陳甜妹，肖湘寧

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206)

基于TCSC的混合串補抑制次同步振蕩的研究

陳甜妹，肖湘寧

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206)

研究了一種基于可控串補(TCSC)的混合串補(HTCSC)抑制次同步振蕩的新方法。與三相TCSC相比，該方法只在單相上接TCSC，減少了2/3的晶閘管數量，降低了成本及控制難度。采用同步電壓反轉(SVR)控制方法，并設計出主動阻尼控制器。時域仿真結果表明，采用基于SVR方法的主動阻尼控制器后，HTCSC能有效抑制由線路串補度不合理引起的次同步振蕩問題，且短路故障后的電壓不平衡度穩(wěn)態(tài)值能滿足國家標準的限值要求。

混合串補;次同步振蕩;同步電壓反轉;主動阻尼控制器;電壓不平衡度

1 引言

固定串聯電容補償技術是一種非常經濟的提高線路傳輸容量和輸電網暫態(tài)穩(wěn)定性的方式，但美國Mohave電廠在20世紀70年代發(fā)生的發(fā)電機轉子大軸損壞的嚴重事故使人們意識到，當線路串補度不合理時，會引起發(fā)電機與輸電系統之間嚴重的機電耦合作用，即次同步振蕩問題。此后，人們對該問題進行了大量的研究，提出了多種抑制方法［1，2］，已在國內得到工程應用的主要包括附加勵磁阻尼控制器(Supplementary Excitation Damping Controller，SEDC)［3］、附加次同步阻尼控制器(Supplementary Sub-synchronous Damping Controller，SSDC)［4］、靜態(tài)無功補償器(Static Var Compensator，SVC)［5］及可控串補(Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC)［6］等。其中，TCSC裝置不僅能抑制次同步振蕩，還具有提高系統穩(wěn)定性，優(yōu)化潮流及抑制功率振蕩等作用，國內外學者已對其做了大量的研究［7，8］。

為進一步提高TCSC裝置的經濟性，文獻［9］基于三相不平衡結構抑制次同步振蕩的原理［10-12］，首次提出了基于TCSC的混合串補結構。該結構只在單相上接TCSC裝置，其他兩相均為固定串補，與三相TCSC相比，該結構的晶閘管數量減少了2/3，且控制和保護只需設計成單相，降低了成本和控制難度，是非常具有研究價值和工程應用前景的一種新型串補結構，但國內目前尚無相關的研究。

本文闡述了基于TCSC的混合串補(Hybrid Thyristor Controlled Series Compensation，HTCSC)抑制次同步振蕩的原理，并設計了基于同步電壓反轉(Synchronous Voltage Reversal，SVR)控制方法的主動阻尼控制器，通過時域仿真驗證了其有效性。

2 HTCSC的工作原理

圖1為HTCSC的結構示意圖。a、b兩相固定補償的電容值相等，c相的補償由TCSC和固定電容CC共同提供。

圖1 HTCSC結構示意圖Fig.1 Structure diagram of HTCSC

工頻f0下，有:

式中，ω0=2πf0;－j XTCSC0為工頻下TCSC的等效阻抗。工頻下應滿足:

次同步頻率(fe＜f0)下，有:

式中，ωe=2πfe。非工頻下，三相阻抗不相等，導致定子三相電流不平衡，電樞繞組磁動勢的正向分量幅值比三相平衡電流產生的正向電樞磁動勢幅值小，從而減弱了發(fā)電機的機電耦合作用，在一定程度上起到抑制次同步振蕩的作用。

3 基于SVR方法的主動阻尼控制器

3.1 SVR基本原理

圖2為TCSC電容電壓uC與電流iL的示意圖，iT為晶閘管支路的電流，σ為導通角。晶閘管導通區(qū)間的起始時刻和終止時刻電容電壓值大小相等，方向相反，如A點與C點、D點與F點。iT在導通區(qū)間的起始時刻和終止時刻均為0，其最大值出現在uC過零點時刻。

圖2 TCSC支路電壓電流示意圖Fig.2 Voltage and current schematic diagram of TCSC

定義阻抗因子kB=XTCSC/XC0，XTCSC為基波等效電抗，XC0為電容支路的容抗值，XC0= 1/(2πf0CTCSC)。正常情況下，uC過零點(即iT的最大值點)時刻與iL峰值時刻重合，如B點、E點。當系統存在次同步電流時，uC過零點(i'T的最大值點)時刻與iL峰值時刻不再重合，有一個相位差ΔφC。ΔφC與阻抗因子變化量ΔkB之間的關系為［13］:

