基于TCSC的混合串补抑制次同步振荡的研究

陈甜妹，肖湘宁

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206)

基于TCSC的混合串补抑制次同步振荡的研究

陈甜妹，肖湘宁

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206)

研究了一种基于可控串补(TCSC)的混合串补(HTCSC)抑制次同步振荡的新方法。与三相TCSC相比，该方法只在单相上接TCSC，减少了2/3的晶闸管数量，降低了成本及控制难度。采用同步电压反转(SVR)控制方法，并设计出主动阻尼控制器。时域仿真结果表明，采用基于SVR方法的主动阻尼控制器后，HTCSC能有效抑制由线路串补度不合理引起的次同步振荡问题，且短路故障后的电压不平衡度稳态值能满足国家标准的限值要求。

混合串补;次同步振荡;同步电压反转;主动阻尼控制器;电压不平衡度

1 引言

固定串联电容补偿技术是一种非常经济的提高线路传输容量和输电网暂态稳定性的方式，但美国Mohave电厂在20世纪70年代发生的发电机转子大轴损坏的严重事故使人们意识到，当线路串补度不合理时，会引起发电机与输电系统之间严重的机电耦合作用，即次同步振荡问题。此后，人们对该问题进行了大量的研究，提出了多种抑制方法［1，2］，已在国内得到工程应用的主要包括附加励磁阻尼控制器(Supplementary Excitation Damping Controller，SEDC)［3］、附加次同步阻尼控制器(Supplementary Sub-synchronous Damping Controller，SSDC)［4］、静态无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)［5］及可控串补(Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC)［6］等。其中，TCSC装置不仅能抑制次同步振荡，还具有提高系统稳定性，优化潮流及抑制功率振荡等作用，国内外学者已对其做了大量的研究［7，8］。

为进一步提高TCSC装置的经济性，文献［9］基于三相不平衡结构抑制次同步振荡的原理［10-12］，首次提出了基于TCSC的混合串补结构。该结构只在单相上接TCSC装置，其他两相均为固定串补，与三相TCSC相比，该结构的晶闸管数量减少了2/3，且控制和保护只需设计成单相，降低了成本和控制难度，是非常具有研究价值和工程应用前景的一种新型串补结构，但国内目前尚无相关的研究。

本文阐述了基于TCSC的混合串补(Hybrid Thyristor Controlled Series Compensation，HTCSC)抑制次同步振荡的原理，并设计了基于同步电压反转(Synchronous Voltage Reversal，SVR)控制方法的主动阻尼控制器，通过时域仿真验证了其有效性。

2 HTCSC的工作原理

图1为HTCSC的结构示意图。a、b两相固定补偿的电容值相等，c相的补偿由TCSC和固定电容CC共同提供。

图1 HTCSC结构示意图Fig.1 Structure diagram of HTCSC

工频f0下，有:

式中，ω0=2πf0;－j XTCSC0为工频下TCSC的等效阻抗。工频下应满足:

次同步频率(fe＜f0)下，有:

式中，ωe=2πfe。非工频下，三相阻抗不相等，导致定子三相电流不平衡，电枢绕组磁动势的正向分量幅值比三相平衡电流产生的正向电枢磁动势幅值小，从而减弱了发电机的机电耦合作用，在一定程度上起到抑制次同步振荡的作用。

3 基于SVR方法的主动阻尼控制器

3.1 SVR基本原理

图2为TCSC电容电压uC与电流iL的示意图，iT为晶闸管支路的电流，σ为导通角。晶闸管导通区间的起始时刻和终止时刻电容电压值大小相等，方向相反，如A点与C点、D点与F点。iT在导通区间的起始时刻和终止时刻均为0，其最大值出现在uC过零点时刻。

图2 TCSC支路电压电流示意图Fig.2 Voltage and current schematic diagram of TCSC

定义阻抗因子kB=XTCSC/XC0，XTCSC为基波等效电抗，XC0为电容支路的容抗值，XC0= 1/(2πf0CTCSC)。正常情况下，uC过零点(即iT的最大值点)时刻与iL峰值时刻重合，如B点、E点。当系统存在次同步电流时，uC过零点(i'T的最大值点)时刻与iL峰值时刻不再重合，有一个相位差ΔφC。ΔφC与阻抗因子变化量ΔkB之间的关系为［13］:

