CN101834448A - 一种基于sssc的抑制电力系统次同步振荡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静止同步串联补偿器的抑制电力系统次同步振荡的方法，包括生成附加控制信号，该附加控制信号与幅值控制信号叠加后，再与相位控制信号进行脉宽调制得到静止同步串联补偿器中电压源逆变器的触发脉冲，从而控制静止同步串联补偿器的输出电压。生成附加控制信号包括采集电力系统中发电机的转速差信号并进行滤波处理，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。本发明方法通过对柔性交流输电装置静止同步串联补偿器输出参考电压幅值调制系数m_a和相位θ的控制，使SSSC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。

Description

一种基于SSSC的抑制电力系统次同步振荡的方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制技术领域，尤其涉及一种抑制电力系统次同步振荡的方法。

背景技术

在远距离输电线路中使用串联补偿电容，是提高电力系统输电容量和暂态稳定性的有效方法，在我国大容量电厂的输送线路中得到广泛的应用，如内蒙古托克托电厂、陕西锦界电厂和东北的伊敏电厂等。但是串联补偿电容的使用可能导致发电机轴系扭振，从而严重危害发电机的安全。

为了解决这一问题，电力学术和工程界做了许多工作来研究对策和解决方法。一些基于晶闸管的柔性交流输电控制装置只要控制整定得当，也能够减缓次同步谐振的发生。但是以上提到的柔性交流输电装置(FACTS)由于采用晶闸管的控制，会向系统注入一定量的谐波；同时由于晶闸管每个周波投切一次，其暂态响应时间仍比较慢。

随着电力电子技术的不断发展，新一代基于电压源换流器(VSC)的柔性交流输电装置也逐渐应用于抑制次同步谐振。以静止同步串联补偿器(SSSC)为例，如图1所示，其中静止同步串联补偿器(SSSC)是串联在线路中的柔性交流输电装置，通过注入一个和线路电流(I_a、I_b、I_c)有一定相位差的电压(u_ca、u_cb、u_cc)来改变输电线路的阻抗，图中SSSC由直流电容器(C_dc)、由若干个IGBT(触发极为S₁-S₆)组成的电压源逆变器，连接电抗器(L)、RLC高通滤波器、耦合变压器构成，其注入电压的相位滞后线路电流相位90°时，相当于在线路中串入容性的电感，能够提供一部分的串联补偿。

现有技术中SSSC控制器可采用基于电压幅值和相位的间接电流控制策略，即将幅值控制信号和相位控制信号进行脉宽调制(PWM)后输入电压源逆变器，从而控制电压源逆变器交流侧输出电压基波的幅值和相位，来达到控制目标。

如下式所示：

$U_m=m_a\·\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})$

式中，U_m为VSC交流侧输出电压，U_dc为直流电压，m_a为调制波的调制度，θ为相角。

因为SSSC注入电压为基频下的纯正弦波，认为SSSC不会像固定串补一样和线路电抗产生串联谐振，因此就没有次同步谐振的问题。但是相比固定串联电容，SSSC的造价昂贵，出于造价的考虑，SSSC不单独用于串联补偿，往往只将原系统中的部分固定串联补偿电容用SSSC代替。因此SSSC虽然能提供比固定串补更大的阻尼，但仍不能阻止次同步谐振的发生。

发明内容

本发明的目的在于利用电力电子装置静止同步串联补偿器(SSSC)来抑制电力系统次同步振荡，通过对发电机转速信号的反馈控制，使静止同步串联补偿器为抑制电力系统次同步振荡提供正的电气阻尼。

一种基于静止同步串联补偿器(SSSC)的抑制电力系统次同步振荡的方法，包括生成附加控制信号，该附加控制信号与幅值控制信号叠加后，再与相位控制信号进行脉宽调制得到静止同步串联补偿器中电压源逆变器的触发脉冲(如图2所示)，从而控制静止同步串联补偿器的输出电压，所述的生成附加控制信号包括如下步骤：

(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；

(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。

上述步骤如图3所示。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)

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

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SSSC幅值调制系数增量Δm_a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SSSC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：

(a)在SSSC幅值调制系数m_a0(幅值控制信号)上施加一串包含10Hz～55Hz，频率间隔为0.2Hz次同步频率的扫频信号。

(b)施加扫频信号后，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和施加扫频信号后的SSSC幅值调制系数m_a。

(c)将步骤(b)得到的T_e和m_a进行Fourier分解，求得SSSC幅值调制系数增量Δm_a到发电机电磁转矩增量ΔT_e间传递函数G(s)的相位特性。

(d)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。

本发明方法通过对柔性交流输电装置静止同步串联补偿器输出参考电压幅值调制系数m_a和相位θ的控制，使SSSC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，并且能有效地减小所需SSSC装置的容量。

