專利名稱：：一種基于晶閘管控制電抗器抑制次同步振蕩的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明提出一種使用晶閘管控制電抗器(TCR)來抑制電力系統(tǒng)次同步振蕩的方法，屬于抑制電力系統(tǒng)次同步振蕩產(chǎn)生的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)：
：交流輸電線路采用串聯(lián)電容補(bǔ)償，可以大大提高交流線路的輸送能力，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。近年來，以內(nèi)蒙古伊敏電廠、托克托電廠、上都電廠和陜西錦界電廠為代表的大型煤電基地都采用了交流線路加串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)妮旊姺绞?。但交流線路加串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)妮旊姺绞?，可能?huì)引起發(fā)電機(jī)組的次同步諧振(SSR)問題，成為電網(wǎng)安全運(yùn)行的一大威脅。為了抑制SSR，人們提出了多種解決方案。而采用柔性交流輸電(FACTS)裝置來抑制SSR近年來得到了更多的關(guān)注，并已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。其中晶閘管控制電抗器(TCR)，由2個(gè)反相并聯(lián)的晶閘管與1個(gè)電抗器相串聯(lián)組成，并聯(lián)在被保護(hù)的發(fā)電機(jī)機(jī)端母線上。通過對晶閘管的控制可以改變TCR輸出電納Bpu，其與觸發(fā)角的關(guān)系滿足2π-2a+sin2aBpu=——^-，利用此公式可將電納信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的觸發(fā)角信號α，送到觸發(fā)環(huán)節(jié)中，產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)對TCR電流的調(diào)制。迄今為止，已有大量文獻(xiàn)對TCR抑制SSR的原理及其控制策略進(jìn)行了研究。如比例型控制、包含電壓控制回路的比例型控制、模式控制、PID控制、SIMO控制、最優(yōu)控制和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這些控制策略中有2個(gè)問題沒有得到很好解決。第1個(gè)問題是控制策略的物理意義不明確，工程實(shí)施存在一定難度。第2個(gè)問題是控制器設(shè)計(jì)大多基于TCR的基波穩(wěn)態(tài)模型，而此模型在次同步頻率范圍內(nèi)并不適用，因而這種控制器設(shè)計(jì)方法在理論上存在缺陷。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種基于晶閘管控制電抗器(TCR)的抑制電力系統(tǒng)次同步諧振的方法。通過對TCR觸發(fā)角的附加控制，來提高電力系統(tǒng)的阻尼，從而抑制電力系統(tǒng)次同步振蕩的產(chǎn)生。一種基于晶閘管控制電抗器的抑制電力系統(tǒng)次同步振蕩的方法，以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差信號作為晶間管控制電抗器附加控制器的輸入信號，通過對該輸入信號進(jìn)行放大和相位補(bǔ)償?shù)玫礁郊涌刂菩盘?，通過該附加控制信號將晶閘管控制電抗器(TCR)中的無功電流調(diào)制成與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差反相，從而達(dá)到抑制次同步振蕩的目的，其基本原理圖如圖1所示。所述附加控制信號的生成包括如下步驟，具體如圖2所示(1)采集電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)(本發(fā)明中若無特殊說明，所述的發(fā)電機(jī)均指需要通過本發(fā)明方法保護(hù)的那臺(tái)發(fā)電機(jī))的轉(zhuǎn)速差信號Δω，轉(zhuǎn)速差信號是指發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值；(2)對轉(zhuǎn)速差信號Δω進(jìn)行濾波處理，得到發(fā)電機(jī)軸系的各扭振頻率信號；進(jìn)行濾波處理時(shí)，可以利用多通道低相移帶通濾波器對轉(zhuǎn)速差信號△ω進(jìn)行濾波，其中帶通濾波器通帶中心頻率調(diào)諧為發(fā)電機(jī)軸系各扭振頻率，通過濾波得到多路信號，而每一路信號分別對應(yīng)發(fā)電機(jī)軸系各扭振頻率；(3)對濾波得到的多路信號分別進(jìn)行放大和相位補(bǔ)償后，進(jìn)行疊加得到附加控制信號。實(shí)際應(yīng)用中，通過多個(gè)超前滯后環(huán)節(jié)分別對經(jīng)過放大的各路信號進(jìn)行相位補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)較大角度的相位補(bǔ)償。