王　杉，張　超，王立德，王渝紅，李興源（. 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 60065；. 湖南省電力公司檢修公司，長沙40004）

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基于測試信號法的HVDC附加次同步阻尼控制器設(shè)計

王杉1，張超2，王立德2，王渝紅1，李興源1
（1. 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065；2. 湖南省電力公司檢修公司，長沙410004）

[摘要]針對汽輪發(fā)電機組的次同步振蕩（SSO）問題，從系統(tǒng)電氣阻尼角度闡述了附加次同步阻尼控制器（SSDC）抑制次同步振蕩的機理，進而提出一種基于測試信號法相位補償原理的SSDC設(shè)計方法。對SSDC的結(jié)構(gòu)、輸入信號的選取、相位補償?shù)确矫孢M行了論述和設(shè)計。在PSCAD/EMTDC中構(gòu)建SSO的測試系統(tǒng)，基于測試信號法計算，該系統(tǒng)電氣阻尼系數(shù)為負，表明測試系統(tǒng)會引發(fā)SSO。采用所設(shè)計的SSDC控制后，電氣阻尼系數(shù)均為正。時域仿真也驗證了所設(shè)計的SSDC能夠有效抑制直流控制引起的SSO。

[關(guān)鍵詞]測試信號法；次同步振蕩；附加次同步阻尼控制器；電氣阻尼系數(shù)；相位補償

0　引言

HVDC輸電快速可控，存在著與汽輪發(fā)電機組軸系發(fā)生次同步扭振相互作用的可能性[1]。隨著大區(qū)域交直流混合輸電大電網(wǎng)的形成，高壓直流輸電引起的次同步振蕩問題越來越突出。確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行日益重要，因此研究抑制直流控制引起SSO的措施具有重要現(xiàn)實意義。

分析SSO問題的方法主要有頻域掃描法，特征值法，時域仿真法和復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法。復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法由I.M. Canay提出，在分析交直流系統(tǒng)SSO問題時可以考慮換流器的非線性[2]。文獻[3]提出基于廣域測量系統(tǒng)的次同步振蕩在線監(jiān)測預(yù)警方法。文獻[4]提出Prony算法的次同步扭振模態(tài)參數(shù)辨識。文獻[5]提出基于TLS-ESPRIT算法設(shè)計SSDC，具有很強的魯棒性。本文提出一種基于測試信號法相位補償原理的SSDC設(shè)計方法來抑制直流控制引起的SSO。

1　測試信號法原理

測試信號法采用時域仿真的方法實現(xiàn)復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法。擾動施加在整流側(cè)電流參考環(huán)節(jié)上，直流閉環(huán)控制能直接對擾動作出快速響應(yīng)。對于一臺待研發(fā)電機組，發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的增量可用式（1）來表示[2]：

實現(xiàn)測試信號法具體步驟如下[6]：

（1）對確定的穩(wěn)定運行點，整流側(cè)定電流調(diào)節(jié)器的電流參考環(huán)節(jié)上施加小信號振蕩電流△I0（包含不同的頻率，頻率范圍為5Hz到45Hz），幅值為0.05p.u.。

式中：λ<1，Tλ、φλ分別是小信號比例系數(shù)和初相位，要求Tλ較小。

（2）仿真到系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，截取小值脈動一個公共周期上的發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩△Te和發(fā)電機角速度的變化量△ω。

（4）根據(jù)式（3），求出電氣阻尼系數(shù)De：

文獻[7]提出系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩的判據(jù)為總阻尼D小于0，如式（4）所示。

式中，Dmj為機組第j扭振模式的機械阻尼系數(shù)；Dej為機組第j扭振模式的電氣阻尼系數(shù)。

2　SSDC的設(shè)計

2.1SSDC的設(shè)計原理

同時我們又單獨測試了石英基底的熒光光譜，結(jié)果表明石英基底并不具有上轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，由此可以證明上轉(zhuǎn)換熒光是由基底表面的Ce3+摻雜YAG熒光薄膜材料所產(chǎn)生的。

根據(jù)測試信號法，系統(tǒng)的電氣阻尼系數(shù)De可以用式（3）求得。SSDC提供的附加電磁轉(zhuǎn)矩T△e′作用大小可用圖1說明。

圖1　電磁轉(zhuǎn)矩變化量與轉(zhuǎn)速偏差相位圖

SSDC的設(shè)計原理是根據(jù)測試信號法原理，提供一個位于第1象限的具有超前相位的附加電磁轉(zhuǎn)矩△Te′，使得△Te與△Te′的相量之和△Te″在第1象限，從而能夠抑制SSO。

2.2SSDC的結(jié)構(gòu)

