第25卷第4期2008年8月
现 代 电 力
M odern Electric Pow er
V o l 125 N o 14Aug 12008
文章编号:1007-2322(2008) 04-0001-06 文献标识码:A 中图分类号:T M 712
FACTS 装置抑制次同步振荡的研究综述
熊 萍, 李兴源, 徐大鹏, 李 伟
(四川大学电气信息学院, 四川成都 610065)
Review on Application of FACTS Devices to Subsynchronous
Oscillation Mitigation
Xio ng Ping, Li Xing yuan, Xu Dapeng, Li Wei
(School of Electr ical Eng ineer ing and I nfo rmatio n, Sichuan U niversit y, Chengdu 610056, China)
摘 要:高压直流输电(High Voltage Direct Current, HVDC) 换流器控制不当和固定串联电容补偿均可能引起次同步振荡, 严重影响系统的安全稳定运行。灵活交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems, FACTS) 装置基于大功率电力电子技术, 其快速灵活的控制为抑制次同步振荡(Subsynchronous Oscillation, SSO) 提供了新的有效手段。首先阐述了次同步振荡的产生机理和抑制措施, 然后介绍了几种典型的FACT S 装置抑制次同步振荡的机理研究, 最后介绍了控制器和辅助控制器的设计方法及控制器输入信号的选取问题。
关键词:灵活交流输电系统; 高压直流输电; 次同步振荡; 控制器; 辅助控制器
Abstract:HVDC and series capacitor com pensation in AC transmission lines may result in subsynchronous oscillation (SSO) , which seriously aff ects system safety and stability. FACTS device is an econom ical method for m itigating SSO, which only need providing corresponding control strategies. The occurring mechanism and m itigation m ethods of SSO are introduced. Several typical FACTS devices in the application of SSO mitigation are described. The design methods and the input information of controllers and their auxiliary con -t rollers are presented.
Key w ords:FACTS; HVDC; subsynchronous oscillation; controller; auxiliary controller
随着我国经济的快速发展和西部大开发战略的实施, 跨大区联网开始逐步实施。南方电网在2005年已经形成了/六交三直0的西电东送大通道, 到2010年南方电网还会有4条直流通道向广东送电, 形成复杂的多条交直流并联运行的格局, 其运行和控制将会十分复杂, 系统的安全稳定也显得格外重要。H VDC 换流器的快速控制可能会引起次同步振荡, 固定串联电容补偿可能会引起次同步谐振, 危害系统的稳定运行, 严重时甚至造成发电机轴系损坏
[1-3]
。
FACT S 技术为电力系统稳定带来得了新的控制手段, 为抑制SSO 提供了有力的工具。FACT S 技术是指采用基于大功率电力电子构成的各种装置, 结合先进的控制理论和计算机信息处理技术实现对交流输电网运行参数和变量(如电压、相角、阻抗、潮流等) 更加快速、连续和频繁的调节, 进而达到提高输电系统运行效率、稳定性和可靠性的目的。FA CT S 控制器具有多种控制功能, 通过设计FACT S 的控制器可以有效地抑制SSO 。研究FACT S 装置抑制次同步振荡不仅具有理论意义,
而且具有实用价值。
本文首先阐述了次同步振荡的产生机理和次同步振荡的抑制策略, 然后介绍几种常见的FACT S 装置抑制SSO 的机理和应用, 最后介绍了FACT S 控制器和辅助控制器的设计方法及其输入信号的选取问题, 并对FA CT S 技术抑制SSO 的应用前景进行了展望。
0 引 言
我国能源和负荷分布不均衡, 东部经济发达, 西部能源蕴藏丰富, 远距离大容量输电必不可少。