I+STa所述的超前滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以表示為TT^"的形式，其中Ta、Tb為超前滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，η=Tb/Ta=(I_sin<j5)/(l+sin<j5)Τα=/、ωχ4)Tb=IiTaωχ為所選擇的相位補(bǔ)償頻率，即發(fā)電機(jī)的軸系扭振頻率；φ為ωχ所對應(yīng)的需要補(bǔ)償?shù)臏笙嘟恰Ｔ诖_定需要補(bǔ)償?shù)臏笙嘟铅禃r(shí)，參見式(1)f\τ\De=Re^(1))式⑴中Δ；為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩偏差、Δω為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差信號、隊(duì)為電力系統(tǒng)的電氣阻尼；由式(1)可以得出，當(dāng)ΔT6和Δω之間的相角差在_90°到+90°時(shí)，電力系統(tǒng)的電氣阻尼隊(duì)將為正。當(dāng)Δ；和Δω同相時(shí)，系統(tǒng)能夠提供最大的電氣阻尼。需要使Δ；與Δω盡量同相，從而為抑制SSR提供最大的電氣阻尼。為了得到確定的需要補(bǔ)償?shù)臏笙嘟铅?，可以利用時(shí)域頻率掃描法求得TCR觸發(fā)角增量△α到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增量間傳遞函數(shù)G(S)的相位特性，在使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增量△ω到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增量ATe間相位特性在士90°之內(nèi)的原則下確定需要補(bǔ)償?shù)臏笙嘟铅担沟肨CR在發(fā)電機(jī)組扭振頻率處能夠提供合適大小的電氣阻尼。具體步驟為(1)時(shí)域仿真時(shí)，在TCR觸發(fā)角上施加一串包含IOHz55Hz，頻率間隔為0.2Hz次同步頻率的小擾動(dòng)信號Aam=cos(2iy0i+φλ)(2)Λ式中，λ為常數(shù)，且小于1；αλ、^分別是頻率為λG^的擾動(dòng)信號的幅值和初相位。(2)施加小擾動(dòng)信號后，一直到電力系統(tǒng)再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，截取一個(gè)公共周期上的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te和TCR觸發(fā)角α。(3)將上述2個(gè)量(發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te和TCR觸發(fā)角α)進(jìn)行Fourier分解，求得TCR觸發(fā)角增量Δ%到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增量Δ；間傳遞函數(shù)G(S)的相位特性。(4)然后針對發(fā)電機(jī)的每個(gè)扭振模式確定需要補(bǔ)償?shù)臏笙嘟铅?，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增量Δω到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增量ATe間相位特性在士90°之內(nèi)。本發(fā)明方法通過對晶閘管控制電抗器觸發(fā)信號的附加控制，使TCR能夠在發(fā)電機(jī)組各扭振模式附近都能提供正的電氣阻尼，從而達(dá)到抑制次同步諧振的目的。本發(fā)明有物理概念明確、數(shù)學(xué)論證嚴(yán)格、工程實(shí)現(xiàn)方便的優(yōu)勢，并對一般性的SSR阻尼控制器具有普遍的適用性。圖ITCR抑制SSR的基本原理圖；圖2采用本發(fā)明方法的多通道阻尼控制器示意圖；圖3TCR位于高壓側(cè)時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4傳遞函數(shù)G(S)的相位特性；圖5采用本發(fā)明方法時(shí)系統(tǒng)電氣阻尼轉(zhuǎn)矩。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明不受所述具體實(shí)施例所限。采用測試系統(tǒng)如圖3所示，機(jī)械系統(tǒng)軸系由6個(gè)質(zhì)量塊構(gòu)成，依次為高壓缸(HP)、中壓缸(IP)、低壓缸A(LA)、低壓缸B(LB)、發(fā)電機(jī)(GEN)和勵(lì)磁機(jī)(EXC)，包含5個(gè)扭振模式，模式1至5的扭振頻率依次為15.71Ηζ、20·21Ηζ、25·55Ηζ、32·28Hz和47.45Hz。