CN101834447B - 一种基于晶闸管控制电抗器抑制次同步振荡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于晶闸管控制电抗器(TCR)的次同步振荡(SSR)抑制方法，通过时域频率扫描法测量出TCR触发角α和发电机电气转矩T_e的相位关系，基于相位补偿原理，利用多个模式控制通道，对发电机组转速信号各扭振模式分量分别进行滤波、放大和相位补偿，使TCR能够在发电机组各危险扭振模式附近都能提供正的电气阻尼，从而达到抑制次同步谐振的目的。本发明方法具有物理概念明确、工程实现方便的优势。

Description

一种基于晶闸管控制电抗器抑制次同步振荡的方法

技术领域

本发明提出一种使用晶闸管控制电抗器(TCR)来抑制电力系统次同步振荡的方法，属于抑制电力系统次同步振荡产生的创新技术。

背景技术

交流输电线路采用串联电容补偿，可以大大提高交流线路的输送能力，具有巨大的经济效益。近年来，以内蒙古伊敏电厂、托克托电厂、上都电厂和陕西锦界电厂为代表的大型煤电基地都采用了交流线路加串联电容补偿的输电方式。但交流线路加串联电容补偿的输电方式，可能会引起发电机组的次同步谐振(SSR)问题，成为电网安全运行的一大威胁。

为了抑制SSR，人们提出了多种解决方案。而采用柔性交流输电(FACTS)装置来抑制SSR近年来得到了更多的关注，并已在实际工程中得到应用。其中晶闸管控制电抗器(TCR)，由2个反相并联的晶闸管与1个电抗器相串联组成，并联在被保护的发电机机端母线上。通过对晶闸管的控制可以改变TCR输出电纳B_pu，其与触发角的关系满足

利用此公式可将电纳信号转化为相应的触发角信号α，送到触发环节中，产生相应的触发脉冲，实现对TCR电流的调制。

迄今为止，已有大量文献对TCR抑制SSR的原理及其控制策略进行了研究。如比例型控制、包含电压控制回路的比例型控制、模式控制、PID控制、SIMO控制、最优控制和基于神经网络控制等。这些控制策略中有2个问题没有得到很好解决。第1个问题是控制策略的物理意义不明确，工程实施存在一定难度。第2个问题是控制器设计大多基于TCR的基波稳态模型，而此模型在次同步频率范围内并不适用，因而这种控制器设计方法在理论上存在缺陷。

发明内容

本发明提出一种基于晶闸管控制电抗器(TCR)的抑制电力系统次同步谐振的方法。通过对TCR触发角的附加控制，来提高电力系统的阻尼，从而抑制电力系统次同步振荡的产生。

一种基于晶闸管控制电抗器的抑制电力系统次同步振荡的方法，以发电机转速偏差信号作为晶闸管控制电抗器附加控制器的输入信号，通过对该输入信号进行放大和相位补偿得到附加控制信号，通过该附加控制信号将晶闸管控制电抗器(TCR)中的无功电流调制成与发电机转速偏差反相，从而达到抑制次同步振荡的目的，其基本原理图如图1所示。所述附加控制信号的生成包括如下步骤，具体如图2所示：

(1)采集电力系统中发电机(本发明中若无特殊说明，所述的发电机均指需要通过本发明方法保护的那台发电机)的转速差信号Δω，转速差信号是指发电机的实际转速与额定转速的差值；

(2)对转速差信号Δω进行滤波处理，得到发电机轴系的各扭振频率信号；进行滤波处理时，可以利用多通道低相移带通滤波器对转速差信号Δω进行滤波，其中带通滤波器通带中心频率调谐为发电机轴系各扭振频率，通过滤波得到多路信号，而每一路信号分别对应发电机轴系各扭振频率；

(3)对滤波得到的多路信号分别进行放大和相位补偿后，进行叠加得到附加控制信号。

实际应用中，通过多个超前滞后环节分别对经过放大的各路信号进行相位补偿，可以实现较大角度的相位补偿。

所述的超前滞后环节的传递函数可以表示为的形式，其中：

T_a、T_b为超前滞后环节的时间常数，

n＝T_b/T_a＝(1-sinφ)/(1+sinφ)

$T_a=1/\left({\mathrm{\ω}}_x\sqrt{n}\right)$

T_b＝nT_a

ω_x为所选择的相位补偿频率，即发电机的轴系扭振频率；

φ为ω_x所对应的需要补偿的滞后相角。

在确定需要补偿的滞后相角φ时，参见式(1)

