TCSC對(duì)發(fā)電機(jī)組次同步諧振阻尼特性影響研究

1、電力電子TCSC 對(duì)發(fā)電機(jī)組次同步諧振阻尼特性影響研究3張帆,徐政(浙江大學(xué)電機(jī)系,杭州310027摘要:采用基于時(shí)域仿真實(shí)現(xiàn)的復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法測(cè)試信號(hào)法研究了含有可控串補(bǔ)(TCSC 的電力系統(tǒng)中的次同步諧振(SSR 阻尼特性。采用IEEE SSR 第一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)模型,將其中部分固定串補(bǔ)電容改造為T(mén)CSC 。TCSC 采用3種閉環(huán)控制方式如恒電流、恒功率及阻尼功率振蕩控制。通過(guò)頻率掃描計(jì)算出發(fā)電機(jī)組在次同步頻率范圍內(nèi)的電氣阻尼特性曲線,分別研究了開(kāi)環(huán)控制和3種不同閉環(huán)控制方式下TCSC 導(dǎo)通角對(duì)電氣阻尼特性的影響。結(jié)果表明,不論在何種控制方式下,相對(duì)于固定電容串補(bǔ),TCSC 都能大大減小諧振點(diǎn)附

2、近的電氣負(fù)阻尼;TCSC 的導(dǎo)通角對(duì)阻尼特性有很大影響,TCSC 運(yùn)行在較大導(dǎo)通角時(shí)可有效減小諧振點(diǎn)附近的電氣負(fù)阻尼。關(guān)鍵詞:可控串補(bǔ)(TCSC ;次同步諧振(SSR ;測(cè)試信號(hào)法;時(shí)域中圖分類號(hào):TM71413文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100326520(20050320068203Study of SSR Damping on a G enerator Connected to TCSCZHAN G Fan ,XU Zheng(Depart ment of Elect rical Engineering ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China

3、 Abstract :The complex torque coefficient approach realized by time domain simulation (the Test Signal Method is a 2dopted in this paper to study the SSR damping characteristics with TCSC.The study system is modified f rom the first IEEE SSR benchmark model by changing a part of the fixed series cap

4、acitor to TCSC.Three different control methodologies are checked ,namely :constant current ,constant power ,and power oscillation damping control.The control models and their principles are also described.Frequency scanning in the subsynchronous f requency range is performed to calculate the subsync

5、hronous electrical damping characteristics of the unit.Impacts of the thyristor conducting angles of the TCSC on the electrical damping are studied ,and results are analyzed in detail.The results show that TCSC greatly reduces the electrical negative damping around the resonant point ,for the three

6、studied con 2trol methodologies ,compared with the fixed capacitor compensation.It also shows that the conducting angle of the thyristor has a great influence on the damping of the TCSC ,when the conducting angle is larger ,the TCSC will re 2duces the electrical negative damping around the resonant

7、point more.K ey w ords :thyristor controlled series capacitor ;subsynchronous resonance ;test signal method ;time domain0引言可控串補(bǔ)(TCSC 利于提高電力系統(tǒng)性能,除能控制潮流、阻尼功率振蕩外,還能有效抑制次同步諧振(SSR 1,2。研究人員深入研究復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法的適用范圍后指出研究含有HVDC 或FACTS 裝置的系統(tǒng)次同步振蕩(SSO 問(wèn)題不能用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型,為此提出了基于時(shí)域仿真實(shí)現(xiàn)的復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法測(cè)試信號(hào)法3,并基于該法研究了靜止無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)發(fā)電機(jī)組SSO 特性的影響4

8、、由直流輸電引起的SSO 問(wèn)題5、具有串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)慕恢绷骰旌舷到y(tǒng)SSO 的阻尼特性6。但至今尚未研究TCSC 處于閉環(huán)控制時(shí)的阻尼特性。本文基于IEEE SSR第一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)7建立TCSC 的研究模型,采用該測(cè)試信號(hào)法3較深入研究TCSC 在3種不同閉環(huán)控制方式下對(duì)發(fā)電機(jī)組SSR 阻尼特性的影響。1系統(tǒng)模型本文研究IEEE SSR 第一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)7(見(jiàn)圖1,原固定串補(bǔ)電容的90%保留,10%以TCSC 代替。取TCSC 的主電路特征參數(shù)K =X C /X L =2。選擇發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式為P G =019p.u.,cos=019(滯后。TCSC 采用3種閉環(huán)控制方式:恒電流(CC 、恒功率

