基于測試信號法的HVDC附加次同步阻尼控制器設計

王　杉，張　超，王立德，王渝紅，李興源（. 四川大學電氣信息學院，成都 60065；. 湖南省電力公司檢修公司，長沙40004）

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基于測試信號法的HVDC附加次同步阻尼控制器設計

王杉1，張超2，王立德2，王渝紅1，李興源1
（1. 四川大學電氣信息學院，成都 610065；2. 湖南省電力公司檢修公司，長沙410004）

[摘要]針對汽輪發電機組的次同步振蕩（SSO）問題，從系統電氣阻尼角度闡述了附加次同步阻尼控制器（SSDC）抑制次同步振蕩的機理，進而提出一種基于測試信號法相位補償原理的SSDC設計方法。對SSDC的結構、輸入信號的選取、相位補償等方面進行了論述和設計。在PSCAD/EMTDC中構建SSO的測試系統，基于測試信號法計算，該系統電氣阻尼系數為負，表明測試系統會引發SSO。采用所設計的SSDC控制后，電氣阻尼系數均為正。時域仿真也驗證了所設計的SSDC能夠有效抑制直流控制引起的SSO。

[關鍵詞]測試信號法；次同步振蕩；附加次同步阻尼控制器；電氣阻尼系數；相位補償

0　引言

HVDC輸電快速可控，存在著與汽輪發電機組軸系發生次同步扭振相互作用的可能性[1]。隨著大區域交直流混合輸電大電網的形成，高壓直流輸電引起的次同步振蕩問題越來越突出。確保電力系統安全穩定運行日益重要，因此研究抑制直流控制引起SSO的措施具有重要現實意義。

分析SSO問題的方法主要有頻域掃描法，特征值法，時域仿真法和復轉矩系數法。復轉矩系數法由I.M. Canay提出，在分析交直流系統SSO問題時可以考慮換流器的非線性[2]。文獻[3]提出基于廣域測量系統的次同步振蕩在線監測預警方法。文獻[4]提出Prony算法的次同步扭振模態參數辨識。文獻[5]提出基于TLS-ESPRIT算法設計SSDC，具有很強的魯棒性。本文提出一種基于測試信號法相位補償原理的SSDC設計方法來抑制直流控制引起的SSO。

1　測試信號法原理

測試信號法采用時域仿真的方法實現復轉矩系數法。擾動施加在整流側電流參考環節上，直流閉環控制能直接對擾動作出快速響應。對于一臺待研發電機組，發電機電磁轉矩的增量可用式（1）來表示[2]：

實現測試信號法具體步驟如下[6]：

（1）對確定的穩定運行點，整流側定電流調節器的電流參考環節上施加小信號振蕩電流△I0（包含不同的頻率，頻率范圍為5Hz到45Hz），幅值為0.05p.u.。

式中：λ<1，Tλ、φλ分別是小信號比例系數和初相位，要求Tλ較小。

（2）仿真到系統進入穩態，截取小值脈動一個公共周期上的發電機電磁轉矩△Te和發電機角速度的變化量△ω。

（4）根據式（3），求出電氣阻尼系數De：

文獻[7]提出系統發生次同步振蕩的判據為總阻尼D小于0，如式（4）所示。

式中，Dmj為機組第j扭振模式的機械阻尼系數；Dej為機組第j扭振模式的電氣阻尼系數。

2　SSDC的設計

2.1SSDC的設計原理

同時我們又單獨測試了石英基底的熒光光譜，結果表明石英基底并不具有上轉換熒光現象，由此可以證明上轉換熒光是由基底表面的Ce3+摻雜YAG熒光薄膜材料所產生的。

根據測試信號法，系統的電氣阻尼系數De可以用式（3）求得。SSDC提供的附加電磁轉矩T△e′作用大小可用圖1說明。

圖1　電磁轉矩變化量與轉速偏差相位圖

SSDC的設計原理是根據測試信號法原理，提供一個位于第1象限的具有超前相位的附加電磁轉矩△Te′，使得△Te與△Te′的相量之和△Te″在第1象限，從而能夠抑制SSO。

