SVC安裝地點對次同步振蕩抑制效果的影響

盧紹強，王 騰，宋戰(zhàn)慧

(濰坊供電公司，山東 濰坊 261041)

SVC安裝地點對次同步振蕩抑制效果的影響

盧紹強，王 騰，宋戰(zhàn)慧

(濰坊供電公司，山東 濰坊 261041)

靜止無功補償器 (Static Var Compensator，SVC)可用于抑制次同步振蕩，根據(jù)SVC抑制次同步振蕩的機理設計了SVC的次同步阻尼控制器 (SSDC)，基于次同步振蕩研究的IEEE第一標準模型，分別研究了將SVC并聯(lián)安裝在發(fā)電機機端母線上、升壓變壓器的二次側母線上、輸電線路中點上和輸電線路末端時的電氣阻尼頻率特性和時域仿真分析;提出了SVC不同的安裝地點會對次同步振蕩的抑制效果產(chǎn)生一定的影響，甚至會誘發(fā)次同步振蕩。

靜止無功補償器;次同步振蕩;測試信號法;時域仿真法;安裝地點;抑制

靜止無功補償器作為一種并聯(lián)補償裝置，是一種典型的柔性交流輸電裝置，應用于輸電系統(tǒng)可以提高電網(wǎng)輸電能力、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、阻尼系統(tǒng)低頻振蕩以及抑制次同步振蕩。利用SVC抑制次同步振蕩有以下三個方面的優(yōu)點:①SVC是一種并聯(lián)的柔性交流輸電系統(tǒng)裝置，發(fā)電機的電流不需要其完全承擔;②SVC可以為控制器頻帶范圍內(nèi)的全部扭振提供阻尼，而不用誘發(fā)考慮這些扭振的原因［1］;③當系統(tǒng)頻率改變時，SVC的運行特性變化不大。利用SVC抑制軸系扭振有良好的效果，所以要盡量避免SVC在安裝地區(qū)出現(xiàn)故障，并且一般使用多繞組曲折變壓器以減少SVC的特征諧波或裝設濾波器以濾掉由SVC誘發(fā)的諧波。

近年來，在我國，由于西電東送容量的不斷提高和特高壓電網(wǎng)的大力建設，遠距離大容量交流輸電線路必然要加裝串聯(lián)電容補償裝置，由于在電力系統(tǒng)中廣泛使用串聯(lián)電容補償技術，汽輪發(fā)電機組中的次同步振蕩問題也越來越嚴重。利用SVC裝置抑制電力系統(tǒng)中的次同步振蕩現(xiàn)象成為最近幾年的實際工程中的一種新方法。因此，深入研究利用SVC裝置抑制次同步振蕩具有較強的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 SVC的結構

靜止無功補償器 (SVC)將電力電子元件引入到傳統(tǒng)的靜止并聯(lián)無功補償裝置，以達到快速連續(xù)補償和平滑調(diào)節(jié)的目的。SVC裝置有很多種構成形式，但是晶閘管控制的電抗器 (Thyristor Controlled Reactor，TCR)與晶閘管投切的電容器 (Thyristor Switched Capacitor，TSC)都是所有形式的SVC的基本元件。圖1所示結構的SVC的工作原理與其他類型的SVC的工作原理大同小異。SVC的TCR和TSC支路分別如圖2(a)、(b)所示。

TCR支路由電抗器與兩個背靠背連接的晶閘管串聯(lián)組成。可以通過改變觸發(fā)角使并聯(lián)在系統(tǒng)中的等值電抗和TCR從系統(tǒng)中吸收的無功功率平滑連續(xù)變化。

圖1 SVC原理示意圖

圖2 TCR和TSC支路

TSC支路由電容器與一對反向并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)組成。TSC支路的電壓源和TCR支路的電壓源一樣。通過晶閘管的導通和關斷，TSC支路中的電容器就只有以下兩種狀態(tài):①電容器并聯(lián)在系統(tǒng)中運行;②電容器退出系統(tǒng)運行。當電容器直接并聯(lián)在系統(tǒng)中運行時，可以對TSC支路向系統(tǒng)注入的無功功率進行連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。

因此，可以對SVC吸收的無功功率和發(fā)出的無功功率進行連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。通常根據(jù)補償容量的需要，SVC裝置可以并聯(lián)多個TSC支路以擴大SVC裝置的調(diào)節(jié)范圍。因此，可以將SVC等效為并聯(lián)在系統(tǒng)中可變電納，其電納值的大小取決于SVC的控制器。

