专利名称：一种基于可控串补的次同步振荡抑制方法
技术领域：
本发明提出一种基于晶闸管控制的串联电容器(即可控串补)的次同步振荡抑制 方法，属于电力系统控制的创新技术。
背景技术：
输电线路加串联电容补偿能够提高输电能力，因此在世界范围内已得到了广泛的 应用。但是高串补度的固定串联电容补偿可能会引起电力系统的次同步谐振，进而造成汽 轮发电机的轴系损坏，严重影响电力系统的安全运行。随着电力电子器件的发展，基于晶闸管控制的串联电容器(TCSC)因具有较高的 系统响应速度，近年来在抑制次同步谐振方面越来越受到重视。TCSC的基本模块由一个串 联的电容器C和一个晶闸管控制的电抗L并联组成，其结构如图1所示，图中T1, T2为两个 反相并联的晶闸管。如以电容电压uc由负变正过零时刻开始计算正向晶闸管的触发角，则 对于给定参数的C和L，TCSC的稳态基波等效阻抗由触发角α决定。如式(1)所示
<formula>formula see original document page 3</formula>式中，X^为可变电抗器的基频电抗，Xc为基频下电容器的容抗值。K是TCSC主回 路的特征参数，为避免TCSC出现多个谐振点，K的取值通常小于3. 0。出于造价的考虑，TCSC通常不单独用于串联补偿，会与固定串联电容配合使用。这 样虽然能够降低成本，在一定程度上减缓次同步振荡，但往往不能彻底抑制次同步振荡的 发生。
发明内容
本发明基于阻尼转矩的概念，采用相位补偿的设计方法，在TCSC开环控制器上设 计了一个附加SSR阻尼控制器，能够在整个次同步频段内提供正的电气阻尼，从而彻底消 除由串补电容引起的SSR问题。一种基于可控串补的抑制电力系统次同步振荡的方法，通过对发电机转速信号 Δ ω进行适当的放大和移相处理，生成附加控制信号对TCSC触发角进行调制，从而改变 TCSC的等效电抗Xrff，提高系统的电气阻尼。具体实施过程如图2所示，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Δ ω，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Δ ω进行滤波处理，滤除低频信号和高次谐波，得到次同步频段内的发电机扭振频率信号。所采用的带通滤波器，其通带频率为IOHz 55Hz。故滤波器 截止频率为ωε1 = 55Ηζ、ω。2 = 10Hz，其传递函数可以表示为<formula>formula see original document page 4</formula>(3)对滤波得到的信号进行放大和相位补偿后，得到附加信号Δ α叠加到TCSC的 基准触发角α。上。实际应用中，通过采用多个超前滞后环节对经过放大的信号进行相位补偿，实现 较大角度的相位补偿。
I+ ST所述的超前滞后环节的传递函数可以表示的形式，其中Ta、Tb为超前滞后环节的时间常数，η = Tb/Ta = (I_sin<j5)/(l+sin<j5)Τα=1/(ωχ4η)Tb = nTaω χ为所选择的相位补偿频率；φ为ω χ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(3)<formula>formula see original document page 4</formula>(3)式(3)中Δ ；为发电机的转矩偏差、Δ ω为发电机的转速差信号、队为电力系统 的电气阻尼；由式(3)可以得出，当八！；和Δ ω之间的相角差在_90°到+90°时，电力系统的 电气阻尼队将为正。当Δ ；和Δω同相时，系统能够提供最大的电气阻尼。需要使Δ ； 与Δ ω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TCSC附 加控制信号△ α到发电机附加电磁转矩间传递函数G(S)的相位特性，在使得发电机 转速增量△ ω到发电机电磁转矩增量ATe间相位特性在士90°之内的原则下确定需要补 偿的滞后相角Φ，使得TCSC能够在整个次同步频段内都能够正的电气阻尼。具体步骤为(a)在基准触发角α Q上施加一串包含IOHz 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Te和施加扫频信号后的TCSC触发角α m。(c)将步骤(b)得到的Te和α m进行Fourier分解，求得TCSC触发角增量Δ α m 到发电机电磁转矩增量间传递函数G(S)的相位特性。(d)然后确定需要补偿的滞后相角Φ，使得在整个IOHz 55Hz次同步频段内发 电机转速增量Δ ω到发电机电磁转矩增量ATe间相位特性在士90°之内。
本发明方法通过TCSC触发角的附加控制，使TCSC能够在整个次同步频率范围提 供正的电气阻尼，从而达到消除SSR的目的，在实际工程应用中具有重大参考价值。
图ITCSC基本结构示意图；图2采用本发明方法的TCSC控制系统框图；图3实施例中测试系统接线图；图4补偿前和补偿后G (S)相频特性；图5采用本发明方法后系统电气阻尼；图6原测试系统发电机各轴段上的扭矩；图7采用本发明方法后发电机各轴段上的扭矩。
