（电力系统及其自动化专业论文）tcsc对电力系统次同步振荡阻尼特性的影响.pdf

a b s t r a r i m p a c t so nt h es s od a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fp o w e rs y s t e mb y t c s c a b s t r a c t t h et h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n t c s c i sa ni m p o r t a n tm e m b e ra m o n gt h e f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s f a c t s w h i l eu s i n gt c s cf o rd a m p i n gs s rh a sb e e nt h e e m p h a s i so nt h ea c a d e m i ca n de n g i n e e r i n g t h e r e f o r e t h es t u d yo nt h ee f f e c t so ft c s co n s u b s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e s s r c a u s e db ys e r i e sc o m p e n s a t i o na n ds u b s y c h r m o 璐 o s c i l l a t i o ni nc o m p l e xh v d c a cp o w e rs y s t e mi so fg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a lv a l u e t h em a i nw o r k sa mo r g a n i z e da sf o l l o w s 1 1 bc o m p l e xt o r q u ec o e 伍c i e n ta p p r o a c hr e a l i z e db yt i m ed o m a i ns i m u l a t i o n t h et e s t s i g n a lm e t h o d i sa d o p t e di nt h i sp a p e rt or e s e a r c ht h ei m p a c t so ft c s ct op o w e rs y s t e m s s e l e c t r i c a ld a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c i e e ef i r s tb e n c h m a r kw i t hi t s p a r to f 丘 e d s e r i e s c o m p e n s a t i o n sr e p l a c e db yt c s ci su s e dt od i s c u s st h ee f f e c t so fe l e c t r i c a ld a m p i n g c h a r a c t e r i s t i cb yt c s cu s i n gd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d s 1 1 t i e s e d 1 0 0 pi m p e d a n c ec o n t r o l t h ec l o s e d l o o pc u r r e n tc o n t r o la n dt h ec l o s e d l o o pp o w e rc o n t r o lr i or e s p e c t i v e l ya n a l y z e d a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e yh a v ea l m o s tt h es a m ei m p a c to np o w e rs y s t e m s e l e c t r i c a l d a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c 航血t h es a m ec o n d u c t i o na n g l eo ft c s c b u tw h e nt c s cw i t h d i f f e r e n tc o n d u c t i o na n g l es i z e su n d e re a c hc o n t r o lm e t h o d t h e yh a v ed i f f e r e n te f f e c t s0 n p o w e rs y s t e m s e l e c t r i c a ld