全控器件勵磁系統(tǒng)改善電力系統(tǒng)阻尼特性的研究

楊嘉偉，吳建東，毛承雄，陸繼明，王丹

(華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

引言

全國性區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)在實(shí)現(xiàn)了電力資源的優(yōu)化配置、提高系統(tǒng)發(fā)電和輸電經(jīng)濟(jì)性和可靠性的同時，也會帶來一系列新的問題，其突出表現(xiàn)為由于互聯(lián)系統(tǒng)阻尼不足而導(dǎo)致的大范圍區(qū)域間的功率振蕩[1]。此外，長距離輸電是我國電網(wǎng)的另一大特點(diǎn)，研究表明，即使配置了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizer,PSS)，長距離輸電線路仍舊存在阻尼不足的情況，因此需要積極探索新的抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的措施。目前抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的方法大致可以分為一次系統(tǒng)對策與二次系統(tǒng)對策兩類。其中一次系統(tǒng)對策主要有減少重負(fù)荷輸電線、減少送受端的電氣距離、采用直流輸電以及在輸電線上裝設(shè) FACTS(Flexible AC Transmission System)；二次系統(tǒng)對策主要是指在勵磁控制系統(tǒng)中配置 PSS。發(fā)電機(jī)勵磁控制對于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性有著重要作用，是上述眾多對策中最直接、最經(jīng)濟(jì)的措施[2]。文獻(xiàn)[3-5]結(jié)合現(xiàn)代大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展，提出了一種基于全控器件(如IGBT、IGCT、GTO等)的同步發(fā)電機(jī)新型勵磁系統(tǒng)，使用全控器件換流器代替常規(guī)自并勵勵磁系統(tǒng)中的晶閘管換流器。由于全控器件換流器具備有功、無功功率單獨(dú)控制的特點(diǎn)[6]，全控器件勵磁系統(tǒng)能夠獨(dú)立的控制勵磁電壓和交流側(cè)無功功率，也就是說全控器件勵磁系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)自并勵勵磁系統(tǒng)的所有功能，還相當(dāng)于在發(fā)電機(jī)機(jī)端并聯(lián)了一個額外的無功注入環(huán)節(jié)(ReactivePower Injector, RPI)，因此全控器件勵磁系統(tǒng)擁有兩條通道為電力系統(tǒng)提供阻尼：勵磁控制和無功注入。由于勵磁繞組的時間常數(shù)是秒級的，而無功注入是毫秒級的，所以全控器件勵磁系統(tǒng)能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供更快、更多的阻尼，從而為解決電力系統(tǒng)低頻振蕩問題和提高遠(yuǎn)距離輸電能力提供了一種新的途徑。與由晶閘管構(gòu)成的常規(guī)自并勵勵磁系統(tǒng)相比，全控器件勵磁系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有[4]：

（1）基于全控器件構(gòu)成的整流橋在逆變時沒有換相失敗問題；

（2）直流側(cè)在提供同步發(fā)電機(jī)直流勵磁電流的同時，其交流側(cè)可以向同步發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)出或吸收無功，而常規(guī)自并勵勵磁系統(tǒng)無論在整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)都從機(jī)端吸收無功；

（3）在電力系統(tǒng)大幅度低頻/超低頻振蕩期間，全控器件整流構(gòu)成的自并勵勵磁系統(tǒng)具有升壓能力，仍然可以維持很好的勵磁能力，故全控器件勵磁系統(tǒng)可以達(dá)到他勵勵磁系統(tǒng)的控制效果。

本文介紹了基于電壓源型換流器(Voltage Source Converter, VSC)的全控器件勵磁系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出了其等效簡化模型，在此基礎(chǔ)上建立了裝有全控器件勵磁系統(tǒng)的單機(jī)無窮大系統(tǒng)的Philips-Heffron模型。參照設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizers，PSS)的相位補(bǔ)償法[7]，設(shè)計(jì)了全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入控制器。仿真結(jié)果表明，全控器件勵磁系統(tǒng)能夠更加有效地抑制低頻振蕩和維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

