李小菊，李青蘭，詹航，司萌，陳磊，閔勇

(1. 國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401121；2. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084)

0 引言

近年來(lái)，頻率振蕩事件多次出現(xiàn)于實(shí)際系統(tǒng)[1 - 4]。國(guó)內(nèi)典型的頻率振蕩事件為2016年在云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)中出現(xiàn)了頻率低于0.1 Hz的振蕩[3 - 4]。國(guó)內(nèi)外展開(kāi)了大量對(duì)頻率振蕩的研究工作。研究指出，頻率振蕩屬于小擾動(dòng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題，由電力系統(tǒng)有功頻率控制過(guò)程中的小擾動(dòng)不穩(wěn)定引起。頻率振蕩表現(xiàn)為系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速同調(diào)變化、系統(tǒng)頻率整體振蕩。一般振蕩頻率低于0.1 Hz，也稱(chēng)為超低頻振蕩[1 - 7]。

由于頻率振蕩是有功頻率控制過(guò)程中的小擾動(dòng)不穩(wěn)定問(wèn)題，因此對(duì)頻率振蕩的分析和控制主要集中于有功頻率控制環(huán)節(jié)，尤其是發(fā)電機(jī)原動(dòng)系統(tǒng)，抑制頻率振蕩的方法也是對(duì)調(diào)速器的參數(shù)優(yōu)化。文獻(xiàn)[8 - 12]都針對(duì)調(diào)速器進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的調(diào)速參數(shù)優(yōu)化方法或附加阻尼控制策略以提高頻率振蕩阻尼。但是通過(guò)調(diào)速器抑制頻率振蕩也有其不足：一方面，因?yàn)檎{(diào)速器屬于機(jī)械部件，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)有靈敏度和磨損的問(wèn)題；另一方面，提高頻率振蕩的阻尼和機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)在進(jìn)行調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化時(shí)不可同時(shí)兼?zhèn)洌籼岣哳l率振蕩阻尼，那么可能會(huì)惡化一次調(diào)頻響應(yīng)。除了調(diào)速器上的改進(jìn)措施外，文獻(xiàn)[13]利用儲(chǔ)能控制抑制頻率振蕩，也是在有功頻率控制環(huán)節(jié)進(jìn)行的工作。

雖然頻率振蕩是有功頻率控制過(guò)程的小擾動(dòng)不穩(wěn)定問(wèn)題，但是，電力系統(tǒng)中無(wú)功電壓控制過(guò)程和有功頻率控制過(guò)程不是解耦的，無(wú)功電壓控制也可以影響系統(tǒng)有功進(jìn)而影響頻率振蕩?？梢葬槍?duì)頻率振蕩為動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備設(shè)計(jì)相應(yīng)的阻尼控制環(huán)節(jié)提高頻率振蕩的阻尼。針對(duì)系統(tǒng)中已有的動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備，增加附加控制的成本很低，在調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化之外提供一種頻率振蕩抑制的備選輔助手段，而且相比于機(jī)械部件的調(diào)速器，動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備為動(dòng)作靈敏、快速，不存在磨損的問(wèn)題，可以為抑制頻率振蕩提供一種新的備選輔助手段。

本文所說(shuō)的動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備含義很廣，包括專(zhuān)門(mén)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備如SVC、STATCOM，以及風(fēng)電、光伏等新能源以及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功電壓控制環(huán)節(jié)，還有傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的PSS等。PSS向勵(lì)磁提供附加控制信號(hào)，改變勵(lì)磁電壓，本質(zhì)上屬于無(wú)功電壓控制環(huán)節(jié)，文獻(xiàn)[14 - 17]就是利用發(fā)電機(jī)PSS的改進(jìn)或參數(shù)調(diào)整抑制頻率振蕩，說(shuō)明無(wú)功電壓控制確實(shí)可以影響頻率振蕩。但是，這些研究還是局限于PSS，沒(méi)有從更加基礎(chǔ)的層面去分析無(wú)功電壓控制影響頻率振蕩的機(jī)理。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先分析了動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備影響頻率振蕩的機(jī)理，然后提出了抑制頻率振蕩的附加阻尼控制策略，并分析了不同位置無(wú)功電壓控制設(shè)備對(duì)頻率振蕩的影響大小。本文所提出的方法均在新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中驗(yàn)證了其正確性和有效性，并在某實(shí)際電網(wǎng)中進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制對(duì)頻率振蕩的影響分析