a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c at h e o r yi sa d o p t e dt of o r m u l a t et h es u b s y n c h r o n o u sf r e q u e n c ye q m v a l e n ti m p e d a n c eo f t c s c b yu s i n gs m a l ls i g n a lm e t h o d a d d i n gat i n ys u b s y n c h r o n o u sf r e q u e n c yc o m p o n e n tt o t h ef u n d a m e n t a lc u r r e n ts o u l e 皿ep o w e r f r e q u e n c ye q u i v a l e n tr e s i s t a n c eo ft h y r i s t o r c o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t i o ni sd e r i v e d0 nt h eb a s i so ft h ec h a r a c t e ro fz e r or e s i s t a n c e a n d t h en u m e r i c a lr e l a t i o u so f s u b s y n c h r o n o u sf r e q u e n c ye q u i v a l e n tr e s i s t a n c ea n d p o w e r f r e q u e n c ye q u i v a l e n t r e s i s t a n c ea n dt h ec a u s eo fp o w e r f r e q u e n c y e q u i v a l e n t r e s i s t a n c ea g od i s c u s s e d 7 n 埔m e c h a n i s mo fd a m p i n gs s rb vt c s ci sa n a l y z e da n dt h e r e s u l t ss h o w e dt h a td a m p i n gs s rb yt c s cl i e si nt h ec o m p r e h e n s i v ef u n c t i o no fi t s r e s i s t a n c ee f f e c t sa n d 眦t a 皿c ee r i e c t s a n dr e a c t a n c ee f f e c t sp l a y sal 龅d i n gr o l e o nt h i s b a s i s e v a l u a t i o nm e t h o do ft h ec o n d u c t i o na n g l es e l e c t i o nf o rd a m p i n gs s rb yt c s ci s p r o p o s e d n 圮t e s ts i g n a lm e t h o di sa d o p t e dt os t u d yt h es s o p r o b l e mf o ra na c 压i 厂d cp a r a l l e l t r a n s m i s s i o ns y s t e m i no r d e rt oa n a l y z et h ee f f e c t so ft h ed a m p i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h e s y s t e mo s c i l l a t i o n sw i t ht c s ci nt h i sn e wg r i ds t r u c t u r e t h r e ec a s e sh a v eb e e na d o p t e d t h e n o r m a la cs y s t e mw i mh v d cl i n e s t h es y s t e m j l r i t l lf s ca n dh v d cl i n e s t h es y s t e mw i t h f s c t c s ca n dh cl i n e s n 坞r e s u l t ss h o w e dt h a tt c s cn o to n l yc a ni n h i b i tt h es s o b u ta l s oc a ni m p r o v et h ed a m p i n gc h a r a c t e r i s t i cp e r f o r m a n c eo ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t h h v d c r h er e s u l t sa l s od