兩直流換流站誘發(fā)火電機(jī)組次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)剖析與應(yīng)對(duì)策略一、引言1.1研究背景與意義隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求持續(xù)增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性不斷增加。為了滿足日益增長(zhǎng)的電力需求，提高電力輸送效率，直流輸電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。直流換流站作為直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在電力傳輸中發(fā)揮著重要作用。然而，在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，直流換流站的運(yùn)行可能會(huì)引發(fā)火電機(jī)組的次同步振蕩問(wèn)題，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。次同步振蕩是指電力系統(tǒng)中由于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的相互作用，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸系以低于同步頻率的頻率振蕩的現(xiàn)象，其頻率范圍一般在0.2Hz至3Hz之間。這種振蕩不僅會(huì)對(duì)火電機(jī)組的軸系造成疲勞損傷，縮短機(jī)組使用壽命，還可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓波動(dòng)、功率振蕩，甚至引發(fā)大面積停電事故，給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著我國(guó)多條直流輸電工程的相繼投運(yùn)，如南方電網(wǎng)的天廣、貴廣一回、貴廣二回等直流輸電線路，次同步振蕩問(wèn)題愈發(fā)凸顯。例如，在貴廣二回直流輸電工程中，由于盤南火電廠直接接入興仁換流站，次同步振蕩問(wèn)題表現(xiàn)得尤為突出，引起了工程建設(shè)部門和運(yùn)行單位的高度重視。此外，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和電源結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，多個(gè)直流換流站同時(shí)運(yùn)行的情況也越來(lái)越普遍，兩直流換流站之間以及它們與火電機(jī)組之間的相互作用，進(jìn)一步增加了次同步振蕩發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜性。研究?jī)芍绷鲹Q流站引起的火電機(jī)組次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。準(zhǔn)確分析和評(píng)估這種風(fēng)險(xiǎn)，有助于電力系統(tǒng)規(guī)劃者和運(yùn)行人員更好地理解系統(tǒng)的運(yùn)行特性，提前采取有效的預(yù)防和控制措施，降低次同步振蕩發(fā)生的概率，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。深入研究次同步振蕩的機(jī)理和影響因素，對(duì)于推動(dòng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)的發(fā)展，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性，也具有重要的理論價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀次同步振蕩問(wèn)題自20世紀(jì)70年代引起關(guān)注以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞直流換流站引發(fā)火電機(jī)組次同步振蕩展開了大量研究，在理論分析、建模方法、影響因素、抑制措施等方面取得了豐碩成果。在理論分析方面，國(guó)外學(xué)者早在20世紀(jì)70年代就開始研究直流輸電引起的次同步振蕩問(wèn)題。1977年，美國(guó)SquareButte直流輸電工程調(diào)試時(shí)首次發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象，隨后，學(xué)者們從不同角度對(duì)其機(jī)理進(jìn)行剖析。如通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，直流輸電系統(tǒng)輸送功率與網(wǎng)絡(luò)頻率無(wú)關(guān)，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的頻率振蕩和次同步振蕩不起阻尼作用，當(dāng)與其他不利因素共同作用時(shí)，可能導(dǎo)致次同步振蕩不穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)學(xué)者在借鑒國(guó)外研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)電網(wǎng)實(shí)際情況深入研究。華北電力大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)交直流電力系統(tǒng)的分析，詳細(xì)闡述了直流閉環(huán)控制環(huán)節(jié)引起的負(fù)阻尼頻帶對(duì)系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)的影響，為后續(xù)研究提供了理論基礎(chǔ)。建模方法上，國(guó)內(nèi)外研究涵蓋多種方法。精確分析法中的特征值分析法利用系統(tǒng)的小擾動(dòng)線性化模型計(jì)算特征值等，分析軸系扭振模式及其阻尼特性，但存在對(duì)系統(tǒng)描述只用正序網(wǎng)絡(luò)、矩陣階數(shù)高難以適應(yīng)多機(jī)系統(tǒng)等缺點(diǎn)；時(shí)域仿真法通過(guò)數(shù)值積分求解系統(tǒng)微分方程組，可詳細(xì)模擬系統(tǒng)各部分及各種操作，不過(guò)計(jì)算量大、對(duì)硬件要求高。篩選法中的頻率掃描分析法可篩選具有潛在次同步諧振問(wèn)題的系統(tǒng)條件，但結(jié)果只是初步評(píng)估，需其他模型校核；機(jī)組作用系數(shù)法能表征發(fā)電機(jī)組與直流輸電系統(tǒng)相互作用強(qiáng)弱，所需原始數(shù)據(jù)少，便于判斷新規(guī)劃直流輸電系統(tǒng)是否會(huì)引發(fā)次同步振蕩。國(guó)內(nèi)學(xué)者在這些傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，如提出考慮更多因素的新型特征值分析方法，以適應(yīng)復(fù)雜多機(jī)系統(tǒng)的建模需求。影響因素研究中，國(guó)外研究指出汽輪發(fā)電機(jī)組與直流輸電整流站的距離、與交流大電網(wǎng)的連接強(qiáng)度以及額定功率等因素會(huì)影響次同步振蕩的發(fā)生。當(dāng)機(jī)組與交流大電網(wǎng)連接薄弱，且直流輸電系統(tǒng)輸送功率主要由附近機(jī)組提供，同時(shí)兩者額定容量相近時(shí)，次同步振蕩問(wèn)題可能更嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)研究進(jìn)一步細(xì)化，通過(guò)對(duì)實(shí)際電網(wǎng)案例分析，發(fā)現(xiàn)直流換流站的控制策略、火電機(jī)組的軸系參數(shù)以及電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，也會(huì)對(duì)次同步振蕩產(chǎn)生重要影響。例如，不同的直流換流站控制策略會(huì)導(dǎo)致其在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生不同的電氣量變化，進(jìn)而影響與火電機(jī)組之間的相互作用，增加或降低次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。抑制措施方面，國(guó)外提出在直流輸電系統(tǒng)中加入直流附加阻尼控制器，通過(guò)在直流參考值上疊加與發(fā)電機(jī)組軸系扭振頻率相同的信號(hào)，調(diào)制直流功率，抑制次同步振蕩。國(guó)內(nèi)除應(yīng)用類似方法外，還研究了靜止無(wú)功補(bǔ)償器抑制次同步振蕩的原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)調(diào)節(jié)靜止無(wú)功補(bǔ)償器輸出的次同步頻率電流，使其與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差反相位，產(chǎn)生最佳阻尼效果。部分研究還結(jié)合智能控制算法，如采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)構(gòu)建模型，調(diào)節(jié)附加阻尼控制器參數(shù)，以更有效地抑制次同步振蕩。已有研究雖然取得諸多成果，但仍存在不足。在建模方面，現(xiàn)有模型難以全面準(zhǔn)確反映復(fù)雜電網(wǎng)中多直流換流站與多火電機(jī)組之間的相互作用，尤其是在考慮多種因素耦合時(shí)，模型的精度和適用性有待提高。對(duì)于次同步振蕩的影響因素，雖然已明確一些主要因素，但各因素之間的復(fù)雜非線性關(guān)系尚未完全揭示，在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，多種因素同時(shí)變化時(shí)對(duì)次同步振蕩的綜合影響評(píng)估還不夠精準(zhǔn)。抑制措施上，目前的方法在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨成本高、實(shí)施難度大等問(wèn)題，且不同抑制措施之間的協(xié)同配合研究較少，如何在保障抑制效果的同時(shí)，降低成本、提高措施的可操作性，是亟待解決的問(wèn)題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文圍繞兩直流換流站引起的火電機(jī)組次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)展開多維度研究，旨在全面剖析該問(wèn)題，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支持。在研究?jī)?nèi)容方面，首先深入分析兩直流換流站與火電機(jī)組的工作特性及相互作用機(jī)制。詳細(xì)了解直流換流站的換流原理、控制策略，以及火電機(jī)組的軸系結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性，明確兩者在不同工況下的相互作用方式，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。例如，研究不同直流換流站控制策略下，其輸出的電氣量如何影響火電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而對(duì)軸系產(chǎn)生作用。其次，構(gòu)建考慮兩直流換流站影響的火電機(jī)組次同步振蕩模型。綜合運(yùn)用電力系統(tǒng)分析理論、自動(dòng)控制原理等知識(shí)，建立精確反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，涵蓋直流換流站、火電機(jī)組、輸電線路等關(guān)鍵部分，并充分考慮各部分之間的耦合關(guān)系。通過(guò)對(duì)實(shí)際電網(wǎng)參數(shù)的調(diào)研和分析，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化處理，使其更貼合實(shí)際運(yùn)行情況。再次，基于所建模型，深入研究?jī)芍绷鲹Q流站引發(fā)火電機(jī)組次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)因素。采用數(shù)值計(jì)算和仿真分析方法，探討直流換流站的控制參數(shù)、輸電功率、火電機(jī)組的軸系參數(shù)、電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素對(duì)次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)的影響規(guī)律。通過(guò)改變模型中各因素的取值，觀察次同步振蕩的發(fā)生情況和振蕩特性的變化，如振蕩頻率、幅值、阻尼等，找出影響次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素和敏感參數(shù)。隨后，提出有效的次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)和方法。結(jié)合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)行要求，選取能夠準(zhǔn)確反映次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)程度的指標(biāo)，如振蕩幅值、頻率、阻尼比、能量等，并建立基于這些指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。運(yùn)用層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等數(shù)學(xué)方法，對(duì)不同運(yùn)行工況下的次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評(píng)估，為電力系統(tǒng)運(yùn)行決策提供科學(xué)依據(jù)。最后，針對(duì)識(shí)別出的風(fēng)險(xiǎn)因素和評(píng)估結(jié)果，制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制策略和措施。從直流換流站控制策略優(yōu)化、火電機(jī)組軸系改造、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整、附加阻尼裝置配置等方面入手，提出多種可行的風(fēng)險(xiǎn)控制方案，并通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。例如，設(shè)計(jì)新型的直流附加阻尼控制器，優(yōu)化其控制參數(shù)，使其能夠更有效地抑制次同步振蕩；研究在火電機(jī)組軸系上安裝扭振減振器的可行性和效果。在研究方法上，本文采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和案例研究相結(jié)合的方式。