2.2SSDC的結構

基于2.1節的SSDC設計原理，從工程實踐考慮，附加次同步阻尼控制器的結構如圖2虛線框所示。SSDC由測量環節、PLL環節、帶通濾波環節、相位補償環節、增益環節及限幅環節構成。

圖2　SSDC結構和定電流控制框圖

2.3.1輸入信號的選擇

SSDC采用的輸入信號主要有發電機轉速偏差△ω和系統頻率偏差△f兩種。△ω對次同步分量的響應特性較好，但實際工程中HVDC的換流站往往與發電廠有一定的距離。因此，SSDC采用就地頻率偏差控制的方法更符合工程實際，通常采用整流側換流母線電壓信號作為測量環節的輸入信號。

2.3.2相位補償環節

相位補償環節是SSDC設計的關鍵，參數選擇不合適不但不能抑制振蕩反而會加劇振蕩。

式中，ωa為所選擇相位補償的頻率；θ為ωa所對應的需要補償的超前相角；T1、T2為補償環節的時間常數。

SSDC能夠提供的附加電磁轉矩的大小，不但與輸入信號△f有關，還與圖2中增益K1有關。因此，應根據系統實際的情況確定合理的K1值。

3　仿真分析

3.1測試系統

仿真分析采用的系統模型如圖3所示。采用IEEE第一標準測試系統發電機模型G[8]，經變壓器T1和換流變壓器T2與直流系統連接。送端交流等值系統為SR，ZSR為其等效阻抗。受端系統為S1，ZS1為其等效阻抗，系統短路比為2.5。發電機額定容量為892.4MVA。

直流系統采用CIGRE直流輸電標準測試系統[9]，直流額定輸送功率為1000MW，額定電壓為500 kV。直流系統采用單極12脈動結構，直流線路采用T型模型，整流側采用定電流控制，逆變側采用定熄弧角控制。定電流控制器的詳細框圖如圖2所示，定電流控制器輸出觸發角信號α，其中K=1.0989，T4=0.01092 s；K2=0.5、T3= 0.0012 s。T1兩側電壓為26 kV/345 kV，u%=0.14 p.u.，系統基準容量100 MVA，基準電壓345kV。

圖3　仿真系統模型

3.2待補償相位及SSDC參數設計

3.2.1待補償相位

相位補償環節是SSDC的關鍵環節。由前述分析可知，待補償的相位是發電機組電磁轉矩△Te到發電機組轉速△ω的滯后相位。按第1節測試信號法的步驟，分析結果如圖4所示。

圖4　△Te與△ω的相頻特性

△Te與△ω的相位差決定了系統電氣阻尼系數的性質。根據圖4可知，在23Hz以下低頻段，△Te與△ω的相位差超過了90°；系統的電氣阻尼系數De為負，則存在SSO的可能。

3.2.2SSDC參數設計

整流側定電流控制器輸出加入SSDC，如圖3所示。控制器參數如下：PLL參數中KPLL_P=50，KPLL_INT=900；2階帶通濾波器帶寬設置為5到45Hz。根據圖4待補償相位，為達到理想補償相位設計2個一階環節，在5Hz和15Hz分別補償30°，相位補償環節參數根據式（5）確定，2組參數中T1/T2分別為0.0559/0.00186和0.0275/0.0092；增益系數K1取值20，限幅環節范圍為±0.05p.u.。

3.3阻尼特性分析

對于圖3所示的仿真系統，根據測試信號法步驟，計算出無SSDC控制和加入SSDC的電氣阻尼系數De。發電機組次同步頻率范圍內（5Hz到45Hz）的電氣阻尼系數De的計算結果如圖5。

圖5　系統電氣阻尼系數De仿真結果

基于測試信號法計算，由圖5（a）可以看出，未加入SSDC時，系統30Hz以下電氣阻尼均為負值，表明測試系統會引發SSO。由圖5（b）可以看出，加入SSDC后系統電氣阻尼均為正值，表明SSDC能夠為系統提供正阻尼來抑制SSO。

