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摘要：彈性交流輸電系統(tǒng)設(shè)備，如晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)、制動(dòng)電阻、并聯(lián)電容電抗與靜態(tài)移相器被用來動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置，以提高系統(tǒng)的靜態(tài)特性和暫態(tài)穩(wěn)定度。現(xiàn)代電力系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，擾動(dòng)常改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致非線性響應(yīng)。本文采用晶閘管控制串聯(lián)電容器提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度，晶閘管控制串聯(lián)電容器的阻抗由輔助進(jìn)相-遲相控制器根據(jù)發(fā)電機(jī)速度偏差進(jìn)行調(diào)整，輔助控制器參數(shù)由基于模態(tài)控制理論的極點(diǎn)指定法來確定。針對(duì)指定的操作點(diǎn)設(shè)計(jì)控制器，探討系統(tǒng)在不同加載條件下，不同功率因數(shù)，端電壓下的閉環(huán)特征值靈敏度。并對(duì)具有輔助進(jìn)相-遲相控制器的晶閘管控制串聯(lián)電容進(jìn)行檢測(cè)，以保證電力系統(tǒng)在各運(yùn)行點(diǎn)的阻尼特性。數(shù)值模擬結(jié)果表明提出的控制能有效的提高大信號(hào)瞬態(tài)穩(wěn)定度和電力傳輸能力。 傳統(tǒng)交流輸電網(wǎng)的電流潮流屬于自然分布狀態(tài)，不易控制電流流向。在并聯(lián)的網(wǎng)路中，當(dāng)某條線路輸送功率改變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致同一并聯(lián)電路輸送電力的改變或?qū)е颅h(huán)流。若傳輸功率增加時(shí)，會(huì)造成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度的惡化或電壓崩潰。彈性交流輸電系統(tǒng)是指在傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)中，引入電力電子技術(shù)，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率。通過引入可控大功率電子元件，使輸電網(wǎng)的阻抗、相角可控，使電網(wǎng)功率潮流分布可控，直接控制有功功率和無功功率的傳輸，提高系統(tǒng)應(yīng)對(duì)緊急事故的靈活性，提高現(xiàn)有輸電設(shè)備的傳輸能力和系統(tǒng)穩(wěn)定度[1-3]。 彈性交流輸電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)電力潮流可彈性控制;(2)輸電能力可大幅提高;(3)防止設(shè)備與系統(tǒng)故障的累積，避免連鎖效應(yīng);(4)提升區(qū)域間電能傳輸能力，充分利用發(fā)電容量;(5)根據(jù)系統(tǒng)需求提供快速靈活補(bǔ)償，改善供電品質(zhì);(6)抑制電力系統(tǒng)振蕩。彈性交流輸電系統(tǒng)設(shè)備，如并聯(lián)電容電抗、晶閘管控制制動(dòng)器、靜態(tài)同步調(diào)相器、靜態(tài)移相器與晶閘管控制串聯(lián)電容器被用于調(diào)整動(dòng)態(tài)網(wǎng)路，以加強(qiáng)系統(tǒng)靜態(tài)特性與暫態(tài)穩(wěn)定度。對(duì)于長(zhǎng)距離輸電線路，為避免壓降過大，常使用晶閘管控制串聯(lián)電容器提高線路輸電能力[4-5] 。 本文在模態(tài)控制理論的基礎(chǔ)上提出的極點(diǎn)指定法來確定彈性交流輸電系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)法則，提高控制器適應(yīng)性以滿足電力系統(tǒng)復(fù)雜、高度非線性及狀態(tài)多變的使用特性。 1 晶閘管控制串聯(lián)電容器 多模塊的晶閘管控制串聯(lián)電容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。單個(gè)TCSC模塊由一個(gè)串聯(lián)電容器并聯(lián)一個(gè)晶閘管控制器，為了防止過電壓，還會(huì)并聯(lián)一個(gè)金屬氧化物可變電阻。