e m o n s t r a t e dt h a tt h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i co ft c s ci sr e l a t e d w i t ht h ev a l u eo fc o n d u c t i o na n g l e w h i c hw i l la f f e c tt h ed a m p i n gc h a r a c t e r i s t i cp e r f o r m a n c e o fs y s t e m a b 蛐z j r k e yw o r d s c o m p l e xt o r q u ec o e f f i c i e n tm e t l l o d e l e c t r i c a ld a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n t c s c s u b s y n c h r o n o u sr e s o n a n c o s s r e q m v m e n ti m p e d a n c e m e c h a n i s ma n a l y s i s s u b s y n c h r o n o u so s c i l l a t i o n s s o h i g hv o l t a g e d i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n h v l c i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意 研究生签名 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可 以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研 究生院办理 研究生签名 曼 塑垒导师签名 第一章绪论 1 1 课题背景和研究意义 第一章绪论 随着我国电力系统的不断扩大 超高压 远距离输电线路和大容量发电机组的投入 运行以及为了提高电力系统稳定性和输电能力而采取的线路串联电容补偿和直流输电 等措施 除了伴随而来的巨大经济效益外 也给电力系统的安全稳定运行带来了新的问 题 电力系统次同步振荡 s u b s y n c h r o n o u so s c i l l a t i o n s s o 就是其问题之一 电力系统可控串联补偿 t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n t c s c 技术的基本思 想是通过在线路中串联一个容抗 以补偿线路自身感抗 改变传输线路静态特性和动态特 性 从而改善电网的运行性能 提高电网稳定性 串联补偿技术是提高系统传输容量和 稳定性的一种有效手段 在高压输电线路上投运串联电容器抵消输电线路的电抗 可以 减少输电系统送端与受端母线之间的电压幅值差和相角差 大大地提高了系统输送功率 极限 使输电线路的功率传输能力得到充分利用 另外 从经济性的角度来看 对于传 输相同的功率 采用串联补偿装置的投资成本通常不到建造一条新输电线路投资的 1 0 咏 以美国西部电力局k a y e n t a 变电站为例 该工程于1 9 9 2 年竣工 经过多年运行实 践证明 k a y e n t a 变电站的串联补偿装置可以将g l c n c a n y o n 发电厂和s h i p r o c k 变电站之间 一条长约3 2 0 公里的单回2 3 0 k v 线路的传输能力提高约i o o m w 线路的传输容量从原有 的3 0 0 m w 提高至i 4 0 0 m w 使该线路的利用基本达到其热稳定极限 充分利用了线路的 传输能力 2 3 1 同时 其经济性也非常好 仅几年时间就可收回工程投资成本 我国于 1 9 9 6 年也开始了对可控串补技术的系统性研究 4 引 2 0 0 0 年开始研制可控串补装置 2 0 0 3 年甘肃成碧2 2 0 k v 可控串补工程被列为国家电网公司重点科技项目 2 0 0 4 年可控 串补技术被国家发展和改革委员会列为 十五 国家重大技术装备成套设备研制项目 7 5 0 k v 交流输变电成套设备及电网互联成套设备研制 的子课题 超高压输电系统串补 和可控串补装置研制 甘肃成碧可控串补 9 是我国自行设计 研制 安装和调试的第一 个可控串补工程 该工程使成碧线的输电能力提高了3 3 增幅达1 0 0 m w 比新架设第 二回线路节省投资l 亿元 取得了巨大的经济和社会效益 保护了环境 2 0 0 7 年l o 月 首套国产化5 0 0 千伏可控串补装置 伊冯5 0 0 千伏可控串补装置 4 j 顺利投运 该装置为 世界上补偿容量最大 运行工况最复杂的可控串补工程 伊冯可控串补的固定串补度为 2 5 全部可控 近年来 随着国内经济的高速发展和西部大开发的战略部署 西电东送和跨大区联 网战略开始逐步实施 随着天广 贵广 三广等多条直流线路的相继投运 南方电网在 2 0 0 5 年已经形成了 六交三直 的西电东送大通道 