具体实施例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。采用的测试系统基于IEEE SSR第一标准测试系统，如图3所示。将原系统中的部 分固定串联补偿电容用可控串补代替，线路总串补度取45%，其中TCSC的电抗Xrcs。占总串 补电抗的20%，其电抗标么值见图3。TCSC采用开环恒阻抗控制，取TCSC的主电路特征参 狐=^Xc IXl = 2.5。TCSC的基准触发角Citl为158.8°。选择发电机的运行方式为Pe = 0. 9pu，功率因数为0.9(滞后)。发电机的轴系由高压缸(HP)、中压缸(IP)、低压缸A (LPA)、 低压缸B(LPB)以及发电机(GEN)和励磁机(EXC)六个集中质量块组成。一般情况下，具有 η个质量块的轴系有η-1个扭振模式。本例中的轴系有六个质量块，故对应有5个扭振模 式，分别为=15. 7,20. 2,25. 6,32. 3和47. 5Hz。由于扭振模式5(47. 5Hz)的模态阻尼非常 大，一般不会发生机网扭振相互作用，在相位补偿时将不考虑模式5的影响。首先在TCSC基准触发角α Q上施加一串包含IOHz 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Te和施加扫频信号后的TCSC触发角αω，对得到的！；和CIm进行Fourier 分解，然后求得TCSC触发角增量△ Cin^lj发电机电磁转矩增量间传递函数G(S)的相 位特性，如图4所示。设计次同步振荡阻尼控制器所采用的带通滤波器，其通带频率为IOHz 55Hz。采 用4阶巴特沃兹滤波器，其传递函数可以表示为
4H(S) =__
/ + 2.6l3acls3 + ？,AUw2cxS2 + 2.613a>c> + ω"λ
viy
e4____
s4+2.6\3ac2s3 +3 AHa2c2S2 +2.6l3a3c2s + ω4 2然后确定需要补偿的滞后相角Φ，使得在整个IOHz 55Hz次同步频段内发电机 转速增量Δ ω到发电机电磁转矩增量ATe间相位特性在士90°之内，式(4)中s为拉普 拉斯算子。
再利用形如"^的超前滞后环节来补偿G (s)的相位滞后，使得发电机转速增量
Δ ω到发电机电磁转矩增量ATe间相位特性在士90°之内。采用如下公式确定补偿环节 的时间常数。<formula>formula see original document page 6</formula>Ta =/{27fx4a)(5)Tb = aTa式中，fx为进行相位补偿的频率点，Φ为fx所对应的需要补偿的滞后相角，Ta和 Tb为补偿环节的时间常数；S为拉普拉斯算子。考虑带通滤波器的相位滞后特性后，用4个 滞后环节在15Hz处各补偿-50°，在60Hz用3个超前环节各补偿40°。各补偿环节的时 间常数列于表1。表1相位补偿环节的时间常数<formula>formula see original document page 6</formula>补偿后的系统相位滞后特性如图4中C(S)G(S)曲线所示。确定好TCSC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Δ ω， 利用带通滤波器对转速差信号△ ω进行滤波处理，再进行放大和相位补偿后，得到附加控 制信号。附加控制信号与TCSC基准触发角叠加后，对TCSC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<formula>formula see original document page 6</formula> 式中，λ为常数且小于1，Τλ、^分别是频率为λ ω0的脉动转矩的幅值和初相位。 要求Τλ较小，以使ΔΤω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Te和发电机角频率ω。(3)将发电机电磁转矩Te和发电机角频率ω进行Fourier分解，得出不同频率下 的Δ Te和Δω。(4)根据<formula>formula see original document page 7</formula>求出电气阻尼转矩系数De。当所得的电气阻尼转矩系数De (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。本例的计算结果如图5所示，可以发现，在采用 本发明方法后，TCSC可以在整个次同步频带内提供正的电气阻尼，从根本上消除了 SSR的危险。为进一步验证本发明方法对抑制SSR的有效性，使用详细模型进行暂态时域仿 真。图3系统进入稳态后，t = 15s时在F点加三相接地故障，并在0. 05秒后切除。图6， 7分别为原测试系统和采用本发明方法后发电机各轴段上的扭矩。可见在没有使用本发明 方法时，发电机组各轴段上的扭矩是发散的，系统SSR不稳定。而使用本发明方法后，发电 机各轴段上的扭矩是逐渐衰减的，系统是SSR稳定的，这与图5中的结果是吻合的。
权利要求
