（电力系统及其自动化专业论文）基于svc的区域发电机组阻尼控制的研究.pdf

基于s v c 的区域发电机组阻尼控制的研究 s t a t i cv a rc o m p e n s a t i o n ( s v oi so n eo ft h ef l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) w h i c hh a sb e e na p p l i e ds i n c e1 9 7 0 s b ya d j u s t i n gt h et r i g g e ra n g l eo f t h y r i s t o r s v cc a nr e g u l a t et h er e a c t a n c ef r o mc a p a c i t i v et oi n d u c t i v em o d e c o n t i n u o u s l y t h u s ，i tc a nc o n t r o lt h ev o l t a g eo ft h ep o w e rs y s t e m ，d a m pt h el o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o na n de n h a n c et h es y s t e ms t a b i l i t y , a n ds oo n s o m ei s s u e s a b o u ts v ct od a m pl o w - f r e q u e n c yo s c i l l a t i o na r em a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e l t h ep r i m a r yc o v e r a g ei sa sf o l l o w s ： b a s e do nt h ec o n c e p to fp o w e r - t e r m i n a l ，t h em o d e lo fu n i t - p o w e rt e r m i n a li s s e t u pa n di t s o s c i l l a t i o nm o d e sa r e a n a l y z e di n t h i s p a p e lt h u s ，t h e i d e n t i f i c a t i o nm e t h o do fo f f - l i n eo s c i l l a t i o nm o d e so fu n i ti si n t r o d u c e da n dt h e d a m p i n g c o n t r o lm e t h o do ft h ea r e a - u n i tb ys v c i sa d v a n c e d a i m i n ga tt h eu n i t p o w e rt e r m i n a lm o d e la n db a s e do nt h ep r i n c i p l eo f i m p r o v i n gd a m p i n gc h a r a c t e r i s t i co fp o w e rs y s t e mb ys v c ，t h i sp a p e rp r o v e s t h a tt h eb e s tl o c a t i o no fs v c d a m p i n gc o n t r o li st h ee l e c t r i c a lc e n t e ro fp o w e r s y s t e m f r o mt h ee x t e n d e dm o d e lo fu n i t - p o w e rt e r m i n a lw i t hs v c ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h ef o r m sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fd a m p i n gt o r q u ep r o v i d e db ys v c ，a n d p r o p o s e st h ec o n d i t i o no fp r o v i d i n gp o s i t i v ed a m p i n gt o r q u ea n dt h es e l e c t i n g p r i n c i p l eo fs v c c o n t r o l l e rp a r a m e t e r s b a s e do nt h es v cm o d e lg i v e nb yb p ap r o g r a m ，a n du s i n gt h eb p a p r o g r a