CN101449444B - 适于阻尼亚同步谐振的晶闸管控制串联电容器 - Google Patents
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Abstract
一种对连接至电力传输线(12)的晶闸管控制串联电容器装置进行控制的设备(17)，该控制设备包括：晶闸管起动控制(18)，该晶闸管起动控制包括响应于命令信号、用于依赖于线电流和电容器电压来实现期望的电容器电压零交叉的装置；以及命令控制(19)，用于对晶闸管起动控制提供命令信号。该命令控制包括阻尼控制(24)，该阻尼控制包括用于在至少一个离散频率处提供阻尼的装置。
Description
技术领域
本发明涉及电气电力系统的振荡的控制。本发明尤其涉及利用晶闸管控制串联电容器(thyristor controlled series connected capacitors，TCSC)的这种控制。电气电力系统包括合作的电气电路和机械回路(mechanical circuit)。机械回路包括由轴彼此连接的发电机和涡轮。特别地，本发明涉及这种电力系统中的亚同步谐振(SSR)的阻尼。
背景技术
作为相互连接的弱阻尼的结果，特别是在强电力传送期间，在发电区和负载区之间的通道(corridor)中可能出现电力传输系统中有功功率的振荡。这种振荡是由如线路故障或发电机输出或负载的突然变化等一些原因激发的。
由TCSC提供的控制是“阻抗”型控制。所插入的电压与线电流成比例。这类控制通常最适于在电力流通道中的应用，其中在传输线的末端之间存在精确定义的相位角差以被补偿和控制。
TCSC的重要益处是对补偿度的快速控制的能力。这使得TCSC作为用于改进网络的事故后行为(post-contingency behavior)的工具非常有用处。借助TCSC的这一性质使串联电容器的补偿度在网络事故后暂时增加。因此，在需要时对网络(电压和角度)精确地增加了动态稳定性。此外，TCSC的升压的有源调制(取决于一些本地测量的性质，例如有功功率)用于在相互连接的传输系统中提供机电振荡(0.1～2Hz)的阻尼。凭借这一特征，串联电容器可以为稳态条件而额定得更低，从而保持低成本。
在TCSC中，整个电容器组、或者可选择地，电容器组的部分设有使电流脉冲流通的并联的晶闸管控制电感器，该电流脉冲与线电流同相增加。从而使电容性电压升压至超过由线电流单独获得的电平。各晶闸管每一周期被触发一次，并具有比额定主频的半周期更短的传导间隔。通过控制使附加电压与线电流成比例，使得由传输系统看来，TCSC具有超过电容器的物理电抗的虚拟增加的电抗。
TCSC在关心亚同步谐振(SSR)的风险的网络中提供应用串联补偿的唯一可能性。当被补偿线路的互补串联谐振频率与涡轮发电机轴的阻尼较差的扭转振动频率一致时，可能出现SSR。产生的交互作用可以表现出非常低或者甚至负的阻尼。这会在涡轮发电机轴系统中造成振幅很高的扭转振荡。这种振荡在轴中引起很高的机械应力。TCSC的作用是：通过使串联电容器在亚同步频带中表现为电感性的，来消除谐振频率一致的风险。从而对于整个亚同步频率，使得不可能在传输系统中出现串联谐振。因此插入TCSC可以减轻由于关心SSR而造成的对补偿度的限制。从而传输系统的传送能力增加。
TCSC的控制系统必须考虑到一些需求，这些需求各自受控制系统在某些时间范围中响应的影响：
●SSR行为，该SSR行为受到TCSC对小于10ms以内(频率范围10～50Hz)的线电流变化的响应所影响，
●在电力频率处的插入的电抗控制，该电抗控制受到TCSC对50～100ms期间的线电流振幅变化的响应所影响，以及
●电力系统控制，例如，将阻尼加入机电电力摇摆，该控制受到TCSC在几个周期即100～5000ms(频率范围0.1～2Hz)期间的响应所影响。
