TCSC对发电机组次同步谐振阻尼特性影响研究

1、电力电子TCSC 对发电机组次同步谐振阻尼特性影响研究3张帆,徐政(浙江大学电机系,杭州310027摘要:采用基于时域仿真实现的复转矩系数法测试信号法研究了含有可控串补(TCSC 的电力系统中的次同步谐振(SSR 阻尼特性。采用IEEE SSR 第一标准测试系统模型,将其中部分固定串补电容改造为TCSC 。TCSC 采用3种闭环控制方式如恒电流、恒功率及阻尼功率振荡控制。通过频率扫描计算出发电机组在次同步频率范围内的电气阻尼特性曲线,分别研究了开环控制和3种不同闭环控制方式下TCSC 导通角对电气阻尼特性的影响。结果表明,不论在何种控制方式下,相对于固定电容串补,TCSC 都能大大减小谐振点附

2、近的电气负阻尼;TCSC 的导通角对阻尼特性有很大影响,TCSC 运行在较大导通角时可有效减小谐振点附近的电气负阻尼。关键词:可控串补(TCSC ;次同步谐振(SSR ;测试信号法;时域中图分类号:TM71413文献标识码:A 文章编号:100326520(20050320068203Study of SSR Damping on a G enerator Connected to TCSCZHAN G Fan ,XU Zheng(Depart ment of Elect rical Engineering ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China

3、 Abstract :The complex torque coefficient approach realized by time domain simulation (the Test Signal Method is a 2dopted in this paper to study the SSR damping characteristics with TCSC.The study system is modified f rom the first IEEE SSR benchmark model by changing a part of the fixed series cap

4、acitor to TCSC.Three different control methodologies are checked ,namely :constant current ,constant power ,and power oscillation damping control.The control models and their principles are also described.Frequency scanning in the subsynchronous f requency range is performed to calculate the subsync

5、hronous electrical damping characteristics of the unit.Impacts of the thyristor conducting angles of the TCSC on the electrical damping are studied ,and results are analyzed in detail.The results show that TCSC greatly reduces the electrical negative damping around the resonant point ,for the three

6、studied con 2trol methodologies ,compared with the fixed capacitor compensation.It also shows that the conducting angle of the thyristor has a great influence on the damping of the TCSC ,when the conducting angle is larger ,the TCSC will re 2duces the electrical negative damping around the resonant

7、point more.K ey w ords :thyristor controlled series capacitor ;subsynchronous resonance ;test signal method ;time domain0引言可控串补(TCSC 利于提高电力系统性能,除能控制潮流、阻尼功率振荡外,还能有效抑制次同步谐振(SSR 1,2。研究人员深入研究复转矩系数法的适用范围后指出研究含有HVDC 或FACTS 装置的系统次同步振荡(SSO 问题不能用准稳态模型,为此提出了基于时域仿真实现的复转矩系数法测试信号法3,并基于该法研究了静止无功补偿器对发电机组SSO 特性的影响4

8、、由直流输电引起的SSO 问题5、具有串联电容补偿的交直流混合系统SSO 的阻尼特性6。但至今尚未研究TCSC 处于闭环控制时的阻尼特性。本文基于IEEE SSR第一标准测试系统7建立TCSC 的研究模型,采用该测试信号法3较深入研究TCSC 在3种不同闭环控制方式下对发电机组SSR 阻尼特性的影响。1系统模型本文研究IEEE SSR 第一标准测试系统7(见图1,原固定串补电容的90%保留,10%以TCSC 代替。取TCSC 的主电路特征参数K =X C /X L =2。选择发电机的运行方式为P G =019p.u.,cos=019(滞后。TCSC 采用3种闭环控制方式:恒电流(CC 、恒功率

9、(CP 、阻尼功率振荡(POD 控制。TCSC 的86第31卷第3期2005年3月高电压技术High Voltage EngineeringVol.31No.3Mar.20053国家自然科学基金资助项目(50277034 图1待研系统模型Fig 11Circuit diagram of the studied system底层控制(即晶闸管的触发控制利用锁相环PLL产生与线路电流同步的晶闸管触发基准信号。TCSC 相关角度有:触发延时角即电容电压U C 正或反向过零点到相应晶闸管阀触发之间隔;触发越前角=180°-;稳态时导通角=2。111CC 控制2,8TCSC 的CC 控制器(见

10、图2即线路电流I line 作为输入信号,以维持实际I line 的恒定。将所测三相线电流I a.b.c 滤波后化为标么值I pu ,使之与参考电流信号I ref 的单位一致。控制器采用比例积分(PI 控制,输出电抗信号X ,因TCSC 的运行范围有一定限制,故X 需限幅 ,再转化为信号。图2TCSC 的CC 控制器模型Fig 12TCSC CC controller model112CP 控制2,8TCSC 的CP 控制器(见图3结构与CC 控制器相似,只是所选输入信号不同。将所测三相电压、电流信号经坐标变换后计算线路的有功功率作为输入,化为标么值后经过一阶滤波环节,与参考功率一起送入PI

