一種基於可控串補的次同步振蕩抑制方法

2023-07-11 23:37:21 1

專利名稱：一種基於可控串補的次同步振蕩抑制方法
技術領域：
本發明提出一種基於晶閘管控制的串聯電容器(即可控串補)的次同步振蕩抑制 方法，屬於電力系統控制的創新技術。
背景技術：
輸電線路加串聯電容補償能夠提高輸電能力，因此在世界範圍內已得到了廣泛的 應用。但是高串補度的固定串聯電容補償可能會引起電力系統的次同步諧振，進而造成汽 輪發電機的軸系損壞，嚴重影響電力系統的安全運行。隨著電力電子器件的發展，基於晶閘管控制的串聯電容器(TCSC)因具有較高的 系統響應速度，近年來在抑制次同步諧振方面越來越受到重視。TCSC的基本模塊由一個串 聯的電容器C和一個晶閘管控制的電抗L並聯組成，其結構如圖1所示，圖中T1, T2為兩個 反相併聯的晶閘管。如以電容電壓uc由負變正過零時刻開始計算正向晶閘管的觸發角，則 對於給定參數的C和L，TCSC的穩態基波等效阻抗由觸發角α決定。如式(1)所示
formula see original document page 3式中，X^為可變電抗器的基頻電抗，Xc為基頻下電容器的容抗值。K是TCSC主回 路的特徵參數，為避免TCSC出現多個諧振點，K的取值通常小於3. 0。出於造價的考慮，TCSC通常不單獨用於串聯補償，會與固定串聯電容配合使用。這 樣雖然能夠降低成本，在一定程度上減緩次同步振蕩，但往往不能徹底抑制次同步振蕩的 發生。

發明內容
本發明基於阻尼轉矩的概念，採用相位補償的設計方法，在TCSC開環控制器上設 計了一個附加SSR阻尼控制器，能夠在整個次同步頻段內提供正的電氣阻尼，從而徹底消 除由串補電容引起的SSR問題。一種基於可控串補的抑制電力系統次同步振蕩的方法，通過對發電機轉速信號 Δ ω進行適當的放大和移相處理，生成附加控制信號對TCSC觸發角進行調製，從而改變 TCSC的等效電抗Xrff，提高系統的電氣阻尼。具體實施過程如圖2所示，包括如下步驟(1)採集電力系統中發電機(本發明中若無特殊說明，所述的發電機均指需要通 過本發明方法保護的那臺發電機)的轉速差信號Δ ω，轉速差信號是指發電機的實際轉速 與額定轉速的差；(2)對轉速差信號Δ ω進行濾波處理，濾除低頻信號和高次諧波，得到次同步頻段內的發電機扭振頻率信號。所採用的帶通濾波器，其通帶頻率為IOHz 55Hz。故濾波器 截止頻率為ωε1 = 55Ηζ、ω。2 = 10Hz，其傳遞函數可以表示為formula see original document page 4(3)對濾波得到的信號進行放大和相位補償後，得到附加信號Δ α疊加到TCSC的 基準觸發角α。上。實際應用中，通過採用多個超前滯後環節對經過放大的信號進行相位補償，實現 較大角度的相位補償。
I+ ST所述的超前滯後環節的傳遞函數可以表示的形式，其中Ta、Tb為超前滯後環節的時間常數，η = Tb/Ta = (I_sin<j5)/(l+sin<j5)Τα=1/(ωχ4η)Tb = nTaω χ為所選擇的相位補償頻率；φ為ω χ所對應的需要補償的滯後相角。在確定需要補償的滯後相角Φ時，參見式(3)formula see original document page 4(3)式(3)中Δ ；為發電機的轉矩偏差、Δ ω為發電機的轉速差信號、隊為電力系統 的電氣阻尼；由式(3)可以得出，當八！；和Δ ω之間的相角差在_90°到+90°時，電力系統的 電氣阻尼隊將為正。當Δ ；和Δω同相時，系統能夠提供最大的電氣阻尼。需要使Δ ； 與Δ ω儘量同相，從而為抑制SSR提供最大的電氣阻尼。為了得到確定的需要補償的滯後相角Φ，可以利用時域頻率掃描法求得TCSC附 加控制信號△ α到發電機附加電磁轉矩間傳遞函數G(S)的相位特性，在使得發電機 轉速增量△ ω到發電機電磁轉矩增量ATe間相位特性在士90°之內的原則下確定需要補 償的滯後相角Φ，使得TCSC能夠在整個次同步頻段內都能夠正的電氣阻尼。具體步驟為(a)在基準觸發角α Q上施加一串包含IOHz 55Hz，頻率間隔為0. 2Hz次同步頻 率的掃頻信號。(b)施加掃頻信號後，一直到電力系統再次進入穩態，截取一個公共周期上的發電 機電磁轉矩Te和施加掃頻信號後的TCSC觸發角α m。(c)將步驟(b)得到的Te和α m進行Fourier分解，求得TCSC觸發角增量Δ α m 到發電機電磁轉矩增量間傳遞函數G(S)的相位特性。(d)然後確定需要補償的滯後相角Φ，使得在整個IOHz 55Hz次同步頻段內發 電機轉速增量Δ ω到發電機電磁轉矩增量ATe間相位特性在士90°之內。