2 SVC抑制次同步振蕩的機理

SVC抑制SSO主要是通過TCR支路實現(xiàn)的。帶有TCR支路的靜止無功補償器將汽輪發(fā)電機組轉子角速度偏差作為反饋信號，根據(jù)軸系扭振情況以調(diào)整TCR支路的導納，使得靜止無功補償器接入處母線電壓隨著次同步頻率波動，進而改變汽輪發(fā)電機組次同步頻率的電磁轉矩，通過適當?shù)目刂疲@個轉矩可以為機組軸系在次同步頻率范圍內(nèi)的扭振提供正阻尼，以抑制SSO的產(chǎn)生。

根據(jù)TCR支路抑制SSO的原理，將轉子角速度偏差信號作為控制器輸入信號時，要使TCR支路中的無功電流與發(fā)電機轉子角速度偏差反相。

當系統(tǒng)發(fā)生短路故障或對線路進行誤操作等擾動時，就會使汽輪發(fā)電機轉子的轉速增加，通過改變SVC晶閘管的觸發(fā)角使TCR支路中的感性電流變小，促使TCR支路吸收的無功功率變小，進而提升SVC連接點的母線電壓，從而增加了發(fā)電機轉子上的電磁功率，對于發(fā)電機轉子來說，電磁功率起制動性的作用，并且由于慣性作用可以認為發(fā)電機轉子上的機械功率是不能發(fā)生突變的，則發(fā)電機轉子電磁功率的增加將會導致其動能減少，從而使汽輪發(fā)電機轉子的轉速降低;反之，會提高汽輪發(fā)電機轉子的轉速。因為可以對TCR支路進行快速調(diào)控，所以可以有效地抑制次同步振蕩。當汽輪發(fā)電機組軸系沒有發(fā)生扭振時，SVC裝置就在某一固定的導通角下穩(wěn)定運行，此時的SVC就如同一個連續(xù)穩(wěn)定的無功功率負荷。

SVC控制系統(tǒng)的輸入 (比如汽輪發(fā)電機轉子角速度偏差等)與由SVC實現(xiàn)的連接母線上的等值電抗變化值之間的相位移對SVC抑制SSO的效果有很大影響，而晶閘管的死區(qū)時間與延遲時間等固有延遲、控制器的輸入測量環(huán)節(jié)以及濾波環(huán)節(jié)等因素都會嚴重影響到這些相位移。

SVC控制器的零相位移在理想情況下可以為汽輪發(fā)電機組軸系全部的扭振模式提供正阻尼。可以在實際系統(tǒng)中設計合理的超前-滯后環(huán)節(jié)進行相應補償以使這些相位移保持在10°以下［2］。當使用電壓控制作為主控制并利用汽輪發(fā)電機轉子的角速度偏差控制作為輔助控制時，這些相位移的范圍就會大幅度提升［3］。因為電氣狀態(tài)可以通過母線電壓信號傳到SVC的控制系統(tǒng)，所以這種結構的SVC可以有效抵消掉所有臨界串補度下的軸系扭振，并且可以避免在高串補度下由異步發(fā)電機效應誘發(fā)的電氣自激。因此，當采用汽輪發(fā)電機轉子的角速度偏差控制作為輔助控制時，通過電壓調(diào)節(jié)器進行補償或通過減小電氣負阻尼的值也可以抑制軸系全部的扭振模式。

3 次同步阻尼控制器設計

全部需要阻尼的汽輪發(fā)電機組軸系的扭振模式分量主要包括汽輪發(fā)電機轉子角速度偏差、發(fā)電機的輸出功率、軸系高壓缸的速度偏差等信號。但是，發(fā)電機的輸出功率及軸系高壓缸的速度偏差對SVC控制器的相位移非常敏感，所以，為了提高SVC抑制次同步振蕩的效果，一般需要將汽輪發(fā)電機轉子角速度偏差作為SVC的次同步阻尼控制器(Subsynchronous Damping Controller，SSDC)的輸入信號。

