基于SVC利用远端信号缓解次同步谐振研究

张学群 康积涛 李 林 刘永江

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

1 引言

输电线路经串联补偿能够显著的提高输电容量和提高暂态稳定性。但是在带来经济效益的同时，也带来了很多问题，次同步谐振就是其中之一。次同步谐振问题(Subsynchronous Resonance, SSR)是一个已经广泛讨论的问题[1-2]。从美国哈莫夫电厂发现 SSR现象[3]至今，国内外对于抑制措施有广泛的研究。国内利用国内广泛应用的SVC抑制SSR的研究不是太多[4-5]。本文利用安装在线路中点的SVC，并加装阻尼控制器，在 IEEE第一标准测试模型[6]基础上，利用PSCAD/EMTDC仿真软件对控制效果进行仿真。

2 次同步谐振的基本原理

2.1 次同步谐振的产生机理

电力系统次同步谐振是指由于汽轮发电机组与具有串联补偿的输电系统之间的耦合作用而产生的机电振荡行为，因为系统对该振荡呈现的弱阻尼、无阻尼、甚至是负阻尼特性，使这种振荡的振幅呈现逐渐增大的趋势[1]。图 1所示为具有补偿线路的汽轮发电机组的示意图。

图1 具有串联补偿线路的汽轮发电机组

对于整个系统，其自然电气谐振频率是：式中，ω0为系统运行频率，XC是串补电容X' '是发电机次暂态电抗，XL代表输电线路阻抗，XT代表升压变压器的漏电抗。

产生SSR的条件为：当定子回路的电磁振荡频率ωer与轴系的某一自然扭振频率ωm互补，即ωer+ωm=1时,发电机转子中频率为ωm的振荡分量，将在定子绕组中引起频率为 1−ωm的电流分量,这个电流分量所产生的转矩实际上是一个与扰动同相位的驱动转矩，它对轴系中频率为ωΔ 的振荡分量产生负阻尼作用，结果将使这一振荡分量趋于增大，这样就形成电气共振与机械共振之间的相互激励。如果此激励能抵偿或者超过机械和电磁振荡中的各种阻尼和电阻中的功率损耗，振荡就可以维持下去甚至发散，系统中出现次同步谐振[7]。这便是具有串联电容补偿的电力系统中发生次同步振荡的机理。

2.2 次同步谐振的抑制

现有的抑制电力系统次同步谐振的抑制方法可以分为两大类[8]：

（1）通过加装附加设备或改造已有一次设备以防止不稳定次同步振荡的发生，包括使用滤波器和增加阻尼设备、采用发电机扭振继电器、改变电力系统的运行方式以及改造发电机组等措施。

（2）使用二次设备（即控制装置），其本质是使用二次设备提供对主导扭振模式的阻尼来抑制次同步谐振，其原理类似于使用PSS抑制低频振荡。常用的方法是通过适当的控制算法在现有的电力系统控制装置上附加控制信号，从而在发电机的电磁转矩中产生阻尼次同步谐振的电气阻尼转矩，达到抑制次同步谐振的目的。

3 SVC抑制次同步振荡的原理分析

3.1 SVC抑制次同步振荡的基本原理

静止无功补偿器（SVC）一般采用晶闸管控制电抗器（TCR）与固定电容器（FC）或者晶闸管控制投切电容器（TSC）组合而成，现实对系统无功功率的连续调节[9]。

通过控制晶闸管的触发相位角，可以控制每个周期周波内电感L接入系统时间的长短，从而改变TCR的等值电抗。其等值电抗与触发角的关系为

图2 静止无功补偿装置原理接线图

用于抑制SSR的SVC具有电流放大作用，选取恰当的控制信号，作为TCR的输入信号，据此控制TCR支路的电流大小，产生抑制SSR的阻尼转矩[10]，当没有发电机轴系扭振时，SVC的作用如同一个稳定且连续的无功负荷。这就是基于SVC抑制次同步谐振的基本思想。

图3 静止无功补偿器数学模型

3.2 SVC次同步振荡阻尼控制器

SSDC抑制次同步振荡的原理与PSS抑制低频振荡相类似。目前针对SSDC已经展开过一些讨论。文献[11]采用遗传-模拟退火算法设计了一种专门针对SVC的SSDC装置，并应用于锦界电厂SSR问题。图4所示为一个 SSDC装置的示意图。

图4 SSDC装置示意图

4 测试系统及SVC控制装置

本文采用IEEE第一标准测试模型[6]，其中线路的串补度为47%，SVC安装在线路中点位置，如图4所示。

安装在线路中的静止无功补偿装置，主要是在系统中存在扰动的时候，通过调节线路中的母线电压。通过加装辅助阻尼控制器（SSDC），可以达到增强系统扭振模态阻尼的目的。带有电压调机器的SVC线性化模型如图5所示。附加阻尼控制器H(s)根据控制策略的不同，有很多不同的结构[12]。

图5 测试系统原理图

图6 SVC辅助控制

5 仿真结果及分析

发电机转速偏差、输出功率、两高压缸转速偏差等信号都包含需阻尼的所有原动机的扭振模式分量。但因为后两种信号对控制器的移相更敏感，故通常选择发电机的转速偏差最为控制器的输入信号，以提高SVC的控制效果[11]。在本文的仿真中，未考虑在 SVC控制装置中添加辅助控制装置，SSDC的结构为一PID控制环节。

图7 未安装SVC时的轴系转矩

图8 安装SVC无附加控制器时的轴系转矩

图9 安装SVC-SSDC时LPA-LPB间转矩

6 结论

由以上的仿真结果分析，可以得到以下结论：

（1）将SVC安装在线路中点位置，利用远端的发电机信号，经过适当的控制环节可以达到缓解次同步谐振的目的。

（2）在SVC的控制环节中未加入SSDC装置时，缓解次同步谐振的效果较差。由图形可见，在未加装SSDC时，轴系扭振虽然得到一定的控制，但是存在一个比较明显的阶跃。

SVC装置是一种已经在电力系统中广泛应用的成熟技术。本文IEEE第一模型基础上，基于PSCAD仿真软件，利用远端发电机转速偏差信号研究了SVC缓解次同步谐振的有效性。

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[6] IEEE Subsynchronous Resonance Working Group. First Benchmark Model for Computer Simulation of Subsynchronous Resonance[J].IEEE Trans on Power Apparatus and systems.1977,96(5):1565-1572

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[9] 王锡凡,方万良等.现代电力系统分析[M].北京：科学出版社,2003.

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[11] 谢小容,武云生,林惊涛等.采用遗传-模拟退火算法优化设计 SVC次同步振荡阻尼控制器[J].电力系统自动化,2009,33(19)：11-14

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