式中，s为拉普拉斯变换因子;ΔkB与ΔφC在时域中为积分关系。通过控制ΔφC，可以很方便地控制TCSC的阻抗。

3.2 主动阻尼控制器的设计原理

基本思路见图3，以转速偏差量Δω为基准，建立坐标系，划分4个象限。当电磁转矩偏差ΔTe位于第3与第4象限时，ΔTeD为负，会引起系统的不稳定。若提供一个位于第1或第2象限的附加电磁转矩ΔTsup，与电磁转矩ΔTe进行矢量叠加，得到总的电磁转矩ΔTt，此时系统具有正的阻尼转矩ΔTtD，有利于抑制次同步振荡。所以在附加阻尼控制器设计时，应尽可能使ΔTt与Δω同相位。

图3 主动阻尼控制器原理图Fig.3 Principle of active damping controller

基于相位补偿原理的主动阻尼控制器控制框图如图4所示。转速差Δω经过带通滤波、比例放大、相位补偿及限幅等环节后，输出附加控制信号kBS，然后将kBS附加到SVR控制器中。

图4 主动阻尼控制器控制框图Fig.4 Control block diagram of active damping controller

由于发电机转速相对于HTCSC装置为远端信号，所以需通过光纤或者广域测量系统将其传送到主动阻尼控制器的输入端。在转速的测量、转换及传送过程中都存在延时，总时滞可长达几十毫秒［14］甚至几百毫秒［15］，因此在进行主动阻尼控制器设计时，需考虑这部分延时带来的相位滞后。在提取到Δω信号后，加入延时环节，若时延为τ，则该环节可用e－sτ或其Pade有理逼近来表示。

Pade逼近的表达式为:

考虑信号传送延时后，相位补偿参数的获取方法如下:先设置图4中时间常数Ta、Tb为1，在Δω上加补偿频率fx的扰动信号，求取出ΔTe与Δω的相位差，即为fx频率下需要补偿的相位φ，再利用式(7)求取出满足最佳相位补偿的实际时间常数Ta、Tb。

3.3 基于SVR的主动阻尼控制策略

图5为基于SVR的HTCSC控制策略框图。选取线路电流iL为信号同步量，经PLL锁相得相角θ，通过电压互感器和电流互感器获取电容电压uC及线路电流iL，经相量估计得相量^uC、^iL，两者相除取虚部得等效电抗XTCSC，根据定义式求出kB。kBref为阻抗因子参考值，测量值与参考值之差为所得误差，kBS为主动阻尼控制器提供的附加控制量。

图5 SVR控制框图Fig.5 SVR control block diagram

电压过零控制器的输入为阻抗误差，输出为ΔφC。经过比较器后，产生SVR模块所需的时间参考脉冲。时间参考脉冲用于确定期望的电容电压过零时刻tz，tz与时间参考脉冲之间为一个固定延时Tdel。

晶闸管触发环节根据以下公式来实现:

式中

LTCSC、CTCSC为TCSC装置的结构参数，如图1所示; u(tM)，i(tM)为tM时刻的电容电压和线路电流的瞬时值;u(tz)为tz时刻的电容电压值;θz，θM为tz，tM时刻对应的相角值。

4 仿真分析

4.1 模型参数

本文以IEEE第一标准模型为例进行研究，如图6所示，发电机轴系由高压缸(HP)、中压缸(IP)、低压缸A(LPA)、低压缸B(LPB)、发电机(GEN)和励磁机(EXC)六个质量块组成，ZT代表变压器，RL为线路电阻，XL为线路电抗，Rsys为无穷大系统电阻，Xsys为无穷大系统电抗，ZF为短路阻抗，详细参数见文献［17］。HTCSC结构如图1所示，线路串补度为XC/XL=28.22%，XC=1/(2πf0C)，C= 57.74μF，CTCSC=115.48μF，LTCSC=9.75mH。

图6 IEEE第一标准模型Fig.6 IEEE first benchmark model

4.2 固定串补下的次同步振荡问题

图7给出了固定串补度为28.22%情况下，5s母线B发生三相短路故障，0.075s后故障清除的发电机转速及转矩仿真图。正常运行时，系统稳定;当发生三相短路时，系统中会出现次同步频率分量，由于线路串补度不合理，引起发电机的机电耦合作用，发电机转速和转矩发散，发生次同步振荡。图7中，ω表示发电机转速，THI、TILA、TLAB、TLBG、TGE分别表示高压缸与中压缸、中压缸与低压缸A、低压缸A与低压缸B、低压缸B与发电机之间的转矩及发电机的电磁转矩。