根據(jù)輸入到SVC次同步阻尼控制器中的汽輪發(fā)電機轉子角速度偏差信號，就可以改變晶閘管的觸發(fā)角α，改變TCR支路中的感性電流，促使TCR支路吸收的無功功率改變，進而改變SVC連接點的母線電壓，從而改變發(fā)電機的輸出的電磁功率，產(chǎn)生抑制次同步振蕩的阻尼轉矩，以達到抑制次同步振蕩的效果，當汽輪發(fā)電機組軸系沒有發(fā)生扭振時，SVC裝置就在某一固定的導通角下穩(wěn)定運行，此時的SVC就如同一個連續(xù)穩(wěn)定的無功功率負荷。根據(jù)SVC抑制次同步振蕩的機理，就可以對SVC的次同步阻尼控制器進行設計，將汽輪發(fā)電機轉子角速度偏差作為SSDC的輸入信號，控制的目標是使SVC的TCR支路中無功電流與發(fā)電機轉子角速度偏差之間的相位差為180°，實現(xiàn)的方法是利用比例型控制器。但由于測量系統(tǒng)在測量發(fā)電機轉子角速度偏差時會引起時間延遲和晶閘管觸發(fā)時的固有延遲，所以需要利用超前-滯后環(huán)節(jié)對這些延遲進行相位補償，完整的SVC的次同步阻尼控制器結構如圖3所示。

圖3 SVC的次同步阻尼控制器

4 含SVC的次同步振蕩研究模型

含有SVC的次同步振蕩研究的IEEE第一標準模型［4］如圖4所示。輸電線路的串補度為60%(以輸電線路的電抗為基準值)。發(fā)電機的運行方式為:PG=0.9 pu，功率因數(shù) cosφ =0.9(滯后)。

在圖4中，符號①、②、③、④表示SVC的安裝地點，①表示將SVC并聯(lián)安裝在發(fā)電機機端母線上，②表示將SVC并聯(lián)安裝在升壓變壓器的二次側母線上，③表示將SVC并聯(lián)安裝在輸電線路中點上，④表示將SVC并聯(lián)安裝在輸電線路末端。SVC不同的安裝地點會對抑制次同步振蕩的效果產(chǎn)生一定的影響，甚至會誘發(fā)次同步振蕩，因此，在實際工程中，必須將SVC安裝在合理的地點。因為這里主要分析SVC抑制發(fā)電機次同步振蕩的效果，所以，作為理論研究，SVC的容量一般取為發(fā)電機容量的5%～20%。本文中SVC的容量取為發(fā)電機容量的10%，即89.24 MVA。

SVC次同步阻尼控制器的結構同圖3所示。發(fā)電機轉子角速度偏差作為控制器的輸入信號。控制器主要包括一階慣性環(huán)節(jié)、比例環(huán)節(jié)、相位補償環(huán)節(jié)和線性化環(huán)節(jié)。最終輸出觸發(fā)角信號，送到觸發(fā)環(huán)節(jié)中，產(chǎn)生相應的觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)將SVC的無功電流調(diào)制成與發(fā)電機的角速度偏差反相。在本文的仿真研究中，測量時間常數(shù)Tm取0.002 4 s，控制器的放大倍數(shù)K取200，相位補償環(huán)節(jié)的時間常數(shù)T1取0.007 s，相位補償環(huán)節(jié)的時間常數(shù)T2取0.000 1 s。

5 SVC安裝地點對次同步振蕩抑制效果的影響

5.1 電氣阻尼頻率特性分析

在利用測試信號法［5］計算電氣阻尼轉矩系數(shù)時，汽輪發(fā)電機組系采用單剛體模型。根據(jù)以上條件，利用測試信號法得到SVC安裝在不同位置①、②、③、④時的電氣阻尼轉矩系數(shù)De(f)隨頻率的變化曲線如圖5所示。

由圖5可見，輸電線路串補度為60%時，同樣，取發(fā)電機各個扭振模式的空載機械阻尼對應的對數(shù)衰減率δ均為0.05%，SVC安裝在不同地點時的次同步振蕩穩(wěn)定性判斷如表1至表4所示。其中fj表示第j個扭振模式的自然扭振頻率 (單位:Hz);Jj表示第j個扭振模式的模態(tài)轉動慣量 (單位:s);Dj表示第j個扭振模式的機械阻尼轉矩系數(shù) (單位:pu);Dej表示第j個扭振模式的電氣阻尼轉矩系數(shù) (單位:pu);Dj+Dej表示第j個扭振模式的綜合阻尼轉矩系數(shù) (單位:pu)。

