TCSC 同步信号对抑制次同步振荡的影响研究

刘伟波，康积涛，何 波，张 利

(西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

次同步振荡是电力系统中机电耦合作用引起的一种振荡失稳，其最大危害可对大型汽轮发电机组的转子轴系造成严重的破坏，是目前大型汽轮发电机组中必须解决的一个问题。目前对于次同步振荡的分析方法主要有:频率扫描分析法、机组作用系数分析法、时域仿真分析法、特征结构分析法、复转矩系数分析法等［1］。

可控串联补偿技术(TCSC)是目前应用前景比较好的一种FACTS 装置，具有投资少、设备简单、操作维护方便等优点。它在提高线路输送功率、阻尼功率振荡［2］、提高系统暂态稳定性［3］、实现动态潮流控制和抑制系统次同步振荡［4］都能起到良好的作用。文献［5］提出运用测试信号法设计TCSC 功率振荡阻尼控制器;文献［6］基于单机无穷大系统的模型建立了可控串补的状态空间描述，根据线性最优控制理论设计了可控串补控制器;文献［7］运用测试信号法设计了附加多模态次同步阻尼控制器。

TCSC 在次同步频率下的阻抗特性对于阻尼次同步振荡非常有利，但其阻抗效果受到很多因素的影响，例如TCSC 的控制方式［8］、触发角大小、同步信号选取等等。这里首先介绍了TCSC 的同步触发原理，比较了不同触发信号下的阶跃响应;运用测试信号法分析了TCSC 对于电气阻尼的影响，最后对在不同的同步信号下对所设计的次同步阻尼控制器进行时域仿真，分析同步信号对次同步阻尼的影响。

1 TCSC 触发原理

TCSC 是由一个固定的电容器与一个通过可控硅控制的电抗器并联而成，如图1 所示。TCSC 的同步触发脉冲是以同步信号过零点为基准的，电容电压uc和线路电流iL都可以作为阻抗控制中触发角的同步信号，不同的阻抗控制方式对TCSC 的阻抗动态特性有显著的影响。

图1 TCSC 结构原理图

图2 TCSC 触发原理图

对TCSC 采用开环定阻抗控制方式，令TCSC 的特征参数λ=2.65。当分别采用线路电流和电容电压作为同步触发信号时，阻抗的阶跃响应如图3 所示，从图中可以看出在电压同步方式下，TCSC 的阻抗阶跃响应［9］会产生较大的过冲和超调，且需要较长时间才能进入稳定状态，而电流同步触发情况下，基频阻抗则不会产生过冲和超调现象，变化过程比较缓慢，相当于一阶惯性环节。

图3 不同同步信号下的阻抗阶跃响应

2 TCSC 抑制次同步振荡原理

TCSC 在同步频率下的阻抗是纯容性的，但是在次同步频率下的TCSC 会呈现出一个非常不同的阻抗特性，对于阻尼次同步振荡非常有利。从经济因素考虑，一般将TCSC 和固定串补共同使用以降低投资。

由复转矩系数法可知，在系统的轴系扭振分析中，在轴系的某一扭振频率附近满足机械阻尼系数和电气阻尼系数Dm之和De大于0，则该轴系扭振是处于稳态的。

图4 SSDC 提升系统电气阻尼原理

3 TCSC 同步信号对次同步振荡的影响

以IEEE 第一标准模型为测试对象，将原系统中的部分固定串联电容补偿采用可控串补替代，线路总串补度取75%，其中TCSC 电抗占总串补电抗的30%，TCSC 采用开环定阻抗控制，TCSC 的主电路特征参数为2.65，电容C=32.17 μF。在电容电压同步时，TCSC 的基准触发角为155°，由于TCSC在运行时一般处于容性状态，TCSC 的电压相位滞后电流90°，因此在线路电流同步下的触发角为245°。选择发电机的运行方式为PG=0.9(p.u.)，功率因数为0.9(滞后)。发电机的轴系由高压缸(HP)、中压缸(IP)、低压缸A(LPA)、低压缸B(LPB)以及发电机(GEN)和励磁机(EXC)6 个集中质量块组成。对应有5 个扭振模式，分别为:15.7 Hz、20.2 Hz、25.6 Hz、32.3 Hz 和47.5 Hz。系统的其他电气和机械参数同文献［12］。

图5 采用固定串补时的电气阻尼曲线

图6 加入TCSC 的电气阻尼曲线

图7 G(s)的幅频特性

从图5 中可以看出系统采用固定串补时在次同步频率范围内的电气阻尼都为负值，保持系统串补度不变，当加入TCSC 后，TCSC 分别采用电容电压同步和采用线电流同步时的电气阻尼曲线如图6 所示，由图可知在不同同步信号下的电气阻尼相差别不是很大，系统加入TCSC 后的电气阻尼明显得到提升，但是部分频率下的电气阻尼还处于负值，仍然可能会造成次同步谐振。G(s)的幅频和相频特性分别如图7、图8 所示。

图8 G(s)的相频特性

4 加入SSDC 时域仿真分析

选取发电机转速偏差△ω·作为输入信号，首先以各扭振模态频率为中心频率的带通滤波器滤除干扰信号，经过放大、相位补偿及限幅环节，输出附加控制信号△α，送到晶闸管的触发极。TCSC 附加SSDC 控制器结构如图9 所示，具体参数整定可以参考文献［13］，设计的SSDC 的控制参数如表1 所示。

图9 C(s)控制结构图

t=1 s 时在无穷大母线处设置三相接地故障，故障时间持续0.075 s。系统的轴系扭振状态响应如图10 所示。

表1 SSDC 补偿参数

系统在采用固定串补时，当出现三相故障后轴系的扭矩程发散状态，当加入可控串补时，设计多模态的SSDC 加入系统后，不论TCSC 采用电容电压同步还是采用线路电流同步，都能达到抑制次同步振荡的效果。

图10 使用固定补偿时的轴系扭振状态响应

图11 加入SSDC 时电压同步下轴系扭振状态响应

图12 加入SSDC 时电流同步下轴系扭振状态响应

5 结论

TCSC 基波电抗分别在电容电压信号同步时，其暂态电抗相应呈现振荡状态;线路电流同步时，暂态电抗相应呈现一阶惯性环节。在次同步频率下，同步信号对于系统的电气阻尼影响作用不大，在所设计的SSDC 控制下，TCSC 都能达到抑制次同步振荡的目的。

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