對(duì)于一個(gè)原始的包含無(wú)功電壓控制設(shè)備的多機(jī)系統(tǒng)，在忽略網(wǎng)損和負(fù)荷僅考慮頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)的情況下，文獻(xiàn)[16]推導(dǎo)出圖1所示的等值模型準(zhǔn)確的計(jì)算頻率振蕩模式。圖1的模型中不包含任何無(wú)功電壓控制環(huán)節(jié)，說(shuō)明原始系統(tǒng)中的無(wú)功電壓環(huán)節(jié)對(duì)頻率振蕩模式的計(jì)算沒(méi)有影響，即不考慮網(wǎng)損和負(fù)荷僅考慮頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)的情況下，動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制不會(huì)對(duì)頻率振蕩產(chǎn)生影響。

圖1 多機(jī)系統(tǒng)中計(jì)算頻率振蕩模式的系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram for calculating frequency oscillation mode of multi-machine system

但是，實(shí)際電網(wǎng)中負(fù)荷具有電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)，此時(shí)，無(wú)功電壓控制會(huì)使節(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生變化，從而使負(fù)荷有功發(fā)生變化，無(wú)功電壓控制和有功頻率控制產(chǎn)生耦合，所以無(wú)功電壓控制就會(huì)對(duì)頻率振蕩產(chǎn)生影響。網(wǎng)絡(luò)電阻的存在也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似影響，但影響大小一般比負(fù)荷的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)小。

因此，負(fù)荷的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)是無(wú)功電壓控制影響頻率振蕩的橋梁。負(fù)荷具有電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)，無(wú)功電壓控制就會(huì)影響頻率振蕩。下面進(jìn)行更加具體的分析。考慮式(1)所示的靜態(tài)負(fù)荷模型。

(1)

式中：PL為負(fù)荷有功功率；PL0和U0分別為有功負(fù)荷和節(jié)點(diǎn)電壓的額定值；U為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓；Δf為頻率偏差；KL為負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)；KZ和1-KZ分別是恒阻抗、恒功率負(fù)荷的比例系數(shù)。

對(duì)式(1)的負(fù)荷模型進(jìn)行線性化處理，可得：

(2)

由于頻率振蕩中所有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速同調(diào)，將所有發(fā)電機(jī)等值為1臺(tái)機(jī)，線性化后的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

(3)

式中：TJi、Di分別為發(fā)電機(jī)i的轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)和阻尼系數(shù)；Δω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差；ΔPm、 ΔPe為所有發(fā)電機(jī)機(jī)械功率偏差、電磁功率偏差之和，忽略網(wǎng)損則ΔPe=ΔPL=KfΔf+KUΔU。

修改圖1的模型使其包含KUΔU的影響，如圖2所示。如果KZ=0，負(fù)荷沒(méi)有電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)，KU=0，無(wú)功電壓控制不影響頻率振蕩；如果KZ≠0，負(fù)荷具有電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)，KU≠0，無(wú)功電壓控制就會(huì)通過(guò)圖2中以ΔU作為輸入的環(huán)節(jié)影響頻率振蕩。

圖2 考慮負(fù)荷電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)的頻率振蕩模式計(jì)算模型Fig.2 Diagram for frequency oscillation calculation mode considering voltage regulation effect of load

2 動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制通過(guò)附加控制產(chǎn)生的頻率振蕩阻尼轉(zhuǎn)矩

2.1 產(chǎn)生阻尼轉(zhuǎn)矩的原理和過(guò)程

文獻(xiàn)[6]將阻尼轉(zhuǎn)矩法應(yīng)用于頻率振蕩的阻尼分析。在頻率振蕩中，電磁功率偏差與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差(或系統(tǒng)頻率偏差，頻率振蕩時(shí)兩者相同)同相位的分量為正的阻尼轉(zhuǎn)矩分量。對(duì)于給定系統(tǒng)，可以得到電磁功率偏差ΔPe與轉(zhuǎn)速偏差Δω之間的傳遞函數(shù)為Ge(s)=ΔPe/Δω， 設(shè)振蕩頻率為ωd， 將s=jωd代入可得：

