并网后，常常会出现次同步振荡，进一步对电网稳定性造成威胁。因此，理解、研究风电电力系统的次同步振荡特性是非常必要的。

二、风电电力系统特性

大规模风电电力系统与传统的火电、水电电力系统有很大的不同。传统电力系统是由同步电机驱动的，在稳态和短时动态过程中，同步电机能够提供惯性支持，对电力系统的动态稳定性有积极的影响。相比之下，风电单元则没有同步机组，其机械部件与电气部件间存在时滞，系统响应时间较慢，不稳定因素较多。此外，由于风电电力系统的而难以精确控制机组的输出功率等参数，风电对电力系统的负荷和频率控制带来了很大的挑战。

三、次同步振荡

次同步振荡还被称为“风机振荡”或“风电本体振荡”，它的起因主要是由风力机的自身机械惯性、附加负载和电气反馈导致的。具体而言，风力机作为一个复杂的动力系统，其机械部件具有一定的振动模式，且能够产生结构振动，在发电模式下将电能输送到电网中，且工作在连续的状态下，产生的转矩来自于风轮的扭矩，而反馈输入则是电气负载。

次同步振荡主要表现为低频振荡，其频率大约在0.1~1Hz之间，振荡幅度较大。这种振荡不仅会对周围环境产生较大的声音、振动等，还会对电力系统造成较大的负面影响，如降低发电机的输出功率、加速轴承的磨损、损伤电气线路、造成电网压降、破坏电网稳定性等。

电力系统次同步振荡的检测技术综述张付国

发布时间：2021-08-26T05:53:02.501Z 来源：《福光技术》2021年8期作者：张付国[导读] 第二次同步振动的在线传感分析对网络和机器的安全至关重要。

身份证号码：372922198710246XXXX

摘要：第二次同步振动的在线传感分析对网络和机器的安全至关重要。同步振动在线检测与传统的网络测量相比，速度要求很高，因此在不影响定性分析的情况下不需要绝对精度。本文用于分析电力系统第二次同步振动的检测方法。

关键词：电力系统；次同步振荡；检测技术

引言

140 多年来，能源系统发展成为现代社会生产的基本支柱。安全稳定是电力系统运行和电力技术不断发展的基本条件。

概述

现有的二次同步振动检测方法主要用于检测补偿串联引起的子同步共振 (SSR)。该检测主要在发电厂进行，监测信号主要取自发电机组，根据测量信号将测量方法分为机械和电气两种测量方法。第二同步振动检测的机械计算测量技术的应用仅限于一组发电机，这些发电机虽然能够实时检测一个力机轴系统是否有共振，但不能发出警告。现有的电磁二次同步振动检测方法理论上可以推断和警告电磁振动的模式，但现有算法 ( 如基于总大小最小二乘法的常规快速傅立叶变换 (FFT)、 Prony、波长分析 ) 则使用恒定旋转复杂、计算密集型、噪声或信号估计 (TLS spirit) 方法加载。

电力系统次同步振荡检测的数学模型

电力系统的第二次同步振动是电力系统的运行状态。在这种状态下，电气系统和发电机组用一个或多个低于同步频率的自然振动频率交换能量。任何能够在同步振动的辅助频率范围内快速控制能量或速度变化的装置都是触发辅助振动的潜在来源。例如，带有电源开关和灵活交流电源 (FACTS) 的交流电源设备会产生一个非常高带宽、未频繁使用的输入电流，这可能导致电机轴。

SSO 检测方法

基于数字信号分解的检测方法

同步发电机励磁控制系统的分析与校正(2023版)

同步发电机励磁控制系统的分析与校正

正文：

⒈ 引言

⑴ 背景

同步发电机励磁控制系统是电力系统中重要的组成部分，它负责控制发电机的励磁电流，以确保发电机的稳定运行和输出电压的质量。励磁控制系统的准确性和可靠性对电力系统的运行具有重要影响。

⑵ 目的

本文的目的是对同步发电机励磁控制系统进行分析与校正，以确保其正确运行并满足指定的性能要求。

⒉ 励磁控制系统的组成

⑴ 控制器

励磁控制系统的核心是控制器，它根据系统反馈信号和设定值，通过控制输出信号来调节励磁电流的大小和相位。控制器通常由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括输入、输出接口以及处理电路，软件部分则实现了控制算法和调节逻辑。

⑵ 功率放大器励磁控制系统中的功率放大器负责将控制器输出的信号放大到足够的电压和电流水平，以供给励磁系统。功率放大器一般采用晶体管、功率放大模块等形式，具备高效率、高可靠性和稳定性的特点。