11、控制器,其它环节则与CC 控制一样。113POD 控制8,9TCSC 的POD 控制器(原理见图4主要环节包括:一个时间常数为T m 的测量环节,选择线路的有功功率(线电流亦可作为输入。一个时间常数为T w 的隔直环节,用以消除所测线路有功功率的平均值,抽取输入信号的振荡分量。一个可变增益环节K G ,因TCSC 引起的线路有功变化量是TCSC 电抗变化量和线路电流(或负荷的函数,故TCSC 若以恒增益运行,则在重负荷下才能有效阻尼功率振荡。为了使TCSC 在大范围的线路负荷下都能保持同样的阻尼效果,采取可变增益的方案(见图5。对应线路潮流的较低值I NL ,采用一较高增益K G L ;而对应

12、线路潮流的较高值I NF ,则采用一较低增益K GF 。两个超前滞后环节,使增益环节后一个与振荡分量成比例的控制信号产生适当的相移,若取线路有功功率为控制器的输入,则要求相移-90°。由此,POD 控制最终产生一个与功率振荡分量成比例并经过适当相移的电抗输出。图3TCSC 的CP 控制器模型Fig 1 3TCSC CP controller model图4TCSC 阻尼功率振荡控制原理图Fig 1 4TCSC POD control model图5POD 控制器的增益方案Fig 15POD gain 2scheduling scheme2仿真结果及其分析利用PSCAD/EM TDC

13、程序计算模型系统中发电机组(其输出有功功率保持不变的电气阻尼转矩系数3:D e (f =Re (T e (f /(f ,其中T e (f 、(f 分别是发电机转子施加频率为f 的脉动转矩后发电机电磁功率、角速度的增量相量,其单位都是p.u.。211开环控制时的阻尼特性分析比较研究固定电容与TCSC 对发电机组SSR阻尼特性的影响。f =55915Hz ,=20°、40°、60°96第31卷第3期2005年3月高电压技术High Voltage EngineeringVol.31No.3Mar.2005 图6固定电容与TCSC 在不同下D e 的频率响应曲线Fig

14、16D e vs f for f ixed capacitor and TCSC 图7TCSC 在次同步频率下的阻抗特性Fig 17Sub 2frequency imped ance characteristics 图8TCSC 处于不同时D e 的频率响应曲线Fig 18Damping torque coeff icient vs frequency for different f iring angle 时固定电容及TCSC 在开环控制下D e 的频率响应曲线见图6。可见对固定电容,系统在f 21Hz (折算到转子侧时发生电气谐振,电气负阻尼最大,D e -75p.u.;加入TCSC 后,

15、系统谐振点随增大而向高频方向移动,且在谐振点附近电气负阻尼随增大而大大减小。但在较小如20°时TCSC的效果很小,几乎与固定电容相近,故下面主要考察较大时的情况。=40°、60°时TCSC 在次同步频率范围内(359Hz 的阻抗特性见图7。可见=40°时在谐振点附近TCSC 呈现容性电抗;并随增大如60°时转变为感性电抗。这说明TCSC 在次同步频率下的补偿度随增大反而减小,故所对应的系统谐振频率增高(折算到转子侧,即相对于固定串补电容,系统谐振点向高频移动,这与图6所得结果一致。212闭环控制时的阻尼特性分析考察对阻尼的影响,=40°

16、;、60°时TCSC 在CC 、CP 、POD 闭环控制下D e 的频率响应曲线见图8。可见随着增大,系统谐振点频率增高(折算到转子侧,且在谐振点附近的电气负阻尼大大减小,这与开环控制时的系统特性相同。3结论a 1TCSC 采用开环控制时,谐振点附近的电气负阻尼比固定串补电容大大减小。随着导通角增大,系统谐振点频率增高(折算到转子侧,且谐振点附近的电气负阻尼减小,这是因TCSC 在谐振频率附近的等效电抗随导通角增加而由容性变为感性。b 1TCSC 采用CC 、CP 、POD 闭环控制时系统特性与开环控制时相同。参考文献1Larsen E ,Bowler C ,Damsky B ,et

17、 al.Benefit s of thyristor controlled se 2ries compensationC.CIGRE 34Session.Paris ,1992.2Pilotto L uiz A S ,Bianco Andr é,Long Willis F ,et al.Impact of TCSC control methodologies on subsynchronous o scillationsJ .IEEE Trans onPD ,2003,18(1:2432252.3徐政1复转矩系数法的适用性分析及其时域仿真实现J 1中国电机工程学报,2000,20(6

18、:12414刘洪涛,徐政,周长春1静止无功补偿器对发电机组次同步振荡特性的影响J 1电网技术,2003,27(1:12415周长春,徐政1由直流输电引起的次同步振荡的阻尼特性分析J 1中国电机工程学报,2003,23(10:621016周长春,徐政1具有串联电容补偿的交直流混合系统次同步振荡阻尼特性分析J 1高电压技术,2004,30(2:12317IEEE Subsynchronous Resonance Task Force.First benchmark model forcomputer simulation of subsynchronous resonance J .IEEE Trans on PAS ,1977,96(5:156521572.8Mathur R Mohan ,Varma Rajiv K.Thristor 2based fact s controllers for e 2lect rical transmission systemsM .New Y ork :John Wiley &Sons ,Inc ,200219Gama C ,Leoni R L ,Gribel J ,et al.Brazilian north 2south interconnec 2