2 0 1 0 年 南方电网将会有天广 贵广 贵广 云广4 条直流通道向广东送电 届时 南方电网具有多条交流和多条直流并联所 形成的同步电网运行的格局 到2 0 2 0 年前后 在全国还有6 条直流输电线路从溪洛渡和 向家坝水电站向华东和华中送电 我国将成为世界上直流输电线路最多 直流输送容量 最大的国家 1 0 l 形成如此大规模交 直流电力系统 其运行的复杂性和难度在国际上是 首届一指的 系统的安全稳定就显得极为重要 在这样大规模的复杂系统的稳定与控制 问题的研究中 交 直流系统相互作用 相互协调方面还需要进行作大量的工作 其中 直流输电的控制系统与交流系统相配合时可能诱发的次同步振荡就是一类严重的系统 稳定性问题 综上所述 我国电力系统正处于电力事业发展的高峰期 大容量 远距离 跨区域 串补线路和高压直流输电线路在不断建设当中 t c s c 在电力系统中的应用也越来越多 东南大学硕士学位论文 因此 研究t c s c 对电力系统进行次同步振荡的相关影响便具有了重要的理论意义和实 用价值 1 2 可控串联补偿技术 传统的串联补偿是用来抵偿线路阻抗 既可用于调压 也用于提高系统运行的稳定 性 最终通过机械式投切或分接头转换的机械动作 实现各种控制手段的串联补偿 由 于固有机械式惯性限制了机械或控制的动作速度 而且机械式开关动作可靠性差 器件 寿命短 严重阻碍了在事故处理及系统稳定控制中的应用 并且传统的串联补偿可以提 高线路输电能力 但当补偿度过大时 可能激发产生一种低于工频的次同步谐振 s s r t l i l 因此串联补偿技术的应用受到了一定程度的限制 t c s c 作为f a c t s 家族中的 一员 是从常规机械式控制的串联电容补偿 s e r i 髓c a p a c i 妣s c 发展而来 由于其结构 相对比较简单 造价相对比较低廉 具备提高输电线传输能力及改善系统稳定的卓越性 能 正赢得越来越广泛的重视 1 2 1 与常规机械控制的串联电容补偿相比 t c s c 利用晶闸管控制串接在输电线路中的 电容器组 可大范围调节线路阻抗 并且可以快速进行连续平滑调节 能提高电力输送 能力 平息地区性振荡 提高系统的暂态稳定性 t c s c 在电力系统中具有重要作用有 1 快速 灵活控制潮流方向 改变潮流分布 减小系统损耗 改变互联系统的 功 率分布 2 大幅度提高输电线的传输功率极限 提高系统静态稳定和暂态稳定性 3 阻尼系统振荡 包括功率振荡 低频振荡 次同步振荡 轴系扭振等 提高 系统的运行稳定性 1 2 1t c s c 的工作原理和基本特性 1 t c s c 的结构 概念性的t c s c 模块通常由一个电容器与一个晶闸管控制的电抗器并联组成 如图 1 1 a 而实际的t c s c 模块一般还包括与串联电容器一起安装的保护设备 如图1 1 b 金属氧化物可变电阻器 m o v 实质上是一个非线性电阻器 跨接在串联电容器上 用以 防止电容器上发生高的过电压 m o v 不但能限制电容器上的电压而且能使电容器保持 接入状态 即使在故障情况下也是如此 从而有助于提高系统的暂态稳定性 同样跨接 在电容器上的还有一个断路器c b 用以控制电容器是否接入线路 另外 在发生严重 故障或设备工作不正常时 c b 就将电容器旁路 电路中还安装有一个限流电抗器l 用 以限制电容器旁路操作时电容器上电流的大小和频率 c l 二竺二 厂 一 一o l c 一 向r 1 v r 2v n a t c s c 的基本模块 b t c s c 的实际模块 图1 1t c s c 的结构 由t c s c 的结构可知 t c s c 就是在并联l c 电路的电感支路中串联了一对反向并联的 2 第一章绪论 可控晶闸管开关 通过改变晶闸管开关的触发角来改变流过电感支路的电流 其作用也 就相当于改变了l c 电路的等效电抗 因此 可以认为 t c s c 的等效电抗是通过晶闸管 开关的触发角而获得改变的 也即触发角决定了t c s c 的等效电抗的性质和大小 2 t c s c 的运行特性 t c s c 有以下三种基本的运行模式 如图1 2 所示 r n l一 一i a 阻断模式 n 扛i 一1 一谢一i 全导通模式 广 r n l一y i c 微调模式 图1 2t c s c 的工作方式等效图 a 晶闸管旁通模式 在这种旁通模式下 晶闸管被控制成全导通 导通角为1 8 0 0 即一旦晶闸管阀上 的电压过零并开始变正时 就加上触发脉冲 从而使晶闸管上流过连续的正弦电流 这 时 t c s c 模块的行为就像一个电容器与电感器的并联电路 然而 流过整个模块的净 电流是感性的 因为所选择的电抗器电纳要比电容器电纳大 该模式也被称为晶闸管投 切电抗器 t s r 模式 这种状态不能在稳态运行 只是被用来达到某些控制目的 例如 降低故障电流 或用来启动某些保护功能 b 晶闸管闭锁模式 这种模式也被称为等待模式 在这种模式下 晶闸管阀的触发脉冲被封闭 如果晶 闸管处于导通状态时下达闭锁指令 则当晶闸管电流过零时就立即关断 这样 t c s c 模块就退化为固定的串联电容器 并且t c s c 的净电抗是容性的 c 晶闸管部分导通即微调模式 3 东南大学硕士学位论文 这种模式下 t c s c 既可以呈现为连续可控的容性电抗 