基于SVC利用遠端信號緩解次同步諧振研究

張學(xué)群 康積濤 李 林 劉永江

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

1 引言

輸電線路經(jīng)串聯(lián)補償能夠顯著的提高輸電容量和提高暫態(tài)穩(wěn)定性。但是在帶來經(jīng)濟效益的同時，也帶來了很多問題，次同步諧振就是其中之一。次同步諧振問題(Subsynchronous Resonance, SSR)是一個已經(jīng)廣泛討論的問題[1-2]。從美國哈莫夫電廠發(fā)現(xiàn) SSR現(xiàn)象[3]至今，國內(nèi)外對于抑制措施有廣泛的研究。國內(nèi)利用國內(nèi)廣泛應(yīng)用的SVC抑制SSR的研究不是太多[4-5]。本文利用安裝在線路中點的SVC，并加裝阻尼控制器，在 IEEE第一標準測試模型[6]基礎(chǔ)上，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件對控制效果進行仿真。

2 次同步諧振的基本原理

2.1 次同步諧振的產(chǎn)生機理

電力系統(tǒng)次同步諧振是指由于汽輪發(fā)電機組與具有串聯(lián)補償?shù)妮旊娤到y(tǒng)之間的耦合作用而產(chǎn)生的機電振蕩行為，因為系統(tǒng)對該振蕩呈現(xiàn)的弱阻尼、無阻尼、甚至是負阻尼特性，使這種振蕩的振幅呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢[1]。圖 1所示為具有補償線路的汽輪發(fā)電機組的示意圖。

圖1 具有串聯(lián)補償線路的汽輪發(fā)電機組

對于整個系統(tǒng)，其自然電氣諧振頻率是：式中，ω0為系統(tǒng)運行頻率，XC是串補電容X' '是發(fā)電機次暫態(tài)電抗，XL代表輸電線路阻抗，XT代表升壓變壓器的漏電抗。

產(chǎn)生SSR的條件為：當(dāng)定子回路的電磁振蕩頻率ωer與軸系的某一自然扭振頻率ωm互補，即ωer+ωm=1時,發(fā)電機轉(zhuǎn)子中頻率為ωm的振蕩分量，將在定子繞組中引起頻率為 1?ωm的電流分量,這個電流分量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩實際上是一個與擾動同相位的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，它對軸系中頻率為ωΔ 的振蕩分量產(chǎn)生負阻尼作用，結(jié)果將使這一振蕩分量趨于增大，這樣就形成電氣共振與機械共振之間的相互激勵。如果此激勵能抵償或者超過機械和電磁振蕩中的各種阻尼和電阻中的功率損耗，振蕩就可以維持下去甚至發(fā)散，系統(tǒng)中出現(xiàn)次同步諧振[7]。這便是具有串聯(lián)電容補償?shù)碾娏ο到y(tǒng)中發(fā)生次同步振蕩的機理。

2.2 次同步諧振的抑制

現(xiàn)有的抑制電力系統(tǒng)次同步諧振的抑制方法可以分為兩大類[8]：

（1）通過加裝附加設(shè)備或改造已有一次設(shè)備以防止不穩(wěn)定次同步振蕩的發(fā)生，包括使用濾波器和增加阻尼設(shè)備、采用發(fā)電機扭振繼電器、改變電力系統(tǒng)的運行方式以及改造發(fā)電機組等措施。

（2）使用二次設(shè)備（即控制裝置），其本質(zhì)是使用二次設(shè)備提供對主導(dǎo)扭振模式的阻尼來抑制次同步諧振，其原理類似于使用PSS抑制低頻振蕩。常用的方法是通過適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄔ诂F(xiàn)有的電力系統(tǒng)控制裝置上附加控制信號，從而在發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩中產(chǎn)生阻尼次同步諧振的電氣阻尼轉(zhuǎn)矩，達到抑制次同步諧振的目的。

