含STATCOM的不同阻尼控制器對次同步振蕩抑制的影響

，，

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

0 引 言

中國的能源資源非常豐富，但其分配極不均衡，煤炭資源80%集中在西部和北部，水資源80%集中在西南地區。但另一方面，隨著中國經濟的快速發展，用電負荷急劇增加，尤其是中國的東部經濟發達地區，這一現狀決定了必須采用大容量、超高壓、遠距離輸電[1]。

串聯補償技術可以明顯地提高輸電線路的利用率，促進實現上述輸電要求，促進經濟效益。但是串聯補償會引起發電機軸系與電氣系統以一個或多個低于同步頻率交換能量而損壞的現象。次同步振蕩是一類嚴重的系統穩定性問題，不但會使系統產生振蕩現象，而且極易造成汽輪發電機組的大軸損毀[2]。如何采取有效的措施抑制次同步振蕩是電力系統中一項重要的研究內容。

文獻[3]采用人工神經網絡法對扭振系統的特征值進行實時分析，可用于在線分析SSO；文獻[4]采用多變量頻域法對次同步振蕩進行分析，可反映出發電機dq軸的不對稱性；文獻[5]采用開環系統頻率特性法對汽輪機調節系統的SSO特性進行分析；文獻[6]基于模態控制理論，利用特征值法設計SSDC；文獻[7]提出了一種基于傳遞函數的波特圖設計SSDC參數的方法；文獻[8]提出了與遺傳算法相結合的SSDC設計；文獻[9]提出了基于H∞控制理論的SSDC，提高了SSDC的在線計算速度，并使其具有一定的魯棒性。

國內，STATCOM作為一項成熟的技術，主要用于電壓調節、無功補償、提高線路輸送能力等方面，但在利用STATCOM抑制次同步振蕩方面的研究較少。基于測試信號法，介紹STATCOM裝置的基本原理、控制部件和抑制次同步振蕩的原理，根據不同濾波器設計對次同步阻尼控制器的抑制效果不同，設計了3種次同步阻尼控制器，其中，提出一種新的控制器設計方法，利用該方法設計了窄帶通次同步阻尼控制器。最后利用PSCAD/EMTDC軟件在IEEE第一標準模型基礎上，對其抑制效果進行了仿真驗證。

1 次同步振蕩機理

發電機組的軸系在轉動時會有一個自身的模態扭振頻率ωm，當發電機組受到擾動時將會使系統產生振動，振動將在定子電壓上產生頻率為ω0-ωm的次同步電壓分量和ω0+ωm的超同步電壓分量，相應的轉速偏移量為Δω=Aωmcosωmt。這兩個分量依據電網在相應頻率下的阻抗，產生對應頻率的電流，從而造成發電機電磁轉矩的變化。如果發電機轉速偏移量Δω與電磁轉矩變化量ΔTe之間的相角差超過90°，則ΔTe會助增初始擾動，即出現負阻尼。一旦該負阻尼超過發電機軸系所提供的機械阻尼，則軸系扭振得以維持甚至發散，從而形成了機械與電氣之間的相互激勵，此過程即為機電扭振互作用[10]。它是 SSO 的一種主要表現形式，其原理如圖 1 所示。

圖1 機電扭振互作用的原理示意

具有串聯補償的單機無窮大系統如圖2所示。

圖2 具有串聯補償的單機無窮大系統

當輸電系統采用串聯電容補償時(如圖3)，其電氣系統的自然諧振頻率ωer為

(1)

則相應有電氣系統自然振蕩頻率fer為

(2)

式(2)中，f0為系統同步頻率；ω0=2πf0，XC、XL、X″、XT分別為同步頻率下串聯電容器容抗、線路電抗、發電機次暫態電抗、變壓器正序電抗。

2 STATCOM的基本結構

靜止同步補償器STATCOM是一種新型的并聯 FACTS裝置。其原理如圖3所示。STATCOM 是由全控型的電力電子元件組成的橋式變流器來實現動態發出或吸收無功電流的。STATCOM 的主電路由變流器構成，變流器由直流部分和交流部分組成，交流部分通過電抗器并聯接入電力系統，直流部分通過儲能元件為電流循環提供一條路徑。

圖3 STATCOM 的原理示意圖

STATCOM主要由變流器、斷路器等組成的一次系統和檢測環節、控制環節、驅動裝置、保護電路、檢測裝置組成的二次電氣系統，如圖4所示。STATCOM需要采用連接電抗器或變壓器并入系統，這是因為STATCOM裝置采用了橋式電路。