也可以呈现为连续可控的 感性电抗 这可以通过在适当范围内改变晶闸管对的触发角来实现 但是 从容性模式 平滑过渡到感性模式是不容许的 因为在两种模式之间存在一个谐振区 晶闸管部分导通模式下的一种情况是容性微调模式 在容性微调模式下 当电容器 电压和电容器电流极性相反时 晶闸管被触发 这使得t c r 电流的方向和电容器电流 的方向相反 从而导致t c s c 上存在一个循环电流 这个循环电流提高了固定电容器 f c 上的电压 对应同样的线路电流 其效果就是增大了等效的容性电抗并提高了串联 补偿度 晶闸管部分导通模式下的另一种情况是感性微调模式 此时 晶闸管具有较高的导 通程度 在这种模式下 循环电流的方向反向 t c s c 呈现为纯电感性的阻抗 t c s c 通过改变晶闸管t c r 触发角可以改变流过旁路电感的电流 从而改变t c s c 的电抗 来实现控制调节系统其他的物理量如电流 电压 有功 无功等目的 t c s c 的基波阻抗与晶闸管触发角的关系如公式 1 1 所示 耳一 笙一 2 p a n 2 星一 墼 k m a k p t a n 所 1 1 义c x z 石 爿c j 一1 万 其中 声是超前角 或者f l 1 8 0 0 一口 a 被定义为电容电压从负变正过零时刻开始计算 的正向晶闸管的触发角 k 鳞 功 1 国c 坼 五 例如 取c 2 1 9 7 7 心 l 0 0 0 8 h 在m a t l a b 中计算其基波阻抗特性 得到 的阻抗曲线如图1 3 所示 l 图1 3 t c s c 基波阻抗曲线 1 2 2t c s c 工程应用 在大量研究试验的基础上 t c s c 已经在国内外实际电力系统中得到了应用 目前 已经投入商业运营的工程有 1 1 9 9 1 年 瑞典a b b 公司对美国电力公司的k n a w h ar i v e r 串补站原有的b 相的固 定串补进行了改造 实现了可控串联补偿 要用于控制电容器的快速投切 这是世界上 第一台可控串联补偿器 这标志着可控串联补偿技术的工程实用阶段的开始 1 3 系统的 总串联补偿容量为7 8 8 m v 盯 该装置采用分段结构 共分三段 每段补偿度分别为1 0 2 0 3 0 通过组合投切控制可以实现线路电抗补偿度从1 0 到6 0 的分级串联补偿 控制 从而达到控制电网潮流的目的 2 1 9 9 2 年 由德国s i m e n z 公司设计制造了世界上第一台三相的t c s c 装置 安 4 第一章绪论 装在美国的k a v e 砌变电站 1 4 其主要功能是控制系统的潮流 消除次同步谐振和低频 振荡 降低系统的故障电流等 该装置补偿容性电抗为l l o q 总补偿度为7 2 整个 装置共分为两段 第一段为5 5 q 的f s c 第二段由4 0 df s c 和1 5 qt c s c 串联组成 每段 提供1 6 5 m v a r 的补偿容量 通过隔离开关 断路器和晶闸管的控制 可以实现o f l 4 0 f l 5 5 q 和l l o q 等多种补偿阻抗 安装t c s c 之后 该线路传输容量从过去的3 0 0 m w 提高到 现在的4 0 0 m w 3 1 9 9 3 年 美国g e 公司设计制造了三相全控式的t c s c 安装于s l a t t 变电站 1 5 1 其主要作用是提高春季高峰负荷时线路的输送能力 阻尼功率振荡 抑制次同步谐振等 该装置每相由6 个相同的t c s c 模块串联组成 每个模块包括一个电容 一个晶闸管开关 和一个串联的电抗器以及控制和保护单元 每个模块的串联电容器容抗为1 3 3 q 三相 电容器总容量为2 0 2 m v a r s l a t t 变电站的t c s c 能有效地提高从西北电网传输到西南电网 的容量和暂态稳定性 并能有效抑制b o a r d m a n 火电厂的次同步谐振 l6 l 4 2 0 0 3 年 我国南方电网在天广5 0 0 k v 输电工程的天平双回线平果变电站装设了 由s 卫m e n z 公司制造的t c s c 装置 1 7 1 8 1 其主要功能是抑制低频振荡和s s r 提高暂态稳 定性和传输容量 该装置每回线路的总补偿度是4 0 3 5 f c s 5 t c s c 总补偿容量 为2 x 4 0 0 m v a r 院 f s c 和可控 t c s c 部分容量分别为3 5 0 m v a r 和5 0 m v a r 这是我国投 运的第一个可控串装置 5 1 9 9 6 年 在国家电网公司和国家自然科学基金委员会的支持下 中国电力科 学研究院针对伊敏一冯屯5 0 0 k v 输电系统工程开展了广泛的工程应用研究 1 9 2 0 l 进行了 t c s c 关键技术的攻关 研制了t c s c 的样机 但由于电网结构的变化 最终没有装设 2 0 0 5 年 我国第一套国产化t c s c 装置由中国电力科学研究院研制成功 并装设在甘肃 省壁1 2 1 成县2 2 0 k v 的输电线路上 线路总补偿度蛩j 5 0 t 1 9 2 0 j 其主要功能是抑制低频振 荡和s s r 提高暂态稳定性和传输容量 改善电压质量 1 2 3t c s c 理论研究 t c s c 的数学模型是用来描述其静态和动态特性的信息集合 