可控移相器附加阻尼控制器設計研究

付俊波，常寶立，曹 路，王新寶，黃志光

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.國家電網華東電力調控分中心，上海 200120）

0 引言

隨著用電負荷的持續增加，輸電網也得到了快速發展，尤其以長距離、大功率的電能輸送特點在輸電網中表現得尤為明顯。這種輸電結構導致區域間電網容易出現低頻振蕩問題，成為限制電網輸送容量且影響電網安全穩定運行的因素之一。針對低頻振蕩問題，常規的手段通常采取限制開機減少功率輸送的方式或者事故后切機措施，但這些方式對系統經濟運行不利，為了滿足系統運行對低頻振蕩的要求需要付出較大的代價。電力電子技術的發展為解決這類問題提供了新的解決思路，如統一潮流控制技術、可控串補、柔性直流輸電技術均可用于解決電網的低頻振蕩問題。但阻尼控制器的信號選擇是阻尼控制器設計需要考慮的重要因素，文獻[1]中提到了統一潮流控制器的阻尼控制方法，用于限制低頻振蕩的問題，但沒有明確附加阻尼控制的輸入優劣比較，且統一潮流控制器造價昂貴。文獻[2]研究了TCSC（可控串聯補償裝置）的低頻振蕩控制器設計方法，對可控移相器的阻尼控制研究具有一定的借鑒意義，但也未明確阻尼信號的優劣選擇。文獻[3]研究了可控移相器的本體建模，沒有涉及到可控移相器的阻尼控制研究。從已發表的文獻來看，對可控移相器的研究主要側重于控制模型、系統應用等方面，對可控移相器的阻尼控制研究相對較少。晶閘管控制的可控移相器因為調節速度快，具備阻尼控制能力。但阻尼控制輸入量眾多，有電壓、功率、頻率等信號量，哪種輸入量對可控移相器阻尼控制與設計效果更好，如何設計可控移相器阻尼控制函數是本文的研究重點。

1 可控移相器的基本原理

電網中2 個母線節點通過高壓輸電線路互聯，忽略線路損耗時，線路上的有功潮流如圖1所示。

圖1 兩個母線節點通過輸電線互聯

圖1 可用公式表達為：

式中：Pij為節點i 流向節點j 的有功功率；Ui，Uj分別為節點i 和節點j 的母線電壓幅值；δi，δj分別為節點i 和節點j 的母線電壓相位；Xij為聯絡線路的等效電抗值[4]。

由式（1）可知，線路上傳輸的有功功率主要由節點電壓、相角和線路阻抗決定，通過控制輸電線路的電壓、阻抗以及相角就可以改變線路傳輸的功率。在大型電網中，節點電壓、幅值受很多因素的制約（如負載和設備的耐壓等），一般在額定值附近變化不大，因此可通過調節電壓相角來實現對有功潮流的調節[5]。

移相器是通過在輸電線上串聯一個幅值、相位均可調的補償電壓實現移相的裝置。圖2（a）為移相器的結構，ET（勵磁變壓器）提供三相輸入電壓，BT（串聯變壓器）輸出三相補償電壓。如圖2（b）所示，補償電壓Vp幅值和相位的變化，將改變V2的幅值和相位，從而控制輸送的有功功率和無功功率[6]。

典型的移相器主要有兩種類型，QBT（正交調節器）和PAR（相角調節器）。歐洲（尤其是英國）廣泛采用QBT，而美國大部分采用PAR。如圖3所示，PAR 的端口電壓幅值相等（忽略損耗），而QBT 輸出的補償電壓UT與輸入電壓相差輸入度。

圖2 移相器基本原理

圖3 裝有移相器的系統模型

2 可控移相器的類型選擇

可控移相器由機械式移相器發展而來，利用電力電子器件替代有載調壓機構，實現輸出補償電壓的快速調節，可控移相器又可分為分級調節可控移相器及連續調節可控移相器。

2.1 分級調節可控移相器

高壓大容量可控移相器的典型結構如圖4 所示，其控制回路由有載調壓機構替換為晶閘管換流閥，并聯變壓器的副邊由多抽頭型式更改為多繞組型式，每個繞組均與由4 組反并聯晶閘管組成的橋接回路連接[7]。

圖4 分級調節可控移相器典型結構

圖4 結構形式的可控移相器，其可調級數取決于并聯變壓器副邊繞組的數量和變比，如2 個變比為1：3 的繞組，可調級數為±4 級；3 個變比為1：3：9 的繞組，可調級數為±13 級；可調級數越大，每級的調節精度越高，但同時變壓器的繞組數量及電力電子器件的數量也隨之增加，成本越高[8]。

分級調節可控移相器可實現補償電壓的快速調節，在滿足系統穩態潮流控制需求的同時，可參與系統動態穩定的調節，如阻尼系統振蕩、增強系統暫態穩定性等；其控制相對較簡單，工作時無諧波，但只能實現分級調節，無法連續平滑調節。本文需要分析的可控移相器的阻尼控制也正是基于這一結構[9]。