圖4 STATCOM 結構示意圖

整個抑制 SSO 的過程：檢測 1 環節檢測到發電機的旋轉角速度信號，通過檢測運算電路得到發電機的轉速偏差信號Δω，檢測 1 環節把鎖相環得到的電壓同步信號和計算得到的轉速偏差信號Δω發送至控制器，同時檢測2環節也把測量得到 STATCOM 直流側的電壓信號經過與參考直流側電壓做差后發送至控制器。控制環節根據設定的控制算法對檢測環節發送的信號進行處理，在同步信號的共同作用下通過直接電流控制算法得到觸發脈沖信號，脈沖信號通過驅動電路控制變流器的門極，從而控制其導通和關斷，從而使 STATCOM 輸出合適的電流達到抑制SSO的目的。

3 STATCOM抑制次同步方案設計

3.1 STATCOM的抑制次同步振蕩的策略概述

FACTS 裝置抑制SSO通常是通過附加阻尼控制器來實現的。在抑制SSO的工作中最重要的是次同步阻尼控制器(SSDC)的設計。圖5即STATCOM并聯到IEEE次同步諧振第一標準測試模型的原理圖。研究表明：SSDC設計的不當，FACTS裝置不僅不能抑制SSO，而且有可能惡化SSO狀態，重則導致系統次同步失穩。控制器的設計包括選取反饋信號選取、濾波器設計、控制方法選取。

圖5 STATCOM 抑制次同步振蕩原理圖

這里采用發電機角速度偏差作為阻尼控制器的反饋信號。濾波器選擇選用相頻特性比較好的 Butterworth 濾波器。控制方法如圖6所示，利用向系統注入補償電流抑制 SSO。

圖6 FACTS抑制次同步諧振的機理分析

圖中，ΔId為當系統受到各種大小擾動后，機組定子側產生的電流波動；ΔIs為由于機電互激，電氣系統側引起的電流增量；Ic為FACTS 裝置補償的電流；ΔTe為總的電流波動ΔI引起的電磁轉矩變化量；ΔTm為系統受到擾動后，原動機的機械轉矩增量；Δω為發電機轉子的角速度偏差。

3.2 控制器SSDC設計

以 IEEE 次同步諧振第一標準測試模型為研究對象，其中，轉子軸系6個軸段構成，6個軸段對應轉子軸系6個扭振模式，除去一個剛體模式，進行SSO分析的有5個扭振模式，軸系的機械扭振模態頻率分別為15.71 Hz、20.21 Hz、25.55 Hz、32.28 Hz、47.45 Hz。其中，模式5對應的串補度低，模態阻尼非常大，一般不會發生SSO。所以在設計阻尼控制器時只用考慮前4個扭振模式。

3.2.1 分模態次同步阻尼控制器

分模態次同步阻尼控制器(SSDC)的框架見圖7，它以發電機角速度偏差Δω作為反饋信號，對發電機軸系的4個扭振模式分別設置模態控制通道。

圖7 分模態SSDC結構框圖

圖7中的模態濾波器，下面考慮兩種不同濾波器組合對抑制SSO的影響。

第1種：每個模態通道中采用1個模態帶通的四階Butterworth濾波器，記此類型的次同步阻尼控制器為SSDC1。其參數設置如表1至3所示。

表1 SSDC1中濾波器設置

表2 SSDC1 參數設置 /C°

表2中，φ-為次頻電流相頻響應；φ+為超頻電流相頻響應；βi為相位補償角度；γi為可調相位偏差角度。

表3 SSDC1 各模態通道的增益設置

在IEEE第一測試模型中投入SSDC1時系統的電氣阻尼特性如圖8所示。

圖8 投入SSDC1系統的電氣阻尼轉矩系數

從圖8可以看出，投入 SSDC1 時，系統的電氣阻尼轉矩系數在各個扭振模態頻率處為正，但是在兩個扭振模態頻率之間的部分頻率段上電氣阻尼轉矩系數已經變成負值。為將更多頻段上的電氣阻尼調節為正，因此設計了 SSDC2。

第2種：每個通道采1個模態帶通和其余模態帶阻二階Butterworth濾波器， 每個濾波器的帶寬設置為3 Hz，記此類型的次同步阻尼控制器為SSDC2。SSDC2中參數設置如表4至6所示。