附图说明

图1为现有技术中SSSC基本结构示意图；

图2采用本发明方法的SSSC控制系统框图；

图3采用本发明方法的SSSC阻尼控制器框图；

图4测试系统接线图；

图5传递函数G(s)的相频特性；

图6加入主动阻尼控制器后系统电气阻尼；

图7加入阻尼控制器后发电机各轴段上的扭矩。

具体实施方式

实施例：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。

以基于IEEE次同步谐振第一标准测试系统来说明方法。测试系统接线如图4所示。发电机通过串联补偿线路接入无穷大系统。发电机额定容量为892.4MVA，有功出力0.9p.u.。发电机原动机输入功率恒定，励磁简化为恒励磁电压控制。线路的总串补度取为50％，SSSC安装在变压器的高压侧提供一部分串联补偿。

发电机轴系模型由6部分组成，分别为高压缸(HP)、中压缸(IP)、两个低压缸(LPA和LPB)、发电机(G)和励磁机(Exc)。发电机轴系模型有5个扭振模式：15.7、20.2、25.6、32.3和47.5Hz。

首先在SSSC幅值调制系数m_a0上施加一串包含10Hz～55Hz，频率间隔为0.2Hz次同步频率的扫频信号；施加扫频信号后，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SSSC幅值调制系数m_a。

对得到的T_e和m_a进行Fourier分解，求得SSSC幅值调制系数增量Δm_a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5所示。

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0.2Hz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：

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

本例中各模式带通滤波器系数见表1。

表1带通滤波器参数

模式	A	B	C	D	E	F	G
								1	12.57	173.71	1.22e5	8.80	1.95e4	8.56e4	9.47e7
2	12.57	173.71	2.02e5	8.80	3.23e4	1.42e5	2.60e8
								3	12.57	173.71	3.25e5	8.80	5.18e4	2.28e5	6.69e8
4	12.57	173.71	5.18e5	8.80	8.25e4	3.62e5	1.70e9
								5	12.57	173.71	1.12e6	8.80	1.78e5	7.83e5	7.93e9

然后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放大环节和相位补偿环节的参数

	模式1	模式2	模式3	模式4	模式5
						Ta	0	0	0	1.193e-2	7.185e-3
Tb	0	0	0	2.047e-3	1.562e-3
						n	0	0	0	3*45	2*40

	模式1	模式2	模式3	模式4	模式5
						k	30	30	40	2	12

确定好SSSC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。附加控制信号与幅值控制信号m_a0叠加后，再与相位控制信号进行脉宽调制输入静止同步串联补偿器。幅值控制信号m_a0即幅值调制系数取为常数，其取值范围为0到1p.u.。

相位控制信号可以采用现有技术得到，本实施例中，如图2所示，SSSC的相位控制就是控制其输出电压相位垂直于线路电流的相位，当注入电压的相位超前线路电流相位90°时，就相当于在线路中串入电感；相反，当注入电压的相位滞后线路电流相位90°时，就是在线路中串入电容，为输电线路提供容性补偿。如图所示，I_abc为线路电流，经过幅值计算得到I_mag，X_ref为SSSC的等效串联阻抗，感性为正，容性为负。

使用锁相环得到线路电流的相角θ_i，再判断X_ref的正负来加上或减去

得到SSSC输出电压的基准相角。

由于直流电容在不断地充电和放电，在实际中，电压相位和线路电流相位并不是严格垂直的，而是有一个很小的偏差角β(将I_mag与X_ref及耦合变压器的变比k相乘取正后得到电压源逆变器的直流电压参考值U_dcref，再与电压源逆变器的实测直流电压U_dc相减，经过PI控制后得到偏差角β)，其作用是为了补偿SSSC的损耗。控制偏差角β可以实现对直流电容电压的控制。另外通过设定的β_max和β_min对输出的偏差角β经行限幅，一般将偏差角β限定在0～1度之间。SSSC输出电压的基准相角减去偏差角β后就得到了相位控制信号θ。

采用本发明方法得到的信号即作为静止同步串联补偿器中电压源逆变器的触发脉冲，从而控制静止同步串联补偿器的输出电压，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。采用本发明方法的阻尼控制器后，系统的电气阻尼计算结果如图6。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。

再使用详细模型暂态时域仿真来验证本发明方法的有效性，系统进入稳态后，在无穷大母线侧，即图4中F点发生三相接地短路故障，持续0.075s后切除。发电机轴系模型各段上的扭矩如图7所示，可见采用SSSC次同步阻尼控制器后各轴段上的扭矩是逐渐衰减的，系统是SSR稳定的，说明本发明方法能有效抑制SSR。

Claims (3)

1.一种基于静止同步串联补偿器的抑制电力系统次同步振荡的方法，其特征在于，包括生成附加控制信号，该附加控制信号与幅值控制信号叠加后，再与相位控制信号进行脉宽调制得到静止同步串联补偿器中电压源逆变器的触发脉冲，从而控制静止同步串联补偿器的输出电压，所述的生成附加控制信号包括如下步骤：

(1)采集电力系统中发电机的转速差信号Δω；

(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；

(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。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)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。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，利用时域频率扫描法求得静止同步串联补偿器的幅值调制系数增量到发电机电磁转矩增量间传递函数的相位特性，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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