一個(gè)完整的補(bǔ)償系統(tǒng)由多個(gè)模塊串聯(lián)而成，并且有一個(gè)旁路開關(guān)，在TCSC故障或維修時(shí)將其旁路掉[6-7] 。 TCSC方框圖如圖2所示，其中Xa為開環(huán)輔助信號(hào)，如電力潮流控制信號(hào);Xr為TCSC的初始操作點(diǎn)，Xm為調(diào)制小信號(hào)輸入，上述三個(gè)信號(hào)合成TCSC的控制信號(hào)Xd。TCSC的自然響應(yīng)延遲為時(shí)間的單一函數(shù)，用TT表示;TCSC的輸出等效阻抗受操作模式與容量而存在上下限XTmax和XTmin;XT與固定電容Xf合成Xtotal。 由TCSC方框圖得到1階微分方程式： (1) TCSC的初始操作點(diǎn)Xr可由系統(tǒng)操作點(diǎn)Xtotal反推得到： (2) 2 電力系統(tǒng)模型 當(dāng)電力系統(tǒng)有小負(fù)載變動(dòng)或系統(tǒng)本身發(fā)生自發(fā)性低頻振蕩時(shí)的動(dòng)態(tài)行為，即小信號(hào)穩(wěn)定度。低頻振蕩現(xiàn)象是一種轉(zhuǎn)軸的動(dòng)態(tài)行為，其頻率大約在0.5 Hz~2Hz之間，可用線性系統(tǒng)中的頻域特征值來分析。 全部的特征值涵蓋的頻率范圍很廣，其中對(duì)應(yīng)的低頻振蕩部分稱為系統(tǒng)機(jī)電模式。系統(tǒng)低頻振蕩常導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)困難，嚴(yán)重的可引起系統(tǒng)停機(jī)等穩(wěn)定度問題。 電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，若系統(tǒng)有足夠的阻尼時(shí)，在干擾解除后發(fā)電機(jī)可迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。改善穩(wěn)定度的方法有在靜態(tài)勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)中外加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，設(shè)計(jì)良好的調(diào)速器和汽輪機(jī)控制器。調(diào)整靜態(tài)功率補(bǔ)償器的虛功率，并聯(lián)電抗器和靜態(tài)移相器，以提高系統(tǒng)的阻尼，提高穩(wěn)定度。 隨著大功率電子元件的快速發(fā)展，晶閘管控制串聯(lián)電容器能有效提升電網(wǎng)的輸電效率，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度。典型的單機(jī)無限匯流排電力系統(tǒng)如圖3所示，勵(lì)磁系統(tǒng)采用如圖4所示的IEEE Type1勵(lì)磁機(jī)，發(fā)電機(jī)的非線性動(dòng)態(tài)行為利用雙軸模型來描述。 結(jié)合發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)方框圖，得到7個(gè)1階微分方程式，如式(3)至(9)。 (3) 其中 表示發(fā)電機(jī)經(jīng)氣隙傳送的電磁功率。 (4) (5) (6) (7) (8) 其中 為勵(lì)磁機(jī)的飽和函數(shù)。 (9) 電網(wǎng)傳輸線與發(fā)電機(jī)端電壓關(guān)系式為： (10) (11) 3 特征值分析 未加晶閘管控制串聯(lián)電容器前的開環(huán)系統(tǒng)，其完整的特征值列于表1的第2列，系統(tǒng)的機(jī)電振蕩模式不穩(wěn)定。只加入晶閘管控制串聯(lián)電容器而未加入輔助控制器的完整特征值列于表1第3列，系統(tǒng)的低頻振蕩阻尼雖有改善，但仍不穩(wěn)定。所以必須施加控制信號(hào)至晶閘管控制串聯(lián)電容器的控制機(jī)構(gòu)。即 為控制器輸出信號(hào)。 為使電力系統(tǒng)頻率誤差量有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，Ui根據(jù)系統(tǒng)輸出狀態(tài)量測(cè)量值的不同，而隨時(shí)發(fā)生變化。 本文利用如圖5所示的進(jìn)相-遲相控制器來增加低頻振蕩阻尼，控制器的傳遞函數(shù)如式(12)，可以化成(13)至(14)兩個(gè)一階微分方程式。 (12) (13) (14) 進(jìn)相-遲相控制器的參數(shù)可以根據(jù)基于模態(tài)控制理論的極點(diǎn)指定法來決定。