全控器件勵磁系統(tǒng)改善電力系統(tǒng)阻尼特性的研究

楊嘉偉，吳建東，毛承雄，陸繼明，王丹

(華中科技大學 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，武漢 430074)

引言

全國性區(qū)域電網互聯(lián)在實現(xiàn)了電力資源的優(yōu)化配置、提高系統(tǒng)發(fā)電和輸電經濟性和可靠性的同時，也會帶來一系列新的問題，其突出表現(xiàn)為由于互聯(lián)系統(tǒng)阻尼不足而導致的大范圍區(qū)域間的功率振蕩[1]。此外，長距離輸電是我國電網的另一大特點，研究表明，即使配置了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizer,PSS)，長距離輸電線路仍舊存在阻尼不足的情況，因此需要積極探索新的抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的措施。目前抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的方法大致可以分為一次系統(tǒng)對策與二次系統(tǒng)對策兩類。其中一次系統(tǒng)對策主要有減少重負荷輸電線、減少送受端的電氣距離、采用直流輸電以及在輸電線上裝設 FACTS(Flexible AC Transmission System)；二次系統(tǒng)對策主要是指在勵磁控制系統(tǒng)中配置 PSS。發(fā)電機勵磁控制對于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性有著重要作用，是上述眾多對策中最直接、最經濟的措施[2]。文獻[3-5]結合現(xiàn)代大功率電力電子技術的發(fā)展，提出了一種基于全控器件(如IGBT、IGCT、GTO等)的同步發(fā)電機新型勵磁系統(tǒng)，使用全控器件換流器代替常規(guī)自并勵勵磁系統(tǒng)中的晶閘管換流器。由于全控器件換流器具備有功、無功功率單獨控制的特點[6]，全控器件勵磁系統(tǒng)能夠獨立的控制勵磁電壓和交流側無功功率，也就是說全控器件勵磁系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)常規(guī)自并勵勵磁系統(tǒng)的所有功能，還相當于在發(fā)電機機端并聯(lián)了一個額外的無功注入環(huán)節(jié)(ReactivePower Injector, RPI)，因此全控器件勵磁系統(tǒng)擁有兩條通道為電力系統(tǒng)提供阻尼：勵磁控制和無功注入。由于勵磁繞組的時間常數(shù)是秒級的，而無功注入是毫秒級的，所以全控器件勵磁系統(tǒng)能夠為系統(tǒng)提供更快、更多的阻尼，從而為解決電力系統(tǒng)低頻振蕩問題和提高遠距離輸電能力提供了一種新的途徑。與由晶閘管構成的常規(guī)自并勵勵磁系統(tǒng)相比，全控器件勵磁系統(tǒng)的主要優(yōu)點有[4]：

（1）基于全控器件構成的整流橋在逆變時沒有換相失敗問題；

（2）直流側在提供同步發(fā)電機直流勵磁電流的同時，其交流側可以向同步發(fā)電機機端發(fā)出或吸收無功，而常規(guī)自并勵勵磁系統(tǒng)無論在整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)都從機端吸收無功；

（3）在電力系統(tǒng)大幅度低頻/超低頻振蕩期間，全控器件整流構成的自并勵勵磁系統(tǒng)具有升壓能力，仍然可以維持很好的勵磁能力，故全控器件勵磁系統(tǒng)可以達到他勵勵磁系統(tǒng)的控制效果。

本文介紹了基于電壓源型換流器(Voltage Source Converter, VSC)的全控器件勵磁系統(tǒng)的基本結構，推導出了其等效簡化模型，在此基礎上建立了裝有全控器件勵磁系統(tǒng)的單機無窮大系統(tǒng)的Philips-Heffron模型。參照設計電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizers，PSS)的相位補償法[7]，設計了全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入控制器。仿真結果表明，全控器件勵磁系統(tǒng)能夠更加有效地抑制低頻振蕩和維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

1 全控器件勵磁系統(tǒng)的結構及等效模型

就 PWM 換流器拓撲結構而言，可分為電壓源型換流器(Voltage Source Converter, VSC)和電流源型換流器(Current Source Converter, CSC)兩大類。其中VSC具有結構簡單、損耗較低以及控制方便等一系列優(yōu)點[8]，且其平穩(wěn)的直流側電壓有利于勵磁電壓的控制。因此本文針對基于VSC的全控器件勵磁系統(tǒng)，建立了其等效模型。