2.2 連續調節可控移相器

連續調節可控移相器其變壓器的主體結構與分級調節可控移相器類似，但其并聯變及閥組的結構如圖5 所示。

圖5 連續調節可控移相器控制回路結構

并聯變壓器副邊僅2 個抽頭，分別與兩組反并聯的晶閘管閥連接，通過連續控制晶閘管SW1和SW2的觸發角，使SW1和SW2輪流導通，可實現輸出電壓基波分量幅值在U1和U2之間連續變化[10]。

由于晶閘管需要過零關斷的特性，因此對晶閘管的開通關斷必須根據負載的狀況合理控制，所需控制策略非常復雜；同時由于電壓在U1和U2之間不停變化，會向系統注入大量低次諧波，必須相應安裝濾波器；這種結構的可控移相器只能實現正向電壓的輸出，不能實現雙向調節。因此連續調節的移相器無法用于實際工程中，僅作為理論研究[11]。

3 可控移相器的阻尼控制傳遞函數

從已發表的文獻看，對這種電力電子設備進行低頻振蕩控制的主要有統一潮流控制器、柔性直流裝備、可控串補、靜止無功補償器。它們的共同特點在于通過快速可關斷的電力電子器件控制，可跟隨低頻振蕩的頻率響應。同樣，基于晶閘管控制的可控移相器也可以通過對晶閘管的開通關斷控制改變移相器的檔位，進而改變可控移相器串入線路的電壓和功率[6]。

圖6（a）說明了用傳輸角控制實現阻尼功率振蕩的控制效果和控制要求。圖6（b）開始的一個功率下跌表示系統受到擾動的激勵，并假定在這個擾動下引發了功率振蕩。其中圖6（a）為傳輸角在穩態值δ0附近的有阻尼和無阻尼控制振蕩波形；圖6（b）為傳輸功率P 圍繞穩態值P0附近的有阻尼與無阻尼振蕩波形[12]。

圖6 阻尼振蕩控制

設σ 角的運行范圍為－σmin≤σ≤σmax，對應的δ 的變化范圍為0＜δ＜π/2，則圖6（c）表示移相調節作用對σ 角的控制輸出。當dδ/dt＞0 時，σ 為負值，P-δ 曲線向左移，表示傳輸線受端傳輸角和傳輸功率的增加；當dδ/dt＜0 時，σ 為正值，P-δ曲線向右移，因此總的傳輸角和傳輸功率減少[13]。

可控移相器的附加阻尼控制的基本結構類似于電力系統穩定器的結構，傳遞函數由穩態信號隔直、相位超前補償、穩定器增益和穩定器限幅環節四部分組成。

（1）穩定信號隔直：隔直環節可理解為高通濾波器，主要目的是濾出故障后的直流分量。

（2）移相環節：移相環節是所有設備設計控制時的主要環節，其目的是將阻尼控制的輸入信號量通過相位的補償后得到的輸出能量與低頻振蕩的趨勢相反，來有效抑制低頻振蕩。

（3）控制器的增益：增益環節對阻尼控制有著重要意義，增益的大小決定了向系統提供阻尼的作用的大小。

可控移相器的附加阻尼控制器的基本結構如圖7 所示。X 為附加阻尼控制器的輸入信號，一般可以取聯絡線功率波動、發電機轉速、系統頻率等作為附加阻尼控制器的輸入信號。經過控制器轉換為輸出為移相角度，然后移相角度轉換為檔位來控制可控移相器[14]。

圖7 可控移相器附加阻尼控制的基本結構

4 可控移相器附加阻尼控制參數設計

現有的機電暫態程序中，移相器的模型僅有帶漏抗和移相角度的穩態模型，無法反映移相器的阻尼控制功能，因此需要搭建可控移相器的自定義模型。現有的機電暫態程序中，PSS/E 可以實現模型的自定義，因此在該軟件中搭建可控移相器的附加阻尼控制模型。本模型的附加阻尼控制傳遞函數搭建如圖8 所示。

本模型支持移相器所在線路的過載控制，以線路有功、斷面功率和母線頻率為輸入信號的阻尼控制。阻尼控制輸出的移相角度與移相器當前（或初始）的角度相加作為最終的移相角度。

圖8 PSS/E 中搭建的可控移相器阻尼控制傳遞函數

4.1 頻率作為輸入量的可控移相器參數設計

在自定義模型中，可以采用可控移相器安裝線路的母線頻率作為阻尼控制的輸入量，在采用母線頻率作為輸入量時需要濾出主導的低頻振蕩頻率，然后將采取隔直、移相、比例放大環節后輸出，圖9 為以頻率作為輸入量的可控移相器阻尼控制傳遞函數。

圖9 以頻率為輸入量的傳遞函數

圖9 中：輸入f 為檢測到的母線頻率；Tw為隔直環節傳遞函數，一般可取0.02；K 為比例放大系數；T1，T2為設計的超前滯后環節時間常數；m 為超前滯后環節的階數；θmin，θmax為移相角度的最小最大限幅值；θ 為實際輸出的移相角度；T為移相的檔位，可取13 檔；INT（X）為四舍五入取整數檔位輸出到可控移相器。