表4 SSDC2中濾波器設置/Hz

表5 SSDC2 參數設置/°

表6 SSDC2 各模態通道的增益設置

在IEEE 第一測試模型中投入 SSDC2 時系統電氣阻尼特性如圖9所示。

由圖9對比圖8可知，加入 SSDC2 后系統的電氣阻尼特性有很大提高，只在24 Hz處電氣阻尼系數為負值。

圖9 投入SSDC2系統的電氣阻尼轉矩系數

3.2.2 改進分模態次同步阻尼控制器(SSDC)

為進一步減小次同步阻尼控制器對發電機參數的依賴性，增強控制器的適應性，提出一種新的控制器設計方法：補償電氣諧振頻率電流，增加系統在電氣諧振頻率的互補頻率處的電氣阻尼。

由圖9可知，投入 SSDC2 后，系統只在電氣諧振頻率的互補頻率處電阻尼為負， 而窄帶通次同步阻尼控制器只可以增加某一個頻率處的電氣阻尼，將兩者結合，就可以在不影響 SSDC2 為系統提供的電氣阻尼情況下，增加電氣諧振頻率的互補頻率處的電氣阻尼，實現將整個頻段的電氣阻尼調整為正。稱這種改進型的分模態次同步阻尼控制器為 SSDC3。其基本框架結構如圖10所示。

圖10 改進分模態次同步阻尼控制器

其第5通道的相位補償角度和可調相位偏差角度如表7所示。

表7 SSDC3通道5參數設置

表8 SSDC3通道5增益設置

在IEEE 第一測試模型中投入 SSDC3時系統的電氣阻尼特性如圖11所示。

從圖11可以看出，投入將窄帶通次同步阻尼控制器與分模態次同步阻尼控制器組合設計新的次同步阻尼控制器SSDC3，所有頻段上的電氣阻尼均為正值。

圖11 投入SSDC3系統的電氣阻尼轉矩系數

4 STATCOM抑制次同步振蕩仿真

為了進一步驗證設計的SSDC抑制 SSO 的有效性，利用 PSCAD/EMTDC 電磁暫態仿真軟件對圖5所示的系統進行時域仿真分析。仿真時忽略轉子軸系機械阻尼，設置t=3 s 時處發生三相接地短路，短路持續時間0.05 s。

圖12 不投入抑制裝置時各軸段間的扭矩

從圖12可以發現系統在沒加 STATCOM 時各個軸段間的扭矩曲線呈現發散趨勢，即系統發生次同步振蕩。從圖13、圖14、圖15可以發現在投入抑制裝置SSDC1、SSDC2、SSDC3后各軸段間的扭矩在故障發生后有小值發散，隨著故障的消除，補償電流注入產生的阻尼作用，扭矩逐漸收斂，最后各軸段穩定在正常扭矩值。由圖13和圖14、圖15相比較可得出，投入SSDC1時，各軸段間的扭矩在7.5 s時收斂為穩態扭矩值，投入SSDC2、SSDC3時，各軸段間的扭矩在6 s左右收斂為穩態值。這是因為投入SSDC1時只有在扭振模態頻率處電氣阻尼為正值，投入 SSDC2 后除 24 Hz 外整個頻段的電氣阻尼均為正值。投入SSDC3后整個頻段的電氣阻尼均為正值，仿真發現系統發生故障后，扭振模態頻率處的振蕩會引起其他頻率的振蕩。如果設計的次同步阻尼控制器在整個頻率范圍內電氣阻尼均為正值，其可以在發生次同步振蕩時更好更快地加以抑制。

圖13 投入抑制裝置 SSDC1 時各軸段間的扭矩

圖14 投入抑制裝置 SSDC2 時各軸段間的扭矩

圖15 投入抑制裝置 SSDC3時各軸段間的扭矩

5 結 論

時域仿真驗證與對比，得出下列結論。

(1) 設計的3個次同步阻尼控制器都可以達到抑制SSO的目的， 也就是說在軸系扭振模態頻率處電氣阻尼轉矩系數為正就可以抑制次同步振蕩。

(2) 如果可以使整個頻段的電氣阻尼轉矩系數為正，發生次同步振蕩后施加抑制裝置時發電機各機械量和系統中電氣量起始振蕩幅值更小，恢復到平衡位置的時間更短，對發電機軸系的疲勞損傷最小，對系統中電氣設備的危害也越小。

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