時伯年，李樹鵬，梅紅明，柳勇軍

(1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；3.南方電網(wǎng)科學研究院，廣東 廣州 510080)

含常規(guī)直流和柔性直流的交直流混合系統(tǒng)次同步振蕩抑制研究

時伯年1，李樹鵬2，梅紅明1，柳勇軍3

(1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；3.南方電網(wǎng)科學研究院，廣東 廣州 510080)

針對背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程中存在的次同步振蕩(SSO)現(xiàn)象，對基于常規(guī)直流(LCC_HVDC)的次同步阻尼控制器(LCC_SSDC)和基于柔性直流(VSC_HVDC)的次同步阻尼控制器(VSC_SSDC)的協(xié)同抑制問題進行了研究。首先針對待研究輸電系統(tǒng)，從電磁轉矩矢量合成方面分析了 SSDC 抑制次同步振蕩的機理。然后分別設計了LCC_SSDC 和 VSC_SSDC 的結構并整定了其參數(shù)。最后在 PSCAD/EMTDC 上搭建電磁暫態(tài)仿真模型，仿真結果驗證了結論的正確性和所設計 SSDC 的有效性。

常規(guī)直流輸電；柔性直流輸電；次同步振蕩；次同步阻尼控制器

0 引言

電 力 系 統(tǒng) 次 同 步 振 蕩 (sub-synchronous oscillation, SSO)是一種非常嚴重的電網(wǎng)穩(wěn)定性問題，可能會導致發(fā)電機大軸的損壞。SSO 最初出現(xiàn)在帶串補電容的交流輸電系統(tǒng)中[1]，隨后美國的SquareButte 發(fā)電廠在投入新建成的高壓直流輸電(High Voltage Direct Current, HVDC)線路時，發(fā)現(xiàn)了由 HVDC 引起的 SSO[2]。2015 年底，我國新疆地區(qū)出現(xiàn)了由大規(guī)模新能源接入引起的火電機組 SSO問題，引起國內(nèi)外學者的高度重視。

常規(guī) HVDC 輸電技術(LCC_HVDC)與直流換流站電氣聯(lián)系較強的發(fā)電機組，有可能與HVDC控制系統(tǒng)發(fā)生扭振相互作用，引起次同步振蕩(sub-synchronous oscillation，SSO)問題。SSO 激發(fā)的汽輪發(fā)電機組軸系扭振會造成發(fā)電機組軸系的疲勞損傷，嚴重情況下暫態(tài)過程中的強烈扭振甚至可以導致發(fā)電機大軸的瞬間斷裂。

隨著電力電子技術、信息控制技術的進步和發(fā)展 ，尤 其 是以 絕緣柵 雙極 晶 體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)為代表的全控型可關斷器件的快速發(fā)展，IGBT 器件的電壓和容量等級得到不斷提升，這使得采用 IGBT 構成電壓源換流器(Voltage Source Converter, VSC)來進行直流輸電(VSC_HVDC)成為可能。電壓源換流器可以等效為幅值和相位都可以控制的可控電壓源，從而實現(xiàn)四象限運行，靈活地控制有功功率和無功功率。目前研究發(fā)現(xiàn)，VSC_HVDC 的輸出波形中不含有次同步頻率分量，不會引發(fā) SSO 現(xiàn)象。但在新一代電網(wǎng)架構中，同時包含 VSC_HVDC、LCC_HVDC 和交流串補線路的混合系統(tǒng)仍有發(fā)生 SSO 的風險。

直流附加勵磁阻尼控制器(SSDC)是目前用于抑制 SSO 的較為有效的方法。SSDC 屬于直流系統(tǒng)的附加設備，通過引入機組的次同步分量，經(jīng)移相放大后將輸出疊加到整流側的定電流控制器中從而達到抑制振蕩的效果?；趥鹘y(tǒng)直流的次同步阻尼控制器(LCC_SSDC)和基于柔性直流的次同步阻尼控制器(VSC_SSDC)是分別應用于傳統(tǒng)直流和柔性直流系統(tǒng)的 SSDC。雖然次同步抑制信號的附加位置不同，但兩者都是通過改變機組軸系的次同步扭矩關系，提高系統(tǒng)的電氣阻尼來抑制交直流系統(tǒng)中的 SSO。