3.4時域仿真結果

為了驗證SSDC參數的有效性，利用PSCAD/EMTDC程序對圖3所示的系統進行時域仿真。發電機軸系由高壓缸HP、中壓缸IP、低壓缸LP以及發電機GEN和勵磁機EXC 5個集中質量塊組成。參數同IEEE第一標準測試系統模型，其中30Hz以下振蕩模式的頻率依次為15.71Hz、20.21Hz和25.55Hz。對應的機械阻尼系數Dmj分別為0.54、12.2和0.775。由圖5所示的電氣阻尼特性可知，無SSDC時15.71Hz對應的電氣阻尼系數為-1，根據式（4）計算，軸系的總阻尼系數為-0.46，因此軸系發生該振蕩模式的扭振。

SSDC采用3.2.2節的控制參數，2s時刻在電流參考環節施加小信號振蕩電流△I0，擾動持續5個工頻周期（0.1 s）。通過時域仿真分析無SSDC及加入SSDC兩種情況下系統發生擾動時發電機各段軸系轉矩變化，如圖6所示。

由圖6（a）可以看出，未加入SSDC控制時，系統受擾動后發電機各段軸系的轉矩都是發散的，表明SSO模式不穩定。由圖6（b）可以看出，加入SSDC后發電機各段軸系上的轉矩迅速衰減，說明SSDC有效抑制了軸系的扭振振蕩，這與電氣阻尼特性分析的結果一致，表明SSDC能有效抑制由于直流系統控制所引起的SSO。

圖6　系統發生擾動是發電機各段軸系轉矩仿真結果

4　結語

（1）論述了測試信號法計算系統電氣阻尼系數的原理。從電氣阻尼特性角度闡述SSDC抑制SSO的機理，進而提出基于測試信號法相位補償原理的SSDC設計方法。

（2）重點闡述了SSDC設計中的控制器結構、輸入信號的選取、相位補償等方面，提出了一種便于工程實現的SSDC設計方案。

（3）在PSCAD/EMTDC中構建了次同步振蕩的測試系統。采用文中所設計的SSDC參數，測試系統在加入SSDC后，系統電氣阻尼系數由負阻尼調整為正阻尼。時域仿真結果也驗證了所設計的SSDC能夠有效抑制直流控制引起的SSO。

[參 考 文 獻]

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[3] 王茂海, 高洵, 王蓓, 等. 基于廣域測量系統的次同步振蕩在線監測預警方法[J]. 電力系統自動化, 2011, 35(6): 98-102.

[4] 胡允東, 王西田, 劉石. 基于EMD和Prony算法的次同步扭振模態參數辨識[J]. 華東電力, 2012, 40(5): 0788-0792.

[5] 蔣平, 吳熙, 羅曦. 基于TLS-ESPRIT算法的附加勵磁阻尼控制抑制次同步振蕩[J]. 電力自動化設備, 2009, 29(10): 25-29.

[6] 張帆, 徐政. 直流輸電次同步阻尼控制器的設計[J]. 電網技術, 2008, 32(11): 13-18．

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王杉(1988-)，主要研究方向：電力系統穩定與控制，高壓直流輸電，新能源并網，碩士研究生。

審稿人：李桂芬

Design of HVDC Supplementary Subsynchronous Damping Controller Based on Test Signal Method

WANG Shan1, ZHANG Chao2,WANG Lide2, WANG Yuhong1, LI Xingyuan1
(1. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2. Maintenance Branch of Sichuan Electric Power Company, Deyang 618500, China)

Abstract:Aiming at subsynchronous oscillation (SSO) problem of turbine-generator unit, the mechanism of inhibiting SSO with supplementary subsynchronous damping controller (SSDC) was described from the view of an electrical damping characteristics in system. Based on the phase compensation principle, a method to design SSDC according to test signal method was proposed. Structure of SSDC, selection of input signal, phase compensation, etc are discussed and designed. The test system was constructed in PSCAD/EMTDC program. System electrical damping coefficient is negative, which shows that can lead to SSO. Then the electrical damping of system with SSDC are positive. Time domain simulation results validate the effectiveness of the designed SSDC.

Key words:test signal method; SSO; SSDC; electrical damping coefficient; phase compensation

[作者簡介]

[收稿日期]2015-05-14

基金項目:國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2011AA05A119）；國網四川省電力公司檢修公司科技項目（SGSCJXOOYJKJ1301058）。

[中圖分類號]TM714

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-3983(2016)01-0006-04