式中，s為拉普拉斯變換因子;ΔkB與ΔφC在時域中為積分關系。通過控制ΔφC，可以很方便地控制TCSC的阻抗。

3.2 主動阻尼控制器的設計原理

基本思路見圖3，以轉速偏差量Δω為基準，建立坐標系，劃分4個象限。當電磁轉矩偏差ΔTe位于第3與第4象限時，ΔTeD為負，會引起系統的不穩(wěn)定。若提供一個位于第1或第2象限的附加電磁轉矩ΔTsup，與電磁轉矩ΔTe進行矢量疊加，得到總的電磁轉矩ΔTt，此時系統具有正的阻尼轉矩ΔTtD，有利于抑制次同步振蕩。所以在附加阻尼控制器設計時，應盡可能使ΔTt與Δω同相位。

圖3 主動阻尼控制器原理圖Fig.3 Principle of active damping controller

基于相位補償原理的主動阻尼控制器控制框圖如圖4所示。轉速差Δω經過帶通濾波、比例放大、相位補償及限幅等環(huán)節(jié)后，輸出附加控制信號kBS，然后將kBS附加到SVR控制器中。

圖4 主動阻尼控制器控制框圖Fig.4 Control block diagram of active damping controller

由于發(fā)電機轉速相對于HTCSC裝置為遠端信號，所以需通過光纖或者廣域測量系統將其傳送到主動阻尼控制器的輸入端。在轉速的測量、轉換及傳送過程中都存在延時，總時滯可長達幾十毫秒［14］甚至幾百毫秒［15］，因此在進行主動阻尼控制器設計時，需考慮這部分延時帶來的相位滯后。在提取到Δω信號后，加入延時環(huán)節(jié)，若時延為τ，則該環(huán)節(jié)可用e－sτ或其Pade有理逼近來表示。

Pade逼近的表達式為:

考慮信號傳送延時后，相位補償參數的獲取方法如下:先設置圖4中時間常數Ta、Tb為1，在Δω上加補償頻率fx的擾動信號，求取出ΔTe與Δω的相位差，即為fx頻率下需要補償的相位φ，再利用式(7)求取出滿足最佳相位補償的實際時間常數Ta、Tb。

3.3 基于SVR的主動阻尼控制策略

圖5為基于SVR的HTCSC控制策略框圖。選取線路電流iL為信號同步量，經PLL鎖相得相角θ，通過電壓互感器和電流互感器獲取電容電壓uC及線路電流iL，經相量估計得相量^uC、^iL，兩者相除取虛部得等效電抗XTCSC，根據定義式求出kB。kBref為阻抗因子參考值，測量值與參考值之差為所得誤差，kBS為主動阻尼控制器提供的附加控制量。

圖5 SVR控制框圖Fig.5 SVR control block diagram

電壓過零控制器的輸入為阻抗誤差，輸出為ΔφC。經過比較器后，產生SVR模塊所需的時間參考脈沖。時間參考脈沖用于確定期望的電容電壓過零時刻tz，tz與時間參考脈沖之間為一個固定延時Tdel。

晶閘管觸發(fā)環(huán)節(jié)根據以下公式來實現:

式中

LTCSC、CTCSC為TCSC裝置的結構參數，如圖1所示; u(tM)，i(tM)為tM時刻的電容電壓和線路電流的瞬時值;u(tz)為tz時刻的電容電壓值;θz，θM為tz，tM時刻對應的相角值。

4 仿真分析

4.1 模型參數

本文以IEEE第一標準模型為例進行研究，如圖6所示，發(fā)電機軸系由高壓缸(HP)、中壓缸(IP)、低壓缸A(LPA)、低壓缸B(LPB)、發(fā)電機(GEN)和勵磁機(EXC)六個質量塊組成，ZT代表變壓器，RL為線路電阻，XL為線路電抗，Rsys為無窮大系統電阻，Xsys為無窮大系統電抗，ZF為短路阻抗，詳細參數見文獻［17］。HTCSC結構如圖1所示，線路串補度為XC/XL=28.22%，XC=1/(2πf0C)，C= 57.74μF，CTCSC=115.48μF，LTCSC=9.75mH。

圖6 IEEE第一標準模型Fig.6 IEEE first benchmark model

4.2 固定串補下的次同步振蕩問題

圖7給出了固定串補度為28.22%情況下，5s母線B發(fā)生三相短路故障，0.075s后故障清除的發(fā)電機轉速及轉矩仿真圖。正常運行時，系統穩(wěn)定;當發(fā)生三相短路時，系統中會出現次同步頻率分量，由于線路串補度不合理，引起發(fā)電機的機電耦合作用，發(fā)電機轉速和轉矩發(fā)散，發(fā)生次同步振蕩。圖7中，ω表示發(fā)電機轉速，THI、TILA、TLAB、TLBG、TGE分別表示高壓缸與中壓缸、中壓缸與低壓缸A、低壓缸A與低壓缸B、低壓缸B與發(fā)電機之間的轉矩及發(fā)電機的電磁轉矩。