m a n dp r o n yi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d ，t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ec h i n as o u t h e r n p o w e rg r i dw h o s ep o w e rt e r m i n a li st h eh e n g s h e n g c h u a n d o n g y u p i n gi nt h e n o r t h e a s t e r np o w e r g r i do fg u i z h o u t h es i m u l a t i o nr e s u l t si nt i m ed o m a i ns h o w t h a ts v cc a ne f f e c t i v e l yd a m pl o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o no fp o w e rs y s t e mi ft h e s v cc o n t r o l l e ri ss e tu p a c c o r d i n gt ot h ew a yg i v e nb yt h i sp a p e l k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s v c ，p o w e rt e r m i n a l ，l o w - f r e q u e n c yo s c i l l a t i o n m o d e s ，p r o n yi d e n t i f i c a t i o n ，r e a l - t i m ed a m p i n gc o n t r o l ，t i m ed o m a i ns i m u l a t i o n 2 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 柔性交流输电系统的概念、作用及其产生的背景 柔性交流输电系统( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，简称f a c t s ) 的概念是 由美国著名的电力专家n g h i n g o r a n i 亏：1 9 8 6 年提出的 m n g o r ”n o 。t 1 9 蚓。f a c t s 概念提出之后，对其含义学术界的认识不尽相同。经过多次讨论于1 9 9 7 年i e e e p e s 冬季会议上，f a c t s 工作组的术语和定义专题组( t f ) 给f a c t s 定义如下： 所谓柔性交流输电系统是装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性和 il l 力传输能力的交流输电系统。 山于f a c t s 的概念是适应现代电力系统发展需要提出的，专家们认为 f a c t s 代表了交流输电的新时代，所以立即受到各国电力部门的关注。国际学 术组织( m e r , c i g r e ，l e e ，e p r i 等) 都成立了专委会或工作组，开展相应的研究 工作，并相继召开国际性或地区性专题讨论会，例如i e e e 的t f 在1 9 9 4 年、1 9 9 5 年、1 9 9 6 年三年内召开四次会议，以推动f a c t s 研究的进展。另外，随着研究 工作的不断深入，研究论文和研究报告大量涌现【孙元1 9 9 6 曼“嘲。l a c o s l 。“蛆，1 9 9 5 韩辫取1 唧。f a c t s 己成为当代电力系统具有变革性的前沿课题之一。 f a c t s 概念产生以来，现代电力电子技术与电力系统传统的阻抗控制元件、 功角控制元件以及电压控制元件相结合，使电力系统中影响潮流分布的3 个主要 电气参数：电压、线路阻抗及功率角可按系统的需要迅速调整，使电网的功率传 输能力以及潮流和电压的可控性大为提高。f a c t s 设备可影响这些参数中的一 个或多个。图1 - 1 显示了目前应用或研制中的主要输电型控制器的控制作用。 k 么占p d k ，则( 2 2 6 ) 可重写如下： y o ，2 珐( 囊c t e 一 d le - 却+ q 2 ( 塞c ；e 一屯q ) e 婶+ 。一。， + 2 c z e 7 a d 卜， c 中，d 。0 令f ；f d k ，( r ) 一_ ) ，扛+ q ) 一y ( f ) ，于是，从( 2 2 7 ) 式可得： 。，目q t ( 塞c i e ( d a - d j ) ) e 即+ q z ( 毫c l e x 2 ( o , - d , ) ) e 扣+ 。一。， + q + ，( 砉c ，“( 巩。d l ) e + ， 其中，f 苫0 。