一种自然的做法可以是将控制系统作为分层的控制结构来实施，其中各层以某一时间水平线而行动、并且其中“记忆”最短的层最靠近TCSC。这种做法的主要优点是可以分别处理不同的控制对象。
先前从US 5,801,459已知一种用于连接至电气电力线的串联电容器的方法和控制设备。控制设备的目的是提供简单的、并且原理上无损耗的设备，该设备独立于操作条件的改变而有效地对亚同步谐振进行衰减。在该已知设备中，以这种方式来控制晶闸管阀门，即：在可能发生SSR振荡的整个范围内的串联电容器设备的视在阻抗(apparent impedance)变为电感性的而不是电容性的。
该已知设备控制半导体阀门，使得当线电流包含亚同步成分时，电容器电压过零点在处理期间保持等距。串联电容器设备在SSR感兴趣的整个频率范围内对称地表现出电感性。该电感性独立于电容器的控制状态、独立于电力线或电力网络的特性、并且独立于电力线中电流的基本成分的幅度，而实现。
电容器装置和包含晶闸管开关电抗器的并联路径形成TCSC。控制设备包括起动电路(firing circuit)，该电路依命令信号而将起动脉冲发送至晶闸管阀门。基于电容器电压和线电流的测量瞬时值，该电路对晶闸管阀门的起动和电容器电压的过零点之间、因晶闸管电感电容电路的有限反转时间而产生的变动延迟进行补偿。补偿起动电路将起动脉冲递送至晶闸管阀门。控制设备还包括升压控制器，该升压控制器通过将命令次序发送至起动电路，来实现期望的升压电平。
尽管根据US 5,801,459的控制设备在SSR很可能出现的广泛的频率范围中有效地减少了负阻尼，但它仍然依赖于系统中正机械阻尼的存在。在实际系统中，尽管阻尼系数很小，但机械阻尼总是存在并且为正。主要的障碍是，很难确定机械阻尼的确定值。一些值可以通过在已安装的发电机上进行的测量来获得。然而，不可能在设计阶段期间得到有保证的计算值。因此，必须基于从以往经验获得的假定的机械阻尼值来估计SSR的潜在风险。
发明内容
本发明的主要目的是寻找一种方式来改进对电力网络的控制，以减轻可能危害机械或电气设备的亚同步谐振(SSR)的出现。
根据本发明，该目的是通过特征如独立权利要求1中的特征的控制设备或特征为具有独立权利要求8中的步骤的方法来实现的。在从属权利要求中描述了优选实施例。
根据本发明的一方面，本发明提供了一种对连接至电力传输线的晶闸管控制串联电容器装置进行控制的设备，该控制设备包括：晶闸管起动控制，该晶闸管起动控制包括响应于命令信号、用于依赖于线电流和电容器电压来实现期望的电容器电压过零点的装置；以及命令控制，用于对该晶闸管起动控制提供命令信号，其特征在于，该命令控制包括升压控制、锁相环和阻尼控制，该阻尼控制包括用于在至少一个离散频率处提供阻尼的装置，其中起动控制的带宽比升压控制和锁相环的带宽高。此外，在没有离散频率的情况下，该命令控制实现等距电容器电压过零点。
根据本发明的另一方面，一种用于提供在电力传输线上存在的离散频率振荡的正阻尼的方法，该电力传输线包括带有晶闸管起动控制的晶闸管控制串联电容器装置，所述方法的特征在于，提供代表在电力传输线上存在的振荡的信号，对信号进行滤波，对离散频率的存在进行感测，对信号进行相移，并将在对该信号进行相移后得到的命令信号发送至晶闸管起动控制，以实现阻尼效果。
根据本发明，对TCSC进行控制以在离散频率周围的窄带中产生电力调制的正阻尼。提前选择离散频率且该离散频率代表机械系统的扭转振荡的自然频率。于是当该离散调制频率出现在传输线上时，对TCSC进行控制以在离散频率周围的窄带中增加阻尼。因此，通过保证来自电气网络的正阻尼，从而电力系统不依赖于机械系统的正阻尼。