Ge(jωd)=KD+jKS

(4)

式中：KD=Re(Ge(jωd))為電磁功率的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)；KS=Im(Ge(jωd))為電磁功率的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)。若KD為正數(shù)，則有利于振蕩的衰減。

因此，可以對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備設(shè)計(jì)以系統(tǒng)頻率偏差Δf為輸入信號(hào)的附加控制環(huán)節(jié)，通過(guò)附加控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生ΔPe與Δf同相位的分量，增大電磁功率阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)KD， 從而提振蕩阻尼。簡(jiǎn)單的附加控制可以考慮增加以Δf為輸入的比例環(huán)節(jié)。

負(fù)荷電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)是無(wú)功電壓控制過(guò)程與有功頻率控制過(guò)程耦合的紐帶，無(wú)功電壓控制使得電壓變化，導(dǎo)致負(fù)荷有功變化。具體過(guò)程如圖3所示。其中，GSC(s)是附加控制的傳遞函數(shù)，輸入為Δf， 輸出為附加控制信號(hào)USCS；GQ(s)表示的是無(wú)功電壓控制設(shè)備輸入信號(hào)到輸出無(wú)功功率ΔQ的傳遞函數(shù)；輸出無(wú)功ΔQ影響負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓ΔUL， 之間的系數(shù)KQU為與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的系數(shù)；ΔPL為負(fù)荷有功功率，KU反映負(fù)荷電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)。一般情況下，系數(shù)KQU和KU為正實(shí)數(shù)，只要使得Re(GSC(jωd)GQ(jωd))>0， 就可增大ΔPL中與Δf同相位的分量，即增大阻尼轉(zhuǎn)矩分量，從而提高頻率振蕩的阻尼。

圖3 動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制影響有功功率偏差示意圖Fig.3 Diagram of dynamic reactive power-voltage control affecting active power deviation

因此，動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備的阻尼特性受到GSC(s)GQ(s)特性尤其是相位特性的很大影響。為抑制頻率振蕩，附加控制GSC(s)應(yīng)該在超低頻段盡量補(bǔ)償GQ(s)的相位滯后。在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制中，PSS以Δf作為輸入，就是圖5中的GSC(s)， 然后通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)環(huán)節(jié)(即GQ(s))產(chǎn)生無(wú)功輸出ΔQ， 如果PSS能夠補(bǔ)償勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的相位滯后，就可以對(duì)頻率振蕩產(chǎn)生正阻尼，這是文獻(xiàn)[14 - 17]中抑制頻率振蕩的PSS設(shè)計(jì)或整定的基本原理。采用電力電子接口的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備響應(yīng)速度很快，時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于頻率振蕩的周期，一般情況下，在超低頻段GQ(s)的相位滯后很小。本文以STATCOM為例，采用PSD-BPA中的模型，如圖4所示。

圖4 STATCOM模型Fig.4 STATCOM model

圖4中U為STATCOM節(jié)點(diǎn)電壓；UREF為STATCOM節(jié)點(diǎn)參考電壓；USCS為附加信號(hào)；T1為濾波器和測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)；T2、T3、T4、T5分別為各級(jí)的超前或滯后時(shí)間常數(shù)；TP為比例環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；KP為比例環(huán)節(jié)放大倍數(shù)；KI為積分環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)；TS為STATCOM響應(yīng)延遲；KD為STATCOM的U-I特性曲線的斜率；UMAX為電壓限幅環(huán)節(jié)的上限；UMIN為電壓限幅環(huán)節(jié)的下限；ICMAX為最大容性電流；ILMAX為最大感性電流。本文對(duì)此模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，不考慮兩個(gè)超前滯后環(huán)節(jié)，即(1+sT2)/(1+sT3)=1， (1+sT4)/(1+sT5)=1， 此時(shí)有：

(5)

采用參數(shù)：T1=0.02，KP=10，TP=0.02，KI=50，KD=0.03，TS=0.02， 0～2.5 Hz頻段的相頻特性如圖5所示，相位滯后在10 °以?xún)?nèi)。此時(shí)附加阻尼控制器GSC(s)的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，采用比例控制即可，整個(gè)GSC(s)GQ(s)的相位滯后很小，動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生正的阻尼轉(zhuǎn)矩。但是，具體的相位滯后大小和參數(shù)有關(guān)，如果某些參數(shù)下相位滯后較大，在設(shè)計(jì)GSC(s)是需要考慮一定的相位補(bǔ)償，此時(shí)可以參考PSS的相位補(bǔ)償方法。