TCR布置在升壓變壓器的高壓側(cè)，TCR采用三角形連接，容量為發(fā)電機(jī)容量的10%，基準(zhǔn)觸發(fā)角α。=135°。TCR的連接變壓器為八八接法，5391^/351^，額定容量為100MVA。本測試模型中串補(bǔ)度為60%。首先在TCR基準(zhǔn)觸發(fā)角上施加一串包含IOHz55Hz，頻率間隔為0.2Hz次同步頻率的小擾動(dòng)信號；施加小擾動(dòng)信號后，一直到測試系統(tǒng)再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，截取一個(gè)公共周期上的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te和TCR觸發(fā)角α。對得到的Te和α進(jìn)行Fourier分解，求得TCR觸發(fā)角增量ΔCin^lj發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增量Δ；間傳遞函數(shù)G(S)的相位特性，如圖4所示。然后根據(jù)發(fā)電機(jī)軸系所有扭振頻率，以它們?yōu)閹V波器的中心頻率，設(shè)計(jì)多通道阻尼控制器，濾波器通帶帶寬取為0.IHz以滿足由測量和計(jì)算誤差帶來的扭振頻率的偏移。帶通濾波器的傳遞函數(shù)為H(S)=4S4+Ds3+Es2+Fs+Gs為拉普拉斯算子，本例中各模式帶通濾波器系數(shù)見表1。表1低相移帶通濾波器系數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>再針對每個(gè)扭振模式設(shè)計(jì)合理的相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)T7^來補(bǔ)償G(s)的相位滯后，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增量△ω到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增量△Te盡量同相。補(bǔ)償環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)通過下式來確定。η=Tb/Ta=(1-sinΦ)/(1+sinΦ)Τα=\Ι{ωχ4η)Tb=nTa式中，ωχ為所選擇的相位補(bǔ)償頻率，φ為ωχ所對應(yīng)的需要補(bǔ)償?shù)臏笙嘟牵琓a、Tb為補(bǔ)償環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)；s為拉普拉斯算子。當(dāng)需要補(bǔ)償?shù)慕嵌容^大時(shí)，可以通過多個(gè)超I+STa前滯后環(huán)節(jié)的級聯(lián)的形式來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算得到各模式頻率處分別補(bǔ)償?shù)南辔?、補(bǔ)償環(huán)節(jié)參和放大環(huán)節(jié)的參數(shù)如表2所7J\ο表2移相補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>確定好TCR附加控制器的參數(shù)后，采集本測試系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差信號Δω，利用多通道帶通濾波器對轉(zhuǎn)速差信號Δω進(jìn)行濾波處理，得到發(fā)電機(jī)軸系的各扭振頻率信號；對各扭振頻率信號分別進(jìn)行放大和相位補(bǔ)償后，進(jìn)行疊加得到附加控制信號。附加控制信號與TCR基準(zhǔn)觸發(fā)角疊加后，對TCR進(jìn)行觸發(fā)控制，為電力系統(tǒng)提供正的電氣阻尼以抑制次同步振蕩。進(jìn)行效果評價(jià)時(shí)，可利用時(shí)域頻率掃描法測量系統(tǒng)的電氣阻尼，驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性，當(dāng)所得的電氣阻尼在發(fā)電機(jī)各扭振頻率處都為正值時(shí)，則說明本發(fā)明方法能夠抑制電力系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩。測量系統(tǒng)電氣阻尼的具體步驟包括(1)對確定的運(yùn)行工作點(diǎn)，待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上施加一串頻率成整數(shù)倍的小值脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩ATm=^ΤλοοΒ{λω0+φλ)λ式中，λ<l，TA、h分別是頻率為λG^的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的幅值和初相位。要求Τλ較小，以使ΔΤω的值不至于破壞系統(tǒng)可線性化的假設(shè)條件。