1、靜止無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)發(fā)電機(jī)組次同步振蕩特性的影響             靜止無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)發(fā)電機(jī)組次同步振蕩特性的影響劉洪濤，徐  政，周長(zhǎng)春（浙江大學(xué)電機(jī)系，浙江省 杭州市 310027）    摘  要：采用基于時(shí)域仿真實(shí)現(xiàn)的復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法，對(duì)與靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC相聯(lián)接的同步發(fā)電機(jī)組的次同步振蕩特性進(jìn)行了較深入地研究。研究過(guò)程中，以IEEE 次同步諧振第一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)和TCR+TSC型SVC為對(duì)象，通過(guò)改變測(cè)試系統(tǒng)和SVC的某

2、些重要參數(shù)，分析發(fā)電機(jī)組電氣阻尼的變化情況，得出了一些重要結(jié)果。    關(guān)鍵詞：復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法；時(shí)域仿真；次同步振蕩（SSO）；靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）1  引言    靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）作為一種并聯(lián)補(bǔ)償裝置，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以提供電壓支持、提高暫態(tài)穩(wěn)定性并改善振蕩阻尼特性等。在SVC完成這些功能的同時(shí)，會(huì)不會(huì)也象串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置一樣，使系統(tǒng)在某些次同步頻率下呈現(xiàn)出很強(qiáng)的負(fù)阻尼特性，而成為誘發(fā)發(fā)電機(jī)組次同步振蕩（SSO）的隱患？這是個(gè)值得研究的問(wèn)題。然而，當(dāng)系統(tǒng)中含有象SVC這類(lèi)基于電力電子開(kāi)關(guān)器件的FA

3、CTS裝置時(shí)，許多依賴(lài)于解析形式數(shù)學(xué)模型的SSO分析方法在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中遇到了困難1，阻礙了對(duì)該問(wèn)題的研究。本文采用基于時(shí)域仿真實(shí)現(xiàn)的復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法1，并以IEEE 次同步諧振第一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)2和詳細(xì)的SVC時(shí)域仿真模型為對(duì)象，通過(guò)改變測(cè)試系統(tǒng)的某些關(guān)鍵參數(shù)和SVC控制器的參數(shù)，對(duì)與SVC相聯(lián)接的發(fā)電機(jī)組的次同步振蕩特性進(jìn)行了較深入的研究，得出了一些重要結(jié)論。2  測(cè)試系統(tǒng)及SVC的時(shí)域仿真模型    文獻(xiàn)1對(duì)復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法的適用范圍及其時(shí)域仿真實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入研究，本文將直接利用文獻(xiàn)1的結(jié)果分析SVC對(duì)發(fā)電機(jī)組次同步振蕩特性的影響。盡管復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法的時(shí)域仿真實(shí)現(xiàn)

4、為研究基于電力電子開(kāi)關(guān)器件的HVDC和FACTS裝置引起的發(fā)電機(jī)組次同步振蕩問(wèn)題提供了一條方便的途徑，但復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法只適用于單機(jī)對(duì)固定頻率電源系統(tǒng)而不適用于多機(jī)系統(tǒng)。實(shí)際上，同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)和阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)的概念只適用于單機(jī)對(duì)固定頻率電源系統(tǒng)。因此，采用復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法研究電力系統(tǒng)次同步振蕩問(wèn)題時(shí)，首先要回答這樣一個(gè)問(wèn)題：基于單機(jī)對(duì)固定頻率電源系統(tǒng)所得出的結(jié)果是否具有普遍意義？    電力系統(tǒng)的次同步振蕩問(wèn)題的研究通常是隨機(jī)進(jìn)行的，不管是由串聯(lián)電容補(bǔ)償引起的次同步振蕩問(wèn)題還是由HVDC或FACTS裝置引起的次同步振蕩問(wèn)題都是如此。因此當(dāng)考察某一裝置對(duì)某一具體機(jī)組的次同步振蕩

5、特性有影響時(shí)，通常的做法是將系統(tǒng)中的其它機(jī)組用等值電源替代，只保留該裝置和被研機(jī)組進(jìn)行詳細(xì)研究。因此，基于單機(jī)對(duì)固定頻率電源系統(tǒng)進(jìn)行電力系統(tǒng)的次同步振蕩研究具有普遍意義。根據(jù)Thevenin等效原理，如果將被研裝置和被研機(jī)組之外網(wǎng)絡(luò)中的所有等值電源用一個(gè)或幾個(gè)等值電源來(lái)等效，那么被研系統(tǒng)將被等值為一個(gè)非常簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，在很多情況下可以被等值為一臺(tái)機(jī)組和一個(gè)電源的系統(tǒng)。因此，基于一臺(tái)機(jī)組和一個(gè)電源的系統(tǒng)進(jìn)行次同步振蕩研究實(shí)際上并不是特例，而具有一定的普遍意義。因?yàn)?，第一，被研裝置的模型在系統(tǒng)等值前后是保持不變的，即裝置本身的特性沒(méi)有變化；第二，如果將系統(tǒng)的等值阻抗在合理的范圍內(nèi)變化，可以覆蓋實(shí)際系

