付俊波，常寶立，曹 路，王新寶，黃志光

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.國(guó)家電網(wǎng)華東電力調(diào)控分中心，上海 200120）

0 引言

隨著用電負(fù)荷的持續(xù)增加，輸電網(wǎng)也得到了快速發(fā)展，尤其以長(zhǎng)距離、大功率的電能輸送特點(diǎn)在輸電網(wǎng)中表現(xiàn)得尤為明顯。這種輸電結(jié)構(gòu)導(dǎo)致區(qū)域間電網(wǎng)容易出現(xiàn)低頻振蕩問(wèn)題，成為限制電網(wǎng)輸送容量且影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的因素之一。針對(duì)低頻振蕩問(wèn)題，常規(guī)的手段通常采取限制開(kāi)機(jī)減少功率輸送的方式或者事故后切機(jī)措施，但這些方式對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不利，為了滿足系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)低頻振蕩的要求需要付出較大的代價(jià)。電力電子技術(shù)的發(fā)展為解決這類問(wèn)題提供了新的解決思路，如統(tǒng)一潮流控制技術(shù)、可控串補(bǔ)、柔性直流輸電技術(shù)均可用于解決電網(wǎng)的低頻振蕩問(wèn)題。但阻尼控制器的信號(hào)選擇是阻尼控制器設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素，文獻(xiàn)[1]中提到了統(tǒng)一潮流控制器的阻尼控制方法，用于限制低頻振蕩的問(wèn)題，但沒(méi)有明確附加阻尼控制的輸入優(yōu)劣比較，且統(tǒng)一潮流控制器造價(jià)昂貴。文獻(xiàn)[2]研究了TCSC（可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置）的低頻振蕩控制器設(shè)計(jì)方法，對(duì)可控移相器的阻尼控制研究具有一定的借鑒意義，但也未明確阻尼信號(hào)的優(yōu)劣選擇。文獻(xiàn)[3]研究了可控移相器的本體建模，沒(méi)有涉及到可控移相器的阻尼控制研究。從已發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)可控移相器的研究主要側(cè)重于控制模型、系統(tǒng)應(yīng)用等方面，對(duì)可控移相器的阻尼控制研究相對(duì)較少。晶閘管控制的可控移相器因?yàn)檎{(diào)節(jié)速度快，具備阻尼控制能力。但阻尼控制輸入量眾多，有電壓、功率、頻率等信號(hào)量，哪種輸入量對(duì)可控移相器阻尼控制與設(shè)計(jì)效果更好，如何設(shè)計(jì)可控移相器阻尼控制函數(shù)是本文的研究重點(diǎn)。

1 可控移相器的基本原理

電網(wǎng)中2 個(gè)母線節(jié)點(diǎn)通過(guò)高壓輸電線路互聯(lián)，忽略線路損耗時(shí)，線路上的有功潮流如圖1所示。

圖1 兩個(gè)母線節(jié)點(diǎn)通過(guò)輸電線互聯(lián)

圖1 可用公式表達(dá)為：

式中：Pij為節(jié)點(diǎn)i 流向節(jié)點(diǎn)j 的有功功率；Ui，Uj分別為節(jié)點(diǎn)i 和節(jié)點(diǎn)j 的母線電壓幅值；δi，δj分別為節(jié)點(diǎn)i 和節(jié)點(diǎn)j 的母線電壓相位；Xij為聯(lián)絡(luò)線路的等效電抗值[4]。

由式（1）可知，線路上傳輸?shù)挠泄β手饕晒?jié)點(diǎn)電壓、相角和線路阻抗決定，通過(guò)控制輸電線路的電壓、阻抗以及相角就可以改變線路傳輸?shù)墓β?。在大型電網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)電壓、幅值受很多因素的制約（如負(fù)載和設(shè)備的耐壓等），一般在額定值附近變化不大，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)電壓相角來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)有功潮流的調(diào)節(jié)[5]。

