張學群 康積濤 李 林 劉永江

（西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

1 引言

輸電線路經串聯(lián)補償能夠顯著的提高輸電容量和提高暫態(tài)穩(wěn)定性。但是在帶來經濟效益的同時，也帶來了很多問題，次同步諧振就是其中之一。次同步諧振問題(Subsynchronous Resonance, SSR)是一個已經廣泛討論的問題[1-2]。從美國哈莫夫電廠發(fā)現(xiàn) SSR現(xiàn)象[3]至今，國內外對于抑制措施有廣泛的研究。國內利用國內廣泛應用的SVC抑制SSR的研究不是太多[4-5]。本文利用安裝在線路中點的SVC，并加裝阻尼控制器，在 IEEE第一標準測試模型[6]基礎上，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件對控制效果進行仿真。

2 次同步諧振的基本原理

2.1 次同步諧振的產生機理

電力系統(tǒng)次同步諧振是指由于汽輪發(fā)電機組與具有串聯(lián)補償?shù)妮旊娤到y(tǒng)之間的耦合作用而產生的機電振蕩行為，因為系統(tǒng)對該振蕩呈現(xiàn)的弱阻尼、無阻尼、甚至是負阻尼特性，使這種振蕩的振幅呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢[1]。圖 1所示為具有補償線路的汽輪發(fā)電機組的示意圖。

圖1 具有串聯(lián)補償線路的汽輪發(fā)電機組

對于整個系統(tǒng)，其自然電氣諧振頻率是：式中，ω0為系統(tǒng)運行頻率，XC是串補電容X' '是發(fā)電機次暫態(tài)電抗，XL代表輸電線路阻抗，XT代表升壓變壓器的漏電抗。

產生SSR的條件為：當定子回路的電磁振蕩頻率ωer與軸系的某一自然扭振頻率ωm互補，即ωer+ωm=1時,發(fā)電機轉子中頻率為ωm的振蕩分量，將在定子繞組中引起頻率為 1?ωm的電流分量,這個電流分量所產生的轉矩實際上是一個與擾動同相位的驅動轉矩，它對軸系中頻率為ωΔ 的振蕩分量產生負阻尼作用，結果將使這一振蕩分量趨于增大，這樣就形成電氣共振與機械共振之間的相互激勵。如果此激勵能抵償或者超過機械和電磁振蕩中的各種阻尼和電阻中的功率損耗，振蕩就可以維持下去甚至發(fā)散，系統(tǒng)中出現(xiàn)次同步諧振[7]。這便是具有串聯(lián)電容補償?shù)碾娏ο到y(tǒng)中發(fā)生次同步振蕩的機理。

2.2 次同步諧振的抑制

現(xiàn)有的抑制電力系統(tǒng)次同步諧振的抑制方法可以分為兩大類[8]：

（1）通過加裝附加設備或改造已有一次設備以防止不穩(wěn)定次同步振蕩的發(fā)生，包括使用濾波器和增加阻尼設備、采用發(fā)電機扭振繼電器、改變電力系統(tǒng)的運行方式以及改造發(fā)電機組等措施。

（2）使用二次設備（即控制裝置），其本質是使用二次設備提供對主導扭振模式的阻尼來抑制次同步諧振，其原理類似于使用PSS抑制低頻振蕩。常用的方法是通過適當?shù)目刂扑惴ㄔ诂F(xiàn)有的電力系統(tǒng)控制裝置上附加控制信號，從而在發(fā)電機的電磁轉矩中產生阻尼次同步諧振的電氣阻尼轉矩，達到抑制次同步諧振的目的。

3 SVC抑制次同步振蕩的原理分析

3.1 SVC抑制次同步振蕩的基本原理

靜止無功補償器（SVC）一般采用晶閘管控制電抗器（TCR）與固定電容器（FC）或者晶閘管控制投切電容器（TSC）組合而成，現(xiàn)實對系統(tǒng)無功功率的連續(xù)調節(jié)[9]。