為了有效抑制交直流混合系統(tǒng)的 SSO，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，國內(nèi)外學者開展了一系列研究。文獻[6-7]分析了含直流系統(tǒng)的次同步振蕩特性。文獻[8]提出了具有工程實用性的用于抑制 SSO的附加次同步阻尼控制器設計方案，并研究了SSDC 的參數(shù)整定方法。文獻[9]對 SSDC 設計中控制器結構、輸入信號的選取、相位補償和增益調整等方面進行了重點論述。文獻[10-11]針對直流系統(tǒng)設計了附加控制器抑制次同步振蕩。文獻[12]和文獻[13]分別對 VSC_HVDC 單通道和多通道結構的VSC_SSDC 進行了研究設計并分析了其抑制效果。目前，運用傳統(tǒng)直流次同步阻尼控制器(LCC_SSDC)和柔性直流次同步阻尼控制器(VSC_SSDC)協(xié)同抑制SSO的研究仍是空白，需要細致地展開分析研究。

1 系統(tǒng)結構及參數(shù)介紹

圖1所示為背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程的地理接線圖。在該系統(tǒng)中DD電廠和YW電廠為待研究的發(fā)電廠，該交流側的其他部分用等效電源代替。為突出柔性直流、傳統(tǒng)直流部分和待研究機組，系統(tǒng)結構的搭建如圖2所示。

在該系統(tǒng)中，G1代表待研究機組，具體包括DD 電廠和 YW 電廠中的所有機組；S1代表其中一側的交流系統(tǒng)，將其等效為 QJ站、GS 站、LP 站和 LX站四部分；S2代表另一側的交流系統(tǒng)。兩交流系統(tǒng)通過傳統(tǒng)直流和柔性直流輸電相連，采用混合直流輸電控制策略。HP、LPA、LPB、GEN為汽輪發(fā)電機組軸系的四個質量塊，分別代表高壓缸、低壓缸 A、低壓缸 B、發(fā)電機。通過頻率掃描法確定該系統(tǒng)含有的次同步扭振模態(tài)共有 3 個，頻率依次為：13.2 Hz，24.7 Hz，29.8 Hz。

圖1 地理接線圖Fig. 1 Geographic connection of the project

圖2 系統(tǒng)結構圖Fig. 2 Structure of the system

2 原理分析

基于機組的 Park 方程模型，忽略阻尼繞組電流變化等一些次要因素，電磁轉矩可進一步表示為

LCC_SSDC 和 VSC_HVDC 分別通過調節(jié)常規(guī)直流換流站和柔性直流換流站的輸出功率來抑制SSO ， 屬 于 網(wǎng) 側 抑 制 措 施 。 LCC_SSDC 和VSC_HVDC 通過不同附加回路產(chǎn)生的附加電磁轉矩 分 別 為和與 原 電 磁 轉 矩合 成 可 得 到 系 統(tǒng) 擾 動 時施 加 LCC_SSDC 和VSC_HVDC 后新的合成電磁轉矩如圖3所示。若與間的相角差超過 90°，系統(tǒng)將產(chǎn)生負阻尼，可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。若提供一個位于第一象限的附加電磁轉矩，使得與的相量和在第一象限，則系統(tǒng)最終就具有正的阻尼轉矩，起到抑制 SSO 的效果。

圖3 協(xié)同抑制的電磁轉矩矢量合成關系圖Fig. 3 Relationship of electromagnetic torque vector synthesis of coordinated restraining