基于VSC的全控器件勵磁系統(tǒng)的拓撲結構如圖1所示。大型同步發(fā)電機和電力系統(tǒng)要求勵磁系統(tǒng)能使勵磁電流從零開始上升(發(fā)電機零起升壓)和逆變[9]。由于VSC直流側電壓高于交流側電壓峰值及其固有的電壓源特性，VSC需要經過一個額外的斬波器與勵磁繞組相連后才能實現(xiàn)上述功能。

通過解耦控制[6]可以實現(xiàn)VSC的有功和無功功率的獨立控制。其中有功控制的目的是維持VSC直流側電壓恒定，因此全控器件勵磁系統(tǒng)的勵磁電壓可以認為是由恒壓源經過斬波電路后獲得，即勵磁電壓的大小僅與斬波電路的占空比有關。無功控制是調節(jié)VSC交流側與機端交換的無功功率，為電力系統(tǒng)提供更多的阻尼。一般來說勵磁繞組的額定容量大約只占發(fā)電機的0.25%～0.5%[2]，如果忽略這部分能量，則全控器件勵磁系統(tǒng)的交流側相當于一個并聯(lián)在機端的無功注入環(huán)節(jié)。所以全控器件勵磁系統(tǒng)可以用如圖2所示的等效模型來代替。

圖1 基于VSC的全控器件勵磁系統(tǒng)

2 基于全控器件勵磁系統(tǒng)的單機無窮大系統(tǒng)數(shù)學模型

裝有全控器件勵磁系統(tǒng)的單機無窮大系統(tǒng)如圖 2所示。其中Vt為發(fā)電機機端電壓；Vb為無窮大母線電壓；xT、xL分別為主變壓器和輸電線路的阻抗；iGd、iGq分別為發(fā)電機定子電流的d、q軸分量；iSd、iSq分別為全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入電流的d、q軸分量。

圖2 基于全控器件勵磁系統(tǒng)的單機無窮大系統(tǒng)

發(fā)電機采用三階模型，而且認為機械功率在暫態(tài)過程中保持不變，則可以得到整個系統(tǒng)的非線性方程為[2]：

由于全控器件勵磁系統(tǒng)交流側等效為一個無功注入環(huán)節(jié)，所以有：

因此，考慮全控器件勵磁系統(tǒng)交流側無功注入環(huán)節(jié)的影響后，發(fā)電機機端電壓的表達式為：

將上述方程偏差化、線性化，則可以得到基于全控器件勵磁系統(tǒng)的單機無窮大系統(tǒng)的 Philips-Heffron模型表達式為：

其中

從圖3可以看出，由無功注入提供的電磁轉矩可以分成兩個部分：一部分轉矩與系數(shù)K10相關，直接作用于發(fā)電機機電振蕩環(huán)節(jié)；另一部分轉矩與K11和K12相關，通過勵磁繞組后間接作用于發(fā)電機。

3 基于相位補償法的無功注入控制器設計

與常規(guī)勵磁系統(tǒng)一樣，全控器件勵磁系統(tǒng)可以通過勵磁控制來增強系統(tǒng)阻尼和維持系統(tǒng)穩(wěn)定，如裝設電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizers，PSS)。本文主要考慮全控器件勵磁無功注入對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，參照 PSS的相位補償設計方法[2]，對無功注入控制器進行了設計。

全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入應該同時具備電壓控制環(huán)節(jié)以及穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)。電壓控制環(huán)節(jié)旨在維持發(fā)電機端電壓穩(wěn)定性，穩(wěn)定控制的目的在于改善系統(tǒng)的阻尼特性。為簡化分析，假定電壓控制為純增益環(huán)節(jié)，穩(wěn)定控制采用類似PSS的結構[10]，即：

其中

式中：KQ為無功注入穩(wěn)定器增益；Tω為隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)；T1～T4相位補償環(huán)節(jié)參數(shù)。

圖3 基于全控器件勵磁的單機無窮大系統(tǒng)數(shù)學模型

圖4 ΔQ到發(fā)電機機電振蕩環(huán)節(jié)的前向通道

由圖 3可得ΔQ到發(fā)電機機電振蕩環(huán)節(jié)的前向通道如圖4所示。對全控器件勵磁系統(tǒng)，可以認為勵磁時間常數(shù)TA≈0，再考慮到K3K6KA＜＜1，由此可以得出該前向通道的傳遞函數(shù)為：