1 全控器件勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及等效模型

就 PWM 換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，可分為電壓源型換流器(Voltage Source Converter, VSC)和電流源型換流器(Current Source Converter, CSC)兩大類。其中VSC具有結(jié)構(gòu)簡單、損耗較低以及控制方便等一系列優(yōu)點(diǎn)[8]，且其平穩(wěn)的直流側(cè)電壓有利于勵磁電壓的控制。因此本文針對基于VSC的全控器件勵磁系統(tǒng)，建立了其等效模型。

基于VSC的全控器件勵磁系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。大型同步發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)要求勵磁系統(tǒng)能使勵磁電流從零開始上升(發(fā)電機(jī)零起升壓)和逆變[9]。由于VSC直流側(cè)電壓高于交流側(cè)電壓峰值及其固有的電壓源特性，VSC需要經(jīng)過一個額外的斬波器與勵磁繞組相連后才能實(shí)現(xiàn)上述功能。

通過解耦控制[6]可以實(shí)現(xiàn)VSC的有功和無功功率的獨(dú)立控制。其中有功控制的目的是維持VSC直流側(cè)電壓恒定，因此全控器件勵磁系統(tǒng)的勵磁電壓可以認(rèn)為是由恒壓源經(jīng)過斬波電路后獲得，即勵磁電壓的大小僅與斬波電路的占空比有關(guān)。無功控制是調(diào)節(jié)VSC交流側(cè)與機(jī)端交換的無功功率，為電力系統(tǒng)提供更多的阻尼。一般來說勵磁繞組的額定容量大約只占發(fā)電機(jī)的0.25%～0.5%[2]，如果忽略這部分能量，則全控器件勵磁系統(tǒng)的交流側(cè)相當(dāng)于一個并聯(lián)在機(jī)端的無功注入環(huán)節(jié)。所以全控器件勵磁系統(tǒng)可以用如圖2所示的等效模型來代替。

圖1 基于VSC的全控器件勵磁系統(tǒng)

2 基于全控器件勵磁系統(tǒng)的單機(jī)無窮大系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

裝有全控器件勵磁系統(tǒng)的單機(jī)無窮大系統(tǒng)如圖 2所示。其中Vt為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓；Vb為無窮大母線電壓；xT、xL分別為主變壓器和輸電線路的阻抗；iGd、iGq分別為發(fā)電機(jī)定子電流的d、q軸分量；iSd、iSq分別為全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入電流的d、q軸分量。

圖2 基于全控器件勵磁系統(tǒng)的單機(jī)無窮大系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)采用三階模型，而且認(rèn)為機(jī)械功率在暫態(tài)過程中保持不變，則可以得到整個系統(tǒng)的非線性方程為[2]：

由于全控器件勵磁系統(tǒng)交流側(cè)等效為一個無功注入環(huán)節(jié)，所以有：

因此，考慮全控器件勵磁系統(tǒng)交流側(cè)無功注入環(huán)節(jié)的影響后，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的表達(dá)式為：

將上述方程偏差化、線性化，則可以得到基于全控器件勵磁系統(tǒng)的單機(jī)無窮大系統(tǒng)的 Philips-Heffron模型表達(dá)式為：

其中

從圖3可以看出，由無功注入提供的電磁轉(zhuǎn)矩可以分成兩個部分：一部分轉(zhuǎn)矩與系數(shù)K10相關(guān)，直接作用于發(fā)電機(jī)機(jī)電振蕩環(huán)節(jié)；另一部分轉(zhuǎn)矩與K11和K12相關(guān)，通過勵磁繞組后間接作用于發(fā)電機(jī)。

3 基于相位補(bǔ)償法的無功注入控制器設(shè)計(jì)