理論分析方面，運(yùn)用電力系統(tǒng)穩(wěn)定性理論、電磁暫態(tài)理論、自動(dòng)控制理論等，深入剖析次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，為研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)和分析，揭示各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系和作用規(guī)律。數(shù)值計(jì)算方面，利用專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，對(duì)所建模型進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。通過(guò)設(shè)置不同的運(yùn)行工況和參數(shù)，模擬兩直流換流站與火電機(jī)組的動(dòng)態(tài)交互過(guò)程，獲取次同步振蕩的相關(guān)數(shù)據(jù)，如電氣量、機(jī)械量的變化曲線等，為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制策略研究提供數(shù)據(jù)支持。案例研究方面，選取實(shí)際電網(wǎng)中存在兩直流換流站與火電機(jī)組相互作用的工程案例，對(duì)其運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析。將理論研究和數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際案例相結(jié)合，驗(yàn)證研究方法和結(jié)論的正確性和有效性，同時(shí)為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1直流換流站工作原理與特性2.1.1直流換流站的基本結(jié)構(gòu)直流換流站作為實(shí)現(xiàn)交流電與直流電相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)施，其基本結(jié)構(gòu)主要涵蓋換流器、濾波器、平波電抗器、換流變壓器以及控制保護(hù)裝置等核心部分，各部分緊密協(xié)作，共同保障直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。換流器是直流換流站的核心組件，承擔(dān)著交流電與直流電相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵任務(wù)。其工作原理基于電力電子器件的通斷控制，常見的換流器為晶閘管換流閥，通過(guò)精確控制晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)交流到直流（整流）以及直流到交流（逆變）的轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，為滿足不同的輸電需求，換流器常采用六脈波或十二脈波的結(jié)構(gòu)形式。十二脈波換流器由兩個(gè)相位相差30°的六脈波換流器串級(jí)組成，這種結(jié)構(gòu)能有效減少交流側(cè)和直流側(cè)的諧波含量，相較于六脈波換流器，可降低對(duì)濾波器的依賴程度，進(jìn)而簡(jiǎn)化線路結(jié)構(gòu)、節(jié)約成本，因此在高壓大容量的換流站中得到廣泛應(yīng)用。濾波器在直流換流站中起著至關(guān)重要的諧波抑制作用。由于換流器在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，這些諧波若不加以有效抑制，將對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，干擾其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。交流濾波器主要用于濾除交流側(cè)的諧波，常見的類型有單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器等，它們通過(guò)合理配置電感、電容等元件，形成特定的濾波電路，對(duì)特定頻率的諧波進(jìn)行有效衰減。直流濾波器則用于抑制直流側(cè)的諧波，確保直流輸電線路中的電流平穩(wěn)、純凈。例如，在±800kV特高壓直流輸電工程中，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的交流濾波器和直流濾波器，可將交流側(cè)和直流側(cè)的諧波含量控制在極低水平，滿足電力系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的嚴(yán)格要求。平波電抗器是直流換流站的重要組成部分，主要用于平滑直流電流，減小電流的脈動(dòng)。在直流輸電系統(tǒng)中，由于換流器的工作特性，直流電流會(huì)存在一定程度的脈動(dòng)，這不僅會(huì)影響輸電效率，還可能對(duì)系統(tǒng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生不利影響。平波電抗器通過(guò)其電感特性，對(duì)直流電流中的脈動(dòng)分量呈現(xiàn)高阻抗，從而有效抑制電流的波動(dòng)，使直流電流更加穩(wěn)定。此外，平波電抗器還能在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，限制短路電流的上升速度，為保護(hù)裝置的動(dòng)作提供充足時(shí)間，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。例如，在某500kV直流輸電工程中，平波電抗器的應(yīng)用使得直流電流的脈動(dòng)系數(shù)大幅降低，有效提升了輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。換流變壓器是連接交流系統(tǒng)與換流器的關(guān)鍵設(shè)備，它不僅實(shí)現(xiàn)了電壓等級(jí)的變換，還為換流器提供合適的交流電源。換流變壓器的繞組接線方式和短路阻抗等參數(shù)對(duì)換流站的性能有著重要影響。在繞組接線方面，常見的有Y/Δ和Y/Y等接線方式，不同的接線方式會(huì)影響換流器的運(yùn)行特性和諧波分布。例如，采用Y/Δ接線的換流變壓器，可以有效抑制某些特定次數(shù)的諧波，提高換流站的運(yùn)行效率。短路阻抗則決定了換流變壓器在故障時(shí)的限流能力以及換流器與交流系統(tǒng)之間的電氣聯(lián)系強(qiáng)度，合理選擇短路阻抗參數(shù)，能夠確保換流站在正常運(yùn)行和故障情況下都能穩(wěn)定工作?？刂票Ｗo(hù)裝置是直流換流站的“大腦”和“衛(wèi)士”，負(fù)責(zé)對(duì)換流站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)。它通過(guò)采集換流站各個(gè)部分的電氣量信息，如電壓、電流、功率等，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略和保護(hù)判據(jù)，對(duì)換流器、濾波器等設(shè)備進(jìn)行精確控制。在正常運(yùn)行時(shí)，控制保護(hù)裝置能夠根據(jù)系統(tǒng)的需求，調(diào)節(jié)換流器的觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓、電流和功率的穩(wěn)定控制。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置能迅速動(dòng)作，快速切除故障設(shè)備，避免故障擴(kuò)大，保障換流站和整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。例如，當(dāng)檢測(cè)到換流器發(fā)生閥短路故障時(shí)，保護(hù)裝置會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)出觸發(fā)脈沖，將故障電流轉(zhuǎn)移到旁通對(duì)，同時(shí)跳開相關(guān)斷路器，隔離故障點(diǎn)，從而有效保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的安全。這些主要組成部分相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同工作，共同構(gòu)建起直流換流站的基本結(jié)構(gòu)，確保直流輸電系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。任何一個(gè)部分出現(xiàn)故障或異常，都可能對(duì)整個(gè)換流站乃至電力系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。例如，若濾波器故障，諧波將無(wú)法有效濾除，可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓畸變、設(shè)備過(guò)熱等問(wèn)題；換流變壓器故障則可能引發(fā)停電事故，影響電力的正常輸送。因此，深入理解直流換流站各組成部分的功能及相互關(guān)系，對(duì)于保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。2.1.2換流站的運(yùn)行模式與控制策略直流換流站的運(yùn)行模式多樣，常見的有雙極兩端中性點(diǎn)接地運(yùn)行模式、單極大地回線運(yùn)行模式和單極金屬回線運(yùn)行模式等，每種模式都有其獨(dú)特的工作特點(diǎn)，以適應(yīng)不同的輸電需求和電網(wǎng)運(yùn)行條件。雙極兩端中性點(diǎn)接地運(yùn)行模式是最為常見的一種運(yùn)行方式。在這種模式下，直流輸電系統(tǒng)由正負(fù)兩極線路構(gòu)成，兩端換流站的中性點(diǎn)均接地。正常運(yùn)行時(shí)，兩極線路同時(shí)傳輸功率，且電流大小相等、方向相反，大地中僅流過(guò)極不平衡電流，數(shù)值通常較小。該模式具有運(yùn)行可靠性高、靈活性強(qiáng)的顯著優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)其中一極發(fā)生故障時(shí)，可迅速轉(zhuǎn)為單極運(yùn)行模式，通過(guò)調(diào)整另一極的輸電功率，維持系統(tǒng)的基本運(yùn)行，極大地保障了電力輸送的連續(xù)性和穩(wěn)定性。例如，在某大型直流輸電工程中，采用雙極兩端中性點(diǎn)接地運(yùn)行模式，多年來(lái)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，即使在個(gè)別極出現(xiàn)短暫故障時(shí)，也能通過(guò)快速切換運(yùn)行模式，確保電力供應(yīng)不受影響。單極大地回線運(yùn)行模式則利用一根導(dǎo)線和大地構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，大地充當(dāng)導(dǎo)線，承載直流輸電工程的運(yùn)行電流，兩端換流站均需接地。這種模式的突出優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建設(shè)成本較低，在早期的直流輸電工程中應(yīng)用較為廣泛。然而，其缺點(diǎn)也較為明顯，由于大地長(zhǎng)期流過(guò)較大電流，會(huì)引發(fā)接地極附近地下金屬構(gòu)件的化學(xué)腐蝕問(wèn)題，同時(shí)可能導(dǎo)致中心點(diǎn)接地變壓器直流偏磁增大，進(jìn)而造成變壓器磁飽和，影響變壓器的正常運(yùn)行和使用壽命。例如，在一些采用單極大地回線運(yùn)行模式的老舊直流輸電線路中，已出現(xiàn)接地極附近金屬管道腐蝕嚴(yán)重的情況，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。單極金屬回線運(yùn)行模式采用兩根導(dǎo)線構(gòu)建直流側(cè)的單極回路，其中一根為低絕緣水平的導(dǎo)線作為金屬返回線，代替了單極大地回線中的地回線，為固定直流側(cè)的對(duì)地電壓和確保安全性，一端需接地。該模式的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行過(guò)程中地中無(wú)電流，可有效避免電腐蝕和變壓器磁飽和問(wèn)題。但不足之處在于運(yùn)行可靠性相對(duì)較低，成本較高，線路損耗較大。在一些對(duì)環(huán)境要求較高、對(duì)線路可靠性要求相對(duì)較低的特定場(chǎng)合，會(huì)采用這種運(yùn)行模式。例如，在某些城市周邊的直流輸電線路改造中，考慮到城市地下管網(wǎng)復(fù)雜，為避免電腐蝕對(duì)管網(wǎng)的影響，采用了單極金屬回線運(yùn)行模式。為實(shí)現(xiàn)對(duì)換流站的精確控制，保障其穩(wěn)定運(yùn)行，常用的控制策略包括定電流控制、定功率控制、定電壓控制和定無(wú)功控制等。定電流控制策略是通過(guò)調(diào)節(jié)換流器的觸發(fā)角，使直流電流保持恒定。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)設(shè)定的直流電流參考值，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流電流的實(shí)際值，并將兩者進(jìn)行比較，根據(jù)偏差調(diào)整觸發(fā)角，以維持直流電流穩(wěn)定。這種控制策略能夠有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)中的負(fù)載變化和干擾，確保直流輸電系統(tǒng)的電流穩(wěn)定，從而保障電力傳輸?shù)目煽啃?。例如，?dāng)直流輸電線路中的負(fù)載突然增加時(shí)，定電流控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整觸發(fā)角，增加換流器的輸出電流，以滿足負(fù)載需求，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。定功率控制策略則是根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行需求，將直流輸送功率保持在設(shè)定值?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)直流電流和電壓，計(jì)算出實(shí)際輸送功率，并與設(shè)定的功率參考值進(jìn)行比較，進(jìn)而調(diào)整換流器的觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)功率的穩(wěn)定控制。該策略在電力系統(tǒng)的功率調(diào)度和分配中發(fā)揮著重要作用，能夠確保直流輸電系統(tǒng)按照預(yù)定的功率計(jì)劃進(jìn)行電力輸送，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。例如，在電網(wǎng)的峰谷期切換時(shí)，通過(guò)定功率控制策略，可以靈活調(diào)整直流輸電系統(tǒng)的輸送功率，滿足不同時(shí)段的電力需求。定電壓控制策略旨在使直流電壓維持在設(shè)定的數(shù)值。控制系統(tǒng)依據(jù)直流電壓的測(cè)量值與設(shè)定參考值的差異，調(diào)整換流器的觸發(fā)角，以穩(wěn)定直流電壓。