是分析和综合系统的 基本出发点 建立一个实用的 能详细反映t c s c 特性的数学模型 是t c s c 研究的重 要课题之一 2 1 1 按照描述的对象 t c s c 的模型可分为稳态模型与暂态模型 稳态模型 有准稳态模型 变阻抗模型等 它仅考虑其输入输出特性 不考虑系统内部非线性 对 电力系统的行为及潮流控制研究有帮助 而暂态模型分析系统的动态特性和行为 便于 暂态过程的仿真 包括时域微分方程模型 拓扑建模模型 动态相量模型等 准稳态模 型表达式简单 仅用一个惯性环节来描述t c s c 触发控制的延迟和自然响应 不考虑系 统内部拓扑结构 简化了t c s c 的动态特性 该模型在t c s c 控制器的设计中得到广泛 应用 但在处理暂态过程时缺乏精确性 文献 2 2 采用拉普拉斯变换分别推导出了瞬时 过渡阶段和稳态阶段的t c s c 回路中电容器 电抗器 晶闸管元件中的电压和电流数学 表达式 再利用f o u r i e r 分析导出了t c s c 的基波阻抗和晶闸管触发角之间的精确数学 关系 将t c s c 看作一个随晶闸管触发角变化而变化的阻抗 虽然该模型能较精确地计 算出t c s c 的阻抗 但仍然不能描述t c s c 的暂态特性 时域微分方程模型是通过电路 微分方程来描述t c s c 动态特性的模型 由于开关元件的存在 使得该模型具有非线性 因素 虽然它有较高的准确性 能够反映t c s c 动态特性 但是计算量大 求解过程耗 时较长 不利于保护和控制的设计 也不适合用于在大型电力系统中分析 拓扑建模模 型是根据电力电子装置的电路拓扑结构 分别列出基本电路方程 通过各个拓扑间的交 替求解 递归得到暂态全过程的数学解析表达式 文献 2 3 基于拓扑分析 把电路按晶 闸管开通和阻断分成两种拓扑电路 然后通过交替求解一个周期内的电路拓扑 得到一 5 东南大学硕士学位论文 个周期的变化规律 进而用递推的方法找到能描述t c s c 暂态全过程的数学解析表达式 通过该模型可了解可控串补的暂态特性和机理 并可为优化t c s c 的控制提供模型依 据 采样一数据模型是基于p o m c a r e 映射理论的小信号线性化模型 它建立在动力系统 几何理论之上 没有任何近似与假设 分析结果可靠 文献 2 4 建立了t c s c 采样一数 据模型 一致采样和峰值采样 根据当前时刻的触发角 电容电压 线路电流值 基 于p o m c a r e 映射进行线性化 在得到离散的模型后再进行连续化 得到了动态解析模型 这种模型将非线性系统对一周期信号的响应进行比较精确的线性化 能反映开关回路在 运行点附近扰动的动态特性 但模型的推导十分复杂 计算量大 而且与传统的基于相 量的电力系统分析方法兼容性不好 2 5 1 开关函数模型是一种根据电力电子装置的物理特 性和主电路拓扑结构 列出基本电路方程 并引入逻辑开关函数理论 通过求解电路约 束方程 从而求得描述装置性质或过程的模型 文献 2 6 应用逻辑开关函数理论并结合 等效电阻法进行了t c s c 的动态建模 首先根据晶闸管元件的导通和阻断特性 将晶闸 管元件等效为可变的动态等效电阻 将拓扑结构交替变化的两种电路耦合在一起 再利 用线性微分方程的经典求解法求出自由响应和强迫响应 导出t c s c 的开关函数模型 该模型可以精确描述t c s c 动态全过程 但是由于开关函数的存在使得表达式不够简 明 动态相量模型 基于频率分解的思想 利用傅里叶级数中极少量的系数来近似原始 波形 主要利用了傅里叶变换的微分性质和卷积性质 以动态相量系数为状态变量 获 得系统化的状态空间模型 该模型具有仿真速度快 精确度高的优点 且表达式简单 易推导 文献 2 5 引入动态相量法建立t c s c 的1 2 阶模型 而文献 2 7 考虑参与因子 对模型进行简化 得到2 阶动态向量模型 两者都能很好地反映t c s c 动态特性 该模 型兼有传统稳态模型和时域模型的优点 适合大型电力系统仿真 t c s c 的稳定控制效果取决于控制器的设计 控制器的设计一般按照三条思路 1 线性控制方式 基于特定的运行工况和运行点进行局部线性化 按照线性控 制理论进行设计 2 非线性控制方式 基于非线性控制理论设计非线性控制器 3 智能控制方式 可以直接用于t c s c 控制器的设计 也可以用于参数优化的 辅助设计 经典p i d 控制器是线性的独立于模型的控制规律之一 具有物理意义明确 适应 性强的特点 在长期的应用过程中形成了成熟的设计方法 所以在现代工业控制中仍然 被广泛采用 其控制原理为 用参考输入和被调量 系统输出 的误差及其微分 积分 的线性组合产生控制信号 文献 2 8 1 针对t c s c 系统在大干扰后的动态过程中不同阶段 的不同物理过程 将线性p i d 控制器进行改进 设计出具有暂态稳定控制回路和阻尼振 荡回路的常规t c s c 控制器 以进行暂态稳定控制和阻尼后续功率振荡 在短路故障期 间 暂态稳定控制回路动作使晶闸管全导通 以便将串联电容器旁路 短路故障切除后 t c s c 运行在最大等效容抗值上进行强补以提高系统的暂态稳定性 减小发电机间的相 对摇摆角 强补结束后利用线性p i d 控制器构成的阻尼振荡回路阻尼后续振荡 为了得 出能够指导工业设计的实用控制策略 