與常規(guī)勵磁系統(tǒng)一樣，全控器件勵磁系統(tǒng)可以通過勵磁控制來增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼和維持系統(tǒng)穩(wěn)定，如裝設(shè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizers，PSS)。本文主要考慮全控器件勵磁無功注入對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，參照 PSS的相位補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法[2]，對無功注入控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入應(yīng)該同時具備電壓控制環(huán)節(jié)以及穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)。電壓控制環(huán)節(jié)旨在維持發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)定性，穩(wěn)定控制的目的在于改善系統(tǒng)的阻尼特性。為簡化分析，假定電壓控制為純增益環(huán)節(jié)，穩(wěn)定控制采用類似PSS的結(jié)構(gòu)[10]，即：

其中

式中：KQ為無功注入穩(wěn)定器增益；Tω為隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)；T1～T4相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)。

圖3 基于全控器件勵磁的單機(jī)無窮大系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

圖4 ΔQ到發(fā)電機(jī)機(jī)電振蕩環(huán)節(jié)的前向通道

由圖 3可得ΔQ到發(fā)電機(jī)機(jī)電振蕩環(huán)節(jié)的前向通道如圖4所示。對全控器件勵磁系統(tǒng)，可以認(rèn)為勵磁時間常數(shù)TA≈0，再考慮到K3K6KA＜＜1，由此可以得出該前向通道的傳遞函數(shù)為：

因此，由全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入提供的電磁轉(zhuǎn)矩為：

再考慮式(12)、(13)，則有

因此，無功注入穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)提供的阻尼轉(zhuǎn)矩為：

參照PSS相位補(bǔ)償設(shè)計(jì)原理，應(yīng)該使穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)GQ(s)與FQ(s)F2(s)相消，使得無功注入穩(wěn)定控制提供正的阻尼轉(zhuǎn)矩以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。假設(shè)系統(tǒng)需要無功注入提供的額外轉(zhuǎn)矩為ΔMQD=DQΔω，并在總相位中留有20°的滯后[11]，則全控器件勵磁無功注入穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)參數(shù)可按下式進(jìn)行設(shè)計(jì)：

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證全控器件勵磁系統(tǒng)注入無功改善電力系統(tǒng)阻尼特性的能力以及上述控制器設(shè)計(jì)的有效性，本文對如圖2所示的單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真。為了便于和常規(guī)勵磁系統(tǒng)進(jìn)行對比，全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入初值設(shè)置為零。仿真數(shù)據(jù)如下：

機(jī)組參數(shù)：

線路參數(shù)：xT= 0 .13,xL=0.425

常規(guī)勵磁系統(tǒng)LOEC參數(shù)：

全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入控制器參數(shù)：

系統(tǒng)初始運(yùn)行點(diǎn)為：

仿真中取如下擾動：

（1）機(jī)端電壓參考值上升5%；

（2）t=0.5s時變壓器高壓側(cè)三相對地短路，0.1s后故障切除；

（3）t=0.5s時切除一條線路，單回線運(yùn)行3.5s后恢復(fù)雙回線運(yùn)行。

仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 擾動(1)下的系統(tǒng)響應(yīng)

從以上仿真結(jié)果可以得出，與常規(guī)勵磁系統(tǒng)相比，在擾動/故障發(fā)生后全控器件勵磁系統(tǒng)能夠迅速平息振蕩，表現(xiàn)出了更好的阻尼特性，因此可以更好的阻尼電力低頻振蕩和維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖6 擾動(2)下的系統(tǒng)響應(yīng)

圖7 擾動(3)下的系統(tǒng)響應(yīng)

5 結(jié)論

本文研究了全控器件勵磁系統(tǒng)無功注入改善電力系統(tǒng)阻尼特性的能力。通過對基于VSC的全控器件勵磁系統(tǒng)的特性分析得出了其等效模型，并在此基礎(chǔ)之上建立了裝有全控器件勵磁系統(tǒng)的單機(jī)無窮大系統(tǒng)的Philips-Heffron模型。運(yùn)用相位補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)了無功注入控制器。仿真結(jié)果驗(yàn)證了無功注入改善電力系統(tǒng)阻尼特性的能力。與常規(guī)勵磁系統(tǒng)相比，全控器件勵磁系統(tǒng)能夠更加有效地阻尼低頻振蕩和維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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