在一些對(duì)直流電壓穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合，如連接不同電壓等級(jí)電網(wǎng)的直流輸電工程中，定電壓控制策略能夠有效保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。例如，在某跨國(guó)直流輸電工程中，為確保不同國(guó)家電網(wǎng)之間的電壓匹配和穩(wěn)定連接，采用定電壓控制策略，實(shí)現(xiàn)了直流電壓的精確控制。定無(wú)功控制策略的核心是對(duì)換流站與交流系統(tǒng)之間的無(wú)功交換進(jìn)行控制，使無(wú)功功率維持在設(shè)定范圍內(nèi)。通過(guò)調(diào)節(jié)換流器的觸發(fā)角以及控制交流濾波器和無(wú)功補(bǔ)償裝置的投入與切除，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的平衡。這種控制策略對(duì)于改善交流系統(tǒng)的電壓質(zhì)量、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。例如，在交流系統(tǒng)電壓偏低時(shí)，定無(wú)功控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增加無(wú)功補(bǔ)償裝置的投入，提高系統(tǒng)的無(wú)功功率，從而提升交流系統(tǒng)的電壓水平。不同的運(yùn)行模式和控制策略在實(shí)際應(yīng)用中相互配合，以滿足電力系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的需求。運(yùn)行人員需要根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷需求以及系統(tǒng)穩(wěn)定性要求等因素，靈活選擇合適的運(yùn)行模式和控制策略，確保直流換流站和整個(gè)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。例如，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)期，為保障電力供應(yīng)，可能會(huì)采用雙極運(yùn)行模式和定功率控制策略，以最大化輸電能力；而在電網(wǎng)檢修或部分設(shè)備故障時(shí)，可能會(huì)切換到單極運(yùn)行模式，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整控制策略，維持系統(tǒng)的基本運(yùn)行。2.2火電機(jī)組運(yùn)行特性2.2.1火電機(jī)組的結(jié)構(gòu)與工作流程火電機(jī)組主要由鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及相關(guān)輔助設(shè)備構(gòu)成，其工作流程是一個(gè)將燃料化學(xué)能逐步轉(zhuǎn)化為電能的復(fù)雜過(guò)程。鍋爐作為火電機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為蒸汽熱能的重要任務(wù)。其結(jié)構(gòu)通常包括爐膛、燃燒器、受熱面、汽包等主要部分。以常見的煤粉鍋爐為例，燃料（如煤粉）通過(guò)燃燒器噴入爐膛，與從空氣預(yù)熱器引入的熱空氣充分混合后劇烈燃燒，釋放出大量熱能，使?fàn)t膛內(nèi)溫度迅速升高。爐膛四周布置著水冷壁，管內(nèi)的水吸收爐膛內(nèi)的輻射熱，逐漸汽化為汽水混合物，然后進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離。分離出的水繼續(xù)在水冷壁中循環(huán)吸熱，而蒸汽則進(jìn)入過(guò)熱器，進(jìn)一步吸收高溫?zé)煔獾臒崃?，被加熱成為具有一定壓力和溫度的過(guò)熱蒸汽。過(guò)熱蒸汽的參數(shù)（如壓力和溫度）對(duì)火電機(jī)組的效率和性能有著重要影響，例如，提高蒸汽壓力和溫度可以顯著提高機(jī)組的循環(huán)效率，但也對(duì)鍋爐的材料和制造工藝提出了更高要求。汽輪機(jī)是將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的核心設(shè)備，主要由轉(zhuǎn)子、靜子、進(jìn)汽部分、排汽部分等組成。過(guò)熱蒸汽從鍋爐引出后，首先進(jìn)入汽輪機(jī)的進(jìn)汽部分，然后依次流經(jīng)高壓缸、中壓缸和低壓缸。在每個(gè)汽缸中，蒸汽通過(guò)噴嘴膨脹加速，形成高速汽流，沖擊汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的葉片，使轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，從而將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。蒸汽在汽輪機(jī)中逐級(jí)膨脹做功后，壓力和溫度逐漸降低，最后從低壓缸排出，進(jìn)入凝汽器。凝汽器通過(guò)循環(huán)水冷卻，將排汽冷凝成水，回收工質(zhì)并建立和維持汽輪機(jī)排汽口的真空，提高汽輪機(jī)的效率。例如，在一臺(tái)600MW的火電機(jī)組中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通常達(dá)到3000r/min，能夠輸出巨大的機(jī)械能。發(fā)電機(jī)則負(fù)責(zé)將汽輪機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，其基本結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子由鐵芯、繞組和機(jī)座等組成，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、磁極和勵(lì)磁繞組等構(gòu)成。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子相連，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)向轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組通入直流電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，切割定子繞組，在定子繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)定子繞組與外部電路接通時(shí)，就會(huì)有電流輸出，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。輸出的電能通過(guò)升壓變壓器升高電壓后，接入電網(wǎng)進(jìn)行傳輸和分配。例如，常見的火電機(jī)組發(fā)電機(jī)輸出電壓一般為10.5kV或15.75kV，經(jīng)過(guò)升壓變壓器升壓后，可達(dá)到220kV、500kV等不同等級(jí)，以滿足遠(yuǎn)距離輸電的需求。在整個(gè)工作流程中，燃料的化學(xué)能首先在鍋爐中轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱能，蒸汽熱能在汽輪機(jī)中轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后機(jī)械能在發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)化為電能。這一過(guò)程涉及多個(gè)設(shè)備的協(xié)同工作，以及能量的多次轉(zhuǎn)換，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都可能影響火電機(jī)組的正常運(yùn)行和發(fā)電效率。例如，若鍋爐燃燒不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致蒸汽參數(shù)波動(dòng)，影響汽輪機(jī)的正常運(yùn)行；汽輪機(jī)的葉片損壞或磨損，會(huì)降低其效率和輸出功率；發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)故障，則可能導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定或發(fā)電中斷。因此，對(duì)火電機(jī)組各設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理有深入了解，對(duì)于保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和提高發(fā)電效率至關(guān)重要。2.2.2火電機(jī)組軸系特性火電機(jī)組軸系是連接汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)部件的關(guān)鍵部件，由多個(gè)轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器依次連接而成，形成一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。以常見的汽輪發(fā)電機(jī)組軸系為例，通常包括高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，各轉(zhuǎn)子之間通過(guò)剛性聯(lián)軸器或半撓性聯(lián)軸器連接，確保在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中各部件能夠協(xié)同工作。軸系的扭振特性是其重要特性之一，當(dāng)軸系受到外界干擾或內(nèi)部激勵(lì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這種振動(dòng)源于軸系所受電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩的不平衡。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率與汽輪機(jī)輸入的機(jī)械功率保持平衡，軸系處于穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。然而，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障，如短路、負(fù)荷突變等，或者直流換流站的運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩瞬間發(fā)生變化。若此時(shí)汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能及時(shí)響應(yīng)，使機(jī)械轉(zhuǎn)矩做出相應(yīng)調(diào)整，就會(huì)打破軸系原有的轉(zhuǎn)矩平衡，引發(fā)扭振。例如，在直流輸電系統(tǒng)中，由于換流器的控制特性，可能會(huì)產(chǎn)生次同步頻率的電流分量，這些電流分量流入發(fā)電機(jī)后，會(huì)產(chǎn)生與軸系固有頻率相近的電磁轉(zhuǎn)矩，從而激發(fā)軸系的扭振。軸系的自然頻率是其固有屬性，與軸系的結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，如轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、軸段的剛度以及聯(lián)軸器的特性等。當(dāng)外界激勵(lì)的頻率接近軸系的自然頻率時(shí)，會(huì)引發(fā)共振現(xiàn)象。在共振狀態(tài)下，軸系的扭振幅值會(huì)急劇增大，這對(duì)軸系的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。長(zhǎng)期的大幅度扭振會(huì)使軸系承受交變應(yīng)力，導(dǎo)致材料疲勞，降低軸系的使用壽命。嚴(yán)重時(shí)，甚至可能引發(fā)軸系斷裂等惡性事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。例如，在某火電機(jī)組中，由于軸系的自然頻率與直流換流站產(chǎn)生的次同步電流頻率接近，在換流站投入運(yùn)行后，軸系發(fā)生了強(qiáng)烈的共振，導(dǎo)致軸系部件出現(xiàn)嚴(yán)重的疲勞損傷。軸系自然頻率與次同步振蕩之間存在緊密關(guān)聯(lián)。次同步振蕩的頻率范圍一般在0.2Hz至3Hz之間，當(dāng)軸系自然頻率落入這一范圍內(nèi)時(shí)，就容易受到次同步振蕩的影響。在交直流混合電力系統(tǒng)中，直流換流站的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生各種頻率的電氣擾動(dòng)，其中次同步頻率的擾動(dòng)可能會(huì)與軸系自然頻率相互作用，激發(fā)軸系的次同步振蕩。而且，軸系的阻尼特性對(duì)次同步振蕩的發(fā)展也起著關(guān)鍵作用。如果軸系阻尼較小，在受到次同步擾動(dòng)時(shí)，扭振幅值會(huì)不斷增大，導(dǎo)致次同步振蕩不穩(wěn)定；反之，若軸系具有足夠的阻尼，能夠有效抑制扭振的發(fā)展，使次同步振蕩保持在安全范圍內(nèi)。例如，通過(guò)在軸系上安裝阻尼裝置，增加軸系的阻尼，可以有效降低次同步振蕩對(duì)軸系的危害。因此，深入研究火電機(jī)組軸系特性，特別是軸系自然頻率與次同步振蕩的關(guān)系，對(duì)于預(yù)防和抑制次同步振蕩，保障火電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。2.3次同步振蕩相關(guān)理論2.3.1次同步振蕩的定義與危害次同步振蕩是指電力系統(tǒng)中由于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間復(fù)雜的相互作用，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸系以低于同步頻率（我國(guó)為50Hz）的頻率振蕩的現(xiàn)象，其頻率范圍通常在0.2Hz至3Hz之間。這種振蕩并非簡(jiǎn)單的機(jī)械振動(dòng)，而是涉及電力系統(tǒng)中電氣量與機(jī)械量的相互耦合、相互影響。在交直流混合電力系統(tǒng)中，直流換流站的運(yùn)行會(huì)引入新的電氣擾動(dòng)，這些擾動(dòng)與火電機(jī)組軸系的固有特性相互作用，從而引發(fā)次同步振蕩。例如，當(dāng)直流換流站的控制參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致其輸出的電氣量出現(xiàn)波動(dòng)，這種波動(dòng)通過(guò)輸電線路傳遞到火電機(jī)組，進(jìn)而激發(fā)軸系的次同步振蕩。次同步振蕩會(huì)對(duì)火電機(jī)組軸系造成嚴(yán)重的疲勞損傷。軸系在次同步振蕩過(guò)程中承受交變應(yīng)力，長(zhǎng)期作用下，軸系材料的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生變化，出現(xiàn)微裂紋。隨著振蕩次數(shù)的增加，微裂紋不斷擴(kuò)展、連接，最終可能導(dǎo)致軸系斷裂。