式( 2 2 8 ) 可重写为： 荆a 巾( 2 - 2 9 ) 式( 2 2 9 ) 即为p r o n y 算法所需要的p r o n y 模型，其中 驴q 艟叩州耻) 商r 【驴k 州即剐) 小跏，n ( 2 - 3 0 ) 由上式可得传递函数留数 r i 。型，l 2 ，n ( 2 3 1 ) c ；e - 吣q 式中的曰j ，a ，通过对式( 2 - 2 9 ) 运用p r o n y 算法即可得到，又因为r 6 ) 已知，即 c ；，d j 和气“已知。因此，当系统加入形如( 2 2 3 ) 的输入时，通过以下四个步 骤就可以得到系统传递函数的最小方差估计： 贵州大学硕士学位论文 ( 1 ) 对系统加入形如( 2 2 3 ) 的输入； ( 2 ) 形成对应输出的延迟形式t ，一) ； ( 3 ) 对 ( r ) 执行p r o n y 算法，得到传递函数特征值和输出留数丑，； ( 4 ) 解方程( 2 3 1 ) 得到传递函数留数r ；。 在不影响系统特性的情况下，( 2 - 2 3 ) 式的基本形式允许输入信号是多种形 式。在本文第四章的仿真中，选取a 。= 0 ，c 。= c ：一= c 。= 0 ，即在功率终端加入 有功功率的脉冲函数作为扰动输入信号。 根掘以上提出的基于p r o n y 算法的辨识方法，可以用于辨识电力系统的等值 ? k 性1 ；! 型，并进一步设计电力系统的控制系统。其方法为：首先根据辨识和设计 i i 的，设定输入和输出信号。然后将输入信号加进电力系统中，测定或仿真的到 系统的响心，即相应的输出信号。得到输出信号的数据后，就可以运用基于p r o n y 算法的辨识方法，得到系统降阶的等值传递函数模型。该模型包含有系统的特征 信息，通过分析计算，可用于相关控制系统的设计。 2 5 本章小结 本章根据文隋稚“1 中提出的功率终端概念及电力系统机组功率终端结 构模式，分析了低频振荡的振荡机理，介绍了机组功率终端结构模式的振荡 模态以及电力系统各机组离线振荡模态的p r o n y 辨识方法。基于p r o n y 算法的电 力系统等值线性模型的辨识方法可用于本文的s v c 实时阻尼控制器的设计。 基于s v c 的区域发电机组阻尼控制的研究 第三章s v c 阻尼低频振荡的机理分析 属于柔性交流输电技术范畴的静止无功补偿器s v c 将电力电子元件引入传 统的静止无功补偿装置，从而实现了补偿的快速和连续平滑调节。良好的动、静 态调节特性使s v c 得到了广泛的应用。通过采取适当的控制策略s v c 可以增加 系统的阻尼，从而有效地抑制电力系统的低频振荡。因此，需要对s v c 阻尼系 统低频振荡的机理进行深入地理论分析，如s v c 改善电力系统阻尼特性的基本 姊! 、l 仆安装地点、s v c 向系统提供的转矩类型及特性、电力系统的结构及 j “f 况的变化对s v c 阻尼能力的影响等问题。 小啦首先介绍了s v c 的基本工作原理，然后针对电力系统机组功率终 端结构模式，用求导的方法推导出s v c 阻尼控制最佳安装地点为系统的电气中 心：通过推导含s v c 的机组功率终端结构模式的推广模型，分析了s v c 向 电力系统提供阻尼转矩的具体形式、性质及其特征；针对系统结构及运行工况的 变化情况，较详细地分析了s v c 向系统提供正阻尼转矩的条件，不同参数及运 行工况下s v c 最佳控制参数的选取原则。 3 1s v c 的工作原理与数学模型 s v c 有多种构成形式，但基本元件为晶闸管控制的电抗器( t h y r i s t o c o n t r o l l e dr e a c t o r ) 和晶闸管投切的电容器( t h y r i s t os w i t c h e dc a p a c i t o r ) 。 掌握了这种结构的s v c 的工作原理则不难理解其他类型的s v c 。住。凡等“” 如图3 1 ( a ) 所示，t c r 支路由一对反并联的晶闸管与一个线性的空心电 抗器相串联组成，控制元件为晶闸管。晶闸管的触发角以其两端之间电压的过零 点时刻作为计算的起点。 图3 - 1 ( a ) t c r 支路，( b ) t s c 支路 贵州大学硕士学位论文 t c r 触发角a 的可控范围是州2 万。当触发角为卅2 时，晶闸管全导通， 此时t c r 中的电流为连续的正弦波形，这种运行模式相当于将电抗器直接并联在 系统中。当触发角从石2 增大到石时，t c r 中的电流呈非连续脉冲形，对称分布 于正半波和负半波，图3 2 给出了对应不同触发角a 的电流、电压波形，由电流 波形可以清楚的看到，整个t c r 装置就像一个连续可变的电感。当触发角接近石 时，i u 流接近零，当触发角为州2 时，电流变成了纯正弦形式，并达到了最大值。 扣1 0 0 0 一 4 0 n 图3 - 2 不同口下的电流电压波形 设电源电压的表达式为 v ，一屹s i n m t ( 3 1 ) 其中，圪是所加电压的峰值；是所加电压的角频率，则t c r 的电流可由如下 微分方程描述： 工罢础) 一o ( 3 _ 2 ) 其中，l 是t c r 的电感。求解上式得 f ( f ) 一扣，( f 妞+ c - 一盖v cos“+c(3-3) 由边界条件l ( “一a ) 一0 ，可确定上式中的积分常数c ，最后得到 f ( r ) 。