基于2.1節(jié)的SSDC設(shè)計原理，從工程實踐考慮，附加次同步阻尼控制器的結(jié)構(gòu)如圖2虛線框所示。SSDC由測量環(huán)節(jié)、PLL環(huán)節(jié)、帶通濾波環(huán)節(jié)、相位補償環(huán)節(jié)、增益環(huán)節(jié)及限幅環(huán)節(jié)構(gòu)成。

圖2　SSDC結(jié)構(gòu)和定電流控制框圖

2.3.1輸入信號的選擇

SSDC采用的輸入信號主要有發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差△ω和系統(tǒng)頻率偏差△f兩種?！鳓貙Υ瓮椒至康捻憫?yīng)特性較好，但實際工程中HVDC的換流站往往與發(fā)電廠有一定的距離。因此，SSDC采用就地頻率偏差控制的方法更符合工程實際，通常采用整流側(cè)換流母線電壓信號作為測量環(huán)節(jié)的輸入信號。

2.3.2相位補償環(huán)節(jié)

相位補償環(huán)節(jié)是SSDC設(shè)計的關(guān)鍵，參數(shù)選擇不合適不但不能抑制振蕩反而會加劇振蕩。

式中，ωa為所選擇相位補償?shù)念l率；θ為ωa所對應(yīng)的需要補償?shù)某跋嘟牵籘1、T2為補償環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。

SSDC能夠提供的附加電磁轉(zhuǎn)矩的大小，不但與輸入信號△f有關(guān)，還與圖2中增益K1有關(guān)。因此，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)實際的情況確定合理的K1值。

3　仿真分析

3.1測試系統(tǒng)

仿真分析采用的系統(tǒng)模型如圖3所示。采用IEEE第一標準測試系統(tǒng)發(fā)電機模型G[8]，經(jīng)變壓器T1和換流變壓器T2與直流系統(tǒng)連接。送端交流等值系統(tǒng)為SR，ZSR為其等效阻抗。受端系統(tǒng)為S1，ZS1為其等效阻抗，系統(tǒng)短路比為2.5。發(fā)電機額定容量為892.4MVA。

直流系統(tǒng)采用CIGRE直流輸電標準測試系統(tǒng)[9]，直流額定輸送功率為1000MW，額定電壓為500 kV。直流系統(tǒng)采用單極12脈動結(jié)構(gòu)，直流線路采用T型模型，整流側(cè)采用定電流控制，逆變側(cè)采用定熄弧角控制。定電流控制器的詳細框圖如圖2所示，定電流控制器輸出觸發(fā)角信號α，其中K=1.0989，T4=0.01092 s；K2=0.5、T3= 0.0012 s。T1兩側(cè)電壓為26 kV/345 kV，u%=0.14 p.u.，系統(tǒng)基準容量100 MVA，基準電壓345kV。

圖3　仿真系統(tǒng)模型

3.2待補償相位及SSDC參數(shù)設(shè)計

3.2.1待補償相位

相位補償環(huán)節(jié)是SSDC的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由前述分析可知，待補償?shù)南辔皇前l(fā)電機組電磁轉(zhuǎn)矩△Te到發(fā)電機組轉(zhuǎn)速△ω的滯后相位。按第1節(jié)測試信號法的步驟，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4　△Te與△ω的相頻特性

△Te與△ω的相位差決定了系統(tǒng)電氣阻尼系數(shù)的性質(zhì)。根據(jù)圖4可知，在23Hz以下低頻段，△Te與△ω的相位差超過了90°；系統(tǒng)的電氣阻尼系數(shù)De為負，則存在SSO的可能。

3.2.2SSDC參數(shù)設(shè)計

整流側(cè)定電流控制器輸出加入SSDC，如圖3所示?？刂破鲄?shù)如下：PLL參數(shù)中KPLL_P=50，KPLL_INT=900；2階帶通濾波器帶寬設(shè)置為5到45Hz。根據(jù)圖4待補償相位，為達到理想補償相位設(shè)計2個一階環(huán)節(jié)，在5Hz和15Hz分別補償30°，相位補償環(huán)節(jié)參數(shù)根據(jù)式（5）確定，2組參數(shù)中T1/T2分別為0.0559/0.00186和0.0275/0.0092；增益系數(shù)K1取值20，限幅環(huán)節(jié)范圍為±0.05p.u.。

3.3阻尼特性分析

對于圖3所示的仿真系統(tǒng)，根據(jù)測試信號法步驟，計算出無SSDC控制和加入SSDC的電氣阻尼系數(shù)De。發(fā)電機組次同步頻率范圍內(nèi)（5Hz到45Hz）的電氣阻尼系數(shù)De的計算結(jié)果如圖5。