圖5 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的相頻特性Fig.5 Phase-frequency characteristics of STATCOM

在圖4基礎(chǔ)上，增加以Δf為輸入信號(hào)的附加信號(hào)，即USCS=KSΔf， 形成如圖3所示的Δf與ΔPL之間的關(guān)系。若KS>0，則Re(GSC(jωd)GQ(jωd))>0， 通過(guò)增加USCS=KSΔf環(huán)節(jié)可增加系統(tǒng)電磁功率的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，從而提高系統(tǒng)的頻率振蕩阻尼。

在圖6所示的新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和結(jié)構(gòu)介紹見(jiàn)文獻(xiàn)[18]，忽略網(wǎng)損，即支路電阻都設(shè)為0。發(fā)電機(jī)采用四階模型，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)均采用與文獻(xiàn)[5]相同的模型和參數(shù)。負(fù)荷模型為式(1)，其中KL=1、KZ=0.4。分別在節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)15和節(jié)點(diǎn)26處增加STATCOM，附加信號(hào)USCS=KSΔf。 同時(shí)改變3個(gè)STATCOM的參數(shù)KS， 計(jì)算系統(tǒng)頻率振蕩的特征值，得到頻率振蕩模式阻尼比隨KS變化的曲線如圖7所示。由仿真結(jié)果可知，隨著KS的增加，系統(tǒng)頻率振蕩的阻尼比隨之提高?？紤]到控制一般具有兩面性，增大KS提高頻率振蕩模式阻尼時(shí)，可能影響電壓控制效果或低頻振蕩模式的阻尼，綜合本文STATCOM模型參數(shù)與控制效果，本文仿真中KS參數(shù)范圍為[0,30]。后續(xù)還需要進(jìn)一步研究兼顧不同控制目標(biāo)的協(xié)調(diào)控制算法[20]。

圖6 帶有STATCOM的新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.6 New England 10-machine 39-bus system with STATCOMs

圖7 頻率振蕩阻尼比隨KS變化曲線Fig.7 Curve of frequency oscillation damping ratio changing with Ks

分別在KS=0、KS=15和KS=30的情況下進(jìn)行時(shí)域仿真，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差施加一個(gè)小的初始擾動(dòng)，得到發(fā)電機(jī)G1轉(zhuǎn)速偏差曲線如圖8所示。

圖8 不同KS下G1轉(zhuǎn)速偏差時(shí)域仿真曲線Fig.8 Time domain simulation curves of G1 speed deviation with different Ks

由圖8可知，曲線的前幾秒為低頻功角振蕩模式的體現(xiàn)，低頻振蕩平息后主要體現(xiàn)為頻率振蕩模式。由時(shí)域仿真結(jié)果可知，KS越大，系統(tǒng)頻率振蕩越容易衰減。因此，本節(jié)所提出的阻尼控制策略能有效增加系統(tǒng)頻率振蕩的阻尼比，可以為提供頻率振蕩的阻尼提供一種新的輔助手段。

2.2 不同位置無(wú)功電壓控制設(shè)備的影響大小評(píng)估

(6)

可以通過(guò)KSLi評(píng)估不同節(jié)點(diǎn)的無(wú)功電壓控制設(shè)備對(duì)頻率振蕩的影響大小。KSLi越大，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率變化對(duì)頻率振蕩的影響越大，在該節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備上增加阻尼控制能更有效的提高頻率振蕩模式的阻尼。

在圖6所示的仿真系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。采用上述方法計(jì)算KSLi， 節(jié)點(diǎn)輸入無(wú)功功率變化量ΔQi=0.01，結(jié)算節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)15和節(jié)點(diǎn)26的KSLi分別為：0.153 4、0.171 1、0.140 8?？芍诖讼到y(tǒng)中，不同節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率變化對(duì)頻率振蕩模式的影響大小為KSL15>KSL7>KSL26。