一与s a - - c o s 耐) c o l ( 3 - 4 ) 其中，晶闸管的触发角a 以所加电压从负变正过零点作为起点。通过傅里叶分解， 可以导出t c r 电流的基波分量仁) ，其表达式为 基于s v c 的区域发电机组阻尼控制的研究 啦) = 堑竽圪 ( 3 _ 5 ) 增加a 的作用是减少基波分量j 。( 口) ，这相当于增加电抗上的有效感抗。晶 闸管控制的电抗器的有效电纳为 b 。掣一2 ( , - r a 硝) + 。s i n 2 a 浯e ) b 。随晶闸管触发角a 变化的曲线如图3 - 3 所示。因触发角与等效电纳之间 是非线性关系，通常在触发回路中插入线性化校正环节，以补偿导通角与等效电 纳之间的非线性。 图3 - 3 t c r 电纳，r c r 的控制特性 如图3 - 1 ( b ) 所示，t s c 支路由电容器与两个反方向并联的晶闸管相串联构 成。t s c 中阀的控制使电容器只有两种运行状态：将电容器直接并联在系统中或 将电容器退出运行。将电容器投入系统应注意投入时刻的选择。选择触发时刻的 原则是减小电容器投入时刻电容器中的冲击电流。因为电容器上的电压初值，所 以应在电源电压与电容电压相等的时刻，根据电压初值的正负触发两阀中对应的 阀。这样，当电容器被投入之后电容电流的暂态分量为零。在电容器投入系统之 后，为使在任何时刻总有一个阀是导通的，则触发角a = 玎2 。理想情况下，电 容器投入之前的电压为电源峰值，取触发角口一玎2 使电容器投入系统即无暂态 过程。 t c r t s c 型s v c 的原理示意图如图3 - 4 所示。为了降低s v c 的造价，大多数 贵州大学硕士学位论文 s v c 通过降压变压器并入系统。由于阀的控制作用，s v c 将产生谐波电流，为了 降低s v c 对系统的谐波污染，s v c 中还应设有滤波器。对基波而言，滤波器呈容 性，即向系统注入无功功率。 图3 4s v c 原理不慈图 s v c 向系统注入的无功功率为 q 。：q 。一q l ；f o ( 7 一兰q 三二! ! ；兰塑丝1 y ： ( 3 7 ) i 刀龇l 式中，c 为电容器的电容。由上式可知，当a k 2 ，玎 时，s v c 向系统注入的无 功功率可以连续平滑地调节。为了扩大s v c 的调节范围，根据补偿容量的需要， 一个s v c 中可以采用多个t s c 支路。图3 - 4 所示的s v c 中就有三组t s c 。当三组 电容器都投入时，式( 3 - 7 ) 中的c 即为c 1 + c ：+ c 3 。为了保证调整的连续性， 通常t c r 的容量略大于一组t s c 的容量，即m c ，c 1 钇。 由式( 3 7 ) 可以看出，s v c 的等值电抗为 = 一卜学卜矿丽：t i o o l 而净s ， 3 2s v c 增强电力系统阻尼特性的原理 如前所述，随着电力系统规模的不断扩大，长距离大容量电网的出现使得整 个系统的阻尼特性变坏，系统本身因缺乏足够的阻尼，在因故障引起的暂态过程 中，功角振荡衰减得很慢，有时甚至不衰减。并联于线路中间的s v c 可以通过 改变系统的转移阻抗而提高系统的阻尼特性。【”酾_ 1 9 9 4 , ”辱1 9 明 滤波器 基于s v c 的区域发电机组阻尼控制的研究 对于图2 - 2 所示的电力系统机组功率终端结构模式，用一可变导纳b s v c ( 或可变容抗弘。一j 】l b m i ) 表示s v c 对系统的作用，作其等值电路如图 3 5 ( a ) 所示，其中x = 置+ 石：为发电机组到功率终端的电抗。s v c 导纳b 。的 改变将会使系统的转移阻抗( 图3 - 5 ( b ) 中的x 。：) 相应改变，其值由未并s v c 前的x l + z 2 变为 墨2 = z 1 十x 2 + 墨x 2 x s ( 3 - 9 ) 式中x 。为s v c 的可变输出电抗。 e 必占 ( b ) 图3 - 5 电力系统机组功率终端结构模式等值电路图 此时，系统的功角特性为 只= 丽彘幽6 ( 3 - 1 0 ) 若不考虑励磁调节的作用，则式中线路传输功率只是功角6 及容抗x 。的函数， 故( 3 1 0 ) 式可写成： ；，栖k c x 赢) ( 3 1 1 ) ) 1 1 4 、扰动x s 比= x 册o + a x 5 阳和6 = 6 0 + 6 代入上式，可得传输功率 只的增量为 屺；，( 6 。) g 暖) 6 + g 暖一。) ，( 6 。) 艏s v c ( 3 - 1 2 ) 一k l a 6 + k c a x s v c 式中 七。；，贼w 。) = 耳瓦瓦e q u 可i = c o s 氐 ( 3 _ 1 3 ) 贵州大学硕士学位论文 叫皤一。) f ( 6 0 ) 2 瓦石e 嘉u x 嘉1 笺可豇们。1 4 x ， 将发电机的经典二阶模型写成小扰动方程的形式 l p 2 6 + p p 6 + o 只暑0 ( 3 1 5 ) 式中 巧发电机的时间常数； 卜系统的自然阻尼系数，一般情况下其值很小： p ；导微分算子。 