文献 2 9 中通过构造能量函数确定了强补持续时 间 当加速功率d p 由正变负时表示发电机第一摇摆加速结束 以此作为退出强补的判 据 随着非线性控制理论的发展 非线性控制已经具备了较为完整的理论体系 非线性 控制策略通过精确线性化能保证系统的稳定性 考虑系统非线性情况时对多种运行条件 具有较强的适应性 因此在t c s c 控制器的设计中得到了较多的关注和研究 文献 3 0 基于微分几何理论设计了t c s c 的非线性控制器 文献 3 h 基于直接反馈线性化方法设计 了t c s c 的非线性控制器 并提出了一种确定系统等值参数的优化方法 文献 3 2 基于 逆系统方法设计了t c s c 的控制器 文献 3 3 1 用位能边界曲面方法导出了t c s c 的稳定 6 第一章绪论 控制策略 但是主要保证了系统的暂态稳定 对后续振荡的阻尼并不是最佳 文献 3 4 在文献 3 3 1 的基础上 应用经典模型下的单机无穷大母线 s i n g l e m a c h i n ei n f i n i t e b u s s m i b 系统 将暂态能量函数 t r a n s i e n te n e r g yf u n c t i o n t e f 作为系统稳定的指标 并通 过t e f 对时间的导数来求取t c s c 的控制策略 文献 3 5 1 从网络局部暂态势能的角度 通 过对系统故障扰动后的暂态能量在网络中分布特性的分析 以尽可能减小网络中关键支 路暂态能量的冲击为目标 提出了类似的b a n g b a n g 控制规律 文献 3 6 推导了两机系 统中装设t c s c 后相对于惯性中心坐标系的能量函数 提出多机系统中由于w 无法检测 因此可以用联络线潮流控制 文中最后提出 多机系统中主振荡模式和其对应的惯性中 心如何确定仍然需要在理论上进一步探讨 文献 3 7 利用无源系统并基于无源控制 p a s s i v i t y b a s e dc o n t r o l p b c 方法设计了装有t c s c 的系统在一类二次性能指标意义下 的非线性最优控制器 文献 3 8 基于直接反馈线性化和鲁棒控制理论设计了多机系统 t c s c 的多目标鲁棒控制器 另一类方法是在非线性系统模型上直接设计控制规律 例 如非线性变结构控制 3 9 1 自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统 自 适应控制器能够修正自己的特性以适应对象和扰动的动态变化 采用自适应控制技术能 够有效地解决模型不精确和模型变化所带来的鲁棒性问题删 但是由于它需要复杂的在 线计算和递推估计 因此只适合于一些渐变和实时性不高的过程 同时 由于跟踪误差 的解耦问题 其在多输出系统中的应用并没有一般性结论 这些都限制了它在电力系统 中的广泛应用 1 3 次同步振荡的研究现状 1 9 7 0 年和1 9 7 1 年 美国南加利福尼亚的m o h a v e 发电厂两次发生次同步谐振事故 导 致汽轮发电机大轴损坏 造成了重大损失 从而引发了一股世界范围内对次同步谐振研 究的热潮 国际电气电子工程师协会 i e e e 于1 9 7 3 年专门成立了一个次同步谐振专题组 s s rw o r k i n gg r o u p 最初是组织 协调有关s s r 研究工作的 而随着研究的深入s s r 专题组关心的内容已经拓展到扭振研究的多个方面 国际上关于h v d c 系统次同步振荡 问题的研究是在美s q u a r eb u t t e 直流工程是过后展开的 经过近3 0 年的研究 也已经取 得了一定的成果 期间最重要也是最有意义的研究工作当属1 9 8 2 年美国e p r i 发布的 h v d c 系统次同步振荡问题的系列报告 多年来 经过世界范围内无数学者和电力工作者对次同步振荡问题的大量研究和试 验 对引发次同步谐振的机理已经有了较为明确的认识 而在次同步振荡的分析方法和 抑制措施方面 也取得了突破性的进展 1 3 1 次同步振荡的定义 经过过去几十年大量的研究 对次同步振荡问题有一定的认识 文献 4 1 4 2 4 3 归 纳了几种次同步振荡 次同步振荡现象一般发生在具有串联电容补偿的电力系统中 或 高压交直流输电系统中 也可能由电力系统稳定器 p p s 和静止无功补偿装置的控制设 备等引起 有时也发生在发电机非同期并列或系统发生对称短路等大扰动后的暂态过 程 根据次同步振荡现象发生的不同 i e e e 次同步振荡工作组给出了次同步振荡的定 义 最开始定义为次同步谐振 是指具有串联电容补偿的电力系统中 电力系统的一种 不正常运行状态 在这种运行状态下 电气系统和汽轮发电机组以低于系统同步频率的 某个或多个振荡频率显著地交换能量 从而危害汽轮发电机轴系安全的动态过程 直到 1 9 7 7 年 美国的斯奎尔巴特 s q u a r eb u t t e 发电厂在系统中新建成的高压直流输电 7 东南大学硕士学位论文 加c 线路发现该发电厂汽轮发电机的轴系发生了扭振现象 这时 即使将附近的串 联补偿电容全部切除 轴系扭振的现象依然存在 为解释这一现象 进行深入的研究 之后提出了次同振荡的概念 比次同步谐振概念的范围要大一些 它在更广的范围内研 