NGH阻尼器的次同步谐振及阻尼机制分析

在图6-18中，若电源频率为f，X_S是系统（含线路）等效电抗，串联补偿电容C容抗为X_C，则X_S与X_C一起可形成串联谐振电路，其自然振荡频率f_r为

式中，X_C、X_s为电源频率f对应的串补容抗和系统感抗。

图6-18 基本NGH次同步振荡阻尼器(www.xing528.com)

由于串补的补偿度k通常为0.15～0.5，f=50Hz时谐振频率f_r=20～35Hz，低于电源频率f，系统在一定的扰动下就可能形成以谐振频率为f_r的次同步振荡电流。频率为f_r的次同步振荡电流在发电机定子上产生与谐振频率f_r对应的旋转磁场，这个与谐振频率f_r对应的旋转磁场其转速为ω_r=2πf_r。而发电机转子的旋转速度ω=2πf，速度为ω_r（f_r）的旋转磁场与转子的相对速度为ω-ω_r=2π（f-f_r）=2πf_m，f_m=f-f_r串联补偿度k越大，f_m越低，这个差频f_m磁场在转子上感应差频电流，并产生相应的频率为f_m（f-f_r）的交变转矩。当这一交变转矩的频率f-f_r与发电机转子轴系统的某个自然扭转谐振频率f_mn接近时，就可能激发低于同步频率的持续的扭转振荡。这种次同步振荡（Subsynchronous Resonance，SSR）现象，早在1937年就被发现了，但是直到20世纪70年代美国内华达州南部的Mojave发电站的两台大型汽轮发电机转轴断裂后才引起人们的重视。理论研究表明串联补偿的线路和发电机的机械系统之间的相互影响能导致负阻尼，从而引起电气和机械振荡的共振。

大型汽轮机在额定频率以下范围内一般有4～5个自然扭转振荡点，其中最低的是摇摆频率点f_mn，在补偿度k较大时，可能f_m（f-f_r）与f_mn接近，形成谐振，在这个频率下整个汽轮机气缸和发电机转子系统作为一个大惯性体受次同步扭转作用可能严重损坏。为了提高串联补偿效果，希望补偿度k值大一些而又要避免串联电容补偿度过大可能引起次同步谐振（SSR）。1981年N.G.Hingorani提出了一种晶闸管控制、抑制串联电容器补偿带来的次同步振荡方法（被称为NGH阻尼装置），该方法被证实能够有效缓解次同步振荡（SSR）。

在线路上串联补偿引起次同步谐振电流时，这个低频谐振电流分量会在串联电容C上产生一个低频电压v_sub，因此电容C上除有基波工频电压v₁外还有低频电压v_sub存在。低频电压v_sub和工频基波正弦电压v₁相加会使电容上总电压v_C（v₁+v_sub）正、负半周不相等，因此电容C上的50Hz基波正弦电压V₁瞬时值达到零值时，低频电压v_sub可能不为零。次同步振荡NGH阻尼器就是一当检测到有次同步振荡发生，电容C上形成次同步电压v_sub时，通过控制晶闸管的开通，立即消除v_sub，破坏次同步振荡的形成，或减弱次同步振荡电压、电流。NGH次同步振荡阻尼器的基本原理是：检测电容器C上总的电压瞬时值v_C，从中分析出电网工频基波正弦电压波v₁的过零点，判断基波电压v₁从最大值变小到近似零时，次同步电压v_sub是否为零。若v_sub不为零，说明已存在次同步谐振，则立即开通图6-18中与电容C并联的晶闸管V，形成L、R、C放电回路，电流i_R使v_C迅速放电至零，v_C=v₁+v_sub=0，强制v_sub=0，电容被开关管旁路，破坏了谐振的条件。当v_sub放电至零后，就立即断开开关，切出与补偿电容C并联的L支路，恢复串联补偿电容的功能。因此，NGH阻尼器是基于一个晶闸管控制放电电阻器来消除次同步振荡电压、电流（即一个晶闸管同一个放电电流的电阻和限制di/dt的电抗串联）的。当再次检测到次同步振荡电压v_sub≠0，在接近电容器正弦基波电压半个周波末瞬时值零点附近，再开通VT，迫使次同步电压v_sub快速放电至零。因此NGH阻尼器能够较有效地阻尼持续的次同步振荡的形成。