⑶ 励磁电路

励磁电路将来自功率放大器的信号转换成励磁电流，并通过调节电路参数来控制励磁电流的大小和相位。励磁电路通常由电阻、电感、电容等元件组成，其结构和参数设计对励磁控制系统的性能具有重要影响。

⒊ 励磁控制系统的分析

⑴ 信号分析

对励磁控制系统进行信号分析是了解系统动态特性、识别潜在问题的重要手段。通过对控制器输入和输出信号进行采样和分析，可以得到系统的频率响应、稳定性等信息。

⑵ 动态响应分析

励磁控制系统在实际运行中会受到各种干扰和负载变化的影响，因此对系统的动态响应进行分析是十分重要的。通过建立数学模型或进行试验验证，可以得到系统的等效电路、传递函数等参数，从而评估系统的稳定性和响应速度。 ⑶ 故障分析

励磁控制系统的任何故障都可能导致发电机运行不稳定甚至损坏，因此对故障的及时分析和排查是非常关键的。通过对系统的各个部分进行检查和测试，可以确定故障的原因，并采取相应的措施进行修复。

⒋ 励磁控制系统的校正

⑴ 参数校正

间谐波引起电力系统次同步振荡——工程实例、机理、作用形式及应对措施 2

间谐波引起电力系统次同步振荡——工程实例、机理、作用形式及应对措施

金维刚;刘会金;李智敏

【摘要】例举分析了两个由间谐波引起电力系统次同步振荡的工程实例.应用调制理论分析了两交流侧额定频率相同的异步HVDC系统产生间谐波的机理;指出间谐波的频率如果与汽轮机转子轴系自然频率相匹配,并且具有一定的幅值,就可能激发次同步振荡,这就是间谐波引起电力系统次同步振荡的机理.归纳了间谐波引起电力系统次同步振荡的两种作用形式,第一种作用形式表现为剧烈的轴系扭振,第二种则可以称为轴系的长期累积疲劳寿命损耗;对两种作用形式的激发条件和特点进行了分析;同时指出,第二种作用形式普遍存在并且对汽轮机轴系的危害甚至比三相对地故障更严重.探讨了间谐波引起次同步振荡的应对措施.

【期刊名称】《电力系统保护与控制》

【年(卷),期】2010(038)009

【总页数】6页(P31-36)

【关键词】间谐波;次同步振荡;工程实例;机理;作用形式;长期累积疲劳寿命损耗;应对措施

【作者】金维刚;刘会金;李智敏

【作者单位】武汉大学电气工程学院,湖北,武汉,430072;武汉大学电气工程学院,湖北,武汉,430072;三门峡供电公司,河南,三门峡,472000

【正文语种】中文【中图分类】TM71

0 引言

电力系统是一个由发电机组（含发电机控制设备，如励磁机、原动机、调速器等）、变压器、输配电系统和用电设备等很多单元组成的统一大系统[1]。电力系统的次同步振荡则是指汽轮发电机组在运行（平衡）点受到扰动后处于特殊运行状态下出现的一种异常状态，在这种运行状态下，电气系统与汽轮发电机组之间在一个或多个低于系统同步频率的频率下进行能量交换。按照IEEE工作组对次同步振荡的定义，次同步振荡过程不包括汽轮发电机转子轴系的刚体振荡模态[2-3]。

各国学者对于电力系统次同步振荡问题进行了大量的研究，具体可归纳为以下几个方面，即次同步振荡产生的机理、次同步振荡的表现形式、次同步振荡的分析方法以及次同步振荡的预防和控制措施等。文献[3]综合了现有的国内外文献，从上述几个方面分析了电力系统的次同步振荡问题，但是，它并未提及有关间谐波引起电力系统次同步振荡的问题。文献[4]提出：“有关HVDC系统非特征谐波，以及异步联结的 HVDC系统的谐波能否引起次同步振荡的问题，工程界并没有实例，也可以作为一个学术方面的先期研究工作”。文献[5]则同样表示：“对于 HVDC系统非特征谐波能否引起次同步振荡的问题，实用的分析手段缺乏，工程界还没有发现这方面的实例，但可以作为一个学术方面的研究工作”。而事实上，国外的相关文献曾经报道过间谐波引起次同步振荡的工程实例；也有一些文献对间谐波引起次同步振荡的机理及表现形式、甚至是预防和控制措施都进行过研究和探讨。