圖5　系統(tǒng)電氣阻尼系數(shù)De仿真結(jié)果

基于測試信號法計算，由圖5（a）可以看出，未加入SSDC時，系統(tǒng)30Hz以下電氣阻尼均為負值，表明測試系統(tǒng)會引發(fā)SSO。由圖5（b）可以看出，加入SSDC后系統(tǒng)電氣阻尼均為正值，表明SSDC能夠為系統(tǒng)提供正阻尼來抑制SSO。

3.4時域仿真結(jié)果

為了驗證SSDC參數(shù)的有效性，利用PSCAD/EMTDC程序?qū)D3所示的系統(tǒng)進行時域仿真。發(fā)電機軸系由高壓缸HP、中壓缸IP、低壓缸LP以及發(fā)電機GEN和勵磁機EXC 5個集中質(zhì)量塊組成。參數(shù)同IEEE第一標準測試系統(tǒng)模型，其中30Hz以下振蕩模式的頻率依次為15.71Hz、20.21Hz和25.55Hz。對應(yīng)的機械阻尼系數(shù)Dmj分別為0.54、12.2和0.775。由圖5所示的電氣阻尼特性可知，無SSDC時15.71Hz對應(yīng)的電氣阻尼系數(shù)為-1，根據(jù)式（4）計算，軸系的總阻尼系數(shù)為-0.46，因此軸系發(fā)生該振蕩模式的扭振。

SSDC采用3.2.2節(jié)的控制參數(shù)，2s時刻在電流參考環(huán)節(jié)施加小信號振蕩電流△I0，擾動持續(xù)5個工頻周期（0.1 s）。通過時域仿真分析無SSDC及加入SSDC兩種情況下系統(tǒng)發(fā)生擾動時發(fā)電機各段軸系轉(zhuǎn)矩變化，如圖6所示。

由圖6（a）可以看出，未加入SSDC控制時，系統(tǒng)受擾動后發(fā)電機各段軸系的轉(zhuǎn)矩都是發(fā)散的，表明SSO模式不穩(wěn)定。由圖6（b）可以看出，加入SSDC后發(fā)電機各段軸系上的轉(zhuǎn)矩迅速衰減，說明SSDC有效抑制了軸系的扭振振蕩，這與電氣阻尼特性分析的結(jié)果一致，表明SSDC能有效抑制由于直流系統(tǒng)控制所引起的SSO。

圖6　系統(tǒng)發(fā)生擾動是發(fā)電機各段軸系轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

4　結(jié)語

（1）論述了測試信號法計算系統(tǒng)電氣阻尼系數(shù)的原理。從電氣阻尼特性角度闡述SSDC抑制SSO的機理，進而提出基于測試信號法相位補償原理的SSDC設(shè)計方法。

（2）重點闡述了SSDC設(shè)計中的控制器結(jié)構(gòu)、輸入信號的選取、相位補償?shù)确矫?，提出了一種便于工程實現(xiàn)的SSDC設(shè)計方案。

（3）在PSCAD/EMTDC中構(gòu)建了次同步振蕩的測試系統(tǒng)。采用文中所設(shè)計的SSDC參數(shù)，測試系統(tǒng)在加入SSDC后，系統(tǒng)電氣阻尼系數(shù)由負阻尼調(diào)整為正阻尼。時域仿真結(jié)果也驗證了所設(shè)計的SSDC能夠有效抑制直流控制引起的SSO。

[參 考 文 獻]

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王杉(1988-)，主要研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制，高壓直流輸電，新能源并網(wǎng)，碩士研究生。

審稿人：李桂芬

Design of HVDC Supplementary Subsynchronous Damping Controller Based on Test Signal Method

WANG Shan1, ZHANG Chao2,WANG Lide2, WANG Yuhong1, LI Xingyuan1
(1. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2. Maintenance Branch of Sichuan Electric Power Company, Deyang 618500, China)

Abstract:Aiming at subsynchronous oscillation (SSO) problem of turbine-generator unit, the mechanism of inhibiting SSO with supplementary subsynchronous damping controller (SSDC) was described from the view of an electrical damping characteristics in system. Based on the phase compensation principle, a method to design SSDC according to test signal method was proposed. Structure of SSDC, selection of input signal, phase compensation, etc are discussed and designed. The test system was constructed in PSCAD/EMTDC program. System electrical damping coefficient is negative, which shows that can lead to SSO. Then the electrical damping of system with SSDC are positive. Time domain simulation results validate the effectiveness of the designed SSDC.

Key words:test signal method; SSO; SSDC; electrical damping coefficient; phase compensation

[作者簡介]

[收稿日期]2015-05-14

基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2011AA05A119）；國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司科技項目（SGSCJXOOYJKJ1301058）。

[中圖分類號]TM714

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-3983(2016)01-0006-04