因此，由全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入提供的電磁轉矩為：

再考慮式(12)、(13)，則有

因此，無功注入穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)提供的阻尼轉矩為：

參照PSS相位補償設計原理，應該使穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)GQ(s)與FQ(s)F2(s)相消，使得無功注入穩(wěn)定控制提供正的阻尼轉矩以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。假設系統(tǒng)需要無功注入提供的額外轉矩為ΔMQD=DQΔω，并在總相位中留有20°的滯后[11]，則全控器件勵磁無功注入穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)參數(shù)可按下式進行設計：

4 仿真驗證

為驗證全控器件勵磁系統(tǒng)注入無功改善電力系統(tǒng)阻尼特性的能力以及上述控制器設計的有效性，本文對如圖2所示的單機無窮大系統(tǒng)進行了數(shù)值仿真。為了便于和常規(guī)勵磁系統(tǒng)進行對比，全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入初值設置為零。仿真數(shù)據(jù)如下：

機組參數(shù)：

線路參數(shù)：xT= 0 .13,xL=0.425

常規(guī)勵磁系統(tǒng)LOEC參數(shù)：

全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入控制器參數(shù)：

系統(tǒng)初始運行點為：

仿真中取如下擾動：

（1）機端電壓參考值上升5%；

（2）t=0.5s時變壓器高壓側三相對地短路，0.1s后故障切除；

（3）t=0.5s時切除一條線路，單回線運行3.5s后恢復雙回線運行。

仿真結果如圖5～圖7所示。

圖5 擾動(1)下的系統(tǒng)響應

從以上仿真結果可以得出，與常規(guī)勵磁系統(tǒng)相比，在擾動/故障發(fā)生后全控器件勵磁系統(tǒng)能夠迅速平息振蕩，表現(xiàn)出了更好的阻尼特性，因此可以更好的阻尼電力低頻振蕩和維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖6 擾動(2)下的系統(tǒng)響應

圖7 擾動(3)下的系統(tǒng)響應

5 結論

本文研究了全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入改善電力系統(tǒng)阻尼特性的能力。通過對基于VSC的全控器件勵磁系統(tǒng)的特性分析得出了其等效模型，并在此基礎之上建立了裝有全控器件勵磁系統(tǒng)的單機無窮大系統(tǒng)的Philips-Heffron模型。運用相位補償方法設計了無功注入控制器。仿真結果驗證了無功注入改善電力系統(tǒng)阻尼特性的能力。與常規(guī)勵磁系統(tǒng)相比，全控器件勵磁系統(tǒng)能夠更加有效地阻尼低頻振蕩和維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

[1]余貽鑫, 李鵬. 大區(qū)電網弱互聯(lián)對互聯(lián)系統(tǒng)阻尼和動態(tài)穩(wěn)定性的影響[J]. 中國電機工程學報,2005, 25(11): 6-11．

[2]劉取. 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機勵磁控制[M]. 北京: 中國電力出版社, 2007.

[3]何麗娜, 毛承雄, 陸繼明等. 采用大功率電力電子全控器件的新型勵磁系統(tǒng)[J]. 高電壓技術,2009, 35(7): 1711-1717.

[4]毛承雄, 吳建東, 婁慧波等. 基于電流源型變換器的大型同步發(fā)電機勵磁[J]. 水電能源科學,2008, 26(3): 172-175．

[5]吳建東, 何麗娜, 毛承雄等. 同步發(fā)電機的新型勵磁系統(tǒng)[J]. 電力科學與技術學報, 2009, 24(4):12-18．

[6]Y.Ye, M. Kazerani, V. H. Quintana. A novel modeling and control method for three-phase PWM converters[C]. PESC. 2001 IEEE 32th Annual, 2001,1: 102-107．

[7]F.P. deMello, C.Concoridia. Concept of synchronous machine stability as affected by excitation control[J]. IEEE Trans. Power App. Syst. 1969, 88(4):316-329．

[8]Mehrdad Kazerani, Yang Ye. Comparative evaluation of three-phase PWM voltage and current-source converter topologies in facts applications [C].Power Engineering Society Summer Meeting, 2002 IEEE, 2002, 1: 473-479．

[9]王丹, 陸繼明, 毛承雄. 三峽水輪發(fā)電機組滅磁方案研究[J]. 電網技術, 2002, 26(6): 39-42．

[10]E.V. Larsen, D.A. Swann. Applying power system stabilizers, Part I [J]. IEEE Transactions on PAS,1981, PAS-100(6): 3017-3024．

[11]Wang HF, Swift FJ. An unified model for the analysis of FACTS devices in damping power system oscillations. Part I: single-machine infinite-bus power systems [J]. IEEE Trans. Power Del. 1997, 12(2): 941–946．