4.3 有效性验证

用HTCSC代替50%的固定串补，5s母线B发生三相短路故障，持续0.075s后故障清除。图8、图9分别给出了不加入、加入主动阻尼控制器，发电机的转速及转矩仿真结果。对比图7～图9可知，不加入主动阻尼控制器时，虽然采用了HTCSC方案，发电机转速及转矩仍发散，而加入主动阻尼控制器后，发电机的转速和转矩迅速收敛，次同步振荡问题得到明显抑制。由此表明，仅依靠HTCSC次同步频率阻抗的三相不平衡不能可靠抑制次同步振荡，加入主动阻尼控制器后，HTCSC能有效抑制次同步振荡。

图7 固定串补，发电机的转速和转矩图Fig.7 Generator speed and torque(fixed compensation)

图8 HTCSC方案(不加主动阻尼控制器)，发电机的转速和转矩图Fig.8 Generator speed and torque (HTCSC，without active damping controller)

4.4 电压不平衡度

电压不平衡会对电气设备造成非常大的危害，使设备运行出力降低，引起变压器及线路损耗增加，继电保护及自动装置误动等。HTCSC利用三相电流的不平衡进行次同步振荡的抑制，所以需研究其接入系统后对电压不平衡度的影响。电压不平衡度(Line Voltage Unbalanced Rate，LVUR)用式(11)来计算:

图9 HTCSC方案(加入主动阻尼控制器)，发电机的转速和转矩图Fig.9 Generator speed and torque (HTCSC，with active damping controller)

式中，U1表示正序电压的均方根值;U2表示负序电压的均方根值。

图10给出了发生三相短路故障后发电机端电压的不平衡度。HTCSC方案下，电压不平衡度在故障时刻产生较大冲击值后逐渐减小至稳定值，该值远低于国家标准规定的限值要求(稳定值为0.5%，国家规定的电压不平衡度限值为2%［17］)。

图10 HTCSC方案下的电压不平衡度Fig.10 LVUR after three-phase fault at bus B

5 结论

本文研究了一种基于TCSC的混合串补HTCSC抑制次同步振荡的新方法。相比三相TCSC，该方法减少了2/3的晶闸管数量，极大地降低了成本，同时控制及保护系统只需配置单相，简化了控制器的设计，降低了控制难度。采用SVR控制方法，并在该方法的基础上，设计出了主动阻尼控制器。时域仿真结果表明，在加入基于SVR方法的主动阻尼控制器后，HTCSC能有效抑制由线路串补度不合理引起的次同步振荡问题，且故障后，电压不平衡度的稳态值能满足国家标准的限值要求。

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Study of hybrid com pensation scheme based on TCSC dam ping sub-synchronous oscillation

CHEN Tian-mei，XIAO Xiang-ning
(School of Electric and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

A novel hybrid thyristor controlled series compensation(HTCSC)scheme for damping the sub-synchronous oscillation is studied.In HTCSC structure，TCSC device is connected to single phase and the other two phases use only the fixed compensation capacitor.Under basic power frequency，the three phase impedance is equal; while under sub-synchronous frequency，impedance of three phase is unequal，thus the three-phase current is imbalance，which can weaken the coupling between generator and electrical system and inhibit SSO to a certain extent.Compared with three-phase TCSC，the new structure reduces number of thyristor by 2/3，and lowers the device cost and control difficulty.Synchronous voltage reversal(SVR)method is used as the control strategy and a supplementary active damping controller is designed.The simulation result shows thatwith the active damping controller based on SVR，HTCSC can effectively suppress the sub-synchronous oscillation caused by unreasonable line compensation degree.Moreover，the steady-state value of line voltage unbalanced rate under HTCSC scheme after a short-circuit fault can meet the requirements of national standard.

hybrid thyristor controlled series compensation;sub-synchronous oscillation;synchronous voltage reversemethod;supplementary damping controller;line voltage unbalance rate

TM72

A

1003-3076(2014)08-0015-06

2013-10-15

陈甜妹(1990-)，女，江西籍，硕士研究生，从事次同步振荡及多FACTS协调的研究;肖湘宁(1953-)，男，湖南籍，教授，博导，主要从事电能质量、现代电力电子技术在电力系统中的应用、电动汽车充电对电网影响方面的教学与科研工作。