选择的离散频率是对系统的振荡行为进行计算所得的自然频率。离散频率还可从在传输线上所感测的自然频率中选择。因而阻尼控制可由视在情形(apparent situation)来定义，而不必在发电场的建立前定义。在本发明的实施例中，对多个离散频率设置阻尼。
在本发明的实施例中，是由作用于在传输线中测量的有功功率的带通滤波器来感测离散频率的出现。在感测到表示这种频率存在的信号时，对信号进行增益并使该信号进行相移，并将该信号提供给用于TCSC的控制设备的起动电路，从而在所感测的离散频率周围的小范围中进行正阻尼。
在本发明的另一实施例中，用于TCSC的控制设备包括阻尼控制器和起动电路。阻尼控制器接收离散频率的出现的信息并向起动电路提供控制信号，该控制信号在离散频率周围的窄带中提供阻尼。在一实施例中，阻尼控制从电力线上的本地测量接收反馈信息，以控制到起动电路的输出信号。
在本发明的又一实施例中，控制设备包括升压控制器和锁相环(PLL)。在本实施例中，来自升压控制的信号和来自阻尼控制的信号被合并起来并被提供给起动电路。在再一实施例中，阻尼信号可以与来自PLL的信号合并起来。由于利用带有起动控制的TCSC而使电气阻尼接近于零线，因而需要相当小的附加反馈控制以使得电气阻尼明确为正，从而消除了对机械阻尼的依赖。
理想的阻尼系统取发电机的速度改变作为输入并对产生成比例的制动转矩改变的使动器进行控制。然而，通常将发电机安置得远离串行电容器装置，而且提供带有足够小的延迟的安全信号传输是困难而且昂贵的。于是，利用与发电机速度改变尽可能紧密相关的本地信号是有利的。
电力系统的拓扑决定了实施这种附加反馈阻尼的难易程度。径向系统由于其拓扑而最易于经历SSR问题，也最容易在其中实施可靠的附加阻尼。
径向传输系统中的总功率流反映出发电机相对于其余电力系统的相位角。只要当发电机相位相对于其余网络的相位超前时，则总功率高，而当相位滞后时总功率低。因此，从在串联电容器装置的通道中的总有功功率流的本地测量中提取发电机相位的改变。像本地频率等其它量也用于得出关于实际发电机相位或速度偏离的信息。
从测量的量而创建适当的控制信号，以产生对电气阻尼的正的贡献的方式将该控制信号加至TCSC控制。发电场中轴系统中的临界机械频率通常是已知的，于是使加入的信号成形，以在所选的已知频率下提供阻尼。
根据本发明的阻尼系统包含TCSC控制系统，其中晶闸管起动控制根据用于准确地确定起动晶闸管的准确时刻的算法，并包含附加反馈阻尼系统，该反馈阻尼系统取本地测量的信号作为输入并提供输出信号，该输出信号被用作对起动控制的输入信号。于是将阻尼信号加至升压控制输出信号或PLL信号。
在本发明的第一方面，其目的是由连接至电力传输线的晶闸管控制串联电容器装置的控制设备来实现的，该控制设备包括：晶闸管起动控制，该晶闸管起动控制响应于命令信号、用于依赖于线电流和电容器电压来实现对晶闸管阀门的起动脉冲，以在所期望的时刻造成阀门切换；响应于外部相位基准信号的命令控制，用于实现对晶闸管起动控制的命令脉冲，其中该命令控制包括响应于传输线上离散频率的存在的阻尼控制，用于实现对晶闸管起动控制的命令信号，以在离散频率周围的频率范围处实现网络的正阻尼。在本发明的一个实施例中，命令控制包括升压控制和锁相环。
在本发明的第二方面，其目的是通过用于提供在电力传输线上存在的离散频率振荡的正阻尼的方法来实现的，电力传输线包括带有晶闸管起动控制的晶闸管控制串联电容器装置，该方法包括：提供代表在电力传输线上存在的振荡的信号，对信号进行滤波，对离散频率的存在进行感测，对信号进行相移，并将命令信号发送至晶闸管起动控制、以实现阻尼效果。
附图说明
从下面结合附图所做的详细说明，本领域的技术人员将对本发明的特征和优点更加清楚，在附图中：
图1是连接至电气系统的机械系统的原理布局；
图2是根据本发明的控制设备的原理电路；
