利用柔性功率調(diào)節(jié)器抑制電力系統(tǒng)功率振蕩

陳仲偉 鄒旭東 段善旭 李 業(yè) 隗華榮

（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)驗室 武漢 430074）

1 引言

電力系統(tǒng)中經(jīng)輸電線并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)在受到擾動時會使各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間發(fā)生相對搖擺，并在阻尼缺乏的情況下引起持續(xù)振蕩。在此情況下，輸電線上功率也會相應(yīng)地發(fā)生振蕩。由于該振蕩的頻率很低，一般為 0.2～2.5Hz，故稱為低頻振蕩，也可稱為功率振蕩、機(jī)電振蕩。電力系統(tǒng)低頻振蕩在實(shí)際的電力運(yùn)行系統(tǒng)中時有發(fā)生，這種功率振蕩常出現(xiàn)在重負(fù)荷、長距離輸電線上，在采用現(xiàn)代快速、高頂值倍數(shù)勵磁系統(tǒng)的條件下更容易發(fā)生[1]。在我國電力系統(tǒng)全國聯(lián)網(wǎng)的形勢下，超大規(guī)模跨區(qū)交流同步電網(wǎng)已經(jīng)形成[2]。隨著系統(tǒng)的擴(kuò)大，以及長距離、重負(fù)荷的輸電線或地區(qū)電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生功率振蕩的可能性將會大大增加。電力系統(tǒng)發(fā)生功率振蕩時，由于參與振蕩的機(jī)組轉(zhuǎn)子會進(jìn)行相對擺動，輸電線路功率來回傳輸，特別當(dāng)振蕩較嚴(yán)重時，會使系統(tǒng)不能維持同步運(yùn)行，發(fā)生振蕩失步，因此它的出現(xiàn)會嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行[3]。

目前在抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的方法中，廣泛應(yīng)用的是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS），但PSS具有裝設(shè)地點(diǎn)易受限制，對于發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化適用性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，而且不利于解決多模振蕩的抑制問題。在利用FACTS裝置實(shí)現(xiàn)阻尼控制以抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的方法中，靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）與可控串聯(lián)補(bǔ)償（TCSC）都有提高阻尼的能力，但電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和負(fù)荷對其抑制振蕩的能力有很大的影響[4]；靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）和統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）可以動態(tài)平滑地改善系統(tǒng)的阻尼特性，但是裝置自身并不能對電力系統(tǒng)提供有功功率支持。利用儲能技術(shù)對電網(wǎng)的不平衡功率進(jìn)行快速補(bǔ)償，是一種抑制功率振蕩、增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效辦法。在現(xiàn)階段應(yīng)用較廣泛的各種儲能技術(shù)中，蓄電池[5-7]是一種比較成熟的儲能方式，但是，其效率較低、使用壽命較短以及對環(huán)境的污染制約了其在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用；超級電容器[8-11]具有良好的充放電特性且效率和能量密度較高，但其單個元件的儲能容量太低，且對于在低頻率吸收/釋放功率模式領(lǐng)域應(yīng)用較困難；超導(dǎo)磁儲能（SMES）[12-16]響應(yīng)時間快、使用壽命長，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的儲能技術(shù)之一，但目前其制造和運(yùn)行成本過于昂貴且對環(huán)境有影響使其難以在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

本文基于飛輪儲能的柔性功率調(diào)節(jié)器（Flexible Power Conditioner，F(xiàn)PC）是一種將儲能技術(shù)用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制的新型 FACTS裝置[17-19]。該裝置不僅可以提供電壓和無功功率控制，還具備有功功率調(diào)節(jié)能力，可將其視為電力系統(tǒng)中可靈活安裝并快速調(diào)節(jié)的分布式發(fā)電、儲能單元，是一種理想的提高電力系統(tǒng)動態(tài)性能和解決系統(tǒng)穩(wěn)定性的手段。FPC通過實(shí)時檢測電力系統(tǒng)的振蕩功率進(jìn)行功率閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)對振蕩功率的補(bǔ)償，有可能從有功功率平衡的角度解決功率振蕩給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的問題。本文首先詳細(xì)推導(dǎo)了單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)的功率振蕩模型，接著從機(jī)理上分析了PFC對系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩的影響，最后在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了FPC功率控制器，并用含一臺FPC的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型進(jìn)行了抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的仿真和實(shí)驗研究，分析了FPC抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的能力。