本發明方法通過TCSC觸發角的附加控制，使TCSC能夠在整個次同步頻率範圍提 供正的電氣阻尼，從而達到消除SSR的目的，在實際工程應用中具有重大參考價值。


圖ITCSC基本結構示意圖；圖2採用本發明方法的TCSC控制系統框圖；圖3實施例中測試系統接線圖；圖4補償前和補償後G (S)相頻特性；圖5採用本發明方法後系統電氣阻尼；圖6原測試系統發電機各軸段上的扭矩；圖7採用本發明方法後發電機各軸段上的扭矩。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例詳細描述本發明的具體實施方式
，但本發明不受所述具體 實施例所限。採用的測試系統基於IEEE SSR第一標準測試系統，如圖3所示。將原系統中的部 分固定串聯補償電容用可控串補代替，線路總串補度取45%，其中TCSC的電抗Xrcs。佔總串 補電抗的20%，其電抗標麼值見圖3。TCSC採用開環恆阻抗控制，取TCSC的主電路特徵參 狐=^Xc IXl = 2.5。TCSC的基準觸發角Citl為158.8°。選擇發電機的運行方式為Pe = 0. 9pu，功率因數為0.9(滯後)。發電機的軸系由高壓缸(HP)、中壓缸(IP)、低壓缸A (LPA)、 低壓缸B(LPB)以及發電機(GEN)和勵磁機(EXC)六個集中質量塊組成。一般情況下，具有 η個質量塊的軸系有η-1個扭振模式。本例中的軸系有六個質量塊，故對應有5個扭振模 式，分別為=15. 7,20. 2,25. 6,32. 3和47. 5Hz。由於扭振模式5(47. 5Hz)的模態阻尼非常 大，一般不會發生機網扭振相互作用，在相位補償時將不考慮模式5的影響。首先在TCSC基準觸發角α Q上施加一串包含IOHz 55Hz，頻率間隔為0.2Hz次同 步頻率的掃頻信號。施加掃頻信號後，一直到電力系統再次進入穩態，截取一個公共周期上 的發電機電磁轉矩Te和施加掃頻信號後的TCSC觸發角αω，對得到的！；和CIm進行Fourier 分解，然後求得TCSC觸發角增量△ Cin^lj發電機電磁轉矩增量間傳遞函數G(S)的相 位特性，如圖4所示。設計次同步振蕩阻尼控制器所採用的帶通濾波器，其通帶頻率為IOHz 55Hz。採 用4階巴特沃茲濾波器，其傳遞函數可以表示為
4H(S) =__
/ + 2.6l3acls3 + ？,AUw2cxS2 + 2.613a>c> + ω"λ
viy
e4____
s4+2.6\3ac2s3 +3 AHa2c2S2 +2.6l3a3c2s + ω4 2然後確定需要補償的滯後相角Φ，使得在整個IOHz 55Hz次同步頻段內發電機 轉速增量Δ ω到發電機電磁轉矩增量ATe間相位特性在士90°之內，式(4)中s為拉普 拉斯算子。
再利用形如"^的超前滯後環節來補償G (s)的相位滯後，使得發電機轉速增量
Δ ω到發電機電磁轉矩增量ATe間相位特性在士90°之內。採用如下公式確定補償環節 的時間常數。formula see original document page 6Ta =/{27fx4a)(5)Tb = aTa式中，fx為進行相位補償的頻率點，Φ為fx所對應的需要補償的滯後相角，Ta和 Tb為補償環節的時間常數；S為拉普拉斯算子。考慮帶通濾波器的相位滯後特性後，用4個 滯後環節在15Hz處各補償-50°，在60Hz用3個超前環節各補償40°。各補償環節的時 間常數列於表1。表1相位補償環節的時間常數formula see original document page 6補償後的系統相位滯後特性如圖4中C(S)G(S)曲線所示。確定好TCSC附加控制器的參數後，採集本測試系統中發電機的轉速差信號Δ ω， 利用帶通濾波器對轉速差信號△ ω進行濾波處理，再進行放大和相位補償後，得到附加控 制信號。附加控制信號與TCSC基準觸發角疊加後，對TCSC進行觸發控制，為電力系統提供 正的電氣阻尼以抑制次同步振蕩。進行效果評價時，可利用時域頻率掃描法測量系統的電氣阻尼，驗證本發明方法 的有效性，當所得的電氣阻尼在發電機各扭振頻率處都為正值時，則說明本發明方法能夠 抑制電力系統發生次同步振蕩。測量系統電氣阻尼的具體步驟包括(1)對確定的運行工作點，待系統進入穩態運行後，在發電機的轉子上施加一串頻