$D_e=\mathrm{Re}\left(\frac{{\mathrm{\ΔT}}_e}{\mathrm{\Δ\ω}}\right)---\left(1\right)$

式(1)中ΔT_e为发电机的转矩偏差、Δω为发电机的转速差信号、D_e为电力系统的电气阻尼；

由式(1)可以得出，当ΔT_e和Δω之间的相角差在-90°到+90°时，电力系统的电气阻尼D_e将为正。当ΔT_e和Δω同相时，系统能够提供最大的电气阻尼。需要使ΔT_e与Δω尽量同相，从而为抑制SSR提供最大的电气阻尼。

为了得到确定的需要补偿的滞后相角φ，可以利用时域频率扫描法求得TCR触发角增量Δα到发电机电磁转矩增量ΔT_e间传递函数G(s)的相位特性，在使得发电机转速增量Δω到发电机电磁转矩增量ΔT_e间相位特性在±90°之内的原则下确定需要补偿的滞后相角φ，使得TCR在发电机组扭振频率处能够提供合适大小的电气阻尼。

具体步骤为：

(1)时域仿真时，在TCR触发角上施加一串包含10Hz～55Hz，频率间隔为0.2Hz次同步频率的小扰动信号：

式中，λ为常数，且小于1；α_λ、

分别是频率为λω₀的扰动信号的幅值和初相位。

(2)施加小扰动信号后，一直到电力系统再次进入稳态，截取一个公共周期上的发电机电磁转矩T_e和TCR触发角α。

(3)将上述2个量(发电机电磁转矩T_e和TCR触发角α)进行Fourier分解，求得TCR触发角增量Δα_m到发电机电磁转矩增量ΔT_e间传递函数G(s)的相位特性。

(4)然后针对发电机的每个扭振模式确定需要补偿的滞后相角φ，使得发电机转速增量Δω到发电机电磁转矩增量ΔT_e间相位特性在±90°之内。

本发明方法通过对晶闸管控制电抗器触发信号的附加控制，使TCR能够在发电机组各扭振模式附近都能提供正的电气阻尼，从而达到抑制次同步谐振的目的。本发明有物理概念明确、数学论证严格、工程实现方便的优势，并对一般性的SSR阻尼控制器具有普遍的适用性。

附图说明

图1TCR抑制SSR的基本原理图；

图2采用本发明方法的多通道阻尼控制器示意图；

图3TCR位于高压侧时的系统结构图；

图4传递函数G(s)的相位特性；

图5采用本发明方法时系统电气阻尼转矩。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细描述本发明的具体实施方式，但本发明不受所述具体实施例所限。

采用测试系统如图3所示，机械系统轴系由6个质量块构成，依次为高压缸(HP)、中压缸(IP)、低压缸A(LA)、低压缸B(LB)、发电机(GEN)和励磁机(EXC)，包含5个扭振模式，模式1至5的扭振频率依次为15.71Hz、20.21Hz、25.55Hz、32.28Hz和47.45Hz。TCR布置在升压变压器的高压侧，TCR采用三角形连接，容量为发电机容量的10％，基准触发角α₀＝135°。TCR的连接变压器为Δ/Y接法，539kV/35kV，额定容量为100MVA。本测试模型中串补度为60％。

首先在TCR基准触发角上施加一串包含10Hz～55Hz，频率间隔为0.2Hz次同步频率的小扰动信号；施加小扰动信号后，一直到测试系统再次进入稳态，截取一个公共周期上的发电机电磁转矩T_e和TCR触发角α。对得到的T_e和α进行Fourier分解，求得TCR触发角增量Δα_m到发电机电磁转矩增量ΔT_e间传递函数G(s)的相位特性，如图4所示。

然后根据发电机轴系所有扭振频率，以它们为带通滤波器的中心频率，设计多通道阻尼控制器，滤波器通带带宽取为0.1Hz以满足由测量和计算误差带来的扭振频率的偏移。带通滤波器的传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{s({\mathrm{As}}^2+\mathrm{Bs}+C)}{s^4+{\mathrm{Ds}}^3+E{s}^2+\mathrm{Fs}+G}$

s为拉普拉斯算子，本例中各模式带通滤波器系数见表1。

表1低相移带通滤波器系数

再针对每个扭振模式设计合理的相位补偿环节

来补偿G(s)的相位滞后，使得发电机转速增量Δω到发电机电磁转矩增量ΔT_e尽量同相。补偿环节的时间常数通过下式来确定。

n＝T_b/T_a＝(1-sinφ)/(1+sinφ)