2 FPC阻尼功率振蕩機(jī)理

本文以含一臺FPC的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型作為研究對象，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)FPC安裝在發(fā)電機(jī)出口處。

圖1 包含F(xiàn)PC的單機(jī)無窮大系統(tǒng)Fig.1 Single-machine infinite-bus system with FPC

圖中Vt為發(fā)電機(jī)端電壓；UF為 FPC端電壓；Us為無窮大母線電壓；id、iq分別為發(fā)電機(jī)端電流的d、q分量；iFd、iFq分別為FPC向電力系統(tǒng)注入電流的d、q分量；iLd、iLq分別為發(fā)電機(jī)與FPC并聯(lián)端口電流的 d、q分量；Pe、Qe分別為發(fā)電機(jī)端口輸出有功和無功功率；PF、QF分別為FPC端口輸出有功和無功功率；PL、QL分別為發(fā)電機(jī)與 FPC并聯(lián)端口輸出有功和無功功率；XL為發(fā)電機(jī)端與無窮大電網(wǎng)間的等效電抗。

當(dāng)發(fā)電機(jī)模型選用三階模型并在d、q坐標(biāo)系下表示，勵磁系統(tǒng)按一階模型考慮。系統(tǒng)的動態(tài)方程可表示為[1]

式中，δ為發(fā)電機(jī)功角；ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；ω0為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同步角速度；Tj為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)；Pm為發(fā)電機(jī)原動機(jī)輸入的機(jī)械功率；Pe為發(fā)電機(jī)電磁功率；D為發(fā)電機(jī)阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)；為發(fā)電機(jī)勵磁繞組的時間常數(shù)；′為發(fā)電機(jī)暫態(tài)電動勢；Ef為發(fā)電機(jī)勵磁電動勢；Tf為勵磁系統(tǒng)時間常數(shù)；Kf為勵磁系統(tǒng)放大倍數(shù)；Vt0為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓設(shè)定值；Vt為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓；為發(fā)電機(jī) d軸暫態(tài)電抗；Xd為發(fā)電機(jī)d軸電抗；下標(biāo)0表示穩(wěn)態(tài)值。

將式（1）在運(yùn)行點(diǎn)處線性化可得到

圖 2所示為式（2）描述的單機(jī)無窮大系統(tǒng)的Phillips-Heffron模型[20-21]，其中ΔPF為輸入變量，Δδ為輸出變量，圖中各系數(shù)的準(zhǔn)確表達(dá)式為

圖2 單機(jī)無窮大系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Control block diagram of a single machine infinite bus system

由圖2所示框圖進(jìn)行推導(dǎo)，此時的電磁轉(zhuǎn)矩變化量總可以表達(dá)成

式中，KE稱為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)，DE稱為阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

將式（3）代入式（2）并整理可得

該微分方程的特征根為

通常情況下，D為一個很小的正數(shù)，而ω0的值很大，所以可以認(rèn)為D/ω0≈0，Tj一般為一個較大的數(shù)，在此條件下分析式（5）表示的特征根，可得到如下結(jié)論:

當(dāng)KE＞0，或者DE＞0時，系統(tǒng)穩(wěn)定。

當(dāng)KE＞0且DE=0時，系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩。

當(dāng)KE=0且DE≥0時，系統(tǒng)的狀態(tài)不確定。

下面在Δδ-ω0Δω相平面上分析式（3）中電磁轉(zhuǎn)矩 ΔTe1和Δδ、ω0Δω的關(guān)系。如圖 3所示，在Δδ-ω0Δω相平面上將ΔTe看作是橫、縱坐標(biāo)分別為KE、DE的復(fù)轉(zhuǎn)矩。由上文的推導(dǎo)可以看出，當(dāng)式（5）描述的特征根實(shí)部 [-(D/ω0+DE)]/(2Tj/ω0)為絕對值較小的值時，復(fù)轉(zhuǎn)矩ΔTe位于靠近Δδ軸的第一象限或第四象限中，系統(tǒng)表現(xiàn)為作緩慢增幅或衰減的功率振蕩。當(dāng)式（5）描述的特征根實(shí)部為絕對值較大的負(fù)數(shù)時，Δδ-ω0Δω相平面上的復(fù)轉(zhuǎn)矩處于第一象限中靠近ω0Δω軸的位置，此時可以快速抑制振蕩，從而使系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定。FPC抑制功率振蕩的目的就是通過對電力系統(tǒng)中注入有功功率將復(fù)轉(zhuǎn)矩調(diào)整到第一象限中靠近ω0Δω軸的位置。