a t 对于式( 3 - 1 2 ) ，假设 x s w = k a o j = 印6 ( 3 1 6 ) 式中，七待定常数。 将式( 3 1 2 ) 和式( 3 1 6 ) 代入( 3 1 5 ) 式中，可得： l p 2 , v 6 + ( d + o ) j c k d ) p a 5 + t o o k l = 0 ( 3 1 7 ) 山上式可以看出，系统的阻尼系数增大了，其增量为o d e 。，它表明了装设 的s v c 具有改善系统阻尼特性的作用。阻尼系数增大的原因在于s v c 投入后具 有可变的容抗x 。，通过它可以改变系统的转移阻抗。另外，由于有 x 册= 七的假设，因此这相当于令s v c 的容抗z 。的变化取决于频率的变 化a ，即只有用角频率的变化量作为s v c 才能增大阻尼系数，产生阻尼振荡的 效果。 3 3s v c 阻尼控制最佳安装地点的选择 由式( 3 1 7 ) 可知，在互联系统的联络线上装设s v c 可增大系统的阻尼。 s v c 阻尼控制最佳安装地点即是使系统阻尼系数增量0 。k k 。取得最大值的点， 亦即使k 。取得最大值的点。对图3 5 所示的电力系统“机组功率终端”结 构模式，设x = x 1 + x 2 ，则x 1 一x - x 2 ，由式( 3 1 4 ) 可得： 基于s v c 的区域发电机组阻尼控制的研究 式中 。c o ：毒攀挈等s i n 6 。 2 面磊忑瓦丽8 1 n 乱 ( 3 _ 1 8 ) = k d e q us i n 3 0 k = 面i ( x i - i x 2 丽) x 2 ( 3 1 9 ) 令爱d x 。蘸等- 掣x o ，礁 2【嬲s o + ( x 2 ) z 2 】3 一 盖：；丢x或z：x+-4乒x2_4xxsvc。 令七：，伍：) ，显然 k d = 厂( 0 ) = o ；k 。：，( x ) ；0 ； 小，= 面i x 2 孑4 阿u s i n 6 0 = 面丽1 叩s i n 如 k o2 沥1 = & u s i n 6 。 呲。x 旷一1 l i 0 ，z 5 比。 o ) 。 故邑一季是七二取得最大值的点，亦即阻尼系数增量触。取得最大值的 点。这就从理论上证明了在输电线路的电气中心装设s v c 可取得最佳阻尼效果【向 秀岑等2 5 1 。 3 4 含s v c 的电力系统机组功率终端的推广模型 含s v c 的电力系统机组功率终端结构模式及其等值电路如图3 - 5 所示， 其中：v 为功率终端电压；k 为发电机机组端电压；x s z c 为s v c 的可变电抗。 当发电机采用简单的三阶模型、励磁调节系统采用不计饱和的一阶惯性放大环节 表示时，上述系统的动态过程可表示为【何剩铨明“1 螂1 ： p 6 = 6 0 0 a 1 0 誓簿：。e ： 协z 。， 芦口= 坷口+ rf ” l 妒，一e ，+ k o 一) i 贵州大学硕士学位论文 式中 式中 p 微分算子： 6 发电机转子摇摆角； 发电机转子角速度； l 发电机转子的惯性时间常数； 己发电机的机械功率； 发电机的电磁功率； d 发电机阻尼转矩系数； 巧。发电机励磁绕组定子开路的时间常数： e 。发电机的空载电势； e ：发电机的暂态电势； e ，发电机励磁电势： 瓦励磁系统时间常数； 励磁系统放大倍数。 通过对式( 3 2 0 ) 中有关物理量的推导得到下式： 只：五e q v s i n 6 一毖 肚警一学蜀：疋：l x ：等值发电机组d 轴暂态电抗 x d z 等值发电机组d 轴电抗； 3 1 ( 3 2 1 ) 基于s v c 的区域发电机组阻尼控制的研究 x 。z 等值发电机组q 轴电抗 将( 3 - 2 0 ) 、( 3 - 2 1 ) 式在运行点处线性化可得到下式 t i 。p a w 卜= - 一k l a 6 6 - 一k 2 a e q ：- k p a ，趟x s v 。c - + d a m ，(3-22pae k 4 k 3 a e - k t i e ) 瓦o g 互一6 一口g x 册+，f 。 l p e ，掌一e ，一k a 忙5 6 + 七6 t i e ：+ k v a x 。) l k = o a p , i o a s ， k 2 = a a p 。a e ：，k p = a 必a 必， k i = o a e q | 8 厶6 ，k 3 = a 龌q | a 龃q ，k q = 0 a e q | a 醢， t 3 2 3 ) k 5 ；a k 弘6 ，k 6 = o a v , o 丝：，k ，= a a v ；a z s w 。 由式( 3 - 2 2 ) 、式( 3 2 3 ) n - i 得到含s v c 的电力系统机组功率终端的推广模 图3 - 6 含s v c 的电力系统机组功率终端结构模式的推广模型 3 5s v c 向系统提供的转矩类型及特性分析 在此我们以转速变化量作为低频振荡阻尼控制的输入，对s v c 向系 贵州大学硕士学位论文 统提供的阻尼转矩的性质及大小进行较深入的分析。由本章第一节的分析可知， s v c 的电抗z s v c 可在一定范围内从容性到感性变化，电抗的大小由可控硅的触 发角口决定。