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50595412; 50577044) ; 国家科技支撑计划项目(2008BA A13B01)
1 次同步振荡的产生机理
2现 代 电 力 2008年
轴系中各质块在同步旋转的同时还会发生相对的扭转振荡, 而反映在电网侧则会出现电压、电流等电磁量在次同步频率范围内的波动。其中, 次同步谐振(Subsynchro no us Resonance, SSR) 是指在特殊的运行状态下, 电网与发电机组之间以一个或多个次同步频率进行的明显的能量交换现象。SSO 的概念比SSR 的概念范围大一些, 它在更大的范围内研究机电耦合系统的相互作用, 包括汽轮机组和H VDC 、电力系统稳定器(Pow er Sy stem Stabiliz -er, PSS) 以及FACTS 控制器等电气设备之间的相互作用。
串联电容补偿的电力系统中发生次同步谐振的机理[1, 2, 4]:当定子回路的电磁谐振频率X e 与轴系的某一自然扭振频率为X m 互补, 即当X e 和X m 之和为同步频率时, 发电机转子频率为X m 的振荡分量将在定子绕组中引起次同步频率1-X m 的电流分量, 此电流分量对此振荡分量产生负阻尼作用, 从而形成机械与电气间的相互激励。如果这种激励能够抵偿或超过机械和电磁振荡中的各种阻尼和电阻的功率消耗, 振荡便得以维持甚至发散。
H VDC 引起SSO 现象:许多专家认为是换流站控制参数的不合理导致整流站附近发电机机组轴系扭振, 或是由非特征谐波引起的。换流器控制与临近汽轮发电机轴系扭转互作用的机理解释是:换流器母线电压和相位的变化, 将引起直流电压和电流偏离正常的工作点, H V DC 闭环控制系统将会对这种偏移做出响应, 引起发电机电磁转矩的摄动$T e , 如果发电机摄动量与发电机转速变化量$X之间的相角超过90b , 就会出现负阻尼, 导致轴系扭振失稳。另一类产生机理是:注入交流系统的非特征谐波中有一部分属于次同步频率的范围, 如果这部分非特征谐波流入发电机且与轴系的自然扭振频率接近就有可能诱发SSO 模式失稳。另外, PSS 是通过附加辅助信号控制励磁以加强发电机转子低频振荡的阻尼, 但是将PSS 应用于大型汽轮发电机时却有可能向轴系的某个或多个次同步扭振模态提供负阻尼, 从而激发轴系扭振。同时, 响应快速的FACTS 控制器也有可能引起次同步振荡。
次同步振荡的产生可以从三个方面来描述111 感应发电机效应
[1, 2]
[5, 6]
的负电阻超过系统电阻, 将导致该频率下振荡电流
的自激。
112 扭矩交互作用
当电气谐振频率与发电机组轴系的某一机械振荡频率/互补0, 可能发生机电扭振相互作用, 如电力系统产生的电磁转矩的负电阻作用超过轴系的机械阻尼, 则这一相互耦合的电气) 机械系统的振荡过程将持续很长时间并有可能逐渐增大。113 暂态转矩放大
系统受到大扰动的暂态过程, 如故障或开关动作, 未放完电的串联电容器会产生次同步电流, 并流入网络和发电机。这些电流在发电机中产生电磁转矩。此时如果暂态电磁转矩中有接近轴系某机械振荡频率的分量, 且该分量有较大的幅值, 则将导致很大的轴系扭矩, 对发电机轴系可能造成极大的破坏, 这种现象称为暂态扭矩放大作用。
2 次同步振荡的抑制措施
电力系统次同步振荡的预防与抑制措施主要有以下几类[2, 7-9]:
¹继电保护及系统监测:继电保护的目的是为避免扭振事故扩大以致损坏轴系, 主要保护装置有扭振继电器和电枢电流继电器。扭振监测装置主要对汽轮机进行连续的监测, 以估计大轴扭振的严重程度, 主要有扭振监测仪和应力分析仪。
º串联电容器的控制和电压整定:通过调节放电间隙来实现, 减小电压整定值以减小电网与汽轮发电机之间以次同步频率进行交换的能量, 从而限制次同步频率的轴扭矩。
»滤波:静止阻塞滤波器由若干个并联振荡回路串联而成, 它串联在升压变压器的中性点或出线端, 其中不同的并联振荡回路分别阻塞不同的次同步电流; 旁路阻尼滤波器由并联的电抗和电容器及与其串联一个阻尼电阻器组成, 它与每相的电容器并联, 作为一个感抗旁路或电阻旁路来通过电网中的次同步频率电流; 动态滤波器通过检测发电机转子的次同步电势电流而产生一个与之相位相反的电势电流以补偿前者。
¼阻尼控制:
附加励磁控制采用从轴系引来的信号来调制发电机励磁控制, 使扭矩振荡的阻尼增加。
:
在次同步频率下发电机的视在负电阻特性会产
第4期熊 萍等:FACTS 装置抑制次同步振荡的研究综述
[19, 20]
3
并联电抗器组成, 采用从发电机端引来的信号, 通过调制晶闸管触发角, 来实现对次同步振荡的控制。
各种FA CT S 装置抑制SSO 的功能一般是通过设计其控制器或附加阻尼控制器来实现的。