(2)施加脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩后，一直到系統(tǒng)再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，截取一個(gè)公共周期上的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te和發(fā)電機(jī)角頻率ω。(3)將發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te和發(fā)電機(jī)角頻率ω進(jìn)行Fourier分解，得出不同頻率下的ΔTe和Δω。(ATλ(4)根據(jù)雙=Re？求出電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)隊(duì)；當(dāng)所得的電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)隊(duì)(即電氣阻尼)在各扭振頻率處都為正值時(shí)，所設(shè)計(jì)的控制器能夠抑制系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩。采用本發(fā)明方法后系統(tǒng)電氣阻尼轉(zhuǎn)矩如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，每個(gè)扭振頻率附近所對應(yīng)的電氣阻尼都為正值，此時(shí)系統(tǒng)SSR穩(wěn)定。權(quán)利要求一種基于晶閘管控制電抗器的抑制電力系統(tǒng)次同步振蕩的方法，其特征在于，以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差信號作為晶閘管控制電抗器附加控制器的輸入信號，通過對該輸入信號進(jìn)行放大和相位補(bǔ)償?shù)玫礁郊涌刂菩盘?，通過該附加控制信號將晶閘管控制電抗器中的無功電流調(diào)制成與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差反相，從而達(dá)到抑制次同步振蕩的目的，所述附加控制信號的生成包括如下步驟(1)采集電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差信號Δω；(2)對轉(zhuǎn)速差信號Δω進(jìn)行濾波處理，得到發(fā)電機(jī)軸系的各扭振頻率信號；(3)對各扭振頻率信號分別進(jìn)行放大和相位補(bǔ)償后，進(jìn)行疊加得到附加控制信號。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(3)中通過多個(gè)超前滯后環(huán)節(jié)分別對各扭振頻率信號進(jìn)行相位補(bǔ)償，超前滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中Ta、Tb為超前滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，n=Tb/Ta=(l-sin(j5)/(l+sin小)；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>Tb=nTa；為發(fā)電機(jī)的軸系扭振頻率；小為所對應(yīng)的需要補(bǔ)償?shù)臏笙嘟恰?.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，利用時(shí)域頻率掃描法求得晶閘管控制電抗器觸發(fā)角增量△a到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增量間傳遞函數(shù)，在使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增量到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增量間相位特性在士90°之內(nèi)的原則下確定需要補(bǔ)償?shù)臏笙嘟切　Ｈ恼景l(fā)明公開了一種基于晶閘管控制電抗器(TCR)的次同步振蕩(SSR)抑制方法，通過時(shí)域頻率掃描法測量出TCR觸發(fā)角α和發(fā)電機(jī)電氣轉(zhuǎn)矩Te的相位關(guān)系，基于相位補(bǔ)償原理，利用多個(gè)模式控制通道，對發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速信號各扭振模式分量分別進(jìn)行濾波、放大和相位補(bǔ)償，使TCR能夠在發(fā)電機(jī)組各危險(xiǎn)扭振模式附近都能提供正的電氣阻尼，從而達(dá)到抑制次同步諧振的目的。本發(fā)明方法具有物理概念明確、工程實(shí)現(xiàn)方便的優(yōu)勢。文檔編號H02P9/00GK101834447SQ20101013087公開日2010年9月15日申請日期2010年3月23日優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日發(fā)明者張靜,徐政,鄭翔申請人:浙江大學(xué)