移相器是通過(guò)在輸電線上串聯(lián)一個(gè)幅值、相位均可調(diào)的補(bǔ)償電壓實(shí)現(xiàn)移相的裝置。圖2（a）為移相器的結(jié)構(gòu)，ET（勵(lì)磁變壓器）提供三相輸入電壓，BT（串聯(lián)變壓器）輸出三相補(bǔ)償電壓。如圖2（b）所示，補(bǔ)償電壓Vp幅值和相位的變化，將改變V2的幅值和相位，從而控制輸送的有功功率和無(wú)功功率[6]。

典型的移相器主要有兩種類型，QBT（正交調(diào)節(jié)器）和PAR（相角調(diào)節(jié)器）。歐洲（尤其是英國(guó)）廣泛采用QBT，而美國(guó)大部分采用PAR。如圖3所示，PAR 的端口電壓幅值相等（忽略損耗），而QBT 輸出的補(bǔ)償電壓UT與輸入電壓相差輸入度。

圖2 移相器基本原理

圖3 裝有移相器的系統(tǒng)模型

2 可控移相器的類型選擇

可控移相器由機(jī)械式移相器發(fā)展而來(lái)，利用電力電子器件替代有載調(diào)壓機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸出補(bǔ)償電壓的快速調(diào)節(jié)，可控移相器又可分為分級(jí)調(diào)節(jié)可控移相器及連續(xù)調(diào)節(jié)可控移相器。

2.1 分級(jí)調(diào)節(jié)可控移相器

高壓大容量可控移相器的典型結(jié)構(gòu)如圖4 所示，其控制回路由有載調(diào)壓機(jī)構(gòu)替換為晶閘管換流閥，并聯(lián)變壓器的副邊由多抽頭型式更改為多繞組型式，每個(gè)繞組均與由4 組反并聯(lián)晶閘管組成的橋接回路連接[7]。

圖4 分級(jí)調(diào)節(jié)可控移相器典型結(jié)構(gòu)

圖4 結(jié)構(gòu)形式的可控移相器，其可調(diào)級(jí)數(shù)取決于并聯(lián)變壓器副邊繞組的數(shù)量和變比，如2 個(gè)變比為1：3 的繞組，可調(diào)級(jí)數(shù)為±4 級(jí)；3 個(gè)變比為1：3：9 的繞組，可調(diào)級(jí)數(shù)為±13 級(jí)；可調(diào)級(jí)數(shù)越大，每級(jí)的調(diào)節(jié)精度越高，但同時(shí)變壓器的繞組數(shù)量及電力電子器件的數(shù)量也隨之增加，成本越高[8]。

分級(jí)調(diào)節(jié)可控移相器可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電壓的快速調(diào)節(jié)，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)潮流控制需求的同時(shí)，可參與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，如阻尼系統(tǒng)振蕩、增強(qiáng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性等；其控制相對(duì)較簡(jiǎn)單，工作時(shí)無(wú)諧波，但只能實(shí)現(xiàn)分級(jí)調(diào)節(jié)，無(wú)法連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。本文需要分析的可控移相器的阻尼控制也正是基于這一結(jié)構(gòu)[9]。

2.2 連續(xù)調(diào)節(jié)可控移相器

連續(xù)調(diào)節(jié)可控移相器其變壓器的主體結(jié)構(gòu)與分級(jí)調(diào)節(jié)可控移相器類似，但其并聯(lián)變及閥組的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 連續(xù)調(diào)節(jié)可控移相器控制回路結(jié)構(gòu)

并聯(lián)變壓器副邊僅2 個(gè)抽頭，分別與兩組反并聯(lián)的晶閘管閥連接，通過(guò)連續(xù)控制晶閘管SW1和SW2的觸發(fā)角，使SW1和SW2輪流導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波分量幅值在U1和U2之間連續(xù)變化[10]。