圖4 含有SVC的次同步振蕩研究模型

圖5 SVC安裝在不同地點時的電氣阻尼特性

表1 SVC安裝在位置①的SSO穩(wěn)定性判斷

表2 SVC安裝在位置②的SSO穩(wěn)定性判斷

表3 SVC安裝在位置③的SSO穩(wěn)定性判斷

表4 SVC安裝在位置④的SSO穩(wěn)定性判斷

由表1至表4可以看出，當SVC安裝在位置④時，汽輪發(fā)電機組在扭振模式15.71 Hz和20.21 Hz下不穩(wěn)定，會發(fā)生模式1和模式2的次同步振蕩失穩(wěn)。而當SVC安裝在位置①、②、③時，汽輪發(fā)電機組在所有的扭振模式下，都不會發(fā)生次同步振蕩失穩(wěn)，因此，SVC有效抑制了次同步振蕩。由表1還可以得出，當SVC安裝在位置③時，在所有的扭振模式下，電氣阻尼轉矩系數(shù)均為正值，而當SVC安裝在位置①、②時，在某些扭振模式下，電氣阻尼轉矩系數(shù)會出現(xiàn)較小的負值，也就是說當SVC并聯(lián)安裝在輸電線路中點時，SVC抑制次同步振蕩的效果最佳。

5.2 時域仿真驗證

圖6 SVC安裝在不同地點時軸系各軸段之間的扭矩

如圖4所示，在利用時域仿真法進行分析時，汽輪發(fā)電機組軸系采用多剛體模型，將軸系分為高壓缸HP、中壓缸IP、低缸LPA、低壓缸LPB、發(fā)電機GEN、勵磁機EXC等6個軸段，對應有5個扭振模式，分別為:15.71 Hz、20.21 Hz、25.55 Hz、32.28 Hz和 47.45 Hz，并且在1.5 s時刻，系統(tǒng)在B點發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)時間為0.075 s。忽略勵磁調(diào)節(jié)器的作用，并且在仿真過程中，發(fā)電機輸入機械功率的初值保持不變。

根據(jù)以上條件，用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC進行時域仿真，SVC安裝在不同地點時汽輪發(fā)電機組軸系各軸段之間的扭矩隨時間變化的曲線如圖6所示。

由圖6可知，當SVC安裝在位置④時，軸系各軸段之間的扭矩發(fā)生了不同程度的發(fā)散，系統(tǒng)發(fā)生了SSO失穩(wěn)，此時，SVC無法阻尼SSO的產(chǎn)生。而當SVC安裝在位置①、②、③時，軸系各軸段之間的扭矩隨著時間衰減，即SVC有效地抑制了SSO的發(fā)生。因此，時域仿真結果驗證了利用測試信號法分析SVC抑制SSO效果的有效性和正確性。

6 結束語

本文根據(jù)SVC抑制次同步振蕩的機理設計了一個次同步阻尼控制器，基于次同步振蕩研究的IEEE第一標準模型，分別研究了將SVC并聯(lián)安裝在發(fā)電機機端母線上、升壓變壓器的二次側母線上、輸電線路中點上和輸電線路末端時的電氣阻尼轉矩系數(shù)，結果表明在特定的高串補度下SVC安裝在不同位置時，系統(tǒng)在各個扭振模式下的綜合阻尼轉矩系數(shù)并不全部為正，會在某個扭振模式下出現(xiàn)負值，這時會誘發(fā)次同步振蕩，時域仿真也驗證了測試信號法分析次同步振蕩的有效性和正確性。SVC不同的安裝地點會對次同步振蕩的抑制效果產(chǎn)生一定的影響，甚至會誘發(fā)次同步振蕩，因此，必須結合實際工程，慎重考慮SVC安裝地點的選擇。

［1］ 徐 政.基于晶閘管的柔性交流輸電控制裝置 ［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

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The Effect of Damping SSO Influenced by Installation Locations of SVC

LU Shao-qiang，WANG Teng，SONG Zhan-hui
(Weifang Power Supply Company，Weifang，Shandong 261041，China)

Static Var Compensator(SVC)can be used to damp Subsynchronous Oscillation(SSO)，and Subsynchronous Damping Controller(SSDC)is designed according to mechanism of SVC damping SSO in this paper.Electrical damping characteristic analysis and time domain simulation analysis are studied based on IEEE first benchmark model when SVC is paralleled in generator bus bar，the booster transformer secondary side bus，the point of the transmission line and the end of the transmission line in respectively;This paper puts forward that different installation locations of SVC have an affect on damping SSO，even can bring about SSO.

Static Var Compensator(SVC);Subsynchronous Oscillation(SSO);Test signal method;Time domain simulation method;Installation locations;Damp

TM71

A

1004-7913(2013)03-0010-05

盧紹強 (1987—)，男，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。

2012-11-20)