當(dāng)FPC投入阻尼控制時的電磁功率變化量為

圖3 單機(jī)無窮大系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩變化量及其穩(wěn)定區(qū)域示意圖Fig.3 Electromagnetic torque variance and stability region schematic diagram of a single machine infinite bus system

由此可以得到FPC投入阻尼控制時的電磁轉(zhuǎn)矩

為了使ΔPF的加入起到阻尼功率振蕩的作用，需要加入一個阻尼功率振蕩控制器。該控制器的輸入為系統(tǒng)功率振蕩時有功功率的變化量ΔP=P0-P，其中P0為正常運(yùn)行狀態(tài)下的功率，P為實(shí)時檢測到的功率，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時ΔP=P0-P=0。而當(dāng)系統(tǒng)受到擾動導(dǎo)致功率發(fā)生振蕩時，如果FPC輸出功率ΔPF可以隨ΔP的變化而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，便能夠?qū)崟r地對功率振蕩起到阻尼作用。

令 FPC阻尼功率振蕩控制器的傳遞函數(shù)為G(jωs) ，有

將其代入式（7）得到

其中第一項為不投入FPC阻尼控制的原有電磁轉(zhuǎn)矩的變化量，第二項為FPC提供的直接電磁轉(zhuǎn)矩，第三項為FPC提供的間接電磁轉(zhuǎn)矩。

在忽略變壓器和線路有功損耗時，有功功率的變化量ΔP就是發(fā)電機(jī)電磁功率變化量ΔPe，也就是其電磁轉(zhuǎn)矩ΔTe3。于是式（9）可寫成

對上式進(jìn)行求解可得

由式（11）可知，F(xiàn)PC向電力系統(tǒng)提供的電磁轉(zhuǎn)矩相當(dāng)于一個起旋轉(zhuǎn)作用的電磁轉(zhuǎn)矩?？赏ㄟ^對FPC功率控制器進(jìn)行設(shè)計，加入合理的電磁轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)量使合成的轉(zhuǎn)矩位于預(yù)期的位置。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動而發(fā)生功率振蕩時，為了達(dá)到抑制功率振蕩的效果，通過 FPC的阻尼控制將原來靠近Δδ軸的電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)整到ω0Δω軸附近從而增大電磁轉(zhuǎn)矩對功率振蕩的阻尼效果。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行而沒有發(fā)生振蕩時，可以令ΔPF=0使FPC不對電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，以防止對電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生不好的影響使本來穩(wěn)定的系統(tǒng)失去穩(wěn)定。

3 FPC功率控制器

3.1 FPC阻尼功率振蕩控制器

當(dāng)電力系統(tǒng)受到擾動而發(fā)生功率振蕩時，F(xiàn)PC合理的功率輸出將起到抑制振蕩幅值，加速振蕩收斂的作用。所以必須構(gòu)建準(zhǔn)確而且易于工程實(shí)現(xiàn)的FPC阻尼功率振蕩控制器。

在這里為了初步驗證FPC對于阻尼功率振蕩的作用，在工程實(shí)踐中考慮采用動態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)方便、控制參數(shù)易于整定的 PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行FPC阻尼系統(tǒng)功率振蕩的控制器設(shè)計，并通過設(shè)計魯棒性較好的控制器參數(shù)來實(shí)現(xiàn)FPC在較大工作范圍內(nèi)對系統(tǒng)功率振蕩的阻尼作用。阻尼功率振蕩控制器的控制框圖如圖4所示，選擇FPC接入系統(tǒng)處輸送功率的參考值Pe0（系統(tǒng)發(fā)生擾動前的穩(wěn)態(tài)值）作為控制器輸入的給定參考值，以該輸送功率的實(shí)際值Pe作為反饋量。