3 次同步阻尼控制器的設計

3.1 模態(tài)頻率提取

直流次同步阻尼控制器(SSDC)一般采用整流側或換流站的交流母線電壓作為信號輸入，通過鎖相環(huán)節(jié)后可從中提取出次同步分量。其具體的控制邏輯可用圖4表示。

圖4 偏差提取環(huán)節(jié)的邏輯圖Fig. 4 Diagram of the error extracting

3.2 濾波和相位補償

SSDC 的實質是向系統(tǒng)提供正的阻尼效應，其結構一般由濾波環(huán)節(jié)和相位補償環(huán)節(jié)組成，其結構如圖5所示。

圖5 濾波和補償環(huán)節(jié)Fig. 5 Filter and compensation

SSDC 采取轉速偏差信號 wD 作為其信號輸入；為了防止在補償環(huán)節(jié)頻率的混疊，采用窄頻帶、多通道的濾波及相位補償，將多個模態(tài)的信號疊加后可得到輸出信號。

SSDC 的輸入信號是母線電壓中提取的偏差信號，它不僅包含了次同步頻率分量信號，還包含了噪聲信號。而 SSDC 控制所需要的僅是次同步頻率信號，應通過低通濾波環(huán)節(jié)和高通濾波環(huán)節(jié)進行隔離。通過低通和高通濾波的組合，相當于構成了一個帶寬比較大的“帶通濾波器”。

高通濾波器采用二階 Butterworth 濾波器，保證所關注的、頻率最低的次同步模態(tài)信號順利通過，只有一個參數(shù)，即高通截止頻率需要整定。其傳遞函數(shù)為

低通濾波器同樣采用二階 Butterworth 濾波器，保證所關注的、頻率最高的次同步模態(tài)信號順利通過，只有一個參數(shù)，即低通截止頻率需要整定。其傳遞函數(shù)為

帶通濾波器設計的總體目的是將不同的扭振模態(tài)信號進行解耦，以分別對其進行比例移相控制。要求在濾波器中心頻率或頻率有較小的偏差時，其對應模態(tài)信號的幅頻特性不受較大影響；而其他頻率的信號被大幅衰減。所有帶阻、帶通都采用2階Butterworth 濾波器。根據(jù)以上所述的設計要求，設計出 SSDC 中帶通和帶阻濾波器的具體參數(shù)如表1所示。

表1 SSDC 帶通帶阻濾波器的參數(shù)Table 1 Parameters of band-pass and band-reject filter

基于常規(guī)直流的次同步阻尼控制器(LCC_ SSDC)和基于柔性直流的次同步阻尼控制器(VSC_SSDC)在三個模態(tài)下，其補償環(huán)節(jié)的參數(shù)分別如表2、表3所示。

表2 LCC_SSDC 補償環(huán)節(jié)的參數(shù)Table 2 Compensation parameters of LCC_SSDC

表3 VSC_SSDC 補償環(huán)節(jié)的參數(shù)Table 3 Compensation parameters of VSC_SSDC

3.3 SSDC 輸出信號的疊加位置

3.3.1 傳統(tǒng)直流系統(tǒng)

對于傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)，次同步抑制信號一般以附加有功功率的形式，加入在定電流控制環(huán)節(jié)，如圖6所示。

圖6 常規(guī)直流部分的附加信號添加位置Fig. 6 Additional signal of LCC_HVDC

3.3.2 柔性直流系統(tǒng)

對于柔性直流輸電系統(tǒng)，次同步抑制信號的疊加位置可以有多種形式，如疊加到有功外環(huán)無功外環(huán)以及 d 軸電流內(nèi)環(huán)軸電流內(nèi)環(huán)上。這 4 種疊加方式所取得的抑制效果是不同的：無功類疊加方式改變的是換流站與交流系統(tǒng)交換的無功功率，因無功功率不宜在線路上傳輸，一般采用就地補償?shù)姆绞?，對于距離換流站母線較遠的發(fā)電機組，無功類疊加方式基本起不到抑制效果；內(nèi)環(huán)疊加方式不受外環(huán)控制器控制模式變化的影響，通用性更強。綜上分析，對于柔性直流系統(tǒng)，次同步抑制信號的最佳疊加位置是d軸電流內(nèi)環(huán)參考值，其疊加方式如圖7 所示。