將不穩(wěn)定的低頻振蕩模式特征值移至預(yù)設(shè)的穩(wěn)定位置，經(jīng)過簡(jiǎn)單的矩陣運(yùn)算，可得到控制器的參數(shù)值，詳細(xì)的運(yùn)算法則如下所示。 對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，其狀態(tài)方程式可寫成： 其中X(t)為n×1開環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)向量; U(t)為m×1系統(tǒng)的輸入向量，Y(t)為p×1系統(tǒng)的輸出向量，A、B、C均為常數(shù)矩陣。經(jīng)過拉氏變換到頻域后，得： 如果輸出至控制器的傳遞函數(shù)為U(S)，m×p向量，則： 可得： S代入指定特征值，經(jīng)矩陣運(yùn)算后，可得控制器U(S)中的參數(shù)。 極點(diǎn)指定法在使用時(shí)有以下幾點(diǎn)限制： (1)所求得的控制器參數(shù)必須合理，且具可行性。如時(shí)間延遲常數(shù)需為正值，比例放大值不可過大等。 (2)必須使整個(gè)系統(tǒng)的特征值穩(wěn)定。 (3)所指定的極點(diǎn)需合理，且不能影響整個(gè)系統(tǒng)其他部位的特性。根據(jù)以上法則，求得的結(jié)果如下： 預(yù)設(shè)特征值的低頻振蕩模式：-1.2±j6.0 進(jìn)相-遲相控制器的參數(shù)為： ， 。 系統(tǒng)加入TCSC與進(jìn)相-遲相輔助控制器后的特征值如表1第4列所示，機(jī)電模式振蕩的特征值準(zhǔn)確的落在指定的位置上，其他模式的阻尼也得到了改善。 針對(duì)特定操作點(diǎn)設(shè)計(jì)的控制器，討論控制器的適應(yīng)性和適用范圍，針對(duì)系統(tǒng)在不同發(fā)電機(jī)輸出功率、端電壓、功率因數(shù)的低頻振蕩模式與發(fā)電機(jī)特征值分別列于表2-表4。由表2可以看出，低頻振蕩模式因發(fā)電機(jī)負(fù)載增加而造成阻尼降低。另外由表3可以看出端電壓越高時(shí)，系統(tǒng)的阻尼越好。由表4可以看出未加入TCSC前，發(fā)電機(jī)低頻振蕩模式隨功率因數(shù)的增加而阻尼變差;加入TCSC后，發(fā)電機(jī)特征值特性未變，低頻振蕩模式則隨功率因數(shù)的增加阻尼變得更好。 4 時(shí)域模擬分析 特征值分析是在指定的操作點(diǎn)，對(duì)非線性系統(tǒng)作線性化后，分析其特征值穩(wěn)定度，適合于小信號(hào)穩(wěn)定度分析。由于電力系統(tǒng)有很多限制器和飽和現(xiàn)象，如勵(lì)磁機(jī)、TCSC等，所以需利用非線性微分方程作時(shí)域計(jì)算機(jī)模擬，以驗(yàn)證TCSC與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性是否與特征值分析結(jié)果一致。 首先，機(jī)組在0.2 s時(shí)，突然有0.1 pu的機(jī)械轉(zhuǎn)矩加入，持續(xù)100ms后恢復(fù)，未加TCSC前的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖6所示，系統(tǒng)狀態(tài)不穩(wěn)定;加入TCSC與設(shè)計(jì)的進(jìn)相-遲相控制器后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖7所示，并于未加TCSC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，可以看出TCSC能夠抑制機(jī)電模式低頻振蕩的效果。相反圖8、圖9為機(jī)組在0.2s時(shí)，突然降低0.1pu的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，持續(xù)100 ms后恢復(fù)，未加TCSC與加入TCSC與控制器后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖。可知不論機(jī)組在加速或減速擾動(dòng)下，TCSC結(jié)合控制器均能有效抑制系統(tǒng)的低頻振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度。 另一種狀態(tài)下，輸電線路2發(fā)生斷線擾動(dòng)，輸電線路2在0.2 s時(shí)并聯(lián)的雙線中的一條線跳脫，持續(xù)100 ms后恢復(fù)，未加TCSC前的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖10所示，系統(tǒng)狀態(tài)不穩(wěn)定;加入TCSC與設(shè)計(jì)的進(jìn)相-遲相控制器后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖11所示，可認(rèn)為TCSC抑制了機(jī)電模式的低頻振蕩效果。 