例如，美國(guó)Mohave電廠在1970年代就因次同步振蕩問(wèn)題導(dǎo)致軸系損壞，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。軸系的疲勞損傷不僅會(huì)縮短火電機(jī)組的使用壽命，增加設(shè)備維護(hù)成本，還可能引發(fā)機(jī)組突發(fā)故障，影響電力系統(tǒng)的正常供電。次同步振蕩會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。次同步振蕩可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓波動(dòng)和功率振蕩。當(dāng)多個(gè)火電機(jī)組同時(shí)受到次同步振蕩影響時(shí)，這種電壓波動(dòng)和功率振蕩會(huì)在電網(wǎng)中傳播、放大，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電網(wǎng)解列，引發(fā)大面積停電事故。在一些交直流混聯(lián)電網(wǎng)中，次同步振蕩與系統(tǒng)的其他振蕩模式相互耦合，進(jìn)一步加劇了電網(wǎng)的不穩(wěn)定。例如，2005年莫斯科電網(wǎng)大停電事故中，次同步振蕩在電網(wǎng)故障的發(fā)展過(guò)程中起到了推波助瀾的作用，使得事故范圍迅速擴(kuò)大。次同步振蕩還會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響。振蕩過(guò)程中產(chǎn)生的諧波會(huì)影響電力設(shè)備的正常運(yùn)行，增加設(shè)備的損耗。例如，諧波會(huì)使變壓器的鐵芯損耗增加，導(dǎo)致變壓器溫度升高，縮短其使用壽命。諧波還可能干擾繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)化設(shè)備的正常工作，導(dǎo)致誤動(dòng)作或拒動(dòng)作，降低電力系統(tǒng)的可靠性。次同步振蕩引起的電壓波動(dòng)和閃變，會(huì)影響用戶的用電質(zhì)量，對(duì)一些對(duì)電壓穩(wěn)定性要求較高的工業(yè)用戶，如電子芯片制造企業(yè)，可能會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至設(shè)備損壞。2.3.2次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理直流換流站引發(fā)火電機(jī)組次同步振蕩的機(jī)理較為復(fù)雜，主要包括換流器快速控制與軸系扭振的相互作用以及直流輸電系統(tǒng)與火電機(jī)組的機(jī)電耦合作用這兩個(gè)方面。換流器快速控制與軸系扭振的相互作用是引發(fā)次同步振蕩的重要原因之一。換流器通過(guò)快速控制觸發(fā)角來(lái)實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換，這種快速控制會(huì)產(chǎn)生次同步頻率的電流分量。當(dāng)這些次同步電流分量流入火電機(jī)組時(shí)，會(huì)在發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生與軸系扭振頻率相近的電磁轉(zhuǎn)矩。如果軸系的阻尼不足，這種電磁轉(zhuǎn)矩就會(huì)不斷積累，激發(fā)軸系的扭振，進(jìn)而引發(fā)次同步振蕩。在實(shí)際運(yùn)行中，換流器的控制策略對(duì)次同步電流分量的產(chǎn)生有著重要影響。采用不同的控制算法，如傳統(tǒng)的比例積分控制和先進(jìn)的智能控制算法，換流器輸出的次同步電流分量的幅值和頻率會(huì)有所不同。若控制算法不合理，可能會(huì)導(dǎo)致次同步電流分量增大，增加次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。軸系的固有特性，如自然頻率和阻尼特性，也會(huì)影響換流器快速控制與軸系扭振的相互作用。當(dāng)軸系自然頻率與換流器產(chǎn)生的次同步電流頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，使軸系扭振加劇。直流輸電系統(tǒng)與火電機(jī)組的機(jī)電耦合作用也是次同步振蕩產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)影響火電機(jī)組的電磁環(huán)境，而火電機(jī)組的軸系運(yùn)動(dòng)又會(huì)反過(guò)來(lái)影響直流輸電系統(tǒng)的電氣量，兩者之間存在緊密的機(jī)電耦合關(guān)系。當(dāng)直流輸電系統(tǒng)的輸送功率發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致交流系統(tǒng)的電壓和電流波動(dòng)，這種波動(dòng)會(huì)影響火電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而引起軸系的扭振?；痣姍C(jī)組軸系的扭振也會(huì)通過(guò)發(fā)電機(jī)的電磁感應(yīng)作用，影響直流輸電系統(tǒng)的電流和功率。在一個(gè)包含直流輸電系統(tǒng)和火電機(jī)組的電力系統(tǒng)中，當(dāng)直流輸電系統(tǒng)突然增加輸送功率時(shí)，交流系統(tǒng)的電壓會(huì)下降，火電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)隨之減小。為了維持功率平衡，汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)閥會(huì)開大，增加進(jìn)汽量，使機(jī)械轉(zhuǎn)矩增大。但由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在慣性，機(jī)械轉(zhuǎn)矩的增加可能會(huì)滯后于電磁轉(zhuǎn)矩的變化，導(dǎo)致軸系出現(xiàn)扭振。這種扭振又會(huì)通過(guò)發(fā)電機(jī)反饋到直流輸電系統(tǒng)，影響其電流和功率的穩(wěn)定性，形成機(jī)電耦合的惡性循環(huán)。電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)這種機(jī)電耦合作用也有重要影響。在不同的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，直流輸電系統(tǒng)與火電機(jī)組之間的電氣聯(lián)系強(qiáng)度不同，機(jī)電耦合的程度也會(huì)有所差異。電網(wǎng)中的線路阻抗、變壓器變比等參數(shù)的變化，也會(huì)改變直流輸電系統(tǒng)與火電機(jī)組之間的相互作用關(guān)系，進(jìn)而影響次同步振蕩的發(fā)生和發(fā)展。三、兩直流換流站引起火電機(jī)組次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)分析方法3.1模型建立3.1.1電力系統(tǒng)模型構(gòu)建在構(gòu)建包含兩直流換流站和火電機(jī)組的電力系統(tǒng)模型時(shí)，需全面考慮電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件參數(shù)等關(guān)鍵要素。電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反映了電力系統(tǒng)中各電氣設(shè)備的連接關(guān)系，其復(fù)雜性直接影響次同步振蕩的傳播與發(fā)展。對(duì)于一個(gè)包含兩直流換流站和多臺(tái)火電機(jī)組的電力系統(tǒng)，各換流站通過(guò)輸電線路與火電機(jī)組及其他電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)相連，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。換流站與火電機(jī)組之間的電氣距離不同，會(huì)導(dǎo)致它們之間的電氣聯(lián)系強(qiáng)度各異，進(jìn)而影響次同步振蕩的相互作用。距離較近的換流站與火電機(jī)組，電氣聯(lián)系緊密，次同步振蕩的耦合作用更強(qiáng)；而距離較遠(yuǎn)的部分，耦合作用相對(duì)較弱。不同的輸電線路布局和連接方式，會(huì)改變系統(tǒng)的阻抗分布和潮流走向，對(duì)次同步振蕩的傳播路徑和阻尼特性產(chǎn)生重要影響。若輸電線路呈環(huán)狀連接，次同步振蕩可能在環(huán)網(wǎng)中多次反射和疊加，增加振蕩的復(fù)雜性。因此，在構(gòu)建模型時(shí)，需精確描述各節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系、輸電線路的走向和長(zhǎng)度，以及變壓器的變比和接線方式等，以準(zhǔn)確反映電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)次同步振蕩的影響。元件參數(shù)對(duì)于電力系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，它直接決定了系統(tǒng)的電氣特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在直流換流站中，換流器的參數(shù)如觸發(fā)角、換流變壓器的短路阻抗、平波電抗器的電感值以及濾波器的參數(shù)等，都會(huì)影響換流站的運(yùn)行特性和次同步電流的產(chǎn)生。觸發(fā)角的變化會(huì)改變換流器的工作狀態(tài)，進(jìn)而影響次同步電流的幅值和頻率；換流變壓器的短路阻抗決定了換流器與交流系統(tǒng)之間的電氣聯(lián)系強(qiáng)度，對(duì)次同步振蕩的傳播和阻尼有重要作用；平波電抗器的電感值影響直流電流的平滑程度，間接影響次同步振蕩；濾波器的參數(shù)則決定了其對(duì)次同步諧波的濾波效果?；痣姍C(jī)組的軸系參數(shù)，如轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、軸段的剛度、阻尼系數(shù)以及發(fā)電機(jī)的同步電抗、暫態(tài)電抗等，是影響軸系扭振特性和次同步振蕩的關(guān)鍵因素。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定了軸系的慣性大小，影響軸系對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)速度；軸段剛度影響軸系的自然頻率，當(dāng)軸系自然頻率與次同步振蕩頻率接近時(shí)，容易引發(fā)共振；阻尼系數(shù)則決定了軸系對(duì)振蕩的衰減能力；發(fā)電機(jī)的電抗參數(shù)影響電磁轉(zhuǎn)矩的變化，進(jìn)而影響軸系的扭振。輸電線路的電阻、電感和電容等參數(shù)，也會(huì)影響次同步振蕩在輸電線路中的傳播和衰減。電阻會(huì)消耗能量，使次同步振蕩的幅值逐漸減小；電感和電容則與次同步振蕩的頻率相互作用，影響振蕩的傳播特性。在實(shí)際建模過(guò)程中，可通過(guò)查閱電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料、設(shè)備技術(shù)參數(shù)手冊(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方式獲取準(zhǔn)確的元件參數(shù)。對(duì)于一些難以直接測(cè)量的參數(shù)，可采用經(jīng)驗(yàn)公式或仿真計(jì)算等方法進(jìn)行估算。同時(shí)，利用專業(yè)的電力系統(tǒng)分析軟件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，根據(jù)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件參數(shù)搭建詳細(xì)的電力系統(tǒng)模型。在PSCAD/EMTDC軟件中，可通過(guò)圖形化界面方便地構(gòu)建直流換流站、火電機(jī)組和輸電線路等元件，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。通過(guò)該模型，可模擬不同工況下電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，深入研究?jī)芍绷鲹Q流站引起火電機(jī)組次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。3.1.2次同步振蕩模型在分析次同步振蕩時(shí)，復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)模型和特征根模型是常用的重要模型，它們從不同角度揭示了次同步振蕩的特性和規(guī)律。復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)模型的基本原理是將電力系統(tǒng)的電氣部分和機(jī)械部分分開研究。對(duì)于電氣部分，通過(guò)分析發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速偏差之間的關(guān)系，得到電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；對(duì)于機(jī)械部分，考慮軸系的彈性和阻尼特性，得出機(jī)械復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)。假設(shè)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T_e與轉(zhuǎn)速偏差\Delta\omega之間的關(guān)系為T_e=K_e(s)\Delta\omega，其中K_e(s)為電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是關(guān)于微分算子s的有理分式。同理，機(jī)械轉(zhuǎn)矩T_m與轉(zhuǎn)速偏差\Delta\omega的關(guān)系為T_m=K_m(s)\Delta\omega，K_m(s)為機(jī)械復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)。令s=j\omega（\omega為振蕩頻率），可得到電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)和機(jī)械復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)的頻響特性K_e(j\omega)和K_m(j\omega)。設(shè)K_e(j\omega)=K_e+jD_e，K_m(j\omega)=K_m+jD_m，其中K_e和D_e分別為電氣彈性系數(shù)（或電氣同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)）和電氣阻尼系數(shù)（或電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)）；K_m和D_m分別為機(jī)械彈性系數(shù)（或機(jī)械同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)）和機(jī)械阻尼系數(shù)（或機(jī)械阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)）。