图3是示出了控制设备的效果的图；
图4是根据本发明的控制设备的一个实施例；以及
图5是控制设备的又一实施例。
具体实施方式
图1图示了连接至电气系统2的机械系统1。机械系统包括涡轮3和以轴6而连接至涡轮的发电机5的转子部4。电气系统包括发电机的定子部7和连接至发电机的网络8。机械轴系统的特征在于从施加的转矩偏离到轴速度偏离的小信号传送功能(“涡轮和轴系统”)。电气系统可以由方框“发电机和传输系统(Generator & el transm system)”来表示，该电气系统具有从施加的速度偏离到电气转矩偏离的传送功能。这两个传送功能以级联方式连接。反馈系统的稳定性由电气系统中的特性所决定。
当以频率fmech来调制发电机的轴速度时，其相对于其余电气网络的相位将随该频率变化。于是与网络交换的有功功率随频率fmech波动。相位调制在传输系统中引入了亚同步和超同步电流。这些电流分别具有fgem-fmech和fgen+fmech的频率。当fmech较小时，亚同步频率fgen-fmech接近fgen，于是由于补偿度少于100％，从而网络阻抗是电感性的。于是电气转矩变化反作用于速度调制。然而，当调制频率fmech增加时，亚同步频率fgen-fmech减小。如果线路以无源电容器组来串联补偿，则网络阻抗在某一频率处变为电容性的，于是由亚同步电流代替创建的机电转矩对轴速度调制进行放大，使得振荡振幅增大。
在图2中说明了根据本发明的晶闸管控制串联电容器(TCSC)装置。电容器装置11在电气电力传输线12上串联连接。与电容器装置并联的第二路径包括电感器装置13和晶闸管开关14。晶闸管开关包括布置在反并联路径中的第一晶闸管装置15和第二晶闸管装置16。TCSC进一步包括控制设备17，该控制设备17布置为响应于期望的操作而实现对晶闸管开关的控制。
控制设备包括起动控制18和命令控制19。控制设备进一步包括布置为测量电容器电压的电压感测装置20以及电流感测装置21。另一电压感测装置25被布置为测量线电压。电压感测装置可以包括例如带有光学信号传输的变压器或分压器。起动控制包括计算机装置，以响应于命令信号和电容器电压来计算起动晶闸管的准确时刻，以在命令所期望的时刻实现电容器电压的过零点。
命令控制包括升压控制22和用于对命令控制提供等距(equidistant)命令脉冲的锁相环(PLL)装置23。命令控制进一步包括阻尼控制24。阻尼控制响应于线电流和线电压计算阻尼信号。阻尼控制包括滤波装置以从本地测量中检测离散频率。因此阻尼控制对包括传输线上的线电流和电压信号的组合(例如有功功率)的信号进行操作。阻尼装置还包括用于实现到起动控制的命令信号的计算机装置，以便在离散频率周围的窄带中产生电网络的正阻尼。离散频率是从机械系统的自然频率之一中选择的频率。通过在这种离散频率周围的频带处提供正阻尼以进行衰减，从而确保激励的自然频率。
一般地，电气子系统的阻尼状况可由这样的曲线来表示其特征，即：该曲线表示与电气转矩的速度调制同相的成分与速度调制本身之间的关系。在图3中绘出了径向传输网络中的特定发电机的这种曲线。虚曲线表示在从15Hz到大约30Hz的广泛频率范围中的负电气阻尼，该负电气阻尼是仅使用固定电容器组由用于串联补偿的电气阻尼而产生的。这些特征使得如果发电机轴系统在该范围内具有任何重大摇摆模式，则不可能利用具有给定程度的补偿的串联补偿。
TCSC中电感的电抗比电容器组的电抗小得多；通常，该比率是从5倍到15倍的范围。在网络频率的各个半周期期间，TCSC是相位-角控制的，并且短路电流脉冲通过晶闸管分支。TCSC具有与固定串联电容器截然不同的对亚同步线电流的响应。在低频处，TCSC的视在阻抗趋近于零，而固定串联电容器的阻抗则趋近于负无穷大。实验已经表明：TCSC的晶闸管控制的部分的视在阻抗在从约10Hz到大致30～45Hz(50Hz系统)或40～55Hz(60Hz)的整个亚同步谐振频率范围中可以保持为电感性的。当所安装的固定串联电容器的部分被TCSC所替代时，电气阻尼曲线被修正为如图3中的虚线所示。