由于晶閘管需要過(guò)零關(guān)斷的特性，因此對(duì)晶閘管的開(kāi)通關(guān)斷必須根據(jù)負(fù)載的狀況合理控制，所需控制策略非常復(fù)雜；同時(shí)由于電壓在U1和U2之間不停變化，會(huì)向系統(tǒng)注入大量低次諧波，必須相應(yīng)安裝濾波器；這種結(jié)構(gòu)的可控移相器只能實(shí)現(xiàn)正向電壓的輸出，不能實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)。因此連續(xù)調(diào)節(jié)的移相器無(wú)法用于實(shí)際工程中，僅作為理論研究[11]。

3 可控移相器的阻尼控制傳遞函數(shù)

從已發(fā)表的文獻(xiàn)看，對(duì)這種電力電子設(shè)備進(jìn)行低頻振蕩控制的主要有統(tǒng)一潮流控制器、柔性直流裝備、可控串補(bǔ)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器。它們的共同特點(diǎn)在于通過(guò)快速可關(guān)斷的電力電子器件控制，可跟隨低頻振蕩的頻率響應(yīng)。同樣，基于晶閘管控制的可控移相器也可以通過(guò)對(duì)晶閘管的開(kāi)通關(guān)斷控制改變移相器的檔位，進(jìn)而改變可控移相器串入線路的電壓和功率[6]。

圖6（a）說(shuō)明了用傳輸角控制實(shí)現(xiàn)阻尼功率振蕩的控制效果和控制要求。圖6（b）開(kāi)始的一個(gè)功率下跌表示系統(tǒng)受到擾動(dòng)的激勵(lì)，并假定在這個(gè)擾動(dòng)下引發(fā)了功率振蕩。其中圖6（a）為傳輸角在穩(wěn)態(tài)值δ0附近的有阻尼和無(wú)阻尼控制振蕩波形；圖6（b）為傳輸功率P 圍繞穩(wěn)態(tài)值P0附近的有阻尼與無(wú)阻尼振蕩波形[12]。

圖6 阻尼振蕩控制

設(shè)σ 角的運(yùn)行范圍為－σmin≤σ≤σmax，對(duì)應(yīng)的δ 的變化范圍為0＜δ＜π/2，則圖6（c）表示移相調(diào)節(jié)作用對(duì)σ 角的控制輸出。當(dāng)dδ/dt＞0 時(shí)，σ 為負(fù)值，P-δ 曲線向左移，表示傳輸線受端傳輸角和傳輸功率的增加；當(dāng)dδ/dt＜0 時(shí)，σ 為正值，P-δ曲線向右移，因此總的傳輸角和傳輸功率減少[13]。

可控移相器的附加阻尼控制的基本結(jié)構(gòu)類似于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)，傳遞函數(shù)由穩(wěn)態(tài)信號(hào)隔直、相位超前補(bǔ)償、穩(wěn)定器增益和穩(wěn)定器限幅環(huán)節(jié)四部分組成。

（1）穩(wěn)定信號(hào)隔直：隔直環(huán)節(jié)可理解為高通濾波器，主要目的是濾出故障后的直流分量。

（2）移相環(huán)節(jié)：移相環(huán)節(jié)是所有設(shè)備設(shè)計(jì)控制時(shí)的主要環(huán)節(jié)，其目的是將阻尼控制的輸入信號(hào)量通過(guò)相位的補(bǔ)償后得到的輸出能量與低頻振蕩的趨勢(shì)相反，來(lái)有效抑制低頻振蕩。

（3）控制器的增益：增益環(huán)節(jié)對(duì)阻尼控制有著重要意義，增益的大小決定了向系統(tǒng)提供阻尼的作用的大小。

可控移相器的附加阻尼控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖7 所示。X 為附加阻尼控制器的輸入信號(hào)，一般可以取聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)頻率等作為附加阻尼控制器的輸入信號(hào)。經(jīng)過(guò)控制器轉(zhuǎn)換為輸出為移相角度，然后移相角度轉(zhuǎn)換為檔位來(lái)控制可控移相器[14]。

圖7 可控移相器附加阻尼控制的基本結(jié)構(gòu)