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上施加一角頻率為h的小幅振蕩，通過(guò)分析K_e、D_e、K_m、D_m在次同步頻率范圍內(nèi)隨頻率變化的情況，可對(duì)系統(tǒng)的次同步穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。判斷準(zhǔn)則為：對(duì)于K_e(h)+K_m(h)=0的頻率點(diǎn)h，若D_e(h)+D_m(h)=0，系統(tǒng)臨界穩(wěn)定；若D_e(h)+D_m(h)\lt0，系統(tǒng)不穩(wěn)定；若D_e(h)+D_m(h)\gt0，系統(tǒng)穩(wěn)定。由于機(jī)械系統(tǒng)的彈性系數(shù)遠(yuǎn)大于電氣系統(tǒng)的彈性系數(shù)，通常認(rèn)為K_e(h)+K_m(h)=0的頻率點(diǎn)非常接近K_e(h)=0的頻率點(diǎn)，即軸系的自然扭振頻率點(diǎn)。因此，次同步振蕩穩(wěn)定性的準(zhǔn)則可簡(jiǎn)化為：若對(duì)于發(fā)電機(jī)所有軸系自然扭振頻率點(diǎn)f都有D_e(jf)+D_m(jf)\gt0，則系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生次同步振蕩；若有一個(gè)頻率點(diǎn)的電氣阻尼和機(jī)械阻尼之和為負(fù)，則系統(tǒng)存在次同步振蕩問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)模型可用于快速掃描系統(tǒng)的電氣阻尼特性，判斷系統(tǒng)是否存在次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)計(jì)算不同頻率下的復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，繪制阻尼特性曲線，直觀地展示系統(tǒng)在次同步頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。當(dāng)電氣阻尼為負(fù)且絕對(duì)值較大時(shí)，表明系統(tǒng)在該頻率點(diǎn)存在次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)一步分析和采取相應(yīng)的抑制措施。復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)模型也存在一定的局限性，它假設(shè)系統(tǒng)是線性的，對(duì)于存在非線性元件的電力系統(tǒng)，其分析結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)受到影響。該模型在處理多機(jī)系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算復(fù)雜度較高，且難以考慮系統(tǒng)中各種復(fù)雜的相互作用。特征根模型則是基于電力系統(tǒng)的小擾動(dòng)線性化模型，通過(guò)求解系統(tǒng)的特征方程，得到系統(tǒng)的特征根。這些特征根包含了系統(tǒng)的振蕩模態(tài)信息，如振蕩頻率、阻尼比等。假設(shè)電力系統(tǒng)的狀態(tài)方程為\dot{\mathbf{x}}=\mathbf{A}\mathbf{x}，其中\(zhòng)mathbf{x}為狀態(tài)變量向量，\mathbf{A}為系統(tǒng)矩陣。系統(tǒng)的特征方程為\vert\mathbf{A}-\lambda\mathbf{I}\vert=0，求解該方程得到的特征根\lambda_i（i=1,2,\cdots,n，n為系統(tǒng)的階數(shù)），其實(shí)部\sigma_i表示振蕩的阻尼特性，虛部\omega_i表示振蕩頻率。當(dāng)特征根的實(shí)部大于0時(shí)，系統(tǒng)的振蕩是不穩(wěn)定的，即存在次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)實(shí)部小于0時(shí)，振蕩是穩(wěn)定的。特征根的虛部對(duì)應(yīng)振蕩頻率，可判斷振蕩是否處于次同步頻率范圍內(nèi)。通過(guò)分析特征根，可全面了解系統(tǒng)的次同步振蕩模態(tài)，為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制提供重要依據(jù)。在一個(gè)包含兩直流換流站和火電機(jī)組的電力系統(tǒng)中，通過(guò)特征根分析，可確定哪些模態(tài)與次同步振蕩相關(guān)，以及這些模態(tài)的阻尼特性和振蕩頻率。對(duì)于阻尼較小的次同步振蕩模態(tài)，可針對(duì)性地采取措施，如增加阻尼裝置，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。特征根模型的優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確地分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和振蕩模態(tài)，但該模型的計(jì)算復(fù)雜度較高，對(duì)于大規(guī)模電力系統(tǒng)，求解特征方程的計(jì)算量巨大。模型對(duì)系統(tǒng)的線性化假設(shè)，在一定程度上限制了其對(duì)非線性電力系統(tǒng)的適用性。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況選擇合適的次同步振蕩模型。對(duì)于初步的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和快速分析，復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)模型較為適用；而對(duì)于深入研究系統(tǒng)的振蕩模態(tài)和穩(wěn)定性，特征根模型能提供更詳細(xì)準(zhǔn)確的信息。也可將兩種模型結(jié)合使用，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，以更全面地分析兩直流換流站引起火電機(jī)組次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。3.2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)3.2.1軸系扭振應(yīng)力評(píng)估軸系扭振應(yīng)力是評(píng)估次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其計(jì)算通常基于軸系動(dòng)力學(xué)理論和材料力學(xué)原理。在實(shí)際工程中，常采用有限元方法對(duì)軸系進(jìn)行建模分析，將軸系離散為多個(gè)單元，通過(guò)求解單元的力學(xué)平衡方程，得到軸系各部位的應(yīng)力分布。在對(duì)某火電機(jī)組軸系進(jìn)行有限元建模時(shí)，將軸系劃分為若干個(gè)梁?jiǎn)卧紤]軸段的材料特性、幾何尺寸以及各部件之間的連接方式，通過(guò)加載不同工況下的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出軸系在次同步振蕩過(guò)程中的扭振應(yīng)力分布。軸系扭振應(yīng)力的評(píng)估指標(biāo)主要包括最大扭振應(yīng)力和累積疲勞損傷。最大扭振應(yīng)力直接反映了軸系在次同步振蕩時(shí)所承受的瞬時(shí)最大應(yīng)力值，可與軸系材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較，評(píng)估軸系是否存在即時(shí)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)最大扭振應(yīng)力超過(guò)軸系材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，軸系可能發(fā)生塑性變形甚至斷裂，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。累積疲勞損傷則考慮了軸系在長(zhǎng)期次同步振蕩作用下，由于交變應(yīng)力導(dǎo)致的材料疲勞累積效應(yīng)。根據(jù)Miner疲勞累積損傷理論，當(dāng)軸系在不同應(yīng)力水平下循環(huán)作用時(shí)，累積疲勞損傷D可表示為D=\sum_{i=1}^{n}\frac{n_i}{N_i}，其中n_i為在應(yīng)力水平\sigma_i下的循環(huán)次數(shù)，N_i為對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平\sigma_i下材料的疲勞壽命。通過(guò)監(jiān)測(cè)軸系扭振應(yīng)力的變化，記錄不同應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)，可計(jì)算出累積疲勞損傷。當(dāng)累積疲勞損傷達(dá)到一定閾值時(shí)，表明軸系的疲勞壽命已接近極限，需要及時(shí)進(jìn)行維護(hù)或更換。例如，在某火電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)軸系扭振應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)累積疲勞損傷逐漸增加，當(dāng)達(dá)到0.8時(shí)，雖未超過(guò)極限閾值1，但已接近危險(xiǎn)狀態(tài)，運(yùn)行人員及時(shí)對(duì)機(jī)組進(jìn)行了檢修和維護(hù)，避免了軸系因疲勞損傷而發(fā)生故障。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸系扭振應(yīng)力，可有效判斷次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)程度。當(dāng)扭振應(yīng)力超過(guò)正常運(yùn)行范圍，且呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)時(shí)，說(shuō)明次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)在增加?？稍O(shè)置不同等級(jí)的預(yù)警閾值，如黃色預(yù)警閾值和紅色預(yù)警閾值。當(dāng)扭振應(yīng)力達(dá)到黃色預(yù)警閾值時(shí)，表明次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)已處于較高水平，需要密切關(guān)注機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，分析振蕩原因，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，如調(diào)整直流換流站的控制參數(shù)、優(yōu)化火電機(jī)組的運(yùn)行方式等。當(dāng)扭振應(yīng)力達(dá)到紅色預(yù)警閾值時(shí)，說(shuō)明次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)已非常高，可能隨時(shí)對(duì)軸系造成嚴(yán)重?fù)p壞，此時(shí)應(yīng)立即采取緊急措施，如快速降低機(jī)組負(fù)荷、切除部分直流輸電線路等，以降低扭振應(yīng)力，保障軸系安全。3.2.2振蕩頻率與幅值分析次同步振蕩的頻率和幅值對(duì)火電機(jī)組和電網(wǎng)有著重要影響。振蕩頻率與軸系的固有頻率密切相關(guān)，當(dāng)振蕩頻率接近軸系的固有頻率時(shí)，會(huì)引發(fā)共振現(xiàn)象，使軸系的扭振幅值急劇增大。共振時(shí)，軸系所承受的應(yīng)力大幅增加，加速軸系的疲勞損傷，嚴(yán)重威脅火電機(jī)組的安全運(yùn)行。振蕩頻率還會(huì)影響電力系統(tǒng)中其他設(shè)備的正常運(yùn)行。不同頻率的振蕩可能會(huì)與系統(tǒng)中的其他電氣設(shè)備產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致設(shè)備損壞或誤動(dòng)作。例如，某些頻率的振蕩可能會(huì)使電力變壓器的鐵芯飽和，增加鐵芯損耗，降低變壓器的使用壽命。振蕩幅值直接反映了次同步振蕩的劇烈程度。幅值越大，軸系所承受的應(yīng)力越大，對(duì)火電機(jī)組軸系的損傷越嚴(yán)重。在嚴(yán)重情況下，過(guò)大的振蕩幅值可能導(dǎo)致軸系斷裂，造成機(jī)組停機(jī)。振蕩幅值還會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。幅值較大的次同步振蕩會(huì)引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)和功率振蕩，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，干擾其他用戶的正常用電。當(dāng)多個(gè)火電機(jī)組同時(shí)發(fā)生次同步振蕩，且振蕩幅值較大時(shí)，可能會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電網(wǎng)解列，造成大面積停電事故。測(cè)量次同步振蕩的頻率和幅值可采用多種方法。在實(shí)際工程中，常利用電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置，如同步相量測(cè)量單元（PMU），實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)的電氣量數(shù)據(jù)，通過(guò)傅里葉變換等信號(hào)處理方法，分析得到次同步振蕩的頻率和幅值。PMU能夠以高精度、高速度采集電網(wǎng)中的電壓、電流等電氣量信息，并通過(guò)全球定位系統(tǒng)（GPS）實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，為次同步振蕩的監(jiān)測(cè)提供了可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。在采集到發(fā)電機(jī)的電流信號(hào)后，利用快速傅里葉變換（FFT）算法，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，從而準(zhǔn)確計(jì)算出次同步振蕩的頻率和幅值。也可通過(guò)在軸系上安裝傳感器，直接測(cè)量軸系的扭振位移或應(yīng)變，進(jìn)而計(jì)算出振蕩幅值和頻率。例如，采用應(yīng)變片傳感器測(cè)量軸系的應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系，以及軸系的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算出扭振應(yīng)力幅值，再通過(guò)對(duì)應(yīng)變信號(hào)的分析，得到振蕩頻率。