圖4 阻尼功率振蕩控制器框圖Fig.4 Block diagram of damped oscillation controller

在功率誤差量ΔPe和PI調(diào)節(jié)器之間加入死區(qū)限幅環(huán)節(jié)的作用是為了避免FPC在較小的隨機(jī)擾動下頻繁動作，當(dāng)ΔPe的值在死區(qū)范圍內(nèi)時控制器不進(jìn)行調(diào)節(jié)。死區(qū)取值的大小可根據(jù)實(shí)際要求通過經(jīng)驗來確定，一般情況下，死區(qū)大小設(shè)計為Pe0最大值的±1%～±2%。限幅的作用是避免調(diào)節(jié)器輸出的控制量超過FPC的功率調(diào)節(jié)范圍，其大小設(shè)計為Pe0的最大值和FPC有功輸出最大值之間的較小值。

3.2 FPC交流勵磁控制器

FPC采用交流勵磁的雙饋儲能電機(jī)、采用背靠背雙變換器的交流勵磁電源以及微機(jī)勵磁控制系統(tǒng)。雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接了一個具有大轉(zhuǎn)動慣量的飛輪，不帶原動機(jī)或機(jī)械負(fù)載，通過微機(jī)勵磁控制系統(tǒng)對連接在轉(zhuǎn)子側(cè)和交流電網(wǎng)之間的交流勵磁電源進(jìn)行有效控制，迅速改變飛輪中存儲的能量，快速交換FPC和電力系統(tǒng)之間的有功功率和無功功率[18]。

FPC轉(zhuǎn)子側(cè)交流勵磁控制器框圖如圖5所示，采用雙饋電機(jī)磁場定向的矢量控制策略[22-25]，可實(shí)現(xiàn)定子端口有功功率PF與無功功率QF的解耦控制。其中，有功功率外環(huán)指令由 FPC阻尼功率振蕩控制器確定，無功功率外環(huán)指令同樣可由運(yùn)行要求的功率因數(shù)計算得到，其誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后作為內(nèi)環(huán)電流指令和；內(nèi)環(huán)電流控制器輸出經(jīng)相應(yīng)的交叉耦合項udr0、uqr0補(bǔ)償后得到調(diào)制信號udr、uqr產(chǎn)生PWM信號來控制RSC。

圖5 FPC交流勵磁控制器Fig.5 AC excitation controller of FPC

4 FPC對功率振蕩的抑制仿真

本文采用一臺同步發(fā)電機(jī)經(jīng)過變壓器升壓后通過雙回220kV輸電線與無窮大系統(tǒng)相連的電力系統(tǒng)作為仿真模型，F(xiàn)PC與系統(tǒng)的連接方式如圖6所示，F(xiàn)PC連接在靠近發(fā)電機(jī)的電壓輸出母線側(cè)A點(diǎn)。

圖6 FPC仿真一次接線方式Fig.6 Simulation of primary wiring connection of FPC

同步發(fā)電機(jī)的額定容量為160MVA，F(xiàn)PC的額定容量為25MVA，升壓變壓器T1電壓比為13.8kV/230kV，升壓變壓器 T2電壓比為 6.6kV/230kV，將變壓器阻抗折算到線路阻抗中得到參數(shù)如下（基準(zhǔn)功率為 160MVA）：X1= 0.33，X2=X3=X4=X5= 0.26。

4.1 線路阻抗變化產(chǎn)生擾動

假設(shè)系統(tǒng)采用母線 1單回線供電，斷路器 Q1斷開，F(xiàn)PC系統(tǒng)連接在A點(diǎn)。在t=15s時將斷路器Q1閉合使線路2投入系統(tǒng)中，此時相當(dāng)于系統(tǒng)的線路阻抗發(fā)生變化。此擾動對發(fā)電機(jī)端口各物理量造成的影響如圖7仿真所示。