分別改變接入節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)15和節(jié)點(diǎn)26的STATCOM參數(shù)KS大小，計(jì)算系統(tǒng)頻率振蕩的特征值，得到頻率振蕩模式阻尼比隨KS變化的曲線如圖9所示。結(jié)果表明，接入不同位置的STATCOM對(duì)頻率振蕩阻尼的影響大小排序?yàn)楣?jié)點(diǎn)15>節(jié)點(diǎn)7>節(jié)點(diǎn)26，與KSLi順序完全一致?？煽闯鲱l率振蕩阻尼比與KS近似成線性關(guān)系，計(jì)算其斜率分別0.693 1、0.816 1、0.657 0，比例關(guān)系為1.000 0:1.177 5:0.948 0，與KSL7:KSL15:KSL26=1.000 0:1.115 5:0.917 9大致相同。

圖9 頻率振蕩阻尼比隨不同位置STATCOM參數(shù)KS 變化的曲線Fig.9 Curves of frequency oscillation damping ratio changing with Ks of STATCOM at different positions

2.3 討論

本節(jié)提出的附加控制策略，實(shí)際上是增大了負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)，在負(fù)荷自身的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)之外，又通過(guò)附加控制和負(fù)荷的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)產(chǎn)生額外的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)，可等價(jià)為增大了式(2)的系數(shù)KL， 從而提高頻率振蕩模式的阻尼比。

需要說(shuō)明的是，動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備附加控制的效果取決于負(fù)荷電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)，只要負(fù)荷的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)為正，附加控制就可以提高頻率振蕩的阻尼，但負(fù)荷電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)的準(zhǔn)確大小實(shí)際系統(tǒng)中難以獲取，因此本節(jié)提出的阻尼控制策略主要作為一種輔助手段，在不影響設(shè)備主要功能的情況下為頻率振蕩抑制提供幫助。本文的分析和仿真雖然都是以動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備為例進(jìn)行的，但結(jié)論和方法對(duì)于風(fēng)電、光伏等新能源以及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功電壓控制環(huán)節(jié)也都是適用的。

3 實(shí)際系統(tǒng)仿真分析

本節(jié)利用某實(shí)際電網(wǎng)BPA數(shù)據(jù)分析動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備附加控制對(duì)頻率振蕩的影響。該電網(wǎng)為一個(gè)省級(jí)電網(wǎng)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)7 778，其中發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)1 320，總發(fā)電功率54 995.5 MW，其中70%是水電，用電負(fù)荷23 254.7 MW，通過(guò)直流外送功率30 007.3 MW。

以STATCOM為例進(jìn)行仿真分析，BPA數(shù)據(jù)中的STATCOM模型如圖4所示。附加信號(hào)USCS控制結(jié)構(gòu)如圖10所示。KS1為第一級(jí)測(cè)量回路增益，KS2為第二級(jí)測(cè)量回路增益，KS3為增益，TS7為第一級(jí)輸入濾波器的滯后時(shí)間常數(shù)，TS10為第二級(jí)輸入濾波器的滯后時(shí)間常數(shù)，TS8為第一級(jí)超前時(shí)間常數(shù)，TS9為第一級(jí)滯后時(shí)間常數(shù)，TS11為第二級(jí)超前時(shí)間常數(shù)，TS12為第二級(jí)滯后時(shí)間常數(shù)，TS13和TS15為超前時(shí)間常數(shù)，TS14和TS16為滯后時(shí)間常數(shù)，A′為超前識(shí)別碼，B′為滯后識(shí)別碼，USCSMAX為信號(hào)限幅。

圖10 STATCOM附加信號(hào)控制模型Fig.10 STATCOM supplementary signal control model

仿真分析中采用靜態(tài)負(fù)荷模型，如式(7)所示，對(duì)應(yīng)于BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中的LB卡。

(7)