圖7 柔性直流部分的附加信號添加位置Fig. 7 Additional signal of VSC_HVDC

4 仿真驗證

為了驗證 LCC_SSDC 和 VSC_SSDC 的實際暫態(tài)控制效果，在 PSCAD/EMTDC 仿真平臺上搭建如圖1所示的背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程時域仿真模型[17]。模擬交流母線 A 發(fā)生三相接地短路故障，其接地電阻為 6 W ，故障發(fā)生在第 6 s，持續(xù) 0.1 s。圖8 為不加、只加 LCC_SSDC、只加 VSC_SSDC 和同時加入兩者時，各模態(tài)轉速的變化情況，其中橫坐標為時間 t，縱坐標為轉速偏差的標幺值。

圖8 各種情況下，模態(tài)轉速的變化情況Fig. 8 Change of each modality speed in all cases

分析圖8 可知：系統(tǒng)中無 SSDC 時，模態(tài) 1、2、3 轉速的收斂緩慢，這種情況可能會引發(fā) SSO，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行；單獨應用 LCC_SSDC 或VSC_SSDC 時，模態(tài) 1、2、3 轉速的收斂速度有所加快；同時加入 LCC_SSDC 和 VSC_SSDC 時，模態(tài) 1、2、3 轉速的收斂速度明顯加快，大大降低了系統(tǒng)發(fā)生 SSO 的風險。

5 結論

本文針對背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程中存在的次同步振蕩(SSO)現(xiàn)象，對 LCC_SSDC 和 VSC_SSDC的協(xié)同抑制問題開展研究，并進行了仿真驗證，結論如下：

(1) 系統(tǒng)中無 SSDC 時，模態(tài)轉速的收斂緩慢，這種情況可能會引發(fā) SSO，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行；

(2) 單獨應用 LCC_SSDC 和 VSC_SSDC 時，模態(tài)轉速的收斂速度有所加快，降低了系統(tǒng)發(fā)生 SSO的風險；

(3) 同時應用 LCC_SSDC 和 VSC_SSDC 時，系統(tǒng)故障所激發(fā)的次同步頻率信號可以被迅速抑制，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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(編輯 魏小麗)

Research on the SSO restraining of hybrid system containing LCC_HVDC and VSC_HVDC

SHI Bonian1, LI Shupeng2, MEI Hongming1, LIU Yongjun3
(1. Beijing Sifang Automation Co., Ltd., Beijing 100085, China; 2. State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300010, China; 3. Southern Power Grid Research Institute, Guangzhou 510080, China)

Aiming at the sub-synchronous oscillation (SSO) of the back to back DC asynchronous networking project, the coordinated restraint of sub-synchronous oscillation damping controller (SSDC) based on conventional DC and flexible DC is researched. Firstly, the mechanization of SSDC on restraining SSO is analyzed from the point of electromagnetic torque vector synthesis. Then, structures of LCC_SSDC and VSC_SSDC are designed and parameters are tuned. Finally, the simulation model is built on PSCAD/EMTDC, and the results verify the correctness of conclusion and the effectiveness of SSDC.

LCC based DC transmission system; VSC based DC transmission system; sub-synchronous oscillation; sub-synchronous oscillation damping controller

10.7667/PSPC201644

：2016-06-16

時伯年(1976-)，男，博士，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定及廣域保護；E-mail: shibonian@sf-auto.com

李樹鵬(1990-)，男，碩士，通信作者，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、柔性直流輸電；E-mail: lsp9002@163.com

梅紅明(1984-)，男，博士，研究方向為高壓直流輸電保護與控制。E-mail: meihongming@sf-auto.com