究机电耦合系统的相互作用 即汽轮发电机组和诸如p s s h v d c 以及f a c t s 装置等 电气设备之间的相互作用 4 3 1 1 3 2 次同步振荡类型及机理 目前的研究中对次同步谐振的原因和机理已经有了清晰的认识 可以从感应发电机 效应 机电扭振作用和暂态力矩放大作用三个不同的侧面来描述s s r 的机理 1 感应发电机效应 4 1 1 图1 4 s s r 分析用系统 图1 5 感应发电机效应 等值电路 同步电机经有串联补偿电容的线路接到无穷大系统 见图l 4 如果同步发电机参 数与电力系统包括串联补偿电容参数之间满足一定条件 如式1 2 那么同步旋转的发 电机就有可能引起自激 产生次同步谐振 s s r 现象 发电机相电流 相电压中均会产 生低于工频的次同步谐振分量 率 当串联补偿输电线系统满足 后为串补电容补偿度 l c 电路发生谐振的角频率为 也称次同步频率 1 i k o o l 一 c 二击 4 砜k 2 面 此谐振频率即系统l c 谐振频 1 2 1 3 为次同步频率 为工频 分析表明 对于次同步频率而言 发电机相当于一台异步发电机 如图1 5 腼 使谐振得以持续 这一效应通常称为 感应发电机效应 此时发电机的视在电阻为主 s 8 第一章绪论 其中r r 和s 为转子电阻和滑差 对于一台异步机 s 的定义为 j 一 叱 0 1 4 因为 所以s 0 可得到主 o 这说明对于s s r 的频率 同步电机相当 s 于一台异步发电机 从而可以向电网提供维持叱分量的能量 若此时能量大于回路电 阻消耗的能量就能使s s r 持续下去 2 机电扭振作用 4 l 4 2 1 含有串补电容的输电系统中发电机的 感应发电机效应 会引起电气系统持续的次 同步谐振 当电气谐振频率和发电机的轴系的自然扭振频率互补 即两个频率之和等于 工频 时 还可能发生由于发电机轴系和电网络间的相互作用而引起轴系扭振不稳定 造成轴的破坏 通常称为 机电扭振作用 发生异步自激时 发电机定子与电力系统中除仍存在工频电源产生的三相工频电流 轨外 还将出现上述参数谐振引起的频率为磊的三相自激电流拓 并对应地在发电 机气隙中产生频率为磊与扁的两个旋转磁场 这两个之间相互作用就将产生频率为 7 广磊 的交变旋转磁场 频率为了 瓜的转子励磁磁场与同步旋转磁场无相对运动 二者 构成一个整体完成汽轮发电机组由机械能向电磁能的变换和传递 频率为 触内的交变 旋转磁场实际上也就反映了转子励磁磁场与定子磁场忍之间的相互作用 从而使发电 机轴系产生扭转振动 当其频率蕊幔 与轴系某一机械固有扭振频率 磊相同或接近时 或者说此交变旋转磁场落在多缸汽轮发电机分段轴的固有扭振频率范围内时 考虑到轴 系机械阻尼较小 则上述电气谐振与机械扭振就可能变得相互 合拍 相互 激励 从 而给机组轴系的安全运行造成严重的威胁 产生机电扭振作用的条件 1 有很强的电气复阻尼即见 0 时 强于机械阻尼时可使扭振得以持续及增幅 易发生机电扭振相互作用引起的扭振不稳定 2 机电扭振不稳定的另一个条件是 扇t 彦氟 即电气谐振频率和机械固有扭振频 率互补 3 暂态力矩放大作用 4 l 4 2 电力系统在发生故障 进行重合闸及非同期合闸时 会出现严重的过渡过程 发电 机的暂态电量中可能会含有频率和自然扭振频率互补的分量 若系统在此频率下的电气 阻尼很小 则轴系可能在相应的电磁力矩作用下产生较大幅度的振荡 此时 即使跳开 发电机出口开关 轴系仍然在弱阻尼下作缓慢衰减的扭振 而造成疲劳损伤 影响轴系 的寿命 这一作用称为 暂态力矩放大 作用 1 3 3 次同步振荡问题的分析方法 1 频率扫描分析法 频率扫描分析法是一种近似的线性方法 利用该方法可以筛选出具有潜在s s o 问题 的系统条件 同时可以确认不对s s o l 1 题起作用的系统部分 4 1 4 2 频率扫描分析法的具 体做法为 需要研究的相关系统用正序网来模拟 除待研究的发电机之外的网络中的其 它发电机用次暂态电抗等值电路来模拟 待研究的发电机用图1 5 中的虚线左侧部分来 9 东南大学硕士学位论文 模拟 其中的电阻和电感随频率而变化 频率扫描法针对某一特定的频率 计算从待研 究的发电机转子后向系统侧看进去的等效阻抗 通常称该等值阻抗为s s o 等值阻抗 频 率扫描法计算的结果可以得到两条曲线 一条是s s o 等值阻抗的实部 s s o 等值电阻 随频率而变化的曲线 另一条是s s o 等值阻抗的虚部 s s o 等值电抗 随频率而变化的 曲线 根据这两条曲线 可对次同步谐振的三个方面问题 即异步发电机效应 机电扭 振互作用和暂态力矩放大 作出初步的估计 s s o 的分析通常从频率扫描开始 因为它是一种最简便而有效的方法 利用频率扫 描程序分析多种系统结构和多种串联补偿度的s s o 问题所需要的成本比采用其它模型 要低得多 但该方法存在以下缺点 因为其理论基础是线性系统的叠加原理 因此如果 系统中含有h v d c 换流装置或f a c t s 设备等非线性元件时 该方法就将不再适用 同时 该方法没能考虑到运行工况以及控制器动态对s s o 的影响 难以用于分析机电扭振作用 引起的轴系扭振问题 而作为s s o 问题分析中的重要元件 同步发电机的模型被简化 因此会影响最终的分析精度 2 机组作用系数法