图3还用黑线示出了在13.8Hz和24.5Hz的机械频率处增加根据本发明的附加阻尼这一情况下的电气阻尼曲线。在本示例中，在低频处的有源阻尼的带宽被选择得比较高频率处的更窄。
图4示出在大型电力传输通道中具有多条并联的线的径向系统。涡轮3和发电机7连接至第一传输线12a和第二传输线12b。这两条传输线都包括根据本发明的TCSC。阻尼控制24感测来自第一和第二传输线的本地信号p(t)。该信号被第一带通滤波器26和第二带通滤波器28滤波。将这些滤波器调谐为检测所期望的离散频率。在出现来自第一滤波器的信号时，第一增益控制器27对该信号进行相移。在出现来自第二滤波器的信号时，第二增益控制器29对该信号进行相移。将这两个信号相加起来，再发送至起动控制。
另一可选择的示例使用在TCSC地点(site)处测量的电压和电流。从该地点到靠近发电机的节点的线阻抗是已知的，因此可以估计该节点处的电压向量。该电压向量的速度(频率)反映发电机的机械速度。因而它可以用作用于附加阻尼系统的输入信号。图5示出了这一系统。
在图5中示出了阻尼控制的第二实施例。该第二实施例具有与图4的实施例相同的原理结构，并使用相同的指示标号。然而在本实施例中，由滤波器感测的信号已经由两条传输线上的电流测量和电压测量两者进行估计。估算装置31响应于从传输线获得的信息而将信号递送至频率测量装置30。第一滤波器26和第二滤波器28被布置为由从测量装置30供给的信号来检测第一和第二离散频率的存在。
尽管是优选的，但本发明的范围不应由所呈现的实施例来限制，而是还包括对于本领域的技术人员显而易见的实施例。例如，滤波器装置可以包括多个滤波器，各个滤波器被设计为检测多个期望的离散频率中的至少一个的存在。
Claims (8)
1.一种对连接至电力传输线(12)的晶闸管控制串联电容器装置进行控制的设备(17)，所述控制设备包括：
晶闸管起动控制(18)，该晶闸管起动控制(18)包括响应于命令信号、用于依赖于线电流和电容器电压来实现期望的电容器电压过零点的装置，以及
命令控制(19)，用于对所述晶闸管起动控制提供命令信号，
其特征在于，所述命令控制包括升压控制(22)、锁相环(23)和阻尼控制(24)，该阻尼控制(24)包括用于在至少一个离散频率处提供阻尼的装置，其中所述起动控制(18)的带宽比所述升压控制(22)和所述锁相环(23)的带宽高。
2.根据权利要求1所述的设备，其中在没有离散频率的情况下，所述命令控制实现等距电容器电压过零点。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述阻尼控制(24)包括滤波器装置(26)。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述阻尼控制包括放大和相移装置(27)。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述阻尼控制包括放大和相移装置(27)。
6.根据权利要求1、2或5所述的设备，其中所述阻尼控制包括频率测量装置(30)和估算装置(31)。
7.根据权利要求3所述的设备，其中所述阻尼控制包括频率测量装置(30)和估算装置(31)。
8.根据权利要求4所述的设备，其中所述阻尼控制包括频率测量装置(30)和估算装置(31)。
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