4 可控移相器附加阻尼控制參數(shù)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的機(jī)電暫態(tài)程序中，移相器的模型僅有帶漏抗和移相角度的穩(wěn)態(tài)模型，無(wú)法反映移相器的阻尼控制功能，因此需要搭建可控移相器的自定義模型。現(xiàn)有的機(jī)電暫態(tài)程序中，PSS/E 可以實(shí)現(xiàn)模型的自定義，因此在該軟件中搭建可控移相器的附加阻尼控制模型。本模型的附加阻尼控制傳遞函數(shù)搭建如圖8 所示。

本模型支持移相器所在線路的過(guò)載控制，以線路有功、斷面功率和母線頻率為輸入信號(hào)的阻尼控制。阻尼控制輸出的移相角度與移相器當(dāng)前（或初始）的角度相加作為最終的移相角度。

圖8 PSS/E 中搭建的可控移相器阻尼控制傳遞函數(shù)

4.1 頻率作為輸入量的可控移相器參數(shù)設(shè)計(jì)

在自定義模型中，可以采用可控移相器安裝線路的母線頻率作為阻尼控制的輸入量，在采用母線頻率作為輸入量時(shí)需要濾出主導(dǎo)的低頻振蕩頻率，然后將采取隔直、移相、比例放大環(huán)節(jié)后輸出，圖9 為以頻率作為輸入量的可控移相器阻尼控制傳遞函數(shù)。

圖9 以頻率為輸入量的傳遞函數(shù)

圖9 中：輸入f 為檢測(cè)到的母線頻率；Tw為隔直環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，一般可取0.02；K 為比例放大系數(shù)；T1，T2為設(shè)計(jì)的超前滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；m 為超前滯后環(huán)節(jié)的階數(shù)；θmin，θmax為移相角度的最小最大限幅值；θ 為實(shí)際輸出的移相角度；T為移相的檔位，可取13 檔；INT（X）為四舍五入取整數(shù)檔位輸出到可控移相器。

4.2 功率作為輸入量的可控移相器參數(shù)設(shè)計(jì)

若考慮以線路功率作為輸入量，則傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單得多，線路功率與檔位調(diào)節(jié)呈現(xiàn)同相位或180°的反相位關(guān)系，僅需要隔直和比例放大環(huán)節(jié)即可抑制故障后引起的低頻振蕩問(wèn)題。

圖10 中的各個(gè)參數(shù)與圖9 中相同，但少了超前滯后環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。即使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致低頻振蕩的頻率發(fā)生變化，采用功率作為輸入量的阻尼設(shè)計(jì)也仍然可以抑制低頻振蕩。

圖10 以線路功率為輸入量的傳遞函數(shù)

5 案例分析

以華東電網(wǎng)2018 年夏季最大方式為例，福建電網(wǎng)通過(guò)1 000 kV 榕城—蓮都特高壓雙回線和500 kV 寧德—金華雙回線功率外送，如圖11所示。當(dāng)外送功率達(dá)到450 萬(wàn)kW，榕城—蓮都N-2后，潮流大規(guī)模轉(zhuǎn)移至寧德—金華雙回線引起暫態(tài)功角電壓失穩(wěn)問(wèn)題，考慮切除1 臺(tái)600 MW 機(jī)組后，功率表現(xiàn)為0.256 Hz 低頻振蕩，振蕩阻尼2.7%。按照目前對(duì)阻尼的劃分，屬于弱阻尼，需要繼續(xù)追加切除1 臺(tái)600 MW 機(jī)組后振蕩阻尼才能滿足在3%以上的要求。但切機(jī)不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此考慮在寧德—金華雙回線安裝可控移相器，通過(guò)可控移相器在故障后進(jìn)行功率調(diào)節(jié)以提高系統(tǒng)的振蕩阻尼水平。

圖11 浙江福建聯(lián)絡(luò)斷面

經(jīng)初步分析，可控移相器的調(diào)節(jié)角度可初步設(shè)定為±5°，分別考慮以寧德站的母線頻率和寧德—金華雙回線路的功率作為附加阻尼控制的輸入，分析各自不同輸入量對(duì)抑制阻尼振蕩的效果。