直驱风机风电场与交流电网相互作用引发次同步振荡的机理与特性分析

一、本文概述

随着可再生能源的快速发展，风电已成为全球能源结构中的重要组成部分。直驱风机作为一种高效、可靠的风力发电技术，在风电场中的应用日益广泛。然而，随着风电场规模的扩大和电网结构的日益复杂，直驱风机风电场与交流电网的相互作用问题逐渐凸显，尤其是引发的次同步振荡（SSO）问题，已成为制约风电场安全稳定运行的关键因素。

本文旨在对直驱风机风电场与交流电网相互作用引发次同步振荡的机理与特性进行深入分析。本文将对直驱风机的工作原理及其与交流电网的连接方式进行介绍，为后续分析奠定基础。本文将详细探讨直驱风机风电场与交流电网相互作用引发次同步振荡的机理，包括风机控制系统与电网的交互作用、风电场内部动态特性与电网稳定性的相互影响等。在此基础上，本文将分析次同步振荡的特性，如振荡频率、振幅、持续时间等，并探讨其对风电场和电网稳定性的影响。

通过本文的研究，旨在为风电场的设计、运行和管理提供理论依据和技术支持，以提高风电场的运行稳定性和安全性，促进风电产业的可持续发展。本文的研究也有助于深化对可再生能源并网运行问题的认识，为推动可再生能源的大规模开发和利用提供有益参考。

二、直驱风机风电场的基本原理与特性

直驱风机风电场作为新型的可再生能源发电方式，近年来得到了广泛关注。其基本原理在于利用风能驱动风力发电机（WTG）的转子转动，通过发电机将机械能转换为电能。直驱风机风电场的主要特性包括其独特的并网方式、控制策略以及运行特性。

并网方式：与传统的异步风电场不同，直驱风机风电场采用同步发电机并网，其输出电压和频率与电网保持一致。这种并网方式使得直驱风机能够更好地适应电网的运行，同时也对电网的稳定性提出了更高的要求。

控制策略：直驱风机的控制策略通常采用最大功率点跟踪（MPPT）和变速恒频（VSC）技术。MPPT控制策略使得风力发电机在不同风速下都能保持最大功率输出，而VSC技术则保证了风力发电机输出电压和频率的稳定。直驱风机还配备了先进的并网控制系统，以确保在并网过程中与电网的协调运行。

同步发电机励磁控制实验报告

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同步发电机励磁控制实验报告

篇一：同步发电机励磁控制实验

同步发电机励磁控制实验

一、实验目的

1．加深理解同步发电机励磁调节原理和励磁控制系统的基本任务；

2．了解自并励励磁方式和它励励磁方式的特点；

3．熟悉三相全控桥整流、逆变的工作波形；观察触发脉冲及其相位移动；

4．了解微机励磁调节器的基本控制方式；

5．了解电力系统稳定器的作用；观察强励现象及其对稳定的影响；

6．了解几种常用励磁限制器的作用；

7．掌握励磁调节器的基本使用方法。

二、原理与说明

2 25 同步发电机的励磁系统由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成，它们和同步发电机结合在一起就构成一个闭环反馈控制系统，称为励磁控制系统。励磁控制系统的三大基本任务是：稳定电压，合理分配无功功率和提高电力系统稳定性。

图1励磁控制系统示意图

实验用的励磁控制系统示意图如图1所示。可供选择的励磁方式有两种：自并励和它励。当三相全控桥的交流励磁电源取自发电机机端时，构成自并励励磁系统。而当交流励磁电源取自380V市电时，构成它励励磁系统。两种励磁方式的可控整流桥均是由微机自动励磁调节器控制的，触发脉冲为双脉冲，具有最大最小α角限制。微机励磁调节器的控制方式有四种：恒uF（保持机端电压稳定）、恒IL（保持励磁电流稳定）、恒Q（保持发电机输出无功功率稳定）和恒α（保持控制角稳定）。其中，恒α方式是一种开环控制方式，只限于它励方式下使用。

同步发电机并入电力系统之前，励磁调节装置能维持机端电压在给定水平。当操作励磁调节器的增减磁按钮，可以升高或降低发电机电压；当发电机并网运行时，操作励磁调节器的增减磁按钮，可以增加或减少发电机的无功输出，其机端电压按调差特性曲线变化。

发电机正常运行时，三相全控桥处于整流状态，控制角

3 25 α小于90°；当正常停机或事故停机时，调节器使控制角α大于90°，实现逆变灭磁。

新能源电力系统次同步振荡问题研究

摘要新能源电力系统次同步振荡属于系统稳定性问题，在许多大规模新能源系统中都检测到次同步振荡现象。本文首先对新能源电力系统次同步振荡的相关研究成果进行介绍，包括次同步振荡类型和次同步振荡特点等。在此基础上，探讨新能源电力系统次同步振荡问题及解决措施，包括次同步振荡成因分析、次同步振荡影响评估和次同步振荡抑制技术。