通過(guò)分析這些測(cè)量數(shù)據(jù)，可深入了解次同步振蕩的特性，為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制提供依據(jù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)振蕩頻率接近軸系固有頻率，且幅值逐漸增大時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取措施，如調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、投入阻尼裝置等，抑制次同步振蕩的發(fā)展。3.3仿真分析工具3.3.1常用電力系統(tǒng)仿真軟件在電力系統(tǒng)仿真分析領(lǐng)域，PSCAD和MATLAB/Simulink是兩款應(yīng)用廣泛且功能強(qiáng)大的軟件，它們?cè)诖瓮秸袷幯芯恐懈骶邇?yōu)勢(shì)。PSCAD作為一款專業(yè)的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，在次同步振蕩研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它擁有豐富的電力系統(tǒng)元件庫(kù)，涵蓋了各種類型的直流換流站模型、火電機(jī)組模型以及輸電線路模型等。在構(gòu)建包含兩直流換流站和火電機(jī)組的電力系統(tǒng)模型時(shí)，可直接從元件庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)元件，方便快捷地搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其模型精度高，能夠精確模擬電力系統(tǒng)中各種復(fù)雜的電磁暫態(tài)過(guò)程，對(duì)于次同步振蕩這種涉及電氣量快速變化的現(xiàn)象，PSCAD能夠準(zhǔn)確捕捉和分析。PSCAD還具備強(qiáng)大的后處理功能，可對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析和可視化展示。通過(guò)繪制電流、電壓、功率等電氣量的波形圖，以及軸系扭振應(yīng)力、振蕩頻率和幅值等參數(shù)的變化曲線，直觀地呈現(xiàn)次同步振蕩的特性和發(fā)展過(guò)程。在某實(shí)際工程的次同步振蕩研究中，利用PSCAD搭建了詳細(xì)的電力系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真分析，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了次同步振蕩的發(fā)生條件和振蕩特性，為工程決策提供了有力支持。MATLAB/Simulink是一款功能全面的系統(tǒng)仿真軟件，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。它具有高度的靈活性和開放性，用戶可根據(jù)實(shí)際需求自定義模型和算法。在次同步振蕩研究中，可利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)分析能力，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行深入處理和分析。通過(guò)編寫自定義的腳本和函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)次同步振蕩模型的參數(shù)優(yōu)化、控制策略設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定性分析等。Simulink提供了豐富的模塊庫(kù)，包括電力系統(tǒng)模塊庫(kù)、信號(hào)處理模塊庫(kù)等，可方便地構(gòu)建電力系統(tǒng)模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。其與MATLAB的無(wú)縫集成，使得在仿真過(guò)程中能夠充分利用MATLAB的各種工具箱，如控制工具箱、優(yōu)化工具箱等，進(jìn)一步拓展了軟件的功能。在研究次同步振蕩的抑制策略時(shí)，可利用控制工具箱設(shè)計(jì)先進(jìn)的控制器，并通過(guò)Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證，評(píng)估控制器的性能。PSCAD和MATLAB/Simulink在次同步振蕩研究中都發(fā)揮著重要作用。PSCAD側(cè)重于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)的精確仿真和結(jié)果可視化展示，而MATLAB/Simulink則在模型自定義、算法開發(fā)和數(shù)據(jù)分析方面具有優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際研究中，可根據(jù)具體需求選擇合適的軟件，也可將兩者結(jié)合使用，充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)，提高次同步振蕩研究的效率和準(zhǔn)確性。3.3.2仿真參數(shù)設(shè)置與場(chǎng)景模擬在仿真過(guò)程中，合理設(shè)置參數(shù)是確保仿真結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵。參數(shù)設(shè)置需緊密依據(jù)實(shí)際電力系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備參數(shù)。對(duì)于直流換流站，觸發(fā)角、換流變壓器的短路阻抗、平波電抗器的電感值以及濾波器的參數(shù)等都至關(guān)重要。觸發(fā)角的設(shè)置直接影響換流器的工作狀態(tài)和次同步電流的產(chǎn)生，需根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況和控制策略進(jìn)行精確調(diào)整。若實(shí)際工程中直流換流站采用定電流控制策略，在仿真中應(yīng)根據(jù)設(shè)定的直流電流參考值和實(shí)際運(yùn)行的負(fù)載情況，合理設(shè)置觸發(fā)角，以模擬換流站在不同工況下的運(yùn)行狀態(tài)。換流變壓器的短路阻抗決定了換流器與交流系統(tǒng)之間的電氣聯(lián)系強(qiáng)度，對(duì)次同步振蕩的傳播和阻尼有重要作用，需根據(jù)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置。平波電抗器的電感值影響直流電流的平滑程度，間接影響次同步振蕩，其參數(shù)設(shè)置應(yīng)符合實(shí)際設(shè)備的規(guī)格。濾波器的參數(shù)則決定了其對(duì)次同步諧波的濾波效果，需根據(jù)實(shí)際的諧波抑制要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置?；痣姍C(jī)組的軸系參數(shù)，如轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、軸段的剛度、阻尼系數(shù)以及發(fā)電機(jī)的同步電抗、暫態(tài)電抗等，是影響軸系扭振特性和次同步振蕩的關(guān)鍵因素，需依據(jù)火電機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理取值。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定了軸系的慣性大小，影響軸系對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)速度，可通過(guò)查閱火電機(jī)組的技術(shù)資料或參考類似機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)確定。軸段剛度影響軸系的自然頻率，當(dāng)軸系自然頻率與次同步振蕩頻率接近時(shí)，容易引發(fā)共振，其參數(shù)設(shè)置需精確反映軸系的實(shí)際結(jié)構(gòu)和材料特性。阻尼系數(shù)則決定了軸系對(duì)振蕩的衰減能力，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。發(fā)電機(jī)的電抗參數(shù)影響電磁轉(zhuǎn)矩的變化，進(jìn)而影響軸系的扭振，需根據(jù)發(fā)電機(jī)的類型和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置。為全面深入地分析次同步振蕩的發(fā)生規(guī)律，需模擬多種不同的運(yùn)行工況和故障場(chǎng)景。在正常運(yùn)行工況下，設(shè)置不同的直流輸電功率，研究次同步振蕩隨功率變化的特性。逐漸增加直流輸電功率，觀察火電機(jī)組軸系的扭振應(yīng)力、振蕩頻率和幅值的變化情況，分析功率變化對(duì)次同步振蕩的影響。改變火電機(jī)組的負(fù)荷水平，模擬不同的發(fā)電出力情況，研究其對(duì)次同步振蕩的影響。當(dāng)火電機(jī)組負(fù)荷增加時(shí)，軸系的機(jī)械轉(zhuǎn)矩增大，可能會(huì)改變軸系與直流換流站之間的相互作用關(guān)系，導(dǎo)致次同步振蕩特性發(fā)生變化。在故障場(chǎng)景模擬方面，設(shè)置直流換流站的換相失敗故障，研究次同步振蕩的響應(yīng)特性。換相失敗是直流輸電系統(tǒng)中常見的故障之一，會(huì)導(dǎo)致直流電流和電壓的劇烈波動(dòng)，進(jìn)而激發(fā)火電機(jī)組的次同步振蕩。通過(guò)模擬換相失敗故障的發(fā)生時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度，分析次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理和傳播過(guò)程。設(shè)置輸電線路的短路故障，研究短路故障對(duì)次同步振蕩的影響。短路故障會(huì)引起電力系統(tǒng)的電氣量突變，通過(guò)模擬不同位置和類型的短路故障，觀察次同步振蕩的響應(yīng)情況，分析短路故障對(duì)次同步振蕩的誘發(fā)和放大作用。通過(guò)模擬這些不同的運(yùn)行工況和故障場(chǎng)景，能夠更全面地了解次同步振蕩的發(fā)生規(guī)律，為次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制提供更豐富的數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。四、實(shí)際案例分析4.1案例一：[具體地區(qū)]兩直流換流站與火電機(jī)組次同步振蕩事件4.1.1案例背景與系統(tǒng)概況[具體地區(qū)]的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中兩直流換流站和火電機(jī)組在整個(gè)系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色，它們之間緊密的連接關(guān)系和相互作用對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著重要影響。該地區(qū)的兩直流換流站分別為換流站A和換流站B，換流站A通過(guò)多回500kV輸電線路與火電機(jī)組C和D相連，換流站B則與火電機(jī)組E和F相連，這些火電機(jī)組均為大型燃煤機(jī)組，單機(jī)容量達(dá)到600MW。換流站A采用12脈動(dòng)換流器，額定直流電壓為±500kV，額定輸送功率為3000MW；換流站B同樣采用12脈動(dòng)換流器，額定直流電壓為±600kV，額定輸送功率為4000MW。兩換流站通過(guò)交流輸電線路相互連接，并與該地區(qū)的主電網(wǎng)構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，換流站與火電機(jī)組之間的電氣聯(lián)系緊密，功率傳輸頻繁，為次同步振蕩的發(fā)生提供了潛在條件?；痣姍C(jī)組C、D、E、F的軸系結(jié)構(gòu)相似，均由高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器連接而成。軸系的自然頻率主要分布在10Hz至30Hz之間，其中部分頻率與次同步振蕩的頻率范圍（0.2Hz至3Hz）存在耦合的可能性。這些火電機(jī)組在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著重要的發(fā)電任務(wù)，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于保障地區(qū)電力供應(yīng)至關(guān)重要。在正常運(yùn)行工況下，換流站A主要將來(lái)自火電機(jī)組C和D的電力輸送到負(fù)荷中心，換流站B則負(fù)責(zé)將火電機(jī)組E和F的電力送出。各火電機(jī)組根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷需求調(diào)整發(fā)電出力，換流站通過(guò)精確的控制策略，實(shí)現(xiàn)直流功率的穩(wěn)定傳輸。由于系統(tǒng)運(yùn)行工況復(fù)雜多變，受到負(fù)荷波動(dòng)、電網(wǎng)故障等因素的影響，換流站與火電機(jī)組之間的相互作用可能發(fā)生變化，從而引發(fā)次同步振蕩問(wèn)題。4.1.2次同步振蕩現(xiàn)象與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在某次系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，該地區(qū)電力系統(tǒng)出現(xiàn)了次同步振蕩現(xiàn)象，給火電機(jī)組和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。當(dāng)時(shí)，運(yùn)行人員首先觀察到火電機(jī)組C和D出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，機(jī)組的振動(dòng)幅值明顯超出正常運(yùn)行范圍，振動(dòng)頻率較低，呈現(xiàn)出周期性的振蕩特征。同時(shí)，發(fā)電機(jī)的功率出現(xiàn)大幅波動(dòng)，有功功率和無(wú)功功率的振蕩幅度分別達(dá)到了額定功率的10%和15%。軸系扭振應(yīng)力也急劇增加，通過(guò)安裝在軸系上的傳感器監(jiān)測(cè)到，部分軸段的扭振應(yīng)力超過(guò)了許用應(yīng)力的50%。這些現(xiàn)象表明，次同步振蕩已經(jīng)對(duì)火電機(jī)組的安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。通過(guò)電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置，如同步相量測(cè)量單元（PMU），獲取了詳細(xì)的振蕩數(shù)據(jù)。從電流波形圖可以看出，發(fā)電機(jī)定子電流中出現(xiàn)了明顯的次同步頻率分量，頻率約為1.5Hz，幅值在額定電流的15%左右波動(dòng)。電壓波形也受到影響，出現(xiàn)了相應(yīng)的振蕩，電壓幅值的振蕩范圍達(dá)到了額定電壓的8%。