6、統(tǒng)的可能變化。    本文在一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試系統(tǒng)上對(duì)SVC進(jìn)行研究，重點(diǎn)揭示SVC對(duì)被研機(jī)組的次同步振蕩特性的影響：增強(qiáng)了被研機(jī)組在次同步頻段上的阻尼特性還是削弱了被研機(jī)組在此頻段上的阻尼特性。該簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成方法如下：取消IEEE 次同步振蕩第一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)中的串聯(lián)電容支路取消，將線(xiàn)路分成兩段，SVC裝設(shè)在兩段線(xiàn)路的連接母線(xiàn)C上，以支持該母線(xiàn)的電壓，如圖1所示。假定系統(tǒng)額定頻率50Hz，網(wǎng)絡(luò)額定電壓400kV。本測(cè)試系統(tǒng)的物理意義可理解為一遠(yuǎn)方電廠(chǎng)向負(fù)荷中心送電，在長(zhǎng)距離送電線(xiàn)路的中點(diǎn)安裝了SVC，以提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支持和電壓支撐，提高線(xiàn)路的送電能力。因此，根據(jù)測(cè)

7、試系統(tǒng)所得的結(jié)果可直接理解為當(dāng)某一遠(yuǎn)方電廠(chǎng)向負(fù)荷中心送電時(shí)，若送電線(xiàn)路上安裝了SVC，該SVC會(huì)對(duì)送端電廠(chǎng)中發(fā)電機(jī)組的次同步振蕩特性有影響。    SVC控制系統(tǒng)模型3如圖2所示，主回路由一個(gè)225Mvar的晶閘管控制電抗器(TCR)、一組300Mvar的晶閘管投切電容器（TSC）和一個(gè)32Mvar的雙調(diào)諧濾波器組成。控制回路中主調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的快速精確控制。3  仿真結(jié)果及其分析3.1  SVC控制系統(tǒng)取不同參數(shù)    通過(guò)改變控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，研究控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)與被研機(jī)組次同步振蕩特性的

8、關(guān)系。從圖2可知，SVC控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下基波伏安特性曲線(xiàn)的斜率由比例常數(shù)K決定。分別取K=0、0.03和0.12對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)KD(f)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)如圖3。從圖中曲線(xiàn)可看出，在345Hz頻率范圍內(nèi)阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨K值的增大而減小。    輔助無(wú)功調(diào)節(jié)器的作用4：在有些場(chǎng)合SVC還需和外部的其它無(wú)功電源互相協(xié)調(diào)各自的穩(wěn)態(tài)無(wú)功輸出量，這可以通過(guò)加一響應(yīng)較慢的輔助無(wú)功調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理見(jiàn)框圖4。當(dāng)無(wú)功參考量Qref分別取值-200Mvar、0和+250Mvar時(shí)，得到圖5所示阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)KD(f)的3條頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。比較這3條曲線(xiàn)可知：當(dāng)無(wú)功參考

9、值為負(fù)(感性)時(shí)會(huì)使阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)增加，而其值為正(容性)時(shí)則使阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)減小，尤其在頻率較高時(shí)。    輔助功率振蕩阻尼調(diào)節(jié)器5：SVC也可利用其輔助調(diào)節(jié)器抑制系統(tǒng)的低頻功率振蕩。經(jīng)分析可知，流經(jīng)線(xiàn)路AB的線(xiàn)電流對(duì)功率振蕩信號(hào)反應(yīng)最敏感,因此用它的變化量IAB作為該調(diào)節(jié)器的輸入，控制原理見(jiàn)圖6。SVC有無(wú)此調(diào)節(jié)器時(shí)KD(f)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)如圖7所示，比較圖中兩條曲線(xiàn)可知，功率振蕩阻尼調(diào)節(jié)器的加入增大了系統(tǒng)在較低頻率下的電氣阻尼。    不同的同步方法：SVC中常用的同步方法主要有電壓過(guò)零檢測(cè)法和鎖相環(huán)（PLL）法 。前者是用TCR和