$T_a=1/\left({\mathrm{\ω}}_x\sqrt{n}\right)$

T_b＝nT_a

式中，ω_x为所选择的相位补偿频率，φ为ω_x所对应的需要补偿的滞后相角，T_a、T_b为补偿环节的时间常数；s为拉普拉斯算子。当需要补偿的角度较大时，可以通过多个超前滞后环节的级联的

形式来实现。

计算得到各模式频率处分别补偿的相位、补偿环节参和放大环节的参数如表2所示。

表2移相补偿环节参数

确定好TCR附加控制器的参数后，采集本测试系统中发电机的转速差信号Δω，利用多通道带通滤波器对转速差信号Δω进行滤波处理，得到发电机轴系的各扭振频率信号；对各扭振频率信号分别进行放大和相位补偿后，进行叠加得到附加控制信号。附加控制信号与TCR基准触发角叠加后，对TCR进行触发控制，为电力系统提供正的电气阻尼以抑制次同步振荡。

进行效果评价时，可利用时域频率扫描法测量系统的电气阻尼，验证本发明方法的有效性，当所得的电气阻尼在发电机各扭振频率处都为正值时，则说明本发明方法能够抑制电力系统发生次同步振荡。

测量系统电气阻尼的具体步骤包括：

(1)对确定的运行工作点，待系统进入稳态运行后，在发电机的转子上施加一串频率成整数倍的小值脉动转矩：

式中，λ＜1，T_λ、分别是频率为λω₀的脉动转矩的幅值和初相位。要求T_λ较小，以使ΔT_m的值不至于破坏系统可线性化的假设条件。

(2)施加脉动转矩后，一直到系统再次进入稳态，截取一个公共周期上的发电机电磁转矩T_e和发电机角频率ω。

(3)将发电机电磁转矩T_e和发电机角频率ω进行Fourier分解，得出不同频率下的ΔT_e和Δω。

(4)根据求出电气阻尼转矩系数D_e；

当所得的电气阻尼转矩系数D_e(即电气阻尼)在各扭振频率处都为正值时，所设计的控制器能够抑制系统发生次同步振荡。采用本发明方法后系统电气阻尼转矩如图5所示。可以发现，每个扭振频率附近所对应的电气阻尼都为正值，此时系统SSR稳定。

Claims (1)

1.一种基于晶闸管控制电抗器的抑制电力系统次同步振荡的方法，其特征在于，以发电机转速偏差信号作为晶闸管控制电抗器附加控制器的输入信号，通过对该输入信号进行放大和相位补偿得到附加控制信号，通过该附加控制信号将晶闸管控制电抗器中的无功电流调制成与发电机转速偏差反相，从而达到抑制次同步振荡的目的，所述附加控制信号的生成包括如下步骤：

(1)采集电力系统中发电机的转速差信号Δω，所述的转速差信号为发电机的实际转速与额定转速的差值；

(2)对转速差信号Δω进行滤波处理，得到发电机轴系的各扭振频率信号；

其中利用多通道低相移带通滤波器对转速差信号Δω进行滤波，所述的多通道低相移带通滤波器的传递函数为：其中：s为拉普拉斯算子，A～G均为滤波器系数；

(3)对各扭振频率信号分别进行放大和相位补偿后，进行叠加得到附加控制信号；

其中通过多个超前滞后环节分别对各扭振频率信号进行相位补偿，超前滞后环节的传递函数为

其中：

T_a、T_b为超前滞后环节的时间常数，

n＝T_b/T_a＝(1-sinφ)/(1+sinφ)；

$T_a=1/\left({\mathrm{\ω}}_x\sqrt{n}\right);$

T_b＝nT_a；

ω_x为发电机的轴系扭振频率；

φ为ω_x所对应的需要补偿的滞后相角；

其中利用时域频率扫描法求得晶闸管控制电抗器触发角增量Δα到发电机电磁转矩增量ΔT_e间传递函数，在使得发电机转速增量到发电机电磁转矩增量间相位特性在±90°之内的原则下确定需要补偿的滞后相角φ。

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