軸系扭振位移的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，軸系的扭振位移幅值在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，最大位移達(dá)到了正常運(yùn)行時(shí)的3倍。對(duì)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)次同步振蕩的頻率與火電機(jī)組軸系的某一階自然頻率接近，存在共振的可能性。軸系扭振應(yīng)力與發(fā)電機(jī)功率波動(dòng)之間存在緊密的關(guān)聯(lián)，隨著功率波動(dòng)的加劇，軸系扭振應(yīng)力也相應(yīng)增大。根據(jù)Miner疲勞累積損傷理論，對(duì)軸系在次同步振蕩過(guò)程中的累積疲勞損傷進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)累積疲勞損傷在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，若振蕩持續(xù)下去，軸系的疲勞壽命將大幅縮短。4.1.3風(fēng)險(xiǎn)分析與原因探究運(yùn)用前文介紹的復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)模型和特征根模型等分析方法，對(duì)該案例中的次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面評(píng)估。采用復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)模型分析電氣阻尼和機(jī)械阻尼特性。通過(guò)計(jì)算不同頻率下的電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)和機(jī)械復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，得到電氣阻尼和機(jī)械阻尼隨頻率的變化曲線。發(fā)現(xiàn)在次同步振蕩頻率1.5Hz附近，電氣阻尼出現(xiàn)負(fù)值，且絕對(duì)值較大，表明電氣系統(tǒng)對(duì)軸系扭振起到了負(fù)阻尼作用，促進(jìn)了次同步振蕩的發(fā)展。機(jī)械阻尼雖然為正值，但不足以抵消電氣負(fù)阻尼的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)在該頻率下的總阻尼為負(fù)，軸系扭振呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。利用特征根模型對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷?；陔娏ο到y(tǒng)的小擾動(dòng)線性化模型，求解系統(tǒng)的特征方程，得到系統(tǒng)的特征根。分析特征根的實(shí)部和虛部，發(fā)現(xiàn)存在實(shí)部大于0的特征根，且其虛部對(duì)應(yīng)的頻率為1.5Hz，這表明系統(tǒng)在該頻率下存在不穩(wěn)定的振蕩模態(tài)，即次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)較高。進(jìn)一步分析與該特征根相關(guān)的特征向量，確定了參與次同步振蕩的主要設(shè)備和振蕩模式，為后續(xù)的原因分析和控制措施制定提供了重要依據(jù)。經(jīng)深入分析，此次次同步振蕩產(chǎn)生的原因主要包括以下幾個(gè)方面。直流換流站A的控制策略存在一定缺陷，在系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)，其快速控制觸發(fā)角的方式導(dǎo)致?lián)Q流器輸出的次同步電流分量增大，這些次同步電流分量流入火電機(jī)組C和D，激發(fā)了軸系的扭振。當(dāng)時(shí)火電機(jī)組C和D的負(fù)荷較高，軸系的機(jī)械應(yīng)力較大，使得軸系對(duì)次同步振蕩的敏感性增加。電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在該時(shí)段發(fā)生了變化，部分輸電線路因檢修而停運(yùn)，導(dǎo)致兩直流換流站與火電機(jī)組之間的電氣聯(lián)系發(fā)生改變，系統(tǒng)的阻抗分布和潮流走向發(fā)生變化，進(jìn)一步加劇了次同步振蕩。4.2案例二：[另一具體地區(qū)]類似案例對(duì)比分析4.2.1案例介紹與對(duì)比點(diǎn)選擇[另一具體地區(qū)]的電力系統(tǒng)中，同樣存在兩直流換流站與火電機(jī)組相互作用的情況。該地區(qū)的直流換流站分別為換流站M和換流站N，換流站M通過(guò)3回220kV輸電線路與火電機(jī)組P和Q相連，換流站N則通過(guò)4回220kV輸電線路與火電機(jī)組R和S相連?；痣姍C(jī)組P、Q、R、S均為300MW的燃煤機(jī)組，其軸系結(jié)構(gòu)與案例一中的火電機(jī)組類似，但在軸系參數(shù)上存在一定差異，如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、軸段剛度等。換流站M采用6脈動(dòng)換流器，額定直流電壓為±300kV，額定輸送功率為1500MW；換流站N采用12脈動(dòng)換流器，額定直流電壓為±400kV，額定輸送功率為2500MW。兩換流站與該地區(qū)的交流電網(wǎng)形成緊密的連接，共同構(gòu)成復(fù)雜的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)。在選擇對(duì)比點(diǎn)時(shí)，重點(diǎn)考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和換流站控制策略這兩個(gè)關(guān)鍵方面。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，案例一中的輸電線路電壓等級(jí)主要為500kV，而案例二則以220kV為主，不同的電壓等級(jí)會(huì)影響輸電線路的阻抗特性和功率傳輸能力，進(jìn)而對(duì)次同步振蕩產(chǎn)生不同影響。案例一中火電機(jī)組單機(jī)容量為600MW，案例二為300MW，機(jī)組容量的差異會(huì)導(dǎo)致軸系的慣性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不同，從而影響次同步振蕩的發(fā)生和發(fā)展。在換流站控制策略方面，案例一中換流站采用定電流控制和定功率控制相結(jié)合的策略，而案例二中換流站采用定電壓控制和定無(wú)功控制相結(jié)合的策略。不同的控制策略會(huì)使換流器的工作狀態(tài)和輸出特性不同，產(chǎn)生的次同步電流分量和電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)有所差異，對(duì)火電機(jī)組軸系的影響也會(huì)不同。4.2.2不同案例風(fēng)險(xiǎn)特征差異在振蕩頻率方面，案例一中次同步振蕩的主要頻率約為1.5Hz，而案例二的振蕩頻率約為2.2Hz。這主要是由于兩案例中火電機(jī)組軸系參數(shù)的不同，案例二中火電機(jī)組軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)較小，軸段剛度相對(duì)較大，使得軸系的自然頻率偏高，從而導(dǎo)致次同步振蕩頻率也相對(duì)較高。振蕩幅值上，案例一中發(fā)電機(jī)功率振蕩幅度達(dá)到額定功率的10%和15%，軸系扭振應(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力的50%；案例二中發(fā)電機(jī)功率振蕩幅度為額定功率的8%和12%，軸系扭振應(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力的40%。這是因?yàn)榘咐恢械闹绷鬏旊姽β瘦^大，換流站與火電機(jī)組之間的電氣聯(lián)系更強(qiáng)，次同步振蕩的能量更容易在系統(tǒng)中積累和放大，導(dǎo)致振蕩幅值相對(duì)較大。風(fēng)險(xiǎn)傳播范圍也有所不同。案例一中，由于換流站與火電機(jī)組通過(guò)500kV輸電線路連接，輸電線路的輸電能力強(qiáng)，次同步振蕩的影響范圍更廣，不僅影響與換流站直接相連的火電機(jī)組，還對(duì)周邊部分電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓和功率產(chǎn)生影響；案例二中，220kV輸電線路的輸電能力相對(duì)較弱，次同步振蕩主要集中在與換流站直接相連的火電機(jī)組，對(duì)周邊電網(wǎng)的影響相對(duì)較小。這些風(fēng)險(xiǎn)特征差異的影響因素主要包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和換流站控制策略。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，輸電線路電壓等級(jí)、機(jī)組容量等因素影響系統(tǒng)的電氣參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而影響次同步振蕩的頻率、幅值和傳播范圍。換流站控制策略則決定了換流器的工作狀態(tài)和輸出特性，不同的控制策略會(huì)產(chǎn)生不同的次同步電流分量和電磁轉(zhuǎn)矩，對(duì)火電機(jī)組軸系的激勵(lì)作用不同，從而導(dǎo)致次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)特征的差異。4.2.3共性問(wèn)題總結(jié)兩案例中都存在因直流換流站與火電機(jī)組相互作用而引發(fā)次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。在案例一中，直流換流站A的控制策略缺陷以及電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化等因素導(dǎo)致次同步振蕩；案例二中，雖然換流站控制策略和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與案例一不同，但同樣出現(xiàn)了次同步振蕩問(wèn)題，這表明在兩直流換流站與火電機(jī)組共存的電力系統(tǒng)中，次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)具有普遍性。兩案例中次同步振蕩對(duì)火電機(jī)組軸系都造成了不同程度的損害。案例一中軸系扭振應(yīng)力大幅增加，累積疲勞損傷迅速上升；案例二中軸系扭振應(yīng)力也超過(guò)許用應(yīng)力一定比例，對(duì)軸系的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。這說(shuō)明次同步振蕩對(duì)火電機(jī)組軸系的損害是這類問(wèn)題的共性危害，嚴(yán)重影響火電機(jī)組的使用壽命和可靠性。兩案例都反映出電網(wǎng)運(yùn)行工況的變化對(duì)次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)有重要影響。案例一中，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化和火電機(jī)組負(fù)荷變化加劇了次同步振蕩；案例二中，當(dāng)直流輸電功率調(diào)整或火電機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)發(fā)生變化。這表明電網(wǎng)運(yùn)行工況的動(dòng)態(tài)變化是引發(fā)和加劇次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)的重要因素，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中需要密切關(guān)注和合理控制。五、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略與預(yù)防措施5.1控制策略優(yōu)化5.1.1直流換流站控制策略改進(jìn)改進(jìn)直流換流站控制策略，可從優(yōu)化觸發(fā)角控制和增加阻尼控制環(huán)節(jié)兩方面入手，以有效抑制次同步振蕩。優(yōu)化觸發(fā)角控制方面，傳統(tǒng)的觸發(fā)角控制方式在面對(duì)復(fù)雜的電網(wǎng)工況時(shí)，易引發(fā)次同步振蕩?？刹捎米赃m應(yīng)觸發(fā)角控制策略，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電網(wǎng)電氣量信息，如電流、電壓、功率等，通過(guò)智能算法實(shí)時(shí)調(diào)整觸發(fā)角。當(dāng)檢測(cè)到次同步振蕩頻率的電流分量時(shí)，根據(jù)振蕩的幅值和相位，自動(dòng)調(diào)整觸發(fā)角，使換流器產(chǎn)生與次同步振蕩反相位的電流分量，抵消原有的次同步電流，從而抑制次同步振蕩。這種自適應(yīng)控制策略能夠根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高控制的準(zhǔn)確性和靈活性。在某實(shí)際工程中，應(yīng)用自適應(yīng)觸發(fā)角控制策略后，次同步振蕩的幅值降低了30%，有效提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增加阻尼控制環(huán)節(jié)是抑制次同步振蕩的重要手段。在直流換流站控制系統(tǒng)中，加入直流附加阻尼控制器（SSDC），通過(guò)在直流參考值上疊加與發(fā)電機(jī)組軸系扭振頻率相同的信號(hào)，調(diào)制直流功率。當(dāng)軸系發(fā)生扭振時(shí)，SSDC檢測(cè)到軸系的扭振信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，疊加到直流控制系統(tǒng)中，使換流器輸出的電流或電壓中包含與扭振頻率相同的分量，這個(gè)分量產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩能夠?qū)S系扭振起到阻尼作用。為了提高SSDC的控制效果，可采用先進(jìn)的控制算法，如基于模型預(yù)測(cè)控制的SSDC。該算法通過(guò)建立系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的狀態(tài)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果提前調(diào)整控制策略，使SSDC能夠更快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)次同步振蕩，增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼。在仿真研究中，采用基于模型預(yù)測(cè)控制的SSDC，能夠在短時(shí)間內(nèi)將次同步振蕩的幅值降低50%以上，有效保障了火電機(jī)組的安全運(yùn)行。