由于从触发角变化到s v c 输出电抗到达稳态存在过渡过程，所以 s v c 的基波阻抗特性可用一阶惯性环节来描述【律方“1 9 9 9 】。本文将s v c 本身惯性 及阻尼控制的惯性用一阶惯性放大环节表示： 必= 志幽 ( 3 2 4 ) 式中瓦s v c 本身惯性时间常数和阻尼控制系统惯性时间常数的之和； k c s v c 阻尼控制的放大倍数，s = j 。 s v c 向系统提供的电磁转矩可用下式表示为 a t = 伍+ j ) 6 ( 3 2 5 ) 式中b 为同步转矩系数；为阻尼转矩系数；o ) d 为低频振荡角频率。 由图3 6 的推广模型可知，a t 由三个方向提供，其一由k 。途径提供，可称 之为“直接转矩”；另外由k q ，k ，途径提供，可称之为“间接转矩”。由于间接 转矩经过电压调节器及励磁系统的一阶滞后环节的衰减，因而一般直接转矩大于 间接转矩。 由图3 6 的推广模型及式( 3 2 4 ) 可推导出s v c 向系统提供的直接转矩为 母等1 - ( 鬻1 + ，端1 卜 z s ， 1 + s cl + ；砰。+ ；r ? j 由式( 3 3 5 ) 、( 3 - 3 6 ) 可知，直接同步转矩系数为 王，。氅 ( 3 - 2 7 ) 气。丽 七 直接阻尼转矩系数为 一而k p k e o i 9 d ( 3 - 2 8 ) 由图3 - 6 的推广模型及式( 3 - 2 4 ) n - i 推导出间接转矩由下式表示 基于s v c 的区域发电机组阻尼控制的研究 蝇= 盯姑麓黼 b 2 。， 由式( 3 - 2 9 ) 并计及条件s t ac c1 , k ， tk 6 k ，可知间接同步转矩系数为 如地芸k 躞等凝铲+ l k k p s ，c 互1 弋：一 i j j u ， 化。一斫。瓦) 2 + 斫。厂 、。 间接阻尼转矩系数为 驴塑篾嵩锪鬟掣p s ，屯旷飞i i 历丁面瓦瓦瓦厂一p 。u 3 6s v c 阻尼电力系统振荡的机理定性分析 如前所述，由于间接转矩经过电压调节器及励磁系统的一阶滞后环节的衰 减，因而一般直接转矩大于间接转矩。因此，本节主要对s v c 向电力系统提供 的直接转矩进行定性分析。通过对式( 3 - 2 8 ) 进行分析可知，当以转速变化量 为输入时，s v c 向系统提供正阻尼条件为七，七。，0 。 由式( 3 2 1 ) 可知，系统的运行点只。可由下式表示， 只。= 墨釜；芝! 鱼一兰警；只。，一只。 ( 3 。2 ) 由上式，。，只眦，只。的可由图3 - 7 表示。 一柏4 0 明、吖掏l 鳙多i 忙，k r 一，产一 图3 - 7 罡。，。f k 6 关系曲线 6 0 2 l 8 5 2 e 2 i 1 日0 0 e $ 贵州大学硕士学位论文 从式( 3 - 2 1 ) 、( 3 2 3 ) 及式( 3 3 2 ) 得到七，与系统运行状态的关系如下， 铲惹= 鬟 符一盘罐学 ；挚f 阜一鱼1 ( 3 - 3 3 ) 工【x ：工。zj 。 由于存在关系x 。，z ：，从而可得到如下的结论： ( 1 ) 运行点在重负荷时，则有只。，) 只。关系成立，此时由式( 3 3 3 ) 得 k ，0 ，所以若要保证七，k 。) 0 的条件成立，必须要求七。，0 ( 2 ) 运行点在轻负荷时，只。，只。的结论不一定满足，此时k i 的值较小 甚至可能接近于零，固此不仅要求k 。，0 ，而且需要七。) ，o 才能保证s v c 向系 统提供足够大的正阻尼。 通过以上对s v c 直接阻尼转矩系数的分析可知，阻尼转矩的性质和大小不 仅与发电机的参数及系统当前运行点的位置有关，而且与s v c 阻尼控制放大倍 数k 。有关。因此，为了增强s v c 阻尼控制的鲁棒性，k 。的大小应随着运行点的 位置变化而变化以获得合适的阻尼转矩。 3 7 本章小结 本章针对电力系统机组功率终端的结构模式，根据s v c 提高电力系统阻 尼的基本原理，用求导的方法推导出s v c 阻尼控制最佳安装地点为系统的电气 中心；通过推导含s v c 的机组功率终端结构模式的推广模型，提出并分析 了采用转速增量作为阻尼控制输入时s v c 向系统提供转矩的基本形式和性质， 得到了如下结论： 1 、s v c 向系统提供的阻尼转矩系数随发电机稳态输出功率的增加而单调增 加。为了保证阻尼控制的效益及控制的鲁棒性，应在轻负荷时采用高放大倍数， 在重负荷时采用低放大倍数。 基于s v c 的区域发电机组阻尼控制的研究 2 、阻尼转矩的性质和大小不仅与发电机的参数及系统当前运行点的位置有 关，而且与s v c 阻尼控制参数k 。有关。因此，为了增强s v c 阻尼控制的鲁棒性， k 。的大小应随着运行点的变化而变化以获得合适的阻尼转矩，从而提高电力系 统运行的动态稳定性。 贵州大学硕士学位论文 第四章系统仿真 随着我国经济的迅速发展和全国联网西电东送的逐步实施，我国电力系统的 规模越来越大、越来越复杂，远距离、大容量传输线路不断出现，要求系统有更 高的可靠性和灵活性。由于静止无功补偿器s v c 具有提高系统暂态稳定性和抑 制系统低频振荡等特性，目前，己在国内外电力系统中得到了一些实际应用。