通過控制晶閘管的觸發(fā)相位角，可以控制每個周期周波內電感L接入系統(tǒng)時間的長短，從而改變TCR的等值電抗。其等值電抗與觸發(fā)角的關系為

圖2 靜止無功補償裝置原理接線圖

用于抑制SSR的SVC具有電流放大作用，選取恰當?shù)目刂菩盘?，作為TCR的輸入信號，據(jù)此控制TCR支路的電流大小，產生抑制SSR的阻尼轉矩[10]，當沒有發(fā)電機軸系扭振時，SVC的作用如同一個穩(wěn)定且連續(xù)的無功負荷。這就是基于SVC抑制次同步諧振的基本思想。

圖3 靜止無功補償器數(shù)學模型

3.2 SVC次同步振蕩阻尼控制器

SSDC抑制次同步振蕩的原理與PSS抑制低頻振蕩相類似。目前針對SSDC已經展開過一些討論。文獻[11]采用遺傳-模擬退火算法設計了一種專門針對SVC的SSDC裝置，并應用于錦界電廠SSR問題。圖4所示為一個 SSDC裝置的示意圖。

圖4 SSDC裝置示意圖

4 測試系統(tǒng)及SVC控制裝置

本文采用IEEE第一標準測試模型[6]，其中線路的串補度為47%，SVC安裝在線路中點位置，如圖4所示。

安裝在線路中的靜止無功補償裝置，主要是在系統(tǒng)中存在擾動的時候，通過調節(jié)線路中的母線電壓。通過加裝輔助阻尼控制器（SSDC），可以達到增強系統(tǒng)扭振模態(tài)阻尼的目的。帶有電壓調機器的SVC線性化模型如圖5所示。附加阻尼控制器H(s)根據(jù)控制策略的不同，有很多不同的結構[12]。

圖5 測試系統(tǒng)原理圖

圖6 SVC輔助控制

5 仿真結果及分析

發(fā)電機轉速偏差、輸出功率、兩高壓缸轉速偏差等信號都包含需阻尼的所有原動機的扭振模式分量。但因為后兩種信號對控制器的移相更敏感，故通常選擇發(fā)電機的轉速偏差最為控制器的輸入信號，以提高SVC的控制效果[11]。在本文的仿真中，未考慮在 SVC控制裝置中添加輔助控制裝置，SSDC的結構為一PID控制環(huán)節(jié)。

圖7 未安裝SVC時的軸系轉矩

圖8 安裝SVC無附加控制器時的軸系轉矩

圖9 安裝SVC-SSDC時LPA-LPB間轉矩

6 結論

由以上的仿真結果分析，可以得到以下結論：

（1）將SVC安裝在線路中點位置，利用遠端的發(fā)電機信號，經過適當?shù)目刂骗h(huán)節(jié)可以達到緩解次同步諧振的目的。

（2）在SVC的控制環(huán)節(jié)中未加入SSDC裝置時，緩解次同步諧振的效果較差。由圖形可見，在未加裝SSDC時，軸系扭振雖然得到一定的控制，但是存在一個比較明顯的階躍。

SVC裝置是一種已經在電力系統(tǒng)中廣泛應用的成熟技術。本文IEEE第一模型基礎上，基于PSCAD仿真軟件，利用遠端發(fā)電機轉速偏差信號研究了SVC緩解次同步諧振的有效性。

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[5] 劉洪濤,徐政,周長春.靜止無功補償器對發(fā)電機組次同步振蕩特性的影響[J].電網技術,2003,27(1):1-4

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[11] 謝小容,武云生,林驚濤等.采用遺傳-模擬退火算法優(yōu)化設計 SVC次同步振蕩阻尼控制器[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(19)：11-14

[12] (加)昆德（Prabha Kundur）《電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制》翻組.電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制[M].北京:中國電力出版社,2002