目前, 许多FACT 装置抑制SSO 的性能已经得到了广泛而深入的研究。FACTS 装置基于电力电子元件, 控制灵活, 响应迅速, 作为预防和抑制SSO 的措施有较大的应用前景。
阀和R -L 串联电路及其控制系统组成。NGH 的次同步振荡阻尼原理是通过控制晶闸管在适当的时机开通和关断, 电容通过电阻放电, 将次同步电磁转矩、机械转矩和轴振降至最低, 从而起到阻尼SSO 的目的。对NGH 进行详细的研究发现, NGH 只对电磁暂态转矩提供阻尼, 对扭矩互作用不提供阻尼[20]。在稳态下如果有次同步振荡发生, 可以使NGH 方案的设定时间略小于正常半周期, 即采用预触发方案[21]。文献[22]比较了传统的NGH 方案(8133m s) 和预触发NGH 方案(8101m s) 阻尼扭转转矩的效果, 证明了预触发NGH 方案在阻尼不稳定扭转振荡中的有效性。NGH 的控制策略相对简单, 也比较容易实现, 在工程上有较大的实用价值。
¼静止同步串联补偿器
静止同步串联补偿器(State Synchronous Se -r ies Compensation, SSSC) 是用直流电容器作为能量存储单元的DC/A C 电压源变换器, 一般通过耦合变压器串联连接到线路上。作为一种昂贵的装置, SSSC 并不单独用来补偿输电线路。实际的方案是采用相对容量较小的SSSC 与固定电容器一起进行补偿。SSSC 的串联耦合变压器提供了一个相对小的感性输出阻抗, 除了基本的操作频率外, SSSC 的有效输出阻抗、频率特性保持一个小电感特性。因此, SSSC 不能形成串联谐振电路来激发次同步振荡[25]。另外, SSSC 的响应速度非常快, 为SSSC 设计阻尼控制器, 可以有效地阻尼次同步振荡[26, 27]。312 并联型FACTS 装置
¹静止无功补偿器
静止无功补偿器(Static Var Com pensatio n, SV C) 的主要作用是电压控制, 但是采取适当的控制方式后, SV C 也可以有增加阻尼系数、增强稳定性等作用。SVC 缓解SSO 的工作原理是:选取含有原动机扭振模式的测量量作为控制器的输入信号, 据此控制晶闸管的触发角, 改变T CR 支路的电流大小, 进而微调发电机的输出功率, 产生阻尼转矩来抑制SSO 。在文献[28]中, 将发电机转速偏差作为SVC 的辅助稳定控制信号, 与电压稳定控制信号一起可以很好地阻尼SSO 。
º静止同步补偿器
静止同步补偿器(State Synchronous Com pen -, [23, 24]
3 FACTS 装置抑制次同步振荡的机理
311 串联型FACTS 装置
¹晶闸管控制串联电容器
晶闸管控制串联电容器(Thy ristor Controlled Series Capacitor, TCSC) 控制次同步谐振的机理有两种[10-12]:电阻性机理和电感性机理。电阻性机理的解释是:T CSC 在次同步频率下的阻抗的实部为正, 即表现为正的电阻性特性, 从而可以阻尼次同步谐振。电感性机理的解释是:T CSC 的等值阻抗随着频率的降低从容性过渡到感性, 破坏了SSR 发生的条件, 但是这种机理不能解释某些T CSC 呈现容性阻抗时也能抑制SSR 。T CSC 抑制次同步谐振的机理还需要进行深入的研究。一般对应于较大的触发延迟角(170b ~180b ) , T CSC 的等值阻抗表现为容性, 此时TCSC 抑制SSR 受到限制
[13]
, 此
时通过调制TCSC 的触发延迟角来改变次同步频率下的T CSC 等值容抗使对应于扭振模式的电气谐振频率失谐则可以有效抑制SSR [14, 15]。
º门极可关断串联电容器
门极可关断串联电容器(Gate Contro lled Ser ies Capacitor, GCSC) 是一对反并联的门极可关断晶闸管GT O(或绝缘栅双极型晶体管IGBT ) 与固定电容器并联的FACTS 装置, 阻抗调节范围比TCSC 宽, 根据线路频率调制GCSC 的关断角, 可以有效地抑制SSR
[16-18]
。文献[18]中在IEEE 第一标准
模型的基础上加装GCSC 进行ATP/EM TP 仿真, 仿真证明GCSC 在有些条件下甚至不加任何控制器就可以完全抑制SSR, 而加有以功率信号为反馈信号的控制器则使GCSC 可以在更大的范围内更快速地抑制SSR 。
»NGH 阻尼器
NGH 阻尼器是一种专门为抑制SSO 而设计的
4现 代 电 力 2008年
是STA TCOM 是并联接入线路中, 改变其交流侧电容电压幅值或变换器的调制比, 可以控制交流输出功率的极性(感性和容性) 和大小[29]。ST AT -COM 对线路进行并联补偿, 基本上不会改变系统的次同步振荡特性。其电压控制器只能减小负阻尼的峰值, 要充分阻尼所有的振荡模式, 需要额外的控制信号[30, 31]。文献[31]中当配有电压控制器和辅助发电机转速偏差反馈稳定器的STAT COM 接入系统后, 可以阻尼IEEE 第一标准测试系统中的所有扭振模态。