圖7 電力系統(tǒng)線路阻抗改變產(chǎn)生擾動Fig.7 Impedance of line changed

圖7為線路2投入后同步發(fā)電機(jī)端檢測到的功率、電壓和發(fā)電機(jī)功角波形，并比較是否加入FPC對系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析。從圖 7a可以看到不加入FPC時，發(fā)電機(jī)端口功率在線路投入后有波動的過程，由于發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)自身阻尼的影響發(fā)電機(jī)輸出功率波動逐漸變小最終重新達(dá)到穩(wěn)定；而加入FPC后相當(dāng)于增加了系統(tǒng)阻尼，發(fā)電機(jī)端口功率平復(fù)較快。圖7b為發(fā)電機(jī)端電壓的波形，線路阻抗發(fā)生變化時發(fā)電機(jī)端電壓波動并不劇烈，但也可以明顯看到加入FPC對電壓的穩(wěn)定有積極的效果。圖7c為發(fā)電機(jī)功角，系統(tǒng)發(fā)生擾動之前，發(fā)電機(jī)功角為一固定值，隨著擾動的產(chǎn)生功角相對于無窮大系統(tǒng)發(fā)生擺動，并最終穩(wěn)定在一個新的狀態(tài)值上。對加入FPC前后進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)加入FPC后發(fā)電機(jī)功角擺動平抑較快，且擺動幅值減小。圖 7d為加入FPC后，發(fā)電機(jī)輸出功率Pe和 FPC輸出的有功功率PF的波形，可以看到 FPC輸出功率隨著發(fā)電機(jī)輸出功率的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償，使發(fā)電機(jī)輸出功率最終達(dá)到穩(wěn)定。綜上所述，加入FPC后系統(tǒng)阻尼得到了增加，各物理量振蕩周期明顯縮短，振蕩幅值也能得到很好的抑制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高。

4.2 線路短路故障產(chǎn)生擾動

假設(shè)系統(tǒng)采用母線1單回線供電，斷路器Q1斷開。在t=12s時在k處發(fā)生一次三相短路故障，持續(xù)130ms后消除，仿真結(jié)果如圖8所示，各物理量的檢測點(diǎn)都為發(fā)電機(jī)端。

圖8 電力系統(tǒng)故障產(chǎn)生擾動Fig.8 Power system fault

與線路阻抗變化產(chǎn)生擾動所示的情況相比，當(dāng)線路短路故障產(chǎn)生擾動時如果不加入FPC，發(fā)電機(jī)端口功率、電壓以及功角等物理量發(fā)生持續(xù)劇烈振蕩，并且最終導(dǎo)致電力系統(tǒng)失穩(wěn)。將FPC接入電力系統(tǒng)以后，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生同樣的三相短路故障時，發(fā)電機(jī)端口各物理量由于 FPC的作用而迅速恢復(fù)穩(wěn)定，系統(tǒng)的穩(wěn)定極限得到了很大的提高。加入FPC對改善系統(tǒng)阻尼特性的影響明顯。

5 實(shí)驗驗證

5.1 FPC樣機(jī)實(shí)驗

目前實(shí)驗中所用到的FPC平臺由具有很大轉(zhuǎn)動慣量的采用交流勵磁的變速恒頻雙饋儲能電機(jī)、采用雙 PWM變頻器的交流勵磁電源和微機(jī)勵磁控制系統(tǒng)等三部分組成[17]。該儲能電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為：額定功率10kW；額定定子電壓800V；頻率50Hz；額定轉(zhuǎn)速976.2r/min；定子額定電流9.98A；轉(zhuǎn)子額定電流16.37A。通過空載和短路實(shí)驗，可測得實(shí)際電機(jī)參數(shù)如下：Rs=1.413 2Ω；Rr=0.312 2Ω；Ls=0.408H；Lr=0.413H；Lm=0.398H；np=3；J=18.992 2kg·m2。圖9和圖10為FPC接收到功率指令后實(shí)現(xiàn)儲能和發(fā)電功能的典型實(shí)驗波形。波形顯示功率和轉(zhuǎn)速等量都是在程序中計算后通過DSP中的比較單元送出的，幅值在0～5V之間。

圖9為FPC發(fā)出和吸收功率時轉(zhuǎn)速和有功功率波形。FPC轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 100r/min，此時FPC系統(tǒng)吸收少量的有功功率以抵消由于飛輪、電機(jī)和變換器等帶來的各種損耗；隨后轉(zhuǎn)子側(cè)變換器接收到定子端口發(fā)出6kW有功功率指令，轉(zhuǎn)速線性下降，直至轉(zhuǎn)速接近轉(zhuǎn)速下限時將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 300r/min；接著轉(zhuǎn)子側(cè)變換器接收到定子端口吸收 6kW 有功功率指令，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器又從速度模式切換到功率模式，轉(zhuǎn)速線性上升，直至轉(zhuǎn)速接近轉(zhuǎn)速上限將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 1 300r/min。由此可見，F(xiàn)PC有功功率的變化引起飛輪轉(zhuǎn)速的變化，從而實(shí)現(xiàn)FPC與電力系統(tǒng)進(jìn)行能量交換。