4.2 功率作為輸入量的可控移相器參數設計

若考慮以線路功率作為輸入量，則傳遞函數設計簡單得多，線路功率與檔位調節呈現同相位或180°的反相位關系，僅需要隔直和比例放大環節即可抑制故障后引起的低頻振蕩問題。

圖10 中的各個參數與圖9 中相同，但少了超前滯后環節的設計。即使網架結構改變導致低頻振蕩的頻率發生變化，采用功率作為輸入量的阻尼設計也仍然可以抑制低頻振蕩。

圖10 以線路功率為輸入量的傳遞函數

5 案例分析

以華東電網2018 年夏季最大方式為例，福建電網通過1 000 kV 榕城—蓮都特高壓雙回線和500 kV 寧德—金華雙回線功率外送，如圖11所示。當外送功率達到450 萬kW，榕城—蓮都N-2后，潮流大規模轉移至寧德—金華雙回線引起暫態功角電壓失穩問題，考慮切除1 臺600 MW 機組后，功率表現為0.256 Hz 低頻振蕩，振蕩阻尼2.7%。按照目前對阻尼的劃分，屬于弱阻尼，需要繼續追加切除1 臺600 MW 機組后振蕩阻尼才能滿足在3%以上的要求。但切機不利于系統的經濟運行，因此考慮在寧德—金華雙回線安裝可控移相器，通過可控移相器在故障后進行功率調節以提高系統的振蕩阻尼水平。

圖11 浙江福建聯絡斷面

經初步分析，可控移相器的調節角度可初步設定為±5°，分別考慮以寧德站的母線頻率和寧德—金華雙回線路的功率作為附加阻尼控制的輸入，分析各自不同輸入量對抑制阻尼振蕩的效果。

5.1 頻率為阻尼控制輸入量

若考慮以寧德站母線頻率作為附加阻尼控制輸入，通過相頻特性分析，得到以頻率作為輸入量的傳遞函數如圖12 所示。

圖12 寧德—金華雙線可控移相器附加阻尼控制傳遞函數

可控移相器的附加阻尼控制采用該傳遞函數進行仿真分析，在第5 s 投入阻尼控制功能。

從圖13 中可以很明顯看出，可控移相器投入以頻率作為輸入量的阻尼控制后，寧德—金華站振蕩功率的幅值迅速衰減，對線路功率進行prony 分析后，得到投入阻尼控制后，阻尼比由2.7%提高到6.5%。移相器調節的角度變化曲線如圖14 所示。

圖13 頻率為輸入量的阻尼控制對振蕩功率的影響

圖14 投入阻尼控制后移相器角度變化曲線

采用該附加阻尼控制時，需要根據系統主動的振蕩頻率來設計超前滯后環節時間常數，但當網架結構改變時，電網區域間主導的振蕩頻率可能也會發生改變，對應超前滯后環節的時間常數也需要對應改變后才能適應新的低頻振蕩頻率。

5.2 線路功率為阻尼控制輸入量

若考慮以寧德—金華線路功率作為可控移相器附加阻尼控制輸入，則阻尼控制的傳遞函數設計得更為簡單，僅需要隔直環節，設置隔直時間常數T=0.02，比例放大環節設置的放大系數K=-0.001。該環節設計不需要超前滯后環節。因此設計的傳遞函數結構清晰簡單，圖15 為采用該輸入量控制前后對改善線路故障后阻尼的效果對比。

圖15 功率為輸入量的阻尼控制對振蕩功率的影響

從圖15 中可以看出，可控移相器投入以功率作為輸入量的阻尼控制后，寧德—金華站振蕩功率衰減得更快，對抑制該線路故障后的功率振蕩效果更好，阻尼比由2.7%提高至13.4%。

從阻尼控制器設計的難度和阻尼控制效果明顯可以看出，采用線路功率作為可控移相器附加阻尼控制輸入的效果更優。

6 結論

基于晶閘管控制的雙芯對稱型分級調節可控移相器應用于電網，不僅可以實現潮流的靈活調節，也可以實現對電網的阻尼功率振蕩控制。本文提出了可控移相器的阻尼控制方法，對比了以母線頻率和線路作為附加阻尼控制輸入的效果，得到以下結論：

（1）基于晶閘管控制的雙芯對稱型分級調節可控移相器可以實現對電網的潮流控制和振蕩阻尼抑制控制。

（2）該類型可控移相器的阻尼控制可采用母線頻率、安裝線路的功率作為附加阻尼控制輸入量，采用線路功率作為附加阻尼控制輸入量時，其控制環節設計相對簡單。

（3）對比了以母線頻率、安裝線路的功率作為附加阻尼控制輸入量的控制效果，可以明顯看出，采用線路功率作為附加阻尼控制時控制效果更好，且不受網架結構改變的影響。因此推薦將線路功率作為可控移相器附加阻尼控制的輸入量。

本文研究結論為可控移相器接入系統后的附加阻尼控制設計提供了有效依據。