一种基于可控串补的抑制电力系统次同步振荡的方法，其特征在于，通过对发电机转速信号Δω进行放大和移相处理，生成附加控制信号对可控串补的触发角进行调制，从而改变可控串补的等效电抗Xeff，提高系统的电气阻尼，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，由通带为10～55Hz的带通滤波器滤除低频信号和高次谐波，得到次同步频段内的发电机扭振频率信号；所采用的带通滤波器的传递函数可以表示为 <mrow><mi>H</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <msubsup><mi>ω</mi><mrow> <mi>c</mi> <mn>1</mn></mrow><mn>4</mn> </msubsup> <mrow><msup> <mi>s</mi> <mn>4</mn></msup><mo>+</mo><mn>2.613</mn><msub> <mi>ω</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msup> <mi>s</mi> <mn>3</mn></msup><mo>+</mo><mn>3.414</mn><msubsup> <mi>ω</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn></msubsup><msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>2.613</mn><msubsup> <mi>ω</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow> <mn>3</mn></msubsup><mi>s</mi><mo>+</mo><msubsup> <mi>ω</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow> <mn>4</mn></msubsup> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><mo>·</mo><mfrac> <msup><mi>s</mi><mn>4</mn> </msup> <mrow><msup> <mi>s</mi> <mn>4</mn></msup><mo>+</mo><mn>2.613</mn><msub> <mi>ω</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><msup> <mi>s</mi> <mn>3</mn></msup><mo>+</mo><mn>3.414</mn><msubsup> <mi>ω</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>2</mn> </mrow> <mn>2</mn></msubsup><msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>2.613</mn><msubsup> <mi>ω</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>2</mn> </mrow> <mn>3</mn></msubsup><mi>s</mi><mo>+</mo><msubsup> <mi>ω</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>2</mn> </mrow> <mn>4</mn></msubsup> </mrow></mfrac> </mrow>式中，滤波器截止频率取为ωc1＝55Hz、ωc2＝10Hz。(3)对滤波得到的信号进行放大和相位补偿后，得到附加控制信号Δα。
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对滤波得 到的控制信号进行相位补偿，超前滞后环节的传递函数为1+sTa/1+sTb，，其中Ta、tb为超前滞后环节的时间常数，<formula>formula see original document page 2</formula>为需要补偿的频率； 为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可控串补附加控 制信号△ a到发电机附加电磁转矩间传递函数的相位特性，在使得发电机转速增量 A co到发电机电磁转矩增量ATe间相位特性在士90°之内的原则下确定需要补偿的滞后 相角小。
全文摘要
本发明基于阻尼转矩的概念，采用相位补偿的设计方法，通过对发电机转速信号Δω进行适当的放大和移相处理，生成附加控制信号对TCSC触发角进行调制，从而改变TCSC的等效电抗，使TCSC能够在整个次同步频段内提供正的电气阻尼，从而彻底消除由串补电容引起的SSR问题。
文档编号H02J3/24GK101834446SQ20101013086
公开日2010年9月15日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者周少华, 彭勃, 金逸林 申请人:浙江大学