3 SVC抑制次同步振蕩的原理分析

3.1 SVC抑制次同步振蕩的基本原理

靜止無功補償器（SVC）一般采用晶閘管控制電抗器（TCR）與固定電容器（FC）或者晶閘管控制投切電容器（TSC）組合而成，現(xiàn)實對系統(tǒng)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)[9]。

通過控制晶閘管的觸發(fā)相位角，可以控制每個周期周波內(nèi)電感L接入系統(tǒng)時間的長短，從而改變TCR的等值電抗。其等值電抗與觸發(fā)角的關(guān)系為

圖2 靜止無功補償裝置原理接線圖

用于抑制SSR的SVC具有電流放大作用，選取恰當(dāng)?shù)目刂菩盘枺鳛門CR的輸入信號，據(jù)此控制TCR支路的電流大小，產(chǎn)生抑制SSR的阻尼轉(zhuǎn)矩[10]，當(dāng)沒有發(fā)電機軸系扭振時，SVC的作用如同一個穩(wěn)定且連續(xù)的無功負荷。這就是基于SVC抑制次同步諧振的基本思想。

圖3 靜止無功補償器數(shù)學(xué)模型

3.2 SVC次同步振蕩阻尼控制器

SSDC抑制次同步振蕩的原理與PSS抑制低頻振蕩相類似。目前針對SSDC已經(jīng)展開過一些討論。文獻[11]采用遺傳-模擬退火算法設(shè)計了一種專門針對SVC的SSDC裝置，并應(yīng)用于錦界電廠SSR問題。圖4所示為一個 SSDC裝置的示意圖。

圖4 SSDC裝置示意圖

4 測試系統(tǒng)及SVC控制裝置

本文采用IEEE第一標準測試模型[6]，其中線路的串補度為47%，SVC安裝在線路中點位置，如圖4所示。

安裝在線路中的靜止無功補償裝置，主要是在系統(tǒng)中存在擾動的時候，通過調(diào)節(jié)線路中的母線電壓。通過加裝輔助阻尼控制器（SSDC），可以達到增強系統(tǒng)扭振模態(tài)阻尼的目的。帶有電壓調(diào)機器的SVC線性化模型如圖5所示。附加阻尼控制器H(s)根據(jù)控制策略的不同，有很多不同的結(jié)構(gòu)[12]。

圖5 測試系統(tǒng)原理圖

圖6 SVC輔助控制

5 仿真結(jié)果及分析

發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差、輸出功率、兩高壓缸轉(zhuǎn)速偏差等信號都包含需阻尼的所有原動機的扭振模式分量。但因為后兩種信號對控制器的移相更敏感，故通常選擇發(fā)電機的轉(zhuǎn)速偏差最為控制器的輸入信號，以提高SVC的控制效果[11]。在本文的仿真中，未考慮在 SVC控制裝置中添加輔助控制裝置，SSDC的結(jié)構(gòu)為一PID控制環(huán)節(jié)。

圖7 未安裝SVC時的軸系轉(zhuǎn)矩

圖8 安裝SVC無附加控制器時的軸系轉(zhuǎn)矩

圖9 安裝SVC-SSDC時LPA-LPB間轉(zhuǎn)矩

6 結(jié)論

由以上的仿真結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）將SVC安裝在線路中點位置，利用遠端的發(fā)電機信號，經(jīng)過適當(dāng)?shù)目刂骗h(huán)節(jié)可以達到緩解次同步諧振的目的。

（2）在SVC的控制環(huán)節(jié)中未加入SSDC裝置時，緩解次同步諧振的效果較差。由圖形可見，在未加裝SSDC時，軸系扭振雖然得到一定的控制，但是存在一個比較明顯的階躍。

SVC裝置是一種已經(jīng)在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)。本文IEEE第一模型基礎(chǔ)上，基于PSCAD仿真軟件，利用遠端發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差信號研究了SVC緩解次同步諧振的有效性。

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