特征值分析與動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果表明：TCSC在穩(wěn)態(tài)下，可降低傳輸線阻抗，提高傳輸線的功率輸送量。加入適當(dāng)?shù)目刂破骱瓦m當(dāng)?shù)目刂品▌t后，TCSC不僅能提高電能輸送量，還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度。從動(dòng)態(tài)模擬中可看出，雖然TCSC的阻抗變動(dòng)在動(dòng)態(tài)下存在上下限值，但仍可有效抑制低頻振蕩。 5 結(jié)論 本文研究TCSC對(duì)電力系統(tǒng)中低頻振蕩的抑制及對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定度的提高。TCSC結(jié)構(gòu)選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ停⑵浼尤腚娏ο到y(tǒng)模型中，由特征值分析與非線性動(dòng)態(tài)模擬可知：TCSC不僅可以降低輸電線路阻抗，提高輸電線容量，加入適當(dāng)?shù)目刂破骺捎行б种齐娏ο到y(tǒng)低頻振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定度。 根據(jù)本研究獲得的初步結(jié)論，后續(xù)的研究應(yīng)對(duì)多機(jī)電力系統(tǒng)中，TCSC裝設(shè)的位置與效果，以及容量和位置等關(guān)系進(jìn)行研究。除此之外，研究多機(jī)電力系統(tǒng)中，TCSC的控制法則，包括選擇反饋信號(hào)與控制器形態(tài)，將TCSC研究成果應(yīng)用于電力系統(tǒng)，為TCSC用于彈性交流輸電系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。 附錄：系統(tǒng)參數(shù) (1) 發(fā)電機(jī)和輸電線路 MG=6.44 DG=1.5 RA=0.0 Xd=1.93 Xq=1.74 X’d=0.47 X’q=0.47 T’d0=6.66 T’q0=0.44 Re=0.0 XL1=0.8 XL2=0.8 勵(lì)磁機(jī)和調(diào)壓器 KA=400 TA=0.02 KEX=1.0 TEX=1.0 KF=0.06 TF=1.0 AEX=0.098 BEX=0.553 VRmax=7.3pu VRmin=-7.3pu (2) 晶閘管控制串聯(lián)電容器 Xr=-0.1pu TT=0.015s XTmax=0.0pu XTmin=-0.2pu (3) 初始操作狀態(tài) PG=0.9pu PF=0.9 Xf=-0.1 參考文獻(xiàn)： [1]N.H. Hingorani. High Power Electronics and Flexible AC Transmission Systems [J]. IEEE Power Eng. Rev., 1998: 3-4 [2]N.H. Hingorani. High Power Electronics and Flexible AC Transmission Systems [C]. Presented at international symposium on Electric Energy Conversion in Power Systems, Capri, 1989 [3]S.L. Nilsson. Security Aspects of Flexible AC Transmission System Controller Applications [J]. Electric Power Energy System, 1995, 17(3):173-179 [4]M.R. Mohan, R.K. Varma. 基于晶閘管的柔性交流輸電控制裝置 [M]. 徐政, 譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005 [5]栗時(shí)平, 劉桂英. 靜止無功功率補(bǔ)償技術(shù) [M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2006 [6]何大愚. 柔性交流輸電技術(shù)和用戶電力技術(shù)的新發(fā)展 [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 1999 [7]程漢湘. 柔性交流輸電系統(tǒng) [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009, 229-230 |