10、TSC各自的線(xiàn)電壓過(guò)零時(shí)刻作為控制各自晶閘管導(dǎo)通時(shí)間的起算時(shí)刻，后者則用一個(gè)能時(shí)刻跟蹤系統(tǒng)頻率的振蕩器來(lái)產(chǎn)生同步參考信號(hào)。    圖8是分別采用這兩種同步方法得到的KD(f)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，鎖相環(huán)采用較常用的比例積分（PI）型。比較圖8中的兩條曲線(xiàn)可知，采用過(guò)零檢測(cè)同步方法時(shí)KD(f)曲線(xiàn)波動(dòng)較大，改用鎖相環(huán)同步時(shí)，KD(f)曲線(xiàn)波動(dòng)較小。3.2  測(cè)試系統(tǒng)取不同參數(shù)    通過(guò)改變等值系統(tǒng)的參數(shù)，來(lái)研究不同系統(tǒng)條件下SVC對(duì)被研機(jī)組次同步振蕩特性的影響。當(dāng)SVC連接處母線(xiàn)C電壓幅值與設(shè)定值Vref的偏差大小不同時(shí)，其發(fā)出或

11、吸收的無(wú)功大小也將不同，因而工作點(diǎn)不同。通過(guò)改變無(wú)窮大母線(xiàn)電壓的幅值US來(lái)間接改變母線(xiàn)C的電壓幅值（圖1），研究SVC運(yùn)行在不同工作點(diǎn)時(shí)對(duì)被研機(jī)組阻尼特性的影響。圖9是求得的不同工作點(diǎn)上的KD(f)曲線(xiàn)。經(jīng)分析可知，由于US = 0.937pu時(shí)，母線(xiàn)C上的電壓幅值接近1pu，因此US >0.937pu時(shí)SVC將吸收無(wú)功，從圖9可看出被研機(jī)組的電氣阻尼在零以上附近波動(dòng)；而US <0.937pu時(shí)SVC將發(fā)出無(wú)功，被研機(jī)組的電氣阻尼在整個(gè)次同步頻率內(nèi)將會(huì)大幅度減小。    發(fā)電機(jī)負(fù)載的變化：令發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功P分別為803MW，700MW和500MW，得

12、到如圖10所示的KD(f)曲線(xiàn)。對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行分析可知，被研機(jī)組的電氣阻尼隨發(fā)電機(jī)負(fù)載的增大而減少。    網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度的變化：改變等值電抗XL的大小即改變負(fù)荷中心等值系統(tǒng)的強(qiáng)度，分別令XL取3.36W、16.8W和50.43W，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，可得圖11所示的KD(f)曲線(xiàn)。曲線(xiàn)表明，阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度的增大而增大。4  結(jié)論    綜合以上分析結(jié)果，當(dāng)SVC安裝在遠(yuǎn)方電廠(chǎng)與負(fù)荷中心的輸電線(xiàn)路上時(shí)，SVC會(huì)對(duì)遠(yuǎn)方電廠(chǎng)中的發(fā)電機(jī)組的次同步振蕩特性有如下影響：    （1）發(fā)電機(jī)組的電氣阻尼隨K值

13、的增大而減小。    （2）當(dāng)輔助無(wú)功調(diào)節(jié)器要求SVC吸收定量無(wú)功時(shí)會(huì)使發(fā)電機(jī)組的電氣阻尼增加，而當(dāng)要求其發(fā)出定量無(wú)功時(shí)則會(huì)使發(fā)電機(jī)組的電氣阻尼減小，尤其在較高頻段。    （3）加入功率振蕩阻尼調(diào)節(jié)器會(huì)增大發(fā)電機(jī)組在較低頻率下的電氣阻尼。    （4）采用過(guò)零檢測(cè)同步方法會(huì)使電氣阻尼在整個(gè)次同步頻率范圍內(nèi)波動(dòng)較大，而采用鎖相環(huán)同步時(shí)則波動(dòng)較小。    （5）當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有輔助功能調(diào)節(jié)器時(shí)，若SVC工作在感性區(qū)（吸收無(wú)功），則電氣阻尼在零以上附近波動(dòng)；若SVC工作在容性區(qū)（發(fā)出無(wú)

14、功），則電氣阻尼將大幅度減小。    （6）發(fā)電機(jī)組的電氣阻尼隨發(fā)電機(jī)本身出力的增大而減小。    （7）相應(yīng)于負(fù)荷中心的等值系統(tǒng)越強(qiáng)，發(fā)電機(jī)組的電氣阻尼越大。參考文獻(xiàn)1   徐政復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法的適用性分析及其時(shí)域仿真實(shí)現(xiàn)J中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20(6)：1-42   IEEE subsynchronous resonance task forceFirst benchmark model for computer simulation of subsynchronous resonanc

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