关键词新能源；电力系统；次同步振荡

前言

随着电力技术的快速发展，智能电网和能源互联网建设不断向前推进，电力系统结构更加复杂，具有多源和多变换特点。在此情况下，也带来了一些新的次同步振荡问题。在大规模新能源系统中，由于电力电子装置交互性复杂，多个装置之间的相互作用可能引发次同步振荡，对系统稳定性造成影响。目前该问题的研究已经收到广泛关注，一些学者总结了新能源电力系统的次同步振荡类型和特点，可以作为次同步振荡问题的研究起点。

1 新能源电力系统次同步振荡相关研究

1.1 次同步振荡类型

在大规模能源系统中，串补技术和高压直流输电技术仍然是目前主要的技术手段，原有的次同步振荡问题固然存在，再加上新能源并网容量的增加，使次同步振荡问题表现出了新的特性。新能源电力系统次同步振荡问题具体可分为以下几种类型：①次同步振荡，指电力系统的运行平衡点受扰动后，出现异常电磁和机械振荡的现象，发电机组联合系统低于工频自然振荡频率进行能量交换；②次同步谐振，指发电机组和电容补偿输电系统的耦合弱阻尼、零阻尼、负阻尼增幅振荡现象，具体包括次同步扭振、感应发电机效应、暂态力矩放大等；③装置次同步振荡问题，由发电机轴系和电网元件相互作用导致的振荡现象；④并网次同步振荡问题，在新能源并网过程中出现的次同步振荡，主要与变流器控制、线路串补电容等有关[1]。

1.2 次同步振荡特点

从新能源电力系统的运行情况来看，次同步振荡问题主要具备以下几方面特点：①次同步现象发生频繁，由于我国能源分布特点与负荷需求不配套，大规模远距离送电成必然趋势，在远距离送电过程中，发生次同步振荡概率也明显增加；②新能源并网的次同步振荡问题较为突出，具有随机时变和频率范围宽等特点，目前新能源网架结构仍较为薄弱，容易引发次同步振荡现象；③次同步振荡问题具有较高的复杂性，交直流混合输电与电网互联导致电气阻尼特性越来越复杂，如果换流设备的接入不合理，容易出现次同步振荡；④出现次同步振荡问题时，

电力系统振荡的结果及处理方式

2012/7/13 15:35:41

当发生短路或突然有大负荷切除或投入时，发电机与大系统之间的功角会发生变化，发电机的输出功率就会沿着发电机的功角特性曲线来回摆动，这就是电力系统的振荡。

电力系统振荡的结果有两种：一个是发电机的输出功率和负载能重新在一个点上实现平衡，经过一段时间的振荡后重新达到稳定，保持同步运行。一个是发电机的输出功率和负载能无法再在任何一个点上实现平衡，从而导致发电机失去同步。

发电机的原动机输入力矩突然变化，如：水轮机调速器不正常动作;系统发生突然短路;大机组或大容量线路突然变化等。通常，短路是引起系统振荡,破坏稳定运行的主要原因。

电力系统振荡的预防：预防是多方面的，有继电保护上的要求，如快速切断故障线路;也有运行操作上的要求，如避免使发电机的容量大于被投入空载线路的充电功率，避免发电机带空载线路启动和以全电压向空载线路合闸;也有设计上的考虑，如避免发生发电机的次同步共振。

系统振荡有多种：异步振荡、同步振荡、低频振荡

异步振荡——其明显特征是，系统频率不能保持同一个频率，且所有电气量和机械量波动明显偏离额定值。如发电机、变压器和联络线的电流表，功率表周期性地大幅度摆动;电压表周期性大幅摆动，振荡中心的电压摆动最大，并周期性地降到接近于零;失步的发电厂间的联络的输送功率往复摆动;送端系统频率升高，受端系统的频率降低并有摆动。

引起电力系统异步振荡的主要原因：

1、输电线路输送功率超过极限值造成静态稳定破坏;

2、电网发生短路故障,切除大容量的发电、输电或变电设备,负荷瞬间发生较大突变等造成电力系统暂态稳定破坏;

3、环状系统(或并列双回线)突然开环,使两部分系统联系阻抗突然增大,引启动稳定破坏而失去同步;

4、大容量机组跳闸或失磁,使系统联络线负荷增大或使系统电压严重下降,造成联络线稳定极限降低,易引起稳定破坏;

5、电源间非同步合闸未能拖入同步。