9、(CP 、阻尼功率振蕩(POD 控制。TCSC 的86第31卷第3期2005年3月高電壓技術(shù)High Voltage EngineeringVol.31No.3Mar.20053國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50277034 圖1待研系統(tǒng)模型Fig 11Circuit diagram of the studied system底層控制(即晶閘管的觸發(fā)控制利用鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生與線路電流同步的晶閘管觸發(fā)基準(zhǔn)信號(hào)。TCSC 相關(guān)角度有:觸發(fā)延時(shí)角即電容電壓U C 正或反向過(guò)零點(diǎn)到相應(yīng)晶閘管閥觸發(fā)之間隔;觸發(fā)越前角=180°-;穩(wěn)態(tài)時(shí)導(dǎo)通角=2。111CC 控制2,8TCSC 的CC 控制器(見(jiàn)

10、圖2即線路電流I line 作為輸入信號(hào),以維持實(shí)際I line 的恒定。將所測(cè)三相線電流I a.b.c 濾波后化為標(biāo)么值I pu ,使之與參考電流信號(hào)I ref 的單位一致。控制器采用比例積分(PI 控制,輸出電抗信號(hào)X ,因TCSC 的運(yùn)行范圍有一定限制,故X 需限幅 ,再轉(zhuǎn)化為信號(hào)。圖2TCSC 的CC 控制器模型Fig 12TCSC CC controller model112CP 控制2,8TCSC 的CP 控制器(見(jiàn)圖3結(jié)構(gòu)與CC 控制器相似,只是所選輸入信號(hào)不同。將所測(cè)三相電壓、電流信號(hào)經(jīng)坐標(biāo)變換后計(jì)算線路的有功功率作為輸入,化為標(biāo)么值后經(jīng)過(guò)一階濾波環(huán)節(jié),與參考功率一起送入PI

11、控制器,其它環(huán)節(jié)則與CC 控制一樣。113POD 控制8,9TCSC 的POD 控制器(原理見(jiàn)圖4主要環(huán)節(jié)包括:一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T(mén) m 的測(cè)量環(huán)節(jié),選擇線路的有功功率(線電流亦可作為輸入。一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T(mén) w 的隔直環(huán)節(jié),用以消除所測(cè)線路有功功率的平均值,抽取輸入信號(hào)的振蕩分量。一個(gè)可變?cè)鲆姝h(huán)節(jié)K G ,因TCSC 引起的線路有功變化量是TCSC 電抗變化量和線路電流(或負(fù)荷的函數(shù),故TCSC 若以恒增益運(yùn)行,則在重負(fù)荷下才能有效阻尼功率振蕩。為了使TCSC 在大范圍的線路負(fù)荷下都能保持同樣的阻尼效果,采取可變?cè)鲆娴姆桨?見(jiàn)圖5。對(duì)應(yīng)線路潮流的較低值I NL ,采用一較高增益K G L ;而對(duì)應(yīng)

12、線路潮流的較高值I NF ,則采用一較低增益K GF 。兩個(gè)超前滯后環(huán)節(jié),使增益環(huán)節(jié)后一個(gè)與振蕩分量成比例的控制信號(hào)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)南嘁?若取線路有功功率為控制器的輸入,則要求相移-90°。由此,POD 控制最終產(chǎn)生一個(gè)與功率振蕩分量成比例并經(jīng)過(guò)適當(dāng)相移的電抗輸出。圖3TCSC 的CP 控制器模型Fig 1 3TCSC CP controller model圖4TCSC 阻尼功率振蕩控制原理圖Fig 1 4TCSC POD control model圖5POD 控制器的增益方案Fig 15POD gain 2scheduling scheme2仿真結(jié)果及其分析利用PSCAD/EM TDC

13、程序計(jì)算模型系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組(其輸出有功功率保持不變的電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)3:D e (f =Re (T e (f /(f ,其中T e (f 、(f 分別是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子施加頻率為f 的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩后發(fā)電機(jī)電磁功率、角速度的增量相量,其單位都是p.u.。211開(kāi)環(huán)控制時(shí)的阻尼特性分析比較研究固定電容與TCSC 對(duì)發(fā)電機(jī)組SSR阻尼特性的影響。f =55915Hz ,=20°、40°、60°96第31卷第3期2005年3月高電壓技術(shù)High Voltage EngineeringVol.31No.3Mar.2005 圖6固定電容與TCSC 在不同下D e 的頻率響應(yīng)曲線Fig