固 定电容器并联补偿也具有提高系统暂态稳定性等优点，由于s v c 的造价比较高， 所以，通常使用固定并补，以减少成本。 文献【嗣戡2 0 0 q 根据贵州电力系统制定的典型运行方式，将贵州交流电网分为 两部分考虑：贵州东北部电网、贵州其它部分交流电网。其中贵州东北部电网由 鸭溪变、贵阳变经福泉变向恒盛、川硐、玉屏变输送电力，因此，选择恒盛 川硐玉屏变为功率终端，并运用b p a 电力系统暂态仿真程序和机组振荡模 态时域p r o n y 辨识算法程序，给出了六种典型运行方式下各机组的6 一t 数据 和曲线以及各机组的振荡模态表。 本章将在上述研究的基础上，在贵州东部电网的恒盛川硐玉屏地区 分别配置并联补偿电容器和静止无功补偿器s v c 并进行数学仿真，以证明并联 补偿f 乜容器和静止无功补偿器s v c 对低频振荡的阻尼特性和抑制效果。 、 4 1 系统概述 贵州东北部电网是贵州电网的重要组成部分，它不仅承担着向贵州东部都 匀、凯里和铜仁三个地区的供电任务，而且向北通过铜仁川硐太平一 秀山输电线路向重庆输电、向南通过都匀麻尾车河与广西电网相连，凯 里电厂4 号机组则通过2 2 0 k v 线路远距离向湖南电网送电。贵州东北部电网2 0 0 4 年的地理接线示意图如图5 - 1 所示。【黼巍2 0 0 s 由地理接线图可知，贵州东部电网是一个典型的受端系统，其绝大部分电力 需求由5 0 0 k v 电网( 福泉变) 提供，2 2 0 k v 电网内仅有凯里电厂3 1 2 5 m w 机组 向系统供电( 第4 台机组并入湖南电网) ，电压支撑能力弱，电压运行水平低， 因而贵州东部电网电压稳定问题最为突出，是贵州电网电压安全稳定的薄弱环 节。同时，因为电网电压支撑薄弱，在一定运行方式下，当功率终端有功功率变 3 7 基于s v c 的区域发电机组阻尼控制的研究 化时，还可能诱发引起北部地区机组的低频振荡。 4 2 计算条件 图5 12 0 0 4 年贵州东北部电网的地理接线示意图 4 2 1 计算网络及运行方式 电力系统机组的振荡模态及其动态稳定性与电力系统的运行方式、潮流分布 有直接关系。本章以南方电网2 0 0 4 年枯大2 方式为基础，计算网络为：贵州、 云南、广西电网采用较详细网络，主要为1 1 0 k v 电压等级及以上的网络，包括 所有的发电机和负荷；广东电网为5 0 0 k v 、2 2 0 k v 电压等级网络，包括容量5 0 m w 及以l 二的发电机组和所有负荷；香港电网电压等级为4 0 0 k v ，包括容量4 3 8 m w 以上的发电机组，其负荷接入4 0 0 k v 母线。全网分为贵州、云南、广西、广东、 香港五个区域，详细情况可参看文献啤惟。删。2 0 0 4 年枯大2 运行方式下南方互 联电力系统各电网间功率交换为给定值，如表4 1 所示。 表4 - 1 2 0 0 4 年枯大2 方式下南方互联电力系统网间功率交换单位：m w 香港贵州贵州天生桥天生桥广西云南 广东天生桥广东广东广西广东天生桥 交换 8 2 08 0 0 1 0 0 01 1 0 04 9 5 03 6 5 02 1 0 0 功率 贵州大学硕士学位论文 4 2 2 发电机及调速系统模型 在仿真过程中，发电机采用考虑次暂态过程的e ：和e ：变化的模型，并考虑 调速系统和励磁系统的作用。在用b p a 对系统进行时域仿真时，为模拟系统的 在阻尼特性在较长时间内的动态过程，稳定计算时间为1 0 秒。 4 2 3 负荷特性模型 负荷模型采用由恒定功率、恒定电流和恒定阻抗组成的综合静态负荷模型， 并讣及负荷频率因子的影响，见式( 4 1 ) 。各电网的综合负荷特性参数见表4 - 2 。 爰q 二r a 警v 2 z + + q 孑v ：然：即( a p 够万黜 c 4 舢 l o l q l2 + q 3 姐+ 必，j i 式中：置，只，只分别是负荷中恒定阻抗有功负荷、恒定电流有功负荷、恒定 功率有功负荷百分数，d p 彤为有功负荷功率因子；q 1 ，a ：，q ，分别为负荷中 恒定阻抗无功负荷、恒定电流无功负荷、恒定功率无功负荷百分数，d q 够 为无功负荷频率因子。 表4 2 南方互联电力系统综合负荷特性参数 恒定阻抗( )恒定电流( )恒定功率( )频率因子 电 网 墨q 1墨 q 2只q 3 d p | d ia q d f 0 3 03 04 04 03 03 01 2 2 o 州 广 3 03 04 04 03 03 01 22 0 西 一 石3 03 03 03 04 04 01 2- 2 o 南 广3 03 04 0 4 0 3 03 01 8_ 2 0 东 香4 04 0o06 06 0 1 82 0 港 基于s v c 的区域发电机组阻尼控制的研究 4 3 机组阻尼振荡模态分析和s v c 控制设计 由于“维数灾”问题，特征值分析方法难以适应大规模电力系统各机组的振 荡模态辨识，故本节采用第三章介绍的基于p r o n y 算法辨识方法，研究功率终端 为恒盛川硐玉屏时贵州电力系统各机组的振荡模态和s v c 阻尼控制设 计。