TCSC 同步信號對抑制次同步振蕩的影響研究

劉偉波，康積濤，何 波，張 利

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

次同步振蕩是電力系統中機電耦合作用引起的一種振蕩失穩，其最大危害可對大型汽輪發電機組的轉子軸系造成嚴重的破壞，是目前大型汽輪發電機組中必須解決的一個問題。目前對于次同步振蕩的分析方法主要有:頻率掃描分析法、機組作用系數分析法、時域仿真分析法、特征結構分析法、復轉矩系數分析法等［1］。

可控串聯補償技術(TCSC)是目前應用前景比較好的一種FACTS 裝置，具有投資少、設備簡單、操作維護方便等優點。它在提高線路輸送功率、阻尼功率振蕩［2］、提高系統暫態穩定性［3］、實現動態潮流控制和抑制系統次同步振蕩［4］都能起到良好的作用。文獻［5］提出運用測試信號法設計TCSC 功率振蕩阻尼控制器;文獻［6］基于單機無窮大系統的模型建立了可控串補的狀態空間描述，根據線性最優控制理論設計了可控串補控制器;文獻［7］運用測試信號法設計了附加多模態次同步阻尼控制器。

TCSC 在次同步頻率下的阻抗特性對于阻尼次同步振蕩非常有利，但其阻抗效果受到很多因素的影響，例如TCSC 的控制方式［8］、觸發角大小、同步信號選取等等。這里首先介紹了TCSC 的同步觸發原理，比較了不同觸發信號下的階躍響應;運用測試信號法分析了TCSC 對于電氣阻尼的影響，最后對在不同的同步信號下對所設計的次同步阻尼控制器進行時域仿真，分析同步信號對次同步阻尼的影響。

1 TCSC 觸發原理

TCSC 是由一個固定的電容器與一個通過可控硅控制的電抗器并聯而成，如圖1 所示。TCSC 的同步觸發脈沖是以同步信號過零點為基準的，電容電壓uc和線路電流iL都可以作為阻抗控制中觸發角的同步信號，不同的阻抗控制方式對TCSC 的阻抗動態特性有顯著的影響。

圖1 TCSC 結構原理圖

圖2 TCSC 觸發原理圖

對TCSC 采用開環定阻抗控制方式，令TCSC 的特征參數λ=2.65。當分別采用線路電流和電容電壓作為同步觸發信號時，阻抗的階躍響應如圖3 所示，從圖中可以看出在電壓同步方式下，TCSC 的阻抗階躍響應［9］會產生較大的過沖和超調，且需要較長時間才能進入穩定狀態，而電流同步觸發情況下，基頻阻抗則不會產生過沖和超調現象，變化過程比較緩慢，相當于一階慣性環節。

圖3 不同同步信號下的阻抗階躍響應

2 TCSC 抑制次同步振蕩原理

TCSC 在同步頻率下的阻抗是純容性的，但是在次同步頻率下的TCSC 會呈現出一個非常不同的阻抗特性，對于阻尼次同步振蕩非常有利。從經濟因素考慮，一般將TCSC 和固定串補共同使用以降低投資。

由復轉矩系數法可知，在系統的軸系扭振分析中，在軸系的某一扭振頻率附近滿足機械阻尼系數和電氣阻尼系數Dm之和De大于0，則該軸系扭振是處于穩態的。

圖4 SSDC 提升系統電氣阻尼原理

3 TCSC 同步信號對次同步振蕩的影響

以IEEE 第一標準模型為測試對象，將原系統中的部分固定串聯電容補償采用可控串補替代，線路總串補度取75%，其中TCSC 電抗占總串補電抗的30%，TCSC 采用開環定阻抗控制，TCSC 的主電路特征參數為2.65，電容C=32.17 μF。在電容電壓同步時，TCSC 的基準觸發角為155°，由于TCSC在運行時一般處于容性狀態，TCSC 的電壓相位滯后電流90°，因此在線路電流同步下的觸發角為245°。選擇發電機的運行方式為PG=0.9(p.u.)，功率因數為0.9(滯后)。發電機的軸系由高壓缸(HP)、中壓缸(IP)、低壓缸A(LPA)、低壓缸B(LPB)以及發電機(GEN)和勵磁機(EXC)6 個集中質量塊組成。對應有5 個扭振模式，分別為:15.7 Hz、20.2 Hz、25.6 Hz、32.3 Hz 和47.5 Hz。系統的其他電氣和機械參數同文獻［12］。

圖5 采用固定串補時的電氣阻尼曲線

圖6 加入TCSC 的電氣阻尼曲線

圖7 G(s)的幅頻特性

從圖5 中可以看出系統采用固定串補時在次同步頻率范圍內的電氣阻尼都為負值，保持系統串補度不變，當加入TCSC 后，TCSC 分別采用電容電壓同步和采用線電流同步時的電氣阻尼曲線如圖6 所示，由圖可知在不同同步信號下的電氣阻尼相差別不是很大，系統加入TCSC 后的電氣阻尼明顯得到提升，但是部分頻率下的電氣阻尼還處于負值，仍然可能會造成次同步諧振。G(s)的幅頻和相頻特性分別如圖7、圖8 所示。

圖8 G(s)的相頻特性

4 加入SSDC 時域仿真分析

選取發電機轉速偏差△ω·作為輸入信號，首先以各扭振模態頻率為中心頻率的帶通濾波器濾除干擾信號，經過放大、相位補償及限幅環節，輸出附加控制信號△α，送到晶閘管的觸發極。TCSC 附加SSDC 控制器結構如圖9 所示，具體參數整定可以參考文獻［13］，設計的SSDC 的控制參數如表1 所示。

圖9 C(s)控制結構圖

t=1 s 時在無窮大母線處設置三相接地故障，故障時間持續0.075 s。系統的軸系扭振狀態響應如圖10 所示。

表1 SSDC 補償參數

系統在采用固定串補時，當出現三相故障后軸系的扭矩程發散狀態，當加入可控串補時，設計多模態的SSDC 加入系統后，不論TCSC 采用電容電壓同步還是采用線路電流同步，都能達到抑制次同步振蕩的效果。

圖10 使用固定補償時的軸系扭振狀態響應

圖11 加入SSDC 時電壓同步下軸系扭振狀態響應

圖12 加入SSDC 時電流同步下軸系扭振狀態響應

5 結論

TCSC 基波電抗分別在電容電壓信號同步時，其暫態電抗相應呈現振蕩狀態;線路電流同步時，暫態電抗相應呈現一階慣性環節。在次同步頻率下，同步信號對于系統的電氣阻尼影響作用不大，在所設計的SSDC 控制下，TCSC 都能達到抑制次同步振蕩的目的。

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