率成整數倍的小值脈動轉矩formula see original document page 6 式中，λ為常數且小於1，Τλ、^分別是頻率為λ ω0的脈動轉矩的幅值和初相位。 要求Τλ較小，以使ΔΤω的值不至於破壞系統可線性化的假設條件。
(2)施加脈動轉矩後，一直到系統再次進入穩態，截取一個公共周期上的發電機電 磁轉矩Te和發電機角頻率ω。(3)將發電機電磁轉矩Te和發電機角頻率ω進行Fourier分解，得出不同頻率下 的Δ Te和Δω。(4)根據formula see original document page 7求出電氣阻尼轉矩係數De。當所得的電氣阻尼轉矩係數De (即電氣阻尼)在各扭振頻率處都為正值時，所設 計的控制器能夠抑制系統發生次同步振蕩。本例的計算結果如圖5所示，可以發現，在採用 本發明方法後，TCSC可以在整個次同步頻帶內提供正的電氣阻尼，從根本上消除了 SSR的危險。為進一步驗證本發明方法對抑制SSR的有效性，使用詳細模型進行暫態時域仿 真。圖3系統進入穩態後，t = 15s時在F點加三相接地故障，並在0. 05秒後切除。圖6， 7分別為原測試系統和採用本發明方法後發電機各軸段上的扭矩。可見在沒有使用本發明 方法時，發電機組各軸段上的扭矩是發散的，系統SSR不穩定。而使用本發明方法後，發電 機各軸段上的扭矩是逐漸衰減的，系統是SSR穩定的，這與圖5中的結果是吻合的。
權利要求
一種基於可控串補的抑制電力系統次同步振蕩的方法，其特徵在於，通過對發電機轉速信號Δω進行放大和移相處理，生成附加控制信號對可控串補的觸發角進行調製，從而改變可控串補的等效電抗Xeff，提高系統的電氣阻尼，所述的生成附加控制信號包括如下步驟(1)採集電力系統中發電機的轉速差信號Δω；(2)對轉速差信號Δω進行濾波處理，由通帶為10～55Hz的帶通濾波器濾除低頻信號和高次諧波，得到次同步頻段內的發電機扭振頻率信號；所採用的帶通濾波器的傳遞函數可以表示為 H ( s )= c 14 s 4+2.613 c1 s 3+3.414 c1 2 s 2+2.613 c1 3s+ c1 4 s4 s 4+2.613 c2 s 3+3.414 c2 2 s 2+2.613 c2 3s+ c2 4 式中，濾波器截止頻率取為ωc1＝55Hz、ωc2＝10Hz。(3)對濾波得到的信號進行放大和相位補償後，得到附加控制信號Δα。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(3)中通過多個超前滯後環節對濾波得 到的控制信號進行相位補償，超前滯後環節的傳遞函數為1+sTa/1+sTb，，其中Ta、tb為超前滯後環節的時間常數，formula see original document page 2為需要補償的頻率； 為所對應的需要補償的滯後相角。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，利用時域頻率掃描法求得可控串補附加控 制信號△ a到發電機附加電磁轉矩間傳遞函數的相位特性，在使得發電機轉速增量 A co到發電機電磁轉矩增量ATe間相位特性在士90°之內的原則下確定需要補償的滯後 相角小。
全文摘要
本發明基於阻尼轉矩的概念，採用相位補償的設計方法，通過對發電機轉速信號Δω進行適當的放大和移相處理，生成附加控制信號對TCSC觸發角進行調製，從而改變TCSC的等效電抗，使TCSC能夠在整個次同步頻段內提供正的電氣阻尼，從而徹底消除由串補電容引起的SSR問題。
文檔編號H02J3/24GK101834446SQ20101013086
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月23日 優先權日2010年3月23日
發明者周少華, 彭勃, 金逸林 申請人:浙江大學