首先在功率终端j j n , j , 扰动，运用b p a 得到a 6 一t 数据，经p r o n y 算法程序辨 识各机组的振荡模态c - o d ，皇，用于s v c 阻尼控制的分析和设计，最后用时域仿真 结果证明所设计的阻尼控制器的有效性。 为了不影响系统的运行性能，在功率终端加入的扰动输入信号选为低幅值短 寸负荷扰动。因为扰动时间相对极短，可视为冲激函数，即在形如( 2 2 3 ) 式的 输入中九“= 0 , k ；0 ，c o = 1 。 4 3 1 机组振荡模态分析 文献【宵桃2 0 0 6 】选择贵州东北部电网恒盛川硐玉屏为功率终端，在六 中典型运行方式下，经p r o n y 算法程序获得了任意选择的贵州电力系统2 8 个机 组的振荡模态表。现以金沙电厂4 号机组为例，它在六种典型运行方式下的两个 振荡模态如表4 3 所示。 表4 - 3 金沙电厂4 号机组的振荡模态 胀荡模态振荡模态1振荡模态2 振荡频率厶阻尼比亭振荡频率厶 阻尼比占 运行方式 ( h z )( h z ) f d 方式 0 4 7 7 6 0 3 1 7 80 9 9 5 6 0 0 7 8 9 k x 2 方式 0 4 0 4 3 o 2 4 4 6o 6 0 4 10 2 9 0 4 k d 2 方式 0 5 2 2 1 0 1 9 9 20 9 4 5 70 1 4 6 5 f x 方式0 3 1 9 10 0 4 6 70 7 2 3 40 0 0 3 6 k x l 方式0 3 8 6 70 0 8 6 80 7 5 1 3o 1 0 4 8 k d l 方式 0 3 7 3 80 5 1 2 7 0 8 3 0 20 1 9 8 3 4 0 贵州大学硕士学位论文 在上表中，贵州北部金沙电厂4 号机组在k d 、f d 两种运行方式下振荡模态 分别为：九= 0 9 4 5 7 ，宇一0 1 4 6 5 ；厶= 0 9 9 5 6 ，宇= 0 0 7 8 9 。这与2 0 0 5 年“5 1 3 ”、 “9 2 ”两次振荡的记录相符，两次振荡是由金沙电厂4 号机组功率终端有功功 率变化诱发的振荡模态的显现。故本文以金沙电厂4 号机组为阻尼控制机组，对 其采用固定并补和s v c 阻尼控制以抑制低频振荡。( 注：贵州东部电网由于电源 励磁无功不足，运行电压偏低，因此并联固定电容的补偿对贵州东部电压分布和 稳定的作用将起重要的作用，同时增强了贵州北部地区机组的阻尼特性。) 4 3 2s v c 阻尼控制设计 众所周知，并联于线路中间的s v c 不仅可以维持安装点的电压恒定，还可 以通过改变系统的转移阻抗而提高系统的阻尼特性。在b p a 暂态稳定程序中给 出的静止无功补偿器s v c 模型传递函数框图如图4 2 所示。 图4 - 2s v c 模型传递函数框图 s v c 可以使用不同的输入信号，如可以取转速差，系统频率偏差， 电功率偏差只或它们之间的组合。本文选取作为s v c 的输入信号，在b p a 杆念稳定秤序i f l 给 l js v c 控制系统的传递函数框如图4 3 所示，它由滤波放大、 信号复归和i 艇幅等环节组成。 图4 3s v c 辅助信号传递函数框图 4 1 基于s v c 的区域发电机组阻尼控制的研究 s v c 的阻尼控制参数k 。、b ，、瓦。、k 。，、k ，3 、l ，、瓦。和瓦。 可由文献【何桃2 0 0 6 1 机组振荡模态阻尼控制参数算法程序得到。 4 4 仿真结果 以恒盛川硐玉屏为功率终端，并加入_ _ _ 5 0 m w 有功功率脉冲扰动， 由b p a 仿真程序得到k d 2 方式下金沙电厂4 号机等机组的a 6 一t 曲线图附录i i 图一所示。 由金沙电厂4 号机的a 6 一t 数据，经p r o n y 算法程序得到机组的振荡模态为： l = ( ) 9 4 5 7 ，亭= o 1 4 6 5 4 4 1 恒盛川硐玉屏地区加装固定并联电容器 在恒盛川硐2 一玉屏地区并联固定电容器组8 0 m v a r ，在k d 2 运行方 式下，在功率终端加入相同有功功率扰动，通过b p a 潮流计算程序得到的金沙 电厂4 号机的a 6 一t 曲线图附录i i 图二所示。 根据b p a 程序计算出的a 6 一t 数据，经p r o n y 算法程序得到加装固定并补 后金沙电厂4 号机组的振荡模态为：厶一0 8 8 4 3 h z ，亭一o 1 9 2 0 。与未补偿前的 机组振荡模态比较可知，机组阻尼振荡频率厶由0 9 4 5 7 h z 降低至o 8 8 4 3 h z ， 阻尼比由0 1 4 6 5 增加到0 1 9 2 0 。 仿贞结果表明，并联固定电容器后在改善贵州东部电网的电压分布的同时， 也改磐了贵州北部l u 网机组的阻尼特性，提高机组的振荡模态的阻尼比亭的值。 4 4 2 恒盛川硐玉屏地区加装静止无功补偿器s v c 静止无功补偿器s v c 相当于一个连续可变的导纳，通过调节晶闸管的触发角， 可以实现电抗值从容性到感性的较大范围内连续调节，可以控制系统的电压、阻 尼低频振荡、提高系统的稳定性等。现在川硐变安装s v c 补偿装置，对于k d 2 方式下的金沙电厂4 号机组的振荡模态( 厶= 0 9 4 5 7 ，亭= 0 1 4 6 5 ) ，采用如图4 2 、 贵州大学硕士学