5.1 頻率為阻尼控制輸入量

若考慮以寧德站母線頻率作為附加阻尼控制輸入，通過(guò)相頻特性分析，得到以頻率作為輸入量的傳遞函數(shù)如圖12 所示。

圖12 寧德—金華雙線可控移相器附加阻尼控制傳遞函數(shù)

可控移相器的附加阻尼控制采用該傳遞函數(shù)進(jìn)行仿真分析，在第5 s 投入阻尼控制功能。

從圖13 中可以很明顯看出，可控移相器投入以頻率作為輸入量的阻尼控制后，寧德—金華站振蕩功率的幅值迅速衰減，對(duì)線路功率進(jìn)行prony 分析后，得到投入阻尼控制后，阻尼比由2.7%提高到6.5%。移相器調(diào)節(jié)的角度變化曲線如圖14 所示。

圖13 頻率為輸入量的阻尼控制對(duì)振蕩功率的影響

圖14 投入阻尼控制后移相器角度變化曲線

采用該附加阻尼控制時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)主動(dòng)的振蕩頻率來(lái)設(shè)計(jì)超前滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，但當(dāng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)改變時(shí)，電網(wǎng)區(qū)域間主導(dǎo)的振蕩頻率可能也會(huì)發(fā)生改變，對(duì)應(yīng)超前滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)也需要對(duì)應(yīng)改變后才能適應(yīng)新的低頻振蕩頻率。

5.2 線路功率為阻尼控制輸入量

若考慮以寧德—金華線路功率作為可控移相器附加阻尼控制輸入，則阻尼控制的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)得更為簡(jiǎn)單，僅需要隔直環(huán)節(jié)，設(shè)置隔直時(shí)間常數(shù)T=0.02，比例放大環(huán)節(jié)設(shè)置的放大系數(shù)K=-0.001。該環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不需要超前滯后環(huán)節(jié)。因此設(shè)計(jì)的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，圖15 為采用該輸入量控制前后對(duì)改善線路故障后阻尼的效果對(duì)比。

圖15 功率為輸入量的阻尼控制對(duì)振蕩功率的影響

從圖15 中可以看出，可控移相器投入以功率作為輸入量的阻尼控制后，寧德—金華站振蕩功率衰減得更快，對(duì)抑制該線路故障后的功率振蕩效果更好，阻尼比由2.7%提高至13.4%。

從阻尼控制器設(shè)計(jì)的難度和阻尼控制效果明顯可以看出，采用線路功率作為可控移相器附加阻尼控制輸入的效果更優(yōu)。

6 結(jié)論

基于晶閘管控制的雙芯對(duì)稱型分級(jí)調(diào)節(jié)可控移相器應(yīng)用于電網(wǎng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)潮流的靈活調(diào)節(jié)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的阻尼功率振蕩控制。本文提出了可控移相器的阻尼控制方法，對(duì)比了以母線頻率和線路作為附加阻尼控制輸入的效果，得到以下結(jié)論：

（1）基于晶閘管控制的雙芯對(duì)稱型分級(jí)調(diào)節(jié)可控移相器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的潮流控制和振蕩阻尼抑制控制。

（2）該類型可控移相器的阻尼控制可采用母線頻率、安裝線路的功率作為附加阻尼控制輸入量，采用線路功率作為附加阻尼控制輸入量時(shí)，其控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。

（3）對(duì)比了以母線頻率、安裝線路的功率作為附加阻尼控制輸入量的控制效果，可以明顯看出，采用線路功率作為附加阻尼控制時(shí)控制效果更好，且不受網(wǎng)架結(jié)構(gòu)改變的影響。因此推薦將線路功率作為可控移相器附加阻尼控制的輸入量。

本文研究結(jié)論為可控移相器接入系統(tǒng)后的附加阻尼控制設(shè)計(jì)提供了有效依據(jù)。