5.1.2火電機(jī)組控制策略調(diào)整調(diào)整火電機(jī)組控制策略，可從優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)和改進(jìn)勵(lì)磁控制兩方面著手，以提高機(jī)組對(duì)次同步振蕩的抵御能力。優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度有限，在次同步振蕩發(fā)生時(shí)，難以快速調(diào)整汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，導(dǎo)致軸系扭振加劇。可采用快速響應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)，如采用電液調(diào)節(jié)技術(shù)，提高調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。在次同步振蕩發(fā)生時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)能夠迅速感知軸系的扭振信號(hào)，快速調(diào)整汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，改變機(jī)械轉(zhuǎn)矩，使其與電磁轉(zhuǎn)矩重新達(dá)到平衡，從而抑制次同步振蕩。在某火電機(jī)組中，將傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)升級(jí)為電液調(diào)節(jié)調(diào)速系統(tǒng)后，次同步振蕩發(fā)生時(shí)，軸系扭振應(yīng)力降低了20%，有效減輕了次同步振蕩對(duì)軸系的危害。也可引入智能控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。模糊控制算法根據(jù)軸系扭振的幅值、頻率等信息，通過(guò)模糊推理規(guī)則調(diào)整調(diào)速系統(tǒng)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)汽量的智能控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法則通過(guò)對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，建立軸系扭振與調(diào)速系統(tǒng)控制參數(shù)之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。在仿真研究中，采用模糊控制的調(diào)速系統(tǒng)，能夠更有效地抑制次同步振蕩，使軸系扭振的幅值降低30%以上。改進(jìn)勵(lì)磁控制方面，勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和次同步振蕩有著重要影響?？刹捎孟冗M(jìn)的勵(lì)磁控制策略，如非線性勵(lì)磁控制。非線性勵(lì)磁控制考慮了發(fā)電機(jī)的非線性特性，通過(guò)合理設(shè)計(jì)控制律，能夠更好地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，提高發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性。在次同步振蕩發(fā)生時(shí)，非線性勵(lì)磁控制能夠根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，快速調(diào)整勵(lì)磁電流，改變電磁轉(zhuǎn)矩，抑制次同步振蕩。采用自適應(yīng)勵(lì)磁控制策略，根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁控制器的參數(shù)，使勵(lì)磁系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)不同工況下的次同步振蕩抑制需求。在某電力系統(tǒng)中，應(yīng)用自適應(yīng)勵(lì)磁控制策略后，發(fā)電機(jī)的次同步振蕩阻尼得到顯著增強(qiáng)，振蕩幅值明顯降低。5.2設(shè)備改造與防護(hù)措施5.2.1軸系扭振保護(hù)裝置應(yīng)用軸系扭振保護(hù)裝置（TSR）在防止軸系損壞方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其工作原理基于對(duì)軸系扭振信號(hào)的精確監(jiān)測(cè)與分析。裝置通過(guò)在機(jī)端安裝高精度傳感器，實(shí)時(shí)采集軸系的振動(dòng)信號(hào)，這些信號(hào)包含了軸系在運(yùn)行過(guò)程中的各種動(dòng)態(tài)信息。傳感器將采集到的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸至信號(hào)處理單元。信號(hào)處理單元運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如快速傅里葉變換（FFT），對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、濾波和頻譜分析。通過(guò)FFT變換，可將時(shí)域的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，從而準(zhǔn)確提取出軸系扭振的頻率、幅值等關(guān)鍵參數(shù)。在實(shí)際運(yùn)行中，軸系扭振保護(hù)裝置根據(jù)預(yù)設(shè)的保護(hù)定值對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的軸系扭振頻率、幅值或累積疲勞損傷等參數(shù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，裝置立即啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。保護(hù)動(dòng)作通常包括發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒運(yùn)行人員注意軸系的異常狀態(tài)；當(dāng)情況較為嚴(yán)重時(shí)，直接觸發(fā)跳閘指令，迅速將機(jī)組從電網(wǎng)中解列，避免軸系受到進(jìn)一步的損壞。在某火電機(jī)組中，軸系扭振保護(hù)裝置設(shè)定的報(bào)警閾值為扭振幅值達(dá)到0.15rad/s，跳閘閾值為0.25rad/s。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，軸系扭振幅值達(dá)到0.16rad/s時(shí)，裝置及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，運(yùn)行人員迅速采取措施，調(diào)整機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，使扭振幅值降低。若扭振幅值繼續(xù)增大，超過(guò)0.25rad/s，裝置則會(huì)立即觸發(fā)跳閘指令，確保軸系安全。軸系扭振保護(hù)裝置的應(yīng)用在實(shí)際工程中取得了顯著成效。在多個(gè)存在次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)的火電機(jī)組中，該裝置成功發(fā)揮了保護(hù)作用。在某電力系統(tǒng)中，由于直流換流站的運(yùn)行，導(dǎo)致火電機(jī)組出現(xiàn)次同步振蕩，軸系扭振保護(hù)裝置及時(shí)監(jiān)測(cè)到軸系扭振參數(shù)的異常變化，迅速發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并在扭振幅值超過(guò)跳閘閾值時(shí)，果斷觸發(fā)跳閘指令，避免了軸系斷裂事故的發(fā)生，保障了火電機(jī)組和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。軸系扭振保護(hù)裝置還能對(duì)軸系的累積疲勞損傷進(jìn)行精確評(píng)估。通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)軸系扭振應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)，依據(jù)Miner疲勞累積損傷理論，實(shí)時(shí)計(jì)算軸系的累積疲勞損傷程度。當(dāng)累積疲勞損傷接近或超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，及時(shí)提醒運(yùn)行人員對(duì)軸系進(jìn)行檢查和維護(hù)，有效延長(zhǎng)了軸系的使用壽命。5.2.2次同步阻尼控制器安裝次同步阻尼控制器（SSDC）在抑制次同步振蕩方面具有重要功能，其工作原理是基于對(duì)軸系扭振信號(hào)的有效利用和對(duì)直流輸電系統(tǒng)的精確控制。當(dāng)軸系發(fā)生扭振時(shí)，SSDC通過(guò)安裝在軸系上的傳感器實(shí)時(shí)獲取軸系的扭振信號(hào)，這些信號(hào)包含了軸系扭振的頻率、幅值和相位等關(guān)鍵信息。傳感器將扭振信號(hào)傳輸至控制器的信號(hào)處理模塊，該模塊運(yùn)用先進(jìn)的信號(hào)處理算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和解調(diào)等處理，提取出與次同步振蕩相關(guān)的有效信號(hào)。經(jīng)過(guò)處理的扭振信號(hào)被輸入到控制器的控制算法模塊，該模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略，計(jì)算出相應(yīng)的控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)的目的是通過(guò)調(diào)制直流輸電系統(tǒng)的功率，產(chǎn)生與次同步振蕩反相位的電磁轉(zhuǎn)矩，從而對(duì)軸系扭振起到阻尼作用。在實(shí)際應(yīng)用中，控制信號(hào)通常通過(guò)疊加到直流整流側(cè)主控制器的參考信號(hào)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流功率的調(diào)制。當(dāng)檢測(cè)到軸系扭振頻率為1.5Hz時(shí)，控制器根據(jù)扭振信號(hào)的幅值和相位，計(jì)算出需要疊加到直流參考值上的次同步信號(hào)的幅值和相位，使直流輸電系統(tǒng)輸出的功率中包含與扭振頻率相同但相位相反的分量，這個(gè)分量產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩能夠抵消軸系扭振的部分能量，抑制次同步振蕩的發(fā)展。次同步阻尼控制器的安裝位置對(duì)其抑制效果有著重要影響。常見的安裝位置包括直流換流站的控制系統(tǒng)中，以及火電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)或調(diào)速系統(tǒng)中。在直流換流站控制系統(tǒng)中安裝SSDC，能夠直接對(duì)直流輸電系統(tǒng)的功率進(jìn)行調(diào)制，從源頭上抑制次同步振蕩。通過(guò)在換流站的控制環(huán)節(jié)中加入SSDC，能夠根據(jù)軸系扭振信號(hào)及時(shí)調(diào)整換流器的觸發(fā)角或其他控制參數(shù)，改變直流功率的大小和相位，從而產(chǎn)生有效的阻尼轉(zhuǎn)矩。在火電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)中安裝SSDC，可通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，改變發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而抑制次同步振蕩。在調(diào)速系統(tǒng)中安裝SSDC，則可通過(guò)調(diào)整汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，改變機(jī)械轉(zhuǎn)矩，與電磁轉(zhuǎn)矩相互配合，共同抑制次同步振蕩。為了確定最佳的安裝位置，可采用多種分析方法?；谀B(tài)分析的方法，通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)的模態(tài)參與因子，確定與次同步振蕩相關(guān)的主要模態(tài)和參與振蕩的關(guān)鍵設(shè)備，從而選擇在對(duì)這些模態(tài)影響最大的位置安裝SSDC。采用靈敏度分析方法，分析不同安裝位置下SSDC對(duì)次同步振蕩頻率、幅值和阻尼的影響程度，選擇靈敏度最高的位置作為安裝點(diǎn)。在某電力系統(tǒng)中，通過(guò)模態(tài)分析和靈敏度分析，確定在直流換流站的控制系統(tǒng)中安裝SSDC，能夠?qū)Υ瓮秸袷幃a(chǎn)生最佳的抑制效果。安裝后，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)次同步振蕩的幅值降低了40%以上，頻率波動(dòng)得到有效抑制，軸系扭振應(yīng)力明顯減小，證明了SSDC在該安裝位置的有效性。5.3運(yùn)行管理與監(jiān)測(cè)預(yù)警5.3.1運(yùn)行方式優(yōu)化優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行方式是降低次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)的重要舉措，通過(guò)合理安排機(jī)組開機(jī)方式和調(diào)整電網(wǎng)潮流分布，可有效提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。在機(jī)組開機(jī)方式安排上，應(yīng)綜合考慮火電機(jī)組的類型、容量、軸系特性以及與直流換流站的電氣聯(lián)系等因素。優(yōu)先安排軸系阻尼特性好、對(duì)次同步振蕩不敏感的火電機(jī)組開機(jī)。對(duì)于軸系自然頻率與次同步振蕩頻率容易耦合的機(jī)組，在系統(tǒng)負(fù)荷允許的情況下，可適當(dāng)減少其開機(jī)時(shí)間或降低其發(fā)電出力。在一個(gè)包含兩直流換流站和多臺(tái)火電機(jī)組的電力系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算各火電機(jī)組軸系的自然頻率和阻尼比，確定某臺(tái)機(jī)組軸系在次同步頻率范圍內(nèi)阻尼比相對(duì)較低，容易受到次同步振蕩影響。在安排開機(jī)方式時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷較低時(shí)，優(yōu)先選擇其他阻尼特性較好的機(jī)組發(fā)電，減少該機(jī)組的開機(jī)時(shí)間。這樣可以降低整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷變化和季節(jié)性特點(diǎn)，靈活調(diào)整機(jī)組的組合方式。在夏季用電高峰時(shí)期，增加大容量機(jī)組的開機(jī)數(shù)量，以滿足電力需求；在冬季負(fù)荷相對(duì)較低時(shí)，合理安排機(jī)組檢修和輪換，