式中：U為母線電壓；U0為母線電壓額定值；Δf為母線頻率偏差；P0為有功負(fù)荷的額定值；P1為恒定阻抗有功負(fù)荷比例；P2為恒定電流有功負(fù)荷比例；P3為恒定功率有功負(fù)荷比例；LDP為頻率變化1%引起的有功變化百分?jǐn)?shù)；Q0為無(wú)功負(fù)荷的額定值；Q1為恒定阻抗無(wú)功負(fù)荷比例；Q2為恒定電流無(wú)功負(fù)荷比例；Q3為恒定功率無(wú)功負(fù)荷比例；LDQ為頻率變化1%引起的無(wú)功變化百分?jǐn)?shù)。仿真中數(shù)據(jù)為：P1=1，Q1=1，LDP=1.2，LDQ=1.2，P2=P3=Q2=Q3=0。

在原BPA數(shù)據(jù)中，電網(wǎng)中不存在STATCOM，為驗(yàn)證在大電網(wǎng)中動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償附加控制對(duì)頻率振蕩的影響，分別在母線MJ50、HP50、DLE50、QD50、HH50、LH50接入STATCOM，額定容量為300 Mvar，參數(shù)如下：T1=0.02，T2=T3=T4=T5=1，TP=0.02，TS=0.02，KP=10，KI=50，KD=0.03，VMAX=-VMIN=1.0，ICMAX=1.0，ILMAX=1.0。

增加以Δf為輸入附加信號(hào)USCS， 控制框圖如圖9所示，參數(shù)如下：KS1=10，KS2=0，KS3=30，TS7=0.02，TS8=1.0，TS9=0.02，TS13=1，TS15=1.0，TS14=0.02，TS16=1.0，A′=1，B′=1，VSCSMAX=10。

在BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中進(jìn)行時(shí)域仿真，施加一個(gè)功率擾動(dòng)，得到各發(fā)電機(jī)時(shí)域仿真曲線。STATCOM無(wú)附加控制和增加附加控制后發(fā)電機(jī)XIAOW1G轉(zhuǎn)速偏差時(shí)域仿真曲線如圖11所示。由圖11可知，在增加STATCOM附加控制后，系統(tǒng)頻率振蕩衰減速度更快，說(shuō)明增加以Δf為輸入的附加控制環(huán)節(jié)有利于抑制系統(tǒng)頻率振蕩。

圖11 無(wú)附加控制和增加附加控制后XIAOW1G機(jī)組轉(zhuǎn)速 偏差時(shí)域仿真曲線Fig.11 XIAOW1G generator speed deviation time-domain simulation curves without additional control and with additional control

4 結(jié)論

近年來(lái)，頻率振蕩問(wèn)題引起廣泛關(guān)注，傳統(tǒng)控制手段集中于有功功率控制環(huán)節(jié)，本文提供了一種新的思路，通過(guò)動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制環(huán)節(jié)的附加控制提高頻率振蕩阻尼。通過(guò)負(fù)荷的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)，動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備也可以對(duì)頻率振蕩產(chǎn)生影響，為頻率振蕩的抑制提供一種輔助的手段。本文首先分析了動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備通過(guò)附加控制產(chǎn)生頻率振蕩阻尼轉(zhuǎn)矩的原理和過(guò)程，然后提出了附加阻尼控制策略。對(duì)于采用電力電子接口的快速無(wú)功控制設(shè)備，在原有無(wú)功電壓控制環(huán)節(jié)中增加一個(gè)以系統(tǒng)頻率偏差為輸入的比例環(huán)節(jié)，即可提高頻率振蕩模式的阻尼比。同時(shí)提出了不同位置設(shè)備對(duì)頻率振蕩模式影響大小的評(píng)估方法，選擇影響大的無(wú)功電壓控制設(shè)備進(jìn)行阻尼控制可更加有效的提高頻率振蕩阻尼。

需要強(qiáng)調(diào)的是，本文提出的控制策略主要作為一種備選的輔助手段，無(wú)法完全取代有功功率控制環(huán)節(jié)各種控制措施的作用。動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓控制設(shè)備的附加阻尼控制效果取決于負(fù)荷電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)，只要負(fù)荷的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)為正，附加控制就可以提高頻率振蕩的阻尼，但負(fù)荷電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)的準(zhǔn)確大小實(shí)際系統(tǒng)中難以獲取，因此本文提出的控制策略效果難以準(zhǔn)確評(píng)估，主要作為一種輔助手段。如果電網(wǎng)中已有一些動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，在不影響設(shè)備主要功能的情況下為頻率振蕩抑制提供幫助，成本較低，可以作為一種備選的輔助手段。