4.3 有效性驗證

用HTCSC代替50%的固定串補，5s母線B發(fā)生三相短路故障，持續(xù)0.075s后故障清除。圖8、圖9分別給出了不加入、加入主動阻尼控制器，發(fā)電機的轉速及轉矩仿真結果。對比圖7～圖9可知，不加入主動阻尼控制器時，雖然采用了HTCSC方案，發(fā)電機轉速及轉矩仍發(fā)散，而加入主動阻尼控制器后，發(fā)電機的轉速和轉矩迅速收斂，次同步振蕩問題得到明顯抑制。由此表明，僅依靠HTCSC次同步頻率阻抗的三相不平衡不能可靠抑制次同步振蕩，加入主動阻尼控制器后，HTCSC能有效抑制次同步振蕩。

圖7 固定串補，發(fā)電機的轉速和轉矩圖Fig.7 Generator speed and torque(fixed compensation)

圖8 HTCSC方案(不加主動阻尼控制器)，發(fā)電機的轉速和轉矩圖Fig.8 Generator speed and torque (HTCSC，without active damping controller)

4.4 電壓不平衡度

電壓不平衡會對電氣設備造成非常大的危害，使設備運行出力降低，引起變壓器及線路損耗增加，繼電保護及自動裝置誤動等。HTCSC利用三相電流的不平衡進行次同步振蕩的抑制，所以需研究其接入系統后對電壓不平衡度的影響。電壓不平衡度(Line Voltage Unbalanced Rate，LVUR)用式(11)來計算:

圖9 HTCSC方案(加入主動阻尼控制器)，發(fā)電機的轉速和轉矩圖Fig.9 Generator speed and torque (HTCSC，with active damping controller)

式中，U1表示正序電壓的均方根值;U2表示負序電壓的均方根值。

圖10給出了發(fā)生三相短路故障后發(fā)電機端電壓的不平衡度。HTCSC方案下，電壓不平衡度在故障時刻產生較大沖擊值后逐漸減小至穩(wěn)定值，該值遠低于國家標準規(guī)定的限值要求(穩(wěn)定值為0.5%，國家規(guī)定的電壓不平衡度限值為2%［17］)。

圖10 HTCSC方案下的電壓不平衡度Fig.10 LVUR after three-phase fault at bus B

5 結論

本文研究了一種基于TCSC的混合串補HTCSC抑制次同步振蕩的新方法。相比三相TCSC，該方法減少了2/3的晶閘管數量，極大地降低了成本，同時控制及保護系統只需配置單相，簡化了控制器的設計，降低了控制難度。采用SVR控制方法，并在該方法的基礎上，設計出了主動阻尼控制器。時域仿真結果表明，在加入基于SVR方法的主動阻尼控制器后，HTCSC能有效抑制由線路串補度不合理引起的次同步振蕩問題，且故障后，電壓不平衡度的穩(wěn)態(tài)值能滿足國家標準的限值要求。

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Study of hybrid com pensation scheme based on TCSC dam ping sub-synchronous oscillation

CHEN Tian-mei，XIAO Xiang-ning
(School of Electric and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

A novel hybrid thyristor controlled series compensation(HTCSC)scheme for damping the sub-synchronous oscillation is studied.In HTCSC structure，TCSC device is connected to single phase and the other two phases use only the fixed compensation capacitor.Under basic power frequency，the three phase impedance is equal; while under sub-synchronous frequency，impedance of three phase is unequal，thus the three-phase current is imbalance，which can weaken the coupling between generator and electrical system and inhibit SSO to a certain extent.Compared with three-phase TCSC，the new structure reduces number of thyristor by 2/3，and lowers the device cost and control difficulty.Synchronous voltage reversal(SVR)method is used as the control strategy and a supplementary active damping controller is designed.The simulation result shows thatwith the active damping controller based on SVR，HTCSC can effectively suppress the sub-synchronous oscillation caused by unreasonable line compensation degree.Moreover，the steady-state value of line voltage unbalanced rate under HTCSC scheme after a short-circuit fault can meet the requirements of national standard.

hybrid thyristor controlled series compensation;sub-synchronous oscillation;synchronous voltage reversemethod;supplementary damping controller;line voltage unbalance rate

TM72

A

1003-3076(2014)08-0015-06

2013-10-15

陳甜妹(1990-)，女，江西籍，碩士研究生，從事次同步振蕩及多FACTS協調的研究;肖湘寧(1953-)，男，湖南籍，教授，博導，主要從事電能質量、現代電力電子技術在電力系統中的應用、電動汽車充電對電網影響方面的教學與科研工作。