圖9 FPC轉(zhuǎn)速隨有功功率變化波形Fig.9 Variety of speed and active power of FPC

圖10表示FPC按指令吸收4kW有功功率，隨后有功功率指令變?yōu)榘l(fā)送4kW有功功率，接著又變回到吸收4kW有功功率，此時無功功率指令為0。由圖10可見，F(xiàn)PC功率響應(yīng)有很好的動態(tài)特性，響應(yīng)速度在200ms以內(nèi)，能夠滿足補(bǔ)償?shù)皖l功率振蕩動態(tài)性能的需求。FPC有功功率和無功功率可以分別控制，且相互解耦。

圖10 FPC有功功率階躍變化波形Fig.10 Variety of active power of FPC

通過該實(shí)驗證明自行研制的FPC樣機(jī)在接收到功率指令后，迅速而準(zhǔn)確地與電網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)的功率交換，具有調(diào)節(jié)系統(tǒng)不平衡功率的能力，是FPC接入電網(wǎng)進(jìn)行抑制功率振蕩實(shí)驗的基礎(chǔ)。

5.2 動模實(shí)驗

實(shí)驗中，電力系統(tǒng)模型采用了一臺25MW的發(fā)電機(jī)組經(jīng)過變壓器升壓后通過雙回110kV輸電線與無窮大系統(tǒng)相連的電力系統(tǒng)作為參考原型。FPC與動模電力系統(tǒng)一次電氣回路的連接方式和線路參數(shù)如圖11所示。

圖11 動模電力系統(tǒng)一次電氣回路的連接方式Fig.11 Single-machine infinite-bus system with FPC

由于實(shí)驗條件限制，僅對線路阻抗變化產(chǎn)生擾動引起發(fā)電機(jī)端口各物理量振蕩進(jìn)行實(shí)驗驗證。此實(shí)驗中發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)時輸出有功功率為3kW，初始運(yùn)行時由雙回線進(jìn)行供電，然后在運(yùn)行過程中對線路2進(jìn)行切除。發(fā)電機(jī)功率振蕩的程度可由發(fā)電機(jī)端口的有功功率PG和發(fā)電機(jī)功角的變化量Δδ來表征，如圖12和圖13所示。由圖可以看出，當(dāng)不使用FPC進(jìn)行功率振蕩抑制的情況下在電力系統(tǒng)受到擾動后恢復(fù)的過程中，發(fā)電機(jī)端口輸出的有功功率發(fā)生了明顯的功率振蕩，而發(fā)電機(jī)功角的變化量也劇烈振蕩。由于實(shí)際的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中加入了 PSS，所以在發(fā)電機(jī)自身穩(wěn)定措施的作用下經(jīng)過幾個周波的振蕩最終達(dá)到穩(wěn)定。加入FPC進(jìn)行阻尼功率振蕩抑制以后，功率振蕩的幅度得到了抑制并能快速消除振蕩；發(fā)電機(jī)功角的變化量的振蕩也得到明顯抑制，且振蕩被平復(fù)的時間也縮短。

圖12 發(fā)電機(jī)端口有功功率波形Fig.12 Active power of generator

圖13 發(fā)電機(jī)功角波形Fig.13 Power angle of generator

6 結(jié)論

本文將一臺FPC接入單機(jī)無窮大系統(tǒng)，對FPC阻尼功率振蕩的機(jī)理進(jìn)行了分析。依據(jù)電力系統(tǒng)阻尼振蕩的需求提出了阻尼功率振蕩控制器的構(gòu)成，將電網(wǎng)中FPC接入點(diǎn)有功功率的變化量作為阻尼功率振蕩控制器的輸入，以求達(dá)到良好的控制效果。通過在 EMTDC/PSCAD建立仿真模型以及在動模實(shí)驗條件下搭建的實(shí)際系統(tǒng)模型，進(jìn)行了FPC接入單機(jī)無窮大系統(tǒng)以抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的仿真和實(shí)驗。研究結(jié)果證實(shí)FPC對發(fā)電機(jī)功率振蕩的具有阻尼作用，從而證明FPC阻尼系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析的正確性。為進(jìn)一步開展FPC在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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