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TCSC次同步谐振附加阻尼控制器

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针对晶闸管控制的串联补偿电容器(TCSC)无法彻底消除系统次同步谐振(SSR)的问题,基于相位补偿原理设计了TCSC的附加阻尼控制器.通过对发电机转速差信号进行适当的放大和移相,产生附加控制信号来调节TCSC的触发角,使TCSC能够在整个次同步频段提供正的电气阻尼来抑制次同步谐振.基于IEEE SSR第一标准测试系统的频域和时域仿真表明,所设计的TCSC附加控制器能够有效抑制SSR.

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201 1年2月

第26卷第2期

V01．26 NO．2

20ll

电工技术学报

TRANSACTl0NS0F CHINAELECTROTECHNICALSOCIETY

Feb．

SC次同步谐振附加阻尼控制器

郑翔徐政张静

(浙江大学电‘气工程学院

杭州

310027)

摘要

针对晶闸管控制的串联补偿电容器(TCSC)无法彻底消除系统次同步谐振(SSR)的

问题，基于相位补偿原理设计了TCSC的附加阻尼控制器。通过对发电机转速差信号进行适当的

放大和移相，产生附加控制信号来调节TCSC的触发角，使TCSC能够在整个次同步频段提供正

的电气阻尼来抑制次同步谐振。基于IEEE SSR第一标准测试系统的频域和时域仿真表明，所设

计的TCSC附加控制器能够有效抑制SSR。

关键词：次同步谐振TCSC

中图分类号：TM712；TM761

测试信号法

附加阻尼控制器相位补偿

ATCSC_{Supplementary}

for SSR_Mitigation

Zheng ZhangJing

0027 China)

Hangzhou

Damping ^Controller

ZhengXiang

(Zhejiang

University

Abstract The

controlled

reactanceunder．

inductive

thyristor

^seriescapacitor(TCSC)can provide

subsvnchronous

which includes both conventional fixed

frequencies．However．in

hybrid system

still excite torsional modes．A

series

and TCSC．disturbances

compensation

may

supplementary

mitigation．The

controller of TCSC is

SSR

damping ^for

active electrical

and the

damping

designed

provide

method is base on

for the

of the

design

phase compensation principle

procedure

syntheses

IEEE

modified

controller

detail．The effectiveness of the controller iS validated

presented

using

SSRfirst benchmark model both in

and

results indicate

domain

time domain．The simulation

frequency

that the

controller is effective to

SSR．

mitigate

proposed

Keywords： Subsynchronous resonance(SSR)，thyristor

supplementary

controlled series

capacitor(TCSC)，

method

damping controller，phase compensation，test signal

次设备，造价低廉，在电力系统中首先得到广泛应

用；但由于励磁装置容量较小，响应速度较慢，使

SEDC抑制SSR的效果受到一定的影响。随着电力

电子器件的发展，TCSC、SVC等柔性交流输电

(FACTS)装置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p‘4J。

在利用TCSC抑制次同步谐振的研究方面，国

内外学者已做了大量的研究和实验。文献[5】通过输

入小信号电流，利用傅里叶分析来求取可控串补的

频率响应特性，认为TCSC在导通角改变的情况下，

引言

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

Resonance，SSR)，进

次同步谐振(Subsynchronous

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。

为了抑制SSR，工程界提出了多种解决方案【2】。

Excitation

其中，附加励磁控制(Supplementary

Controller，SEDC)因不需要增加系统的一

Damping

电阻始终大于等于0；文献[6】通过数字仿真研究，

认为TCSC在次同步频率下呈现感性，从而破坏了

产生SSR的条件：文献【7]通过试验和现场测试表明

TCSC对SSR呈“中性”。但出于经济上的考虑，

十一五国家科技支撑计划重大资助项目(2006BAA02A17)。

收稿日期2009．01—18

改稿日期2009．09．25

万方数据

182

201

1年2月

电工技术学报

实际的串补工程大多采用固定串补和可控串补共同

补偿的方式。对于固定串补加可控串补的这种常见

串联补偿方式，理论分析和实际工程运行经验都证

明，如果TCSC的控制器不作特殊设计，并不能排

除发生SSR的可能性。

避免TCSC出现多个谐振点，K的取值通常小于3．0。

以TCSC的基频电抗％为基准值，则TCSC等

效电抗的标幺值五ff=所csc忸与触发角口的关系如

图2所示。由图可以看出，随着触发角口的变化，

TCSC可运行在感性微调模式和容性微调模式。当

作为串联补偿应用时，TCSC通常运行在容性微调

模式。实际工程中，TCSC稳态运行时的置fr通常小

于1．5，暂态时在1．0～3．0范围内连续可调【4】。本文

选取的TCSC稳态运行点为五萨1．2，如图2中A

点，对应的基准触发角为158．80，同时采用一个触

发角限幅环节‰ i。以避免TCSC发生并联谐振。

文献[8．9]分别研究了开环控制和三种不同闭环

控制方式下TCSC导通角对SSR的影响。文献[10]

提出基于同步电压反转SVR触发控制，使TCSC在

次同步频率范围内呈现出感性阻抗特性。文献【11]

在文献[10]的基础上设计了主动阻尼控制器，通过

在各个扭振频率附近提供正的电气阻尼，达到主动

抑制SSR的目的，但这种控制方案没有利用相关发

电机的信息，无法达到在整个次同步频率范围提供

正阻尼的目标。

本文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SSR附

加阻尼控制器。基于IEEE SSR第一标准测试系统，

采用测试信号法f地】和详细轴系模型的电磁暂态时

域仿真，验证了TCSC的次同步谐振附加阻尼控制

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。

兮2

譬-2

—8

—10

100

llO

120

130

140

150

160

170

180

a／(o)

图2 TCSC稳态基波电抗与触发角口的关系

TCSC运行原理

state reactance characteristic

steady

TCSC

Fig．2

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￡并联组成，其结构如图l所示。

在TCSC和固定电容串联的系统中，TCSC的

容量是另一个影响TCSC抑制次同步谐振效果的因

素。本文中，TCSC的容量是指TCSC的稳态基波

电抗皿占总的串联补偿电抗Xc+XFc的百分比。文

献[8】的研究表明，对于相同的串联补偿度，TCSC

的容量越大，则控制SSR的效果越明显，当TCSC

的容量占总串联补偿的32％时，系统能够抑制SSR

的发生。文献[14]的分析也指出，当TCSC的容量

达到34％和44％时能够减轻串联补偿带来的SSR的

威胁。

VT2

图1 TCSC基本结构图

basic TCSC module

Fig．1

如以电容电压甜c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oc决定【13】，如式(1)所示。

系统模型

本文研究的系统模型基于IEEE SSR第一标准

测试系统【I51。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％占总串补电抗的20％，其电抗标幺值如图

3所示。TCSC采用开环恒阻抗控制，取TCSC的主

．X'TCSC=＆一袅瞰 mm”训+

tan

‘

—4—K—2—X—c—cro—s2=(了n—-一Ct)【K

K(7c一口)一tan(

‘

兀一a)]

～

x(K2—112

肛匡

电路特征参数K=√砟／XL=2．5。TCSC的基准触

发角瓯为158．80。选择发电机的运行方式为PG=

(1)

式中，五为可变电抗器的基频电抗；丘为基频下电

容器的容抗值；K是TCSC主回路的特征参数，为

0．9(pu)，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

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