14、16D e vs f for f ixed capacitor and TCSC 圖7TCSC 在次同步頻率下的阻抗特性Fig 17Sub 2frequency imped ance characteristics 圖8TCSC 處于不同時(shí)D e 的頻率響應(yīng)曲線Fig 18Damping torque coeff icient vs frequency for different f iring angle 時(shí)固定電容及TCSC 在開(kāi)環(huán)控制下D e 的頻率響應(yīng)曲線見(jiàn)圖6。可見(jiàn)對(duì)固定電容,系統(tǒng)在f 21Hz (折算到轉(zhuǎn)子側(cè)時(shí)發(fā)生電氣諧振,電氣負(fù)阻尼最大,D e -75p.u.;加入TCSC 后,

15、系統(tǒng)諧振點(diǎn)隨增大而向高頻方向移動(dòng),且在諧振點(diǎn)附近電氣負(fù)阻尼隨增大而大大減小。但在較小如20°時(shí)TCSC的效果很小,幾乎與固定電容相近,故下面主要考察較大時(shí)的情況。=40°、60°時(shí)TCSC 在次同步頻率范圍內(nèi)(359Hz 的阻抗特性見(jiàn)圖7。可見(jiàn)=40°時(shí)在諧振點(diǎn)附近TCSC 呈現(xiàn)容性電抗;并隨增大如60°時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)楦行噪娍?。這說(shuō)明TCSC 在次同步頻率下的補(bǔ)償度隨增大反而減小,故所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)諧振頻率增高(折算到轉(zhuǎn)子側(cè),即相對(duì)于固定串補(bǔ)電容,系統(tǒng)諧振點(diǎn)向高頻移動(dòng),這與圖6所得結(jié)果一致。212閉環(huán)控制時(shí)的阻尼特性分析考察對(duì)阻尼的影響,=40°

16、;、60°時(shí)TCSC 在CC 、CP 、POD 閉環(huán)控制下D e 的頻率響應(yīng)曲線見(jiàn)圖8。可見(jiàn)隨著增大,系統(tǒng)諧振點(diǎn)頻率增高(折算到轉(zhuǎn)子側(cè),且在諧振點(diǎn)附近的電氣負(fù)阻尼大大減小,這與開(kāi)環(huán)控制時(shí)的系統(tǒng)特性相同。3結(jié)論a 1TCSC 采用開(kāi)環(huán)控制時(shí),諧振點(diǎn)附近的電氣負(fù)阻尼比固定串補(bǔ)電容大大減小。隨著導(dǎo)通角增大,系統(tǒng)諧振點(diǎn)頻率增高(折算到轉(zhuǎn)子側(cè),且諧振點(diǎn)附近的電氣負(fù)阻尼減小,這是因TCSC 在諧振頻率附近的等效電抗隨導(dǎo)通角增加而由容性變?yōu)楦行浴 1TCSC 采用CC 、CP 、POD 閉環(huán)控制時(shí)系統(tǒng)特性與開(kāi)環(huán)控制時(shí)相同。參考文獻(xiàn)1Larsen E ,Bowler C ,Damsky B ,et

17、 al.Benefit s of thyristor controlled se 2ries compensationC.CIGRE 34Session.Paris ,1992.2Pilotto L uiz A S ,Bianco Andr é,Long Willis F ,et al.Impact of TCSC control methodologies on subsynchronous o scillationsJ .IEEE Trans onPD ,2003,18(1:2432252.3徐政1復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法的適用性分析及其時(shí)域仿真實(shí)現(xiàn)J 1中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2000,20(6

18、:12414劉洪濤,徐政,周長(zhǎng)春1靜止無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)發(fā)電機(jī)組次同步振蕩特性的影響J 1電網(wǎng)技術(shù),2003,27(1:12415周長(zhǎng)春,徐政1由直流輸電引起的次同步振蕩的阻尼特性分析J 1中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(10:621016周長(zhǎng)春,徐政1具有串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)慕恢绷骰旌舷到y(tǒng)次同步振蕩阻尼特性分析J 1高電壓技術(shù),2004,30(2:12317IEEE Subsynchronous Resonance Task Force.First benchmark model forcomputer simulation of subsynchronous resonance J .IEEE Trans on PAS ,1977,96(5:156521572.8Mathur R Mohan ,Varma Rajiv K.Thristor 2based fact s controllers for e 2lect rical transmission systemsM .New Y ork :John Wiley &Sons ,Inc ,200219Gama C ,Leoni R L ,Gribel J ,et al.Brazilian north 2south interconnec 2