»组合型FACTS 装置
SSSC 和ST AT COM 通过公共侧的电容耦合就组合成统一潮流控制器(Unified Power -Flow Contro-l ler, UPFC) , 解耦后可以分别作为STATCOM 和SSSC 独立运行。UPFC 具有全面的补偿功能, 通过不同的控制策略的设计, UPFC 可以用于控制母线电压、线路潮流, 提高系统稳定性和抑制系统振荡
-34]等[32。文献[34]推导出含有UPFC 的系统的电
数的自适应变化。
FACT S 控制器一般不能完全阻尼所有的SSO 模式, 而需要加装辅助控制器, 辅助控制器的目的是加强关键扭转频率范围内的阻尼转矩[28, 33]。文献[41]设计的PI 控制的SVC 附加控制器, 能够在较大范围内为扭振模式提供阻尼。文献[36]用鲁棒控制理论和MATLAB 的H ]算法计算传递函数, 得到了鲁棒控制器, 仿真结果表明带有H ]附加阻尼控制器的T CSC 能有效地阻尼不稳定的扭转振荡。
在控制中也要注意FACT S 之间以及和系统中的其它元件之间进行协调控制, 使控制方案能够达到全局性的有利改进。目前在这方面的研究比较少。文献[42]讨论了SVC 与PSS 之间的协调控制问题, 值得参考。412 控制器输入信号的选取
控制器输入信号的选取对于控制器的控制效果起着决定性的作用, 控制器输入信号的选择应该遵循两个原则:¹信号是可测量的; º输入信号能够很好地反映SSO 现象的本质, 对其它的振荡模式敏感性最小。一般说来, 控制器输入信号主要有:线路电流、电压、有功功率、母线频率、远方发电机转子角/速度偏差、远方母线电压相角差、临近线路的有功功率等。相角差的测量可以采用同步相量测量单元来完成, 临近线路的功率信号等远方信号可以通过遥测、遥信装置传输到控制系统中。
文献[19]以功率信号作为辅助控制器的输入信号, 几乎可以阻尼所有的扭振模式。文献[28, 31]指出以发电机转速作为SVC 控制器输入信号, 能阻尼发电机与电气网络的扭振模式, 但不能阻尼大扰动下的暂态转矩, 而将SVC 装在输电线路的中央, 以母线电压相角差作为辅助控制器的输入信号几乎可以阻尼所有的振荡模式, 并且以发电机转速偏差和输出电气功率作为其输入信号的PSS 与SV C 共同作用可以阻尼大扰动下的暂态转矩[42]。
气复转矩系数, 采用PI 控制改变串联输出电压, 以发电机转速偏差作为输入信号, 可以改变系统的电气阻尼系数, 使电气阻尼系数和机械阻尼系数之和大于零, 从而有效地阻尼系统的次同步振荡。
4 FACTS 装置控制策略
FACT S 元件抑制SSO 功能的实现, 在很大程度上取决于控制器的优劣。控制器的设计原则有:
¹控制器的输入信号应尽可能地采用当地信号, 以便于工程实现;
º能有效地阻尼次同步振荡模式, 不会激发其它振荡模式;
»具有一定的鲁棒性, 在运行方式变化时仍能有效地阻尼振荡模式。411 控制器设计方法
控制器的设计方法主要有:PID 控制、最优鲁棒控制、自适应控制、人工智能等。文献中使用最多的是PID 控制
[31, 34, 35]
, 它结构简单, 但鲁棒性
5 研究展望
通过对FACT S 装置抑制次同步振荡的综述, 提出对以后研究的几点展望:
¹目前没有一种控制器或一种方案可以有效抑
制不同串联补偿水平、不同负荷条件以及不同故障类型下所有的SSO 模式, 控制器的设计可以向自;
差, 参数难以得到最优配置。而鲁棒阻尼控制对于不确定性参数、不同负荷条件、不同故障类型、不同故障地点等情况下的系统的鲁棒性强。文献[39]将模糊逻辑控制与传统的PID 控制结合, 在串联FA CT S 系统中抑制了扰动下的不稳定振荡。[[36-38]
第4期熊 萍等:FACTS 装置抑制次同步振荡的研究综述5
º远方信号的测量传输存在实时性问题, FACT S 控制器输入信号的选取和通信的发展将进一步提高控制器的控制效果;
»FACT S 装置之间以及与其它装置间的协调控制问题需要进一步的研究, 以提高系统整体的运行性能。
参
考
文
献
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收稿日期:2008-02-29作者简介:
熊 萍(1983) ) , 女, 硕士研究生, 研究方向为电力系统稳定与控制;
李兴源(1945) ) , 男, 教授, 博士生导师, 中国电机工程学会理事, I EEE 高级会员, 研究方向为高压直流输电、电力系统稳定与控